第1節(jié) 波的形成和描述

第3章機械波第1節(jié)波的形成和描述核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)知道機械波的形成過程和形成條件，了解波的傳播特點。(2)知道橫波和縱波的概念。(3)掌握波長、頻率和波速的概念。(4)識別波的圖像和振動圖像。科學思維(1)學會用圖像描述機械波的方法，理解波的圖像的物理意義。(2)理解波長、頻率、波速的關系，并能結合波的圖像分析解決波傳播的問題?？茖W探究(1)觀察并探究繩波的產(chǎn)生與傳播。(2)觀察并探究彈簧形成的波。科學態(tài)度與責任認識到物理研究是對自然現(xiàn)象進行抽象的創(chuàng)造性工作，培養(yǎng)對物理學習的興趣。續(xù)表一、波的形成與傳播1．波的形成：__________在介質中傳播形成機械波。2．波的傳播(1)要有，即能夠引起其他質點振動的質點。(2)要有傳播振動的______。

有波源和有介質是形成機械波的必要條件，二者缺一不可，有振動不一定有機械波，有機械波一定有振動。機械振動介質二、波的分類1．機械波可分為橫波和縱波兩類

橫波縱波定義質點的振動方向與波的傳播方向______的波質點的振動方向與波的傳播方向在_________上的波標識性物理量①波峰：橫波中凸起的_______②波谷：橫波中凹下的_______①密部：縱波中質點分布_____的位置②疏部：縱波中質點分布_____的位置實物波形垂直同一直線最高處最低處最密最疏2．聲波和地震波(1)聲波是______，它不僅能在空氣中傳播，也能在固體、液體中傳播。(2)地震波既包含____波，又包含____波。橫波引起地面水平晃動，縱波引起地面上下顛簸，且縱波在地球內部的傳播速度大于橫波。三、波的描述1．波的圖像

波的圖像描述的是某一時刻各個質點的位移。如果介質中各個質點做簡諧運動，它所形成的波就叫________，它的波形曲線是一條正弦(或余弦)曲線?？v波橫縱簡諧波2．波的特征波源質點f波源相鄰總是相同一個波長T傳播的距離傳播時間λf介質本身續(xù)表1．如圖所示，用手抓住繩子的一端用力上下振動，就形成一列繩波。試判斷下列說法的正誤。(1)在繩波的形成和傳播中，所有質點同時運動，同時停止運動。

()(2)在繩波的形成和傳播中，所有質點的運動是近似的勻速直線運動。

()(3)波的形成過程中，前面的質點帶動后面的質點振動，后面的質點重復前面質點的振動。

()××√2．科學探測表明，月球表面無大氣層，也沒有水，更沒有任何生命存在的痕跡。如圖所示，在月球上兩名宇航員面對面講話卻無法聽到，請分析其原因？提示：宇航員發(fā)出的聲波為機械波，傳播需要介質，而月球上沒有空氣，聲波無法傳播。3．一列波的圖像如圖甲所示，其中某一點的振動圖像如圖乙所示。

(1)如何區(qū)分波的圖像與振動圖像。(2)兩種圖像縱坐標的最大值相同嗎？提示：(1)最簡單的方法是看橫坐標，振動圖像的橫坐標是時間t，波的圖像的橫坐標是傳播距離x。(2)相同，都等于振幅。新知學習(一)|機械波的形成和傳播[任務驅動]如圖所示，手拿繩的一端，上下振動一次，使繩上形成一個凸起狀態(tài)，隨后形成一個凹下狀態(tài)，可以看到，這個凸起狀態(tài)和凹下狀態(tài)在繩上從一端向另一端移動。如果在繩子上某處做一紅色標記，觀察這一紅色標記的運動。(1)紅色標記有沒有隨波遷移？(2)當手停止抖動后，繩上的波會立即停止嗎？提示：(1)沒有，紅色標記只在豎直方向上下振動。(2)不會，當手停止抖動后，已產(chǎn)生的波仍向另一端傳播。

[重點釋解]1．機械波的形成2．機械波的特點(1)振幅：像繩波這種只在某個方向上傳播的機械波，若不計能量損失，各質點的振幅相同。(2)周期：各質點振動的周期均與波源的振動周期相同。(3)步調：離波源越遠，質點振動越滯后。(4)運動：各質點只在各自的平衡位置附近做往復振動，并不隨波遷移。(5)實質：機械波向前傳播的是振動這種運動形式，同時也傳遞能量和信息。3．振動和波動的區(qū)別與聯(lián)系

振動波動區(qū)別研究對象單個質點在平衡位置附近的往復運動，研究的是單個質點的“個體行為”振動在介質中的傳播，研究的是大量質點將波源振動傳播的“群體行為”力的來源可以由作用在物體上的各種性質力提供介質中各質點間的彈力運動性質質點做變加速運動在同一均勻介質中傳播速度不變聯(lián)系因果關系振動是波動的原因，波動是振動在介質中傳播的結果；有波動必然有振動，但有振動不一定有波動頻率關系波動的頻率與振動的頻率相同[答案]見解析圖/方法技巧/波動過程中介質中各質點的運動特點波動過程中介質中各質點的振動周期都與波源的振動周期相同，其運動特點可用三句話來描述：(1)先振動的質點帶動后振動的質點；(2)后振動的質點重復前面質點的振動；(3)后振動質點的振動狀態(tài)落后于先振動的質點。概括起來就是“帶動、重復、落后”。[針對訓練]1．(多選)關于機械波的形成和傳播，下列說法中正確的是

(

)A．機械波只能在介質中傳播，波源周圍如果沒有介質，就不能形成機械波B．離波源較近的質點總比離波源較遠的質點振動得遲一些C．離波源較近的質點總比離波源較遠的質點振動得早一些D．一旦波源振動起來，介質中的各個質點也就立刻振動起來解析：機械波形成的條件是有波源和介質，兩者缺少一個就不能形成機械波；機械波的形成可表述為離波源近的質點帶動離波源遠的質點振動，故離波源近的質點振動得早一些。所以選項A、C正確。答案：AC2．(2023·龍巖高二檢測)一頻率為5Hz的振源O做簡諧運動時形成的水波如圖所示。已知該波的波速為1m/s，到振源O的距離為0.75m和1.2m處分別有一片可看成質點的小樹葉P和Q，則下列說法正確的是

(

)A.兩片樹葉的起振方向相反B．水波的波長為0.2mC．Q的起振時刻比P的晚半個周期D．當Q在波谷時，P恰好到波峰新知學習(二)|橫波和縱波的比較[任務驅動]2023年2月6日，土耳其發(fā)生7.8級地震，造成了重大人員傷亡和財產(chǎn)損失，我國及時派出了多支救援隊趕赴現(xiàn)場展開救援工作。當?shù)卣鸢l(fā)生時，地震波在地球內部和地表傳播，有時使人感到左右搖晃，有時使人感到上下顛簸。請思考：(1)地震波是橫波還是縱波？(2)橫波與縱波的根本區(qū)別是什么？提示：(1)地震波既有橫波成分，也有縱波成分。(2)橫波與縱波的根本區(qū)別是質點的振動方向與波的傳播方向之間的關系。

[重點釋解]1．橫波與縱波的比較名稱項目橫波縱波概念在波動中，質點的振動方向和波的傳播方向相互垂直在波動中，質點的振動方向和波的傳播方向在一條直線上介質只能在固體介質中傳播在固體、液體和氣體介質中均能傳播特征在波動中間隔、交替出現(xiàn)波峰和波谷在波動中間隔、交替出現(xiàn)密部和疏部2．對波的認識的兩點提醒(1)水波的認識方面：水波既不是橫波也不是縱波，它屬于比較復雜的機械波。(2)縱波的認識方面：在縱波中各質點的振動方向與波的傳播方向在同—直線上，而不是方向相同。[針對訓練]1．(多選)機械波按質點振動方向與波傳播方向的關系可分為橫波和縱波。關于介質中質點的振動方向和波的傳播方向，下列說法正確的是

(

)A．在橫波中二者方向有時相同B．在橫波中二者方向一定不同C．在縱波中二者方向有時相同D．在縱波中二者方向一定不同解析：在橫波中質點的振動方向和波的傳播方向相互垂直，所以二者方向一定不同，故A錯，B對；在縱波中二者方向在同一直線上，既可以相同，也可以相反，故C對，D錯。答案：BC2．對于橫波和縱波，下列說法中正確的是

(

)A．質點在水平面內振動的波一定是橫波B．質點振動方向與波傳播方向都在水平面內的波一定是橫波C．某時刻橫波中波峰和波谷處的質點位移都是最大D．橫波中波峰處質點位移最大，波谷處質點位移最小解析：物理學中，把質點的振動方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波，把質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，所以質點在水平面內振動的波不一定是橫波；質點振動方向與波傳播方向都在水平面內的波不一定是橫波，故A、B錯誤；橫波中波峰和波谷處振動情況總是相反，橫波中波峰和波谷處的質點位移都是最大，故C正確，D錯誤。答案：C3．(多選)某地發(fā)生7.1級強地震，若恰好在震源(位于地下)正上方地區(qū)的一個觀測站記錄的縱波和橫波的到達時刻相差5s，已知在這一地區(qū)地震波的縱波和橫波的傳播速率分別為9km/s和4km/s，若近似認為波的速度恒定，則下列判斷正確的是

(

)A．地震時，震源正上方地區(qū)的建筑物先左右振動、后上下振動B．地震時，震源正上方地區(qū)的建筑物先上下振動、后左右振動C．震源距該觀測站的距離為25kmD．震源距該觀測站的距離為36km答案：BD

新知學習(三)|波的圖像的理解和應用[重點釋解]1．由波的圖像獲得的三點信息(1)可以直接看出在該時刻沿傳播方向上各個質點的位移。(2)可以直接看出在波的傳播過程中各質點的振幅A。(3)若已知該波的傳播方向，可以確定各質點的振動方向；或已知某質點的振動方向，可以確定該波的傳播方向。2．波的圖像的周期性

在波的傳播過程中，各質點都在各自的平衡位置附近振動，不同時刻質點的位移不同，則不同時刻波的圖像不同。質點的振動位移做周期性變化，則波的圖像也做周期性變化。經(jīng)過一個周期，波的圖像復原一次。3．波的傳播方向的雙向性

如果只知道波沿x軸傳播，則有可能沿x軸正向傳播，也可能沿x軸負向傳播，具有雙向性。[典例體驗][典例]

一列簡諧橫波某時刻的波形圖如圖所示。此后K質點比L質點先

回到平衡位置。下列判斷正確的是(

)A．該簡諧橫波沿x軸負方向傳播B．此時K質點沿y軸正方向運動C．此時K質點的速度比L質點的小D．此時K質點的加速度比L質點的小[解析]

由題知K質點比L質點先回到平衡位置，則此時K質點應沿y軸負方向運動，再根據(jù)“上下坡法”可知，該波應沿x軸正方向傳播，A、B錯誤；L質點在波谷處，則L質點的速度為0，故此時K質點的速度比L質點的大，C錯誤；由于質點在豎直方向做機械振動，根據(jù)F＝－ky＝ma，結合波的圖像可看出yL＞yK，則此時K質點的加速度比L質點的小，選項D正確。[答案]

D[拓展]

(多選)對應[典例]的情境，圖中M點和K點從圖中時刻開始計時，其振動圖像為

(

)[解析]由于已判斷出波沿x軸正方向傳播，可知該時刻K點和M點振動方向都向下，故K點的振動圖像應為D；M點的振動圖像應為B。[答案]

BD/方法技巧/判斷質點振動方向與波的傳播方向的四種常用方法(1)上下坡法沿波的傳播方向看，“上坡”的點向下運動，“下坡”的點向上運動，簡稱“上坡下，下坡上”。如圖甲所示。(2)微平移法原理：波向前傳播，波形也向前平移。方法：作出經(jīng)微小時間Δt后的波形，就知道了各質點經(jīng)過Δt時間到達的位置，此刻質點振動方向也就知道了。如圖乙所示。甲乙丙丁[針對訓練]1．

如圖所示，實線為簡諧波在時刻t的圖像，虛線為簡諧波

經(jīng)Δt時間后的圖像。則下列說法中正確的是

(

)A．這列簡諧波一定沿x軸正向傳播B．這列簡諧波一定沿x軸負向傳播C．實線上的質點a經(jīng)Δt時間后位于虛線上a1位置D．實線上的質點a經(jīng)Δt時間后位于虛線上a2位置解析：經(jīng)Δt時間后的波形可能是t時刻的波形向右平移(向右傳播)得到的，也可能是向左平移(向左傳播)得到的，根據(jù)題意無法判斷，A、B錯誤；波上質點在平衡位置上下振動，并不隨波遷移，故C錯誤，D正確。答案：D新知學習(四)|波長、頻率和波速的關系及應用[典例體驗][典例]如圖甲為某一列波在t＝1.0s時的圖像，圖乙為這列波中質點P的振動圖像。(1)該波的振幅、周期、波長各為多少？提示：A＝0.2m，T＝1.0s，λ＝4m。(2)該波的波速是多少？(3)如果該波由一種介質進入另一種不同的介質，試說明周期、頻率、波長、波速中不變的物理量有哪些？為什么？

提示：不變的物理量是周期和頻率，這兩個物理量由波源決定，與介質無關。(4)再經(jīng)過3.5s時，質點P的路程是多大？(5)試判斷波的傳播方向。

提示：由振動圖像知，t＝1.0s時，質點P振動方向為y軸負方向，結合甲圖像可知波沿x軸負方向傳播。[系統(tǒng)歸納]1．關于波長的定義 “相鄰質點”和“相對平衡位置的位移和振動方向總是相同”是波長定義的關鍵，二者缺一不可。2．波速的決定因素(1)機械波的波速只與傳播介質的性質有關。同一列波在不同介質中傳播速度不同；不同頻率的同種機械波在同一介質中傳播速度相等。(2)波在同一均勻介質中是勻速傳播的。它向外傳播的是振動的形式，而不是將質點向外遷移，質點的振動是一種變加速運動，因此質點的振動速度時刻在變。3．波速公式的理解[針對訓練]1．一列沿x軸正方向傳播的簡諧橫波，傳播速度v＝10m/s，t＝0時位于坐標原點的質點從平衡位置沿y軸正方向運動，下列圖形中哪個是t＝0.6s時的波形

(

)答案：B2．(2022·廣東高考)如圖所示，某同學握住軟繩的一端周期性上下抖動，在繩上激發(fā)了一列簡諧波。從圖示時刻開始計時，經(jīng)過半個周期，繩上M處的質點將運動至__________(選填“N”“P”或“Q”)處。加快抖動，波的頻率增大，波速________(選填“增大”“減小”或“不變”)。解析：在簡諧波的傳播過程中，介質中的質點只能在平衡位置兩側做簡諧運動，在圖示時刻，質點M位于波峰處，則經(jīng)過半個周期，M將振動到波谷處，即圖中的P點處。由于波速由介質決定，與頻率無關，故加快抖動，波速不變。答案：P不變一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

科學思維——波的形成1．(選自人教版新教材課后練習)如圖是以質點P為波源的機械波在繩

上傳到質點Q時的波形。

(1)請判斷此機械波的類型。(2)P點從平衡位置剛開始振動時，是朝著哪個方向運動的？解析：(1)由波的傳播方向和質點振動方向互相垂直，可知該機械波為橫波。(2)由波的傳播特點可知，P點剛開始振動的方向為豎直向上。答案：(1)橫波(2)豎直向上

科學態(tài)度與責任——地震波的認識2．(選自滬科版新教材課后練習)2011年3月11日，日本宮城縣發(fā)生了里氏9.0級地震并引發(fā)海嘯，造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。從這一事件中，你能進一步理解(地震)波本質上傳播的是什么嗎？提示：由于發(fā)生強烈的地震時會產(chǎn)生巨大的能量，發(fā)生在海底的地震將這些能量傳遞給海水，引發(fā)海嘯，所以地震波本質上傳播的是能量。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．圖中展示了一張骨牌倒下時引起的相鄰骨牌依次倒下的照片，以及一陣風吹過麥地形成的麥浪滾滾的景象。關于骨牌和麥浪的運動，下列說法正確的是

(

)A．骨牌的運動形成了波，麥子的運動形成的不是波B．麥子的運動形