高二物理机械波 1—3节人教实验版知识精讲 17页

高二物理机械波 1—3节人教实验版 ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 机械波 1—3节 二. 知识要点：‎ ‎1、理解波的形成与传播，知道横波和纵波，知道机械波的作用。‎ ‎2、理解波的图像的物理意义，能根据波的图像进行有关判断，以及根据信息作出波的图像。‎ ‎3、知道波长、频率和周期。‎ 三. 重点、难点解析：‎ ‎（一）波的形成和传播 ‎1、机械波 ‎（1）机械波：机械振动在介质中传播形成机械波，机械波可在固、液、气三态物质中传播．‎ ‎（2）形成条件：要形成一列波，必须要有用以引起其他质点振动的那个质点，即波源；要把波源的振动传播出去，必须有介质，故波的形成条件为：①波源 ②介质．‎ ‎（3）传播特点：①波传播时，介质中的质点跟着波源做受迫振动，每个质点的振动频率和周期都与波源相同，各质点的起振方向与波源的起振方向相同，离波源越远的质点，起振越滞后．②波在传递运动形式的同时也传递能量．由于质点间的弹力作用，先振动的 质点要对相邻的后振动的质点做正功，后者对前者做负功，因而离波源近的质点把机械能传递给离波源远的质点．如果把信息加载到波上，波还可以传递信息，如声音，靠声波的传递使人与人之间通过语言的交流相互沟通和了解．‎ 说明：波传播的只是振动这种运动形式，介质的每个质点只在自己平衡位置附近振动，并不随波迁移．‎ ‎2、横波和纵波 按质点的振动方向和波的传播方向的关系，可把机械波分成横波和纵波．‎ ‎（1）横波：质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，叫做横波．如上下抖动长绳的一端，就会有一列波沿绳传播出去，质点的振动方向在竖直方向，波的传播方向在水平方向，二者垂直，应是横波．在横波中，凸起的最高处叫做波峰，凹下去的最低处叫做波谷，横波在传播时呈现出凹凸相间的波形，‎ ‎（2）纵波：质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波，叫做纵波．如把一根长而软的螺旋弹簧竖直提起来，手有规律地上下振动，可以看到弹簧上有一列疏密相间的波自上而下传播开去，这列波的传播方向在竖直方向上，由于手的带动，各质点的振动方向也在竖直方向上，二者在同一直线上，是一列纵波．‎ 在纵波中，质点分布最密的位置叫做密部，质点分布最疏的位置叫做疏部．‎ 说明：①横波是物体的形状发生了变化而产生弹力作用所致，由于只有固体才有固定的形状，也只有固体发生形变时才产生弹力，所以只有在弹性固体里才能产生横波．②产生纵波时，物体的各部分经常在压缩和拉长，也就是说经常在改变自己的体积，在体积改变时，固体内固然要产生弹力，液体和气体也要产生弹力，所以纵波在这三种状态的介质中都能传播．‎ ‎3、振动与波动的区别与联系 ‎（1）两者的联系：①振动是波动的起因，波动是振动在介质中的传播．②没有振动一定没有波动，但没有波动不一定没有振动．‎ ‎（2）两者的区别：①从研究对象看：振动是一个质点或一个物体在某一平衡位置附近做往复运动；而波动是介质中大量质点依次发生振动而形成的“集体运动”．②从运动原因看：振动是质点所受回复力作用的结果；而波动是由于介质中相邻质点的带动作用而形成的．③从运动性质看：各质点的振动是变加速运动，而波动是匀速直线运动，传播距离与时间成正比．④从能量的变化看：振 动系统是动能与势能相互转换，如果是简谐振动，在动能与势能相互转换过程中总的机械能保持不变；而波在传播过程中，由振源带动它相邻的质点运动．即振源将机械能传递给它的相邻质点，这个质点再将能量传递给下一个质点，因此说波的传播过程也是一个能量传播过程，当波源停止振动，不再向外传递能量时，各个质点的振动也会相继停下来．‎ 例1. 关于振动和波的关系，下列说法中错误的是 A. 振动是形成波的原因，波动是振动的传播 B. 振动是单个质点呈现的运动现象，波动是许多质点联合起来呈现的运动现象 C. 波的传播速度就是质点振动的速度 D. 对于均匀介质中的机械波，各质点在做变速运动，而波的传播速度是不变的 解析：机械波的产生条件是有波源和介质，介质中的质点依次带动由近及远传播而形成波，所以 A、B是正确的；波的传播速度是波形由波源向外伸展的速度，在均匀介质中其速度大小不变，而质点振动的速度大小和方向都随时间周期性地发生变化，故C错误，D正确．‎ 答案：C ‎（二）波的图像 ‎1、由波的图像可获取的信息：‎ ‎（1）该时刻各质点的位移．‎ ‎（2）质点振动的振幅A．‎ ‎（3）因加速度方向和位移方向相反，可确定任一质点在该时刻的加速度方向．‎ ‎（4）若已知波的传播方向，可确定各质点在该时刻的振动方向，并判断位移、加速度、速度、动量、动能的变化．‎ 具体方法：‎ ‎①特殊点法：在质点P靠近波源一方附近（同在内）图像上另找一点P’，若P’在P上方，则P向上运动，若P’在P下方，则P向下运动．‎ ‎②微平移法：作出经微小时间△t（△t<）后的波形，就知道了各质点经过△t时间到达的位置，运动方向也就知道了．‎ ‎③上、下坡法：“上坡下，下坡上．”即沿波的传播方向看“上坡”的所有质点均向下振动，“下坡”的所有质点均向上振动，如下图．‎ 同理，若已知某质点的振动方向，可确定波的传播方向．‎ ‎2. 振动图像与波的图像的关系？‎ 振动是一个质点随时间的推移而呈现的现象，波动是全部质点联合起来共同呈现的现象．‎ 简谐运动和其引起的简谐波的振幅、频率相同，二者的图像有相同的正弦（余弦）曲线形状，但二者的图像是有本质区别的，见表：‎ 特点 振动图像 波动图像 相同点 图线形状 正（余）弦曲线 正（余）弦曲线 纵坐标y 不同时刻某一质点的位移 某一时刻介质中所有质点的位移 纵坐标最大值 振幅 振幅 不同点 描述对象 某一个振动质点 一群质点（x轴上各个点）‎ 物理意义 振动位移y随时间t的变化关系 x轴上所有质点在某一时刻振动的位移y 横坐标 表示时间t 表示介质中各点的平衡位置离原点的距离x 横轴上相邻两个步调总一致的点之间的距离的含义 表示周期T 表示波长 图随时间变化情况 图线随时间延伸，原有部分图形不变 整个波形沿波的传播方向平移，不同时刻波形不同 运动情况 质点做简谐运动属非匀变速运动 波在同一均匀介质中是匀速传播，介质的质点做简谐运动 比喻 一人独舞的录像 集体舞的剧照 其他 频率和周期 在图中直接识读周期T 已知波速v时，根据图中可求出 两者联系 质点的振动是组成波动的基本要素之一 波动是由许多质点振动所组成，但在图象上波形变化无法直接看出，若知波的传播方向和某时刻的波形图，则可以讨论波动中各质点的振动情况 ‎ 例2. 如图所示是一列横波某时刻的波形图，试根据波形图回答下列问题：‎ ‎（1）该时刻加速度最大的质点有哪几个？‎ ‎（2）速度最大的质点有哪几个？‎ ‎（3）振动方向相同的质点有哪些？这些点的分布有什么规律？‎ ‎（4）如果这列波沿x轴负方向传播，质点3的速度方向如何？‎ 解析：（1）加速度最大的质点一定是位移最大的质点，所以该时刻质点2、6、10、14的加速度最大，但方向不相同．‎ ‎（2）该波是简谐波，质点做简谐运动，因此处在平衡位置的质点速度最大，分别是0、4、8、12、16质点．‎ ‎（3）该时刻具有相同振动方向的质点是 O、1、7、8、9、15、16．与上述质点振动方向相反的质点是：3、4、5、1l、12、13．其规律是：从波形图上看相同增减性的单调区间上各质点的振动方向相同，相邻的单调区间上质点振动方向相反．‎ ‎（4）如果该波沿x轴负方向传播，则质点3的速度方向向下。‎ ‎（三）波长、频率和波速 ‎1、波长、波速、频率三者的决定因素 ‎（或），在这三个量中，它们各自的决定因素分别为：波速v完全由介质的性质决定，即在同种介质内，机械波的传播速度是相同的，f完全由波源的频率决定，波的频率也就是波源振动的频率，由同一波源激发的波，由一种介质传入另一种介质时，波速可能改变，但频率不会改变，由，波长取决于介质的性质和波源的频率．‎ 说明：波速由介质的性质决定，与波的频率、质点的振幅无关，在同一种均匀介质中波速为一定值；波速与质点的振动速度是两码事，波速是振动形式匀速传播出去的速度，方向与波传播方向相同，质点的振动速度是质点在平衡位置附近振动时的速度，大小、方向均随时间改变．‎ ‎2、如何由波速方向及某时刻的波形图线画出另一时刻的波形图线？‎ 方法一：平移法：先算出经△t时间波传播距离△s＝，再把波形往波传播的方向推进即得．又因波形推进波长整数倍时，波形和原来重合，所以实际处理时通常采用去整留零的方法处理．‎ 方法二：特殊点法：取相距／4以内的两个特殊点（波峰、平衡位置或波谷、平衡位置）来研究，根据两质点的振动方向，判出两质点经△t后的位置，过这两位置画出相应的正弦曲线即得．‎ ‎3、波的“双向性”和“周期性”‎ ‎“双向性”与“周期性”‎ 是波的两个基本特征，波的这两个特征决定了波的问题常具有多解性，对于那些有限条件的问题，一般先分析问题的通解，然后再根据限制条件得到所需的那些特解，这样可有效地防止漏解．‎ 例3. 如图中实线为一列简谐波在时刻的波形图，虚线是它在＋0.5s时的波形图．‎ ‎（1）求这列波的可能传播速度；‎ ‎（2）若3T