3.1.1 波的形成和描述 课件 2026-2027学年高二上学期物理鲁科版选择性必修第一册

第1节 波的形成和描述(第1课时) 学习目标 1. 知道什么是机械波和机械波的形成条件及过程。 2. 能区别横波和纵波，知道什么是波峰和波谷、密部和疏部。 3. 知道波在传播振动形式的同时也传播能量和信息。 4. 理解波的图像。 5. 理解波长、频率和波速的物理意义及其关系。 一、波的形成和传播 1. 机械波： 在介质中传播形成的波。 2. 形成条件： 和 ⁠。 机械振动 波源 介质 知识梳理： 以绳波为例。 (1)设想把绳分成许多小的部分，每一小部分可视为质点，相邻两质点间 有 ⁠。 (2)如图所示，质点1在外力作用下振动后，会 质点2振动，只是质 点2的振动要比质点1 。振动由发生区域向远处 ⁠。 相互作用 带动 滞后一些 传播 3. 波的形成。 (3)各质点依次振动，在同一时刻各质点的空间位置不同，因此从整条绳看 就形成了凸凹相间的波形，波形随时间沿 出去，从而形 成了波。 传播方向传播 二、波的分类 类型 定义 特征 横波 质点的振动方向与波的 传播方向 ⁠的波 波峰：凸起的 ⁠ 波谷：凹下的 ⁠ 纵波 质点的振动方向与波的 传播方向在 ⁠ ⁠上的波 密部：质点分布 ⁠的地方 疏部：质点分布 ⁠的地方 垂直 最高处 最低处 同一直 线 最密 最疏 三、波的描述 1. 波的图像。 (1)获得方法。 方法一： 在绳波传播的某个 拍下照片，就能得到该时刻的 ⁠。 方法二： ①建立坐标系：用横坐标x表示沿波的传播方向上各个质点的 ⁠ ，用纵坐标y表示各质点离开平衡位置的 ⁠。 时刻 波形 平衡位 置 位移 ②描点：在坐标系中描出一系列点，使各点的横坐标为对应质点的平衡位 置x，纵坐标为该质点离开平衡位置的位移y。 ③连线：用一条 的曲线把描的点连起来，就得到该时刻波的图 像，也称波形。 平滑 (2)物理意义：波的图像反映了介质中的 质点在 ⁠时刻 的 情况。 (3)简谐波：波源做 运动时，在各个时刻波的图像是一条正弦(或 余弦)曲线，这种波称为简谐波。 2. 波的特征。 各个 同一 位移 简谐 (1)波的周期和频率：在波动中，各个质点的振动周期或频率 ⁠， 都 波源的振动周期或频率，这个周期或频率就是波的周期或频 率，用T或f表示。 T和f的关系为 ⁠。 相同 等于 T＝ (2)波长。 ①在波动中，两个 的、相对平衡位置的 和 ⁠ 总是 的质点间的距离，称为波长，用λ表示。 ②在横波中，两个 波峰(或波谷)之间的距离等于波长。 相邻 位移 振动方向 相同 相邻 ③在纵波中，两个 密部(或疏部)中央的距离等于波长。 相邻 (3)波速。 ①定义：物理学中，将振动传播的 与传播 ⁠之比称为波 速，波在同种均匀介质中的传播是匀速传播。 ②物理意义：反映波传播 的物理量。 ③特点：通常，机械波在介质中的波速是由 本身的性质决定的。 距离 时间 快慢 介质 (4)波长与波速、周期(或频率)的关系：波速v＝ 或v＝ ⁠。 ​ λf 考点一　机械波的形成与特点 例1　一根粗细均匀的绳子，右侧固定在墙上，A是绳子上的一个质点。一 位同学握住绳子左侧的S点，使其上下振动，某时刻波形如图所示。 (1)质点A有没有随波迁移？ 没有。质点A只在竖直方向上下振动。 典例精析： (2)质点间的振动是如何发生的？ 相邻质点间有相互作用，当介质中某一点发生振动时，就会带动周围的质 点振动起来，从而使振动向远处传播。 (3)该时刻质点A的速度、加速度方向分别是怎样的？ 该时刻质点A的速度方向向上，加速度方向向下。 (4)当手停止抖动后，绳上的波会立即停止吗？ 不会。手停止振动后，波仍向右传播。 归纳: 1. 机械波的形成。 2. 机械波的特点。 (1)机械波传递的是振动形式、能量和信息，介质中各质点本身并不随波的 传播而迁移，而是在各自的平衡位置附近振动。 (2)波动过程：介质中的各个质点都做受迫振动，各个质点振动的周期(频 率)与波源的周期(频率)相同。 (3)各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同。 (4)不考虑能量损失时，各质点振动的振幅相同。 变式训练1: 将较长的绳一端固定在墙上，另一端用手捏住以恒定振幅上下持续振动，产生的绳波沿绳自左向右传播，如图所示时刻，波形刚好传播到A 点。下列判断正确的是(　C　)。 A. 手的起振方向向下 B. 若减小手的振动频率，绳波的传播速度将变小 C. 若增大手的振动频率，绳波的波长将减小 D. 若停止手的振动，绳中波形立即消失 C 变式训练2: 某绳波形成过程的示意图如图所示，质点1在外力作用下沿 垂直直线方向做简谐运动，带动其余质点依次上下振动，把振动从绳的左 端传到右端。已知t＝0时，质点1开始向上运动，t＝时，1到达最上方，5 开始向上运动。问： (1)t＝时，质点8、12、16的运动状态(是否运动、运动方向)如何？画出此 时的波形。 (2)t＝时，质点8、12、16的运动状态如何？画出此时的波形。 (3)比较t＝、t＝、t＝时的波形图，波在形成的过程中波形是直接平移 的吗？ 解：由于质点间的相互作用，前面的质点带动后面的质点振动，所以后面 的质点总是滞后于前面的质点，各质点在t＝、t＝的情况，分别如图 甲、乙所示。 (3)比较t＝、t＝、t＝时的波形图，波在形成的过程中波形不是直接平移的。 解：(1)由图甲可知，t＝ 时，质点8正在向上运动，质点12、16未运动。 (2)由图乙可知，t＝ 时，质点8正在向下运动，质点12正在向上运动， 质点16未运动。 考点二　波的分类 例2　当地震发生时，地震波在地球内部和地表传播，有时使人感到左右 摇晃，有时使人感到上下颠簸。请思考： (1)地震波是横波还是纵波？ 地震波既有横波成分，也有纵波成分。 (2)横波与纵波的根本区别是什么？ 横波与纵波的根本区别是质点的振动方向与波的传播方向之间的关系。 归纳点拨 1. 横波和纵波的区别。 类型 特征 实物波形 横波 交替、间隔出现波峰和波谷 绳上形成横波 纵波 交替、间隔出现密部和疏部 弹簧上形成纵波 2. 常见的机械波。 (1)绳波：横波。 (2)推拉弹簧形成的波：纵波。 (3)空气中产生的声波：纵波。 (4)地震波：既有横波，也有纵波。 (5)水波：既不是横波，也不是纵波。 变式训练1: (多选)地震时会产生横波和纵波，横波的传播速度约为4 km/s，纵波的速度约为6.7 km/s。如图所示，图中地表平面上方柱状图表 示某次地震发生时，震中混凝土地面上的地震监测仪检测到的地震强度 (地震对人、建筑物和自然生物的影响大小)，从检测到信号至横波到达地 表平面的时间间隔为1 s。则下列有关说法正确的是(　CD　)。 A. 震源深度约为15 km B. 图示左下方结构示意图描述的振动形式为横波 C. 图示横波对地面的影响更大 D. 震中附近的建筑物会先上下颠簸后左右摇晃 CD 纵波的传播速度大于横波的传播速度，因此纵波会先到达地面，被检测到 信号，设震源深度为x，由－＝1 s，可得x≈10 km，故A错误；纵波质 点振动方向与波的传播方向共线，横波则垂直波的传播方向振动，因此图 中左下方结构所描述的波为纵波，故B错误；由图中右下方结构的形变情 况和右上方柱状图描述的地震强度可知，横波对地面的影响更大，故C正 确；由于纵波先到达地面，之后横波才到达地面，因此，震中附近的建筑 物会先上下颠簸后左右摇晃，故D正确。 考点三　波的描述 例3　(多选)如图所示，一列简谐横波沿x轴正方向传播，从波传到x＝5 m 的M点时开始计时，已知P点相继出现两个波峰的时间间隔为0.4 s，下列 说法正确的是(　CD　)。 CD A. 波长是5 m B. 各质点开始振动时都是先向上运动 C. 传播速度是10 m/s D. 质点Q(x＝9 m)经过0.7 s才第一次到达波峰 由图可知，该波的波长为4 m，故A错误；简谐横波沿x轴正方向传播，介 质中各质点的起振方向都与图示时刻M点的振动方向相同，均沿y轴负方 向，即各质点开始振动时都是先向下运动，故B错误；已知P点相继出现 两个波峰的时间间隔为0.4 s，波的周期为T＝0.4 s，则波速为v＝＝ m/s ＝10 m/s，故C正确；当图示x＝2 m处质点的振动形式传到质点Q时，Q点 第一次到达波峰，所经过时间为Δt＝＝ s＝0.7 s，故D正确。故选 C、D。 归纳: 1. 波长的三种确定方法。 (1)根据定义确定。 ①在波动中，振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离等于一个波长。 ②波在一个周期内传播的距离等于一个波长。 (2)根据波的图像确定。 ①在波的图像上，振动位移总是相同的两个相邻质点间的距离为一个 波长。 ②在波的图像上，运动状态(速度) 总是相同的两个相邻质点间的距离为一个波长。 ③在波的图像上，两个相邻波峰(或波谷)间的距离为一个波长。 2. 波速的实质：波的传播速度即波形的传播速度。 3. 波从一种介质进入另外一种介质，波源没变，波的频率不会发生变化； 介质的变化导致波速和波长的改变。 4. 波速和波长、频率的决定因素及关系。 (3)根据公式λ＝vT来确定。 物理量 决定因素 关系 周期 和频率 取决于波源，而与v、λ无直接关系 v＝λf或v＝ 波长 波长λ取决于v和T，只要v、T其中一个发 生变化，λ值必然发生变化 波速 取决于介质的物理性质，它与T、λ无直 接关系 变式训练1: 艺术体操是一种艺术性较强的女子竞技性体操项目，运动 员站在场地中以一定频率上下抖动绸带的一端，某时刻绸带形状如图所 示，下列说法中正确的是(　C　)。 A. 此时绸带上P点运动方向向右 B. 绸带自右向左运动呈现波浪状起伏 C. 如果要在该绸带上产生更加密集的波浪状起伏效果，运动员上下抖动 的频率应增大 D. 运动员上下抖动越快，波浪运动的速度越快 C 根据波的传播方向，按照“上坡下，下坡上”的方法可判断此时绸带上P 点运动方向向上，故A错误；绸带自左向右运动呈现波浪状起伏，故B错 误；绸带上产生更加密集的波浪状起伏效果，说明波长变小，而同种介质 中同类型波的传播波速是不变的，根据v＝＝λf，可知运动员上下抖动的 周期变短、频率增大，故C正确，D错误。故选C。 变式训练2: 波源位于原点O的简谐横波沿x轴正方向传播，t＝0时刻波源 开始起振，t′＝1.0 s波刚好传播到点P，此时波形图如图所示，P点的平衡 位置为xP＝1.2 m，Q点的平衡位置为xQ＝3.0 m，此后再经过时间Δt，质 点Q第一次出现在波峰位置。求： (1)该列波的传播速度大小v和周期T； (2)Δt时间内，质点P通过的路程s； s＝0.8 m 1.2 m/s， s (3)写出波源的振动方程。 y＝0.08sin(3πt) m (2)设t＝0时刻距离Q点最近的波峰为M，M点的平衡位置坐标xM＝1.0 m，Δt时间内这列波传播的距离x＝xQ－xM，Δt＝，得Δt＝ s， 根据题意有Δt＝T。t＝0时刻，质点P位于平衡位置， 则Δt时间内，质点P通过的路程s＝×4A，解得s＝0.8 m。 解：(1)根据题图有v＝＝1.2 m/s 设此波的波长为λ，T＝，得 T＝ s。 (3)振动方程为y＝0.08sin(3πt) m。 $