《波的形成與描述 第1課時》示范課教學設(shè)計【物理魯科版高中選擇性必修第一冊（新課標）】

8/81波的形成和描述第1課時教學目標能對波動現(xiàn)象進行分析和推理，認識波的形成過程。知道機械波的概念和形成機械波的條件。能用描點法作橫波的圖像，理解波的圖像的物理意義。知道波長、頻率和波速的概念和物理意義。掌握波長、頻率和波速的關(guān)系，能解答有關(guān)問題。教學重難點教學重點機械波的形成過程。橫波、縱波的區(qū)分，機械波的概念。波的圖像的理解。理解波長、頻率和波速的意義及其關(guān)系。教學難點機械波的形成過程及波動形式的理解。正確建立波形圖的物理圖景。知道波長、頻率、波速的決定因素。教學準備軟繩、軟彈簧、多媒體課件教學過程新課引入教師設(shè)問：日常生活中，我們總能見到水波，如果一片樹葉落在水波上，它會怎樣運動呢？播放PPT中水波圖片，生活經(jīng)驗告訴我們樹葉會上下振動，但不會隨波由近及遠的傳播，如何解釋呢？這就需要我們用到波的形成與傳播的相關(guān)知識。講授新課波的形成與傳播圖3-2振動圖3-2振動繩子形成波波的形成如圖3-2，把軟繩的一端系在墻上，用手抓住繩子的另一端上下振動，可看見沿繩傳播的波。實驗表明，當繩的一端在手的作用下振動時，繩的各點都會收到影響并隨之振動起來。同樣，水面上某點的連續(xù)振動沿水面?zhèn)鞑?，就形成了水波。聲帶振動在空氣中傳播形成聲波，地球?nèi)部的運動在地殼中傳播形成地震波。這里振動的繩端、水面上的振動點、振動的聲帶、地震的震源等稱為波源。繩、水、空氣、地殼等都是傳播波的物質(zhì)，稱為介質(zhì)。1．機械波的定義機械振動在介質(zhì)中傳播，形成了機械波．2．機械波的產(chǎn)生條件(1)波源：做機械振動的物體．t=0t=t=0t=14t=1t=34圖3-3波的形成機械振動在介質(zhì)中是怎樣傳播的？我們以繩波為例來說明。理論分析主要分為三步：設(shè)想把一條繩子分成許多小的部分，每一小部分可視為質(zhì)點，相鄰質(zhì)點間有相互作用。如圖3-3所示，質(zhì)點1在外力作用下振動后，會帶動質(zhì)點2振動，只是質(zhì)點2的振動要比質(zhì)點1滯后一些。這樣，前一個質(zhì)點的振動總是帶動后一個質(zhì)點振動，依次帶動下去，振動也就由發(fā)生區(qū)域向遠處傳播。圖3-4舞臺圖3-4舞臺表演的波動在前面的實驗探究中，若在繩上系一根紅絲帶，紅絲帶只上下振動，并不隨波前進。由此可見，機械波向外傳遞的是機械振動這種運動形式，介質(zhì)中每個質(zhì)點僅在平衡位置附近振動，并不隨波向前移動。這有些像球場看臺上精彩的人浪，人浪不斷移動但每個觀眾只需擇時站立舉手即可。舞臺表演的波動，每個舞者也只需做上下動作即可。（圖3-4）介質(zhì)中本來靜止的質(zhì)點，隨著波的傳播而發(fā)生振動，表明這些振動質(zhì)點通過前面的質(zhì)點依次傳來。所以，波在傳遞振動的同時，也將波源的能量傳遞出去。若持續(xù)給波源提供能量，就能持續(xù)以波的形式把波源的能量傳遞出去。因此，波也是傳遞能量的一種方式。機械波的特點：1.介質(zhì)中有機械波傳播時，介質(zhì)本身并不隨波一起傳播。例如繩上或彈簧上有波傳播時，它們的質(zhì)點發(fā)生振動，但質(zhì)點并不隨波遷移，傳播的只是振動這種形式。2.介質(zhì)中本來靜止的質(zhì)點，隨著波的傳來而發(fā)生振動，這表示它獲得了能量。這個能量是從波源通過前面的質(zhì)點依次傳來的，所以波在傳播“振動”這種形式的同時，也將波源的能量傳遞出去。波是傳遞能量的一種方式。3.質(zhì)點的振動重復(fù)波源的振動，起振方向與波源的起振方向相同。波的分類根據(jù)質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向之間的關(guān)系，可把機械波分為橫波與縱波兩類圖3-5圖3-5繩上形成的橫波示意圖定義：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互垂直的波，稱為橫波。橫波凸起的最高處稱為波峰，凹下的最低處稱為波谷。圖3-6圖3-6彈簧上形成縱波示意圖定義：質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向在同一直線上的波，稱為縱波。在縱波中，質(zhì)點分布最密的地方稱為密部，質(zhì)點分布最疏的地方置稱為疏部。圖3-7鼓面圖3-7鼓面振動形成聲波示意圖有的波既包含橫波，又包含縱波如地震波。在震中附近，橫波引起地面水平晃動，縱波引起地面上下顛簸。因為縱波在地球內(nèi)部傳播速度大于橫波，所以地震時，人們一般先感覺上下顛簸，然后才感覺到有很強的水平晃動。橫波是造成地震遭到破壞的主要原因。三、波的描述波在介質(zhì)中傳播時，各質(zhì)點都在平衡位置附近振動，而整個波形不斷地向前傳播。如何描述一列波的運動情況呢？（1）波的圖像圖3-9橫波的波形和圖像若在繩波傳播的某個時刻拍下照片，就能得到該時刻的波形[圖3-9（a）]。這個波形是由同一時刻具有不同位移的繩上各質(zhì)點組成的。用橫坐標x表示沿波傳播方向上各質(zhì)點的平衡位置，用縱坐標y表示各個質(zhì)點離開平衡位置的位移，規(guī)定位移方向上為正值。在坐標平面內(nèi)，以某一時刻各個質(zhì)點的x、y值描出各對應(yīng)點，再把這些點用平滑曲線連接起來，就得到該時刻波的圖象，也稱波形曲線或波形。在波的圖像上，通常用箭頭標出波的傳播方向[圖3-9（b）圖3-9橫波的波形和圖像1.定義：波源做簡諧運動時，在各個時刻波的圖像是一條正弦（或余弦）曲線，這種波稱為簡諧波。它是一種最基本、最簡單的波，其他復(fù)雜的波可視為由若干個簡諧波合成。2.物理意義：反映某一時刻各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移.3.注意：在波的圖像中，每一個質(zhì)點都只在自己的平衡位置附近振動，而不會隨波的傳播向遠處遷移。（2）波的特征觀看動畫，經(jīng)過一個周期T，由質(zhì)點1發(fā)出的振動傳到質(zhì)點13，使質(zhì)點13開始振動。這時質(zhì)點1恰好結(jié)束了一次全振動而開始下一次全振動，此后質(zhì)點1與質(zhì)點13的振動步調(diào)完全一致。也就是說，這兩個質(zhì)點振動的相位相同，它們在任何時刻對平衡位置的位移的大小和方向總是相同的。同樣，質(zhì)點2和1、3和15……它們每一對在振動中的相位也總是相同的。1.波長定義：在波的傳播方向上，振動相位總是相同的兩個相鄰質(zhì)點間的距離，稱為波長，通常用λ表示。在橫波中，兩個相鄰波峰或兩個相鄰波谷之間的距離等于波長。在縱波中，兩個相鄰密部或兩個相鄰疏部之間的距離等于波長。觀察總結(jié)：在波動中，相隔等于波長的兩個點的振動特點：（1）這兩點對平衡位置的位移的大小和方向總保持相同。（2）這兩點速度大小和方向總保持相同。所以：這兩點振動步調(diào)總保持相同。引申：相隔λ整數(shù)倍的兩個質(zhì)點的步調(diào)總是相同。相隔λ/2的兩個質(zhì)點的步調(diào)總是相反；相隔λ/2的奇數(shù)倍兩個質(zhì)點的步調(diào)總是相反。2.周期（頻率）定義：在波動中，各個質(zhì)點的振動周期（頻率）是相同的，它們都等于波源的振動周期（頻率），這個周期（頻率）也稱為波的周期（頻率）。頻率通常用字母f表示，單位是Hz．周期通常用字母T表示，單位是s．幾點說明：波的周期（或頻率）應(yīng)由波源決定，與傳播波的介質(zhì)無關(guān)。每經(jīng)歷一個周期，原有的波形圖不改變。每經(jīng)過一個周期的時間波就沿傳播方向傳播一個波長的距離。3.波速定義：單位時間內(nèi)振動所傳播的距離叫做波速。物理意義:反映振動在介質(zhì)中傳播的快慢程度。經(jīng)過一個周期T，振動在介質(zhì)中傳播的距離等于一個波長λ，所以機械波在介質(zhì)中傳播的速度為：v=而f=所以上式也可以寫成：v=fλ幾點說明：(1)波速的大小由介質(zhì)的性質(zhì)決定，同一列波在不同介質(zhì)中傳播速度不同。(2)一列波在同一均勻介質(zhì)中是勻速傳播的。(3)要區(qū)分波速與質(zhì)點振動速度的含義。機械波在介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，在不同的介質(zhì)中，波速是不同的。例如聲速還與溫度有關(guān)。4.波長、頻率和波速之間的關(guān)系：v=fλ=決定因素：（1）波的頻率只取決于波源，與波速、波長無關(guān)。波在傳播過程中、從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時頻率不變。如聲波在空氣中和水中傳播時頻率不變。（2）波速的大小由介質(zhì)的性質(zhì)決定，與波的頻率、質(zhì)點的振幅無關(guān)。如聲波，在空氣中不管哪種頻率的波傳播速度相同。（3）波長則決定于波速和頻率。波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)波速發(fā)生變化，頻率不變，波長發(fā)生變化；波在同一均勻介質(zhì)中傳播，v不變，當頻率發(fā)生變化，波長也發(fā)生變化。典題剖析例1．(多選)關(guān)于機械波的形成，下列說法正確的是()A．物體做機械振動，一定產(chǎn)生機械波B．后振動的質(zhì)點總是跟著先振動的質(zhì)點重復(fù)振動，只是時間上落后一步C．參與振動的質(zhì)點的振動頻率都相同D．機械波可以傳遞能量和信息答案：BCD解析：若只有物體振動，而周圍沒有傳播這種振動的介質(zhì)，振動不可能由近及遠傳播出去形成機械波，A錯；機械波中各振動質(zhì)點都在重復(fù)波源的振動，振動頻率都等于波源的頻率，只是離波源越遠，振動步調(diào)越落后，B、C正確；機械波中介質(zhì)各質(zhì)點只在自己平衡位置附近振動，不隨波遷移，離波源較遠的質(zhì)點振動的能量是通過離波源近的各質(zhì)點的傳遞從波源獲得的，D對．例2如圖所示為一簡諧橫波在某一時刻的波形圖，此時質(zhì)點A正向上運動，如圖中箭頭所示．由此可斷定此橫波()A．向右傳播，且此時質(zhì)點B正向上運動B．向右傳播，且此時質(zhì)點C正向下運動C．向左傳播，且此時質(zhì)點D正向上運動D．向左傳播，且此時質(zhì)點E正向下運動答案：C解析：根據(jù)質(zhì)點A正向上運動，根據(jù)后面的質(zhì)點的振動總要追隨它前面的質(zhì)點的振動，可判定此列波的波源在右面，故波向左傳播，根據(jù)同一原則可斷定質(zhì)點D和質(zhì)點E都正向上運動．故選項C正確。例3(多選)下圖所示的是一列簡諧波在某一時刻的波形圖象，下列說法中正確的是()A．質(zhì)點A、C、E、G、I在振動過程中位移總是相同B．質(zhì)點B、F在振動過程中位移總是相等C．質(zhì)點D、H的平衡位置間的距離是一個波長D．質(zhì)點A、I在振動過程中位移總是相同，它們的平衡位置間的距離是一個波長答案：BC解析：從圖象中可以看出質(zhì)點A、C、E、G、I在該時刻的位移都是零，由于波的傳播方向是向右的，容易判斷出質(zhì)點A、E、I的速度方向是向下的，而質(zhì)點C、G的速度方向是向上的，因而這五個點的位移不總是相同，A項錯誤；質(zhì)點B、F是同處在波峰的兩個點，它們的振動步調(diào)完全相同，在振動過程中位移總是相等，B項正確；質(zhì)點D、H是處在相鄰的兩個波谷的點，它們的平衡位置之間的距離等于一個波長，C項正確；雖然質(zhì)點A、I在振動過程中位移總是相同，振動步調(diào)也完全相同，但由于它們不是相鄰的振動步調(diào)完全相同的兩個點，它們的平衡位置之間的距離不是一個波長(應(yīng)為兩個波長)，D項錯誤．例4.(多選)對機械波，關(guān)于公式v＝λf，下列說法正確的是()A．v＝λf適用于一切波B．由v＝λf知，f增大，則波速v也增大C．v、λ、f三個量中，對同一列波來說，在不同介質(zhì)中傳播時保持不變的只有fD．由v＝λf知，波長是4m的聲音為