高中物理新教材同步选择性必修第一册 主题2 第Ⅱ部分 1　波的形成和传播

1 波的形成和传播 [学科素养与目标要求] 物理观念：1.知道机械波的产生条件，理解机械波的形成过程.2.知道横波和纵波的概念.3.知 道机械波传播的特点. 科学思维：通过生活中有关波的素材，建立对波的感性认识，为进一步学习打下基础. 科学探究：通过视频和模拟动画，逐步体会和理解波的形成和传播及横波、纵波的概念. 科学态度与责任：注重学生的亲身体验和实验观察，理解科学本质，形成对科学和技术应有 的正确态度. 一、波的形成和传播 1.波：振动的传播称为波动，简称波. 2.波的形成和传播(以绳波为例) (1)一条绳子可以分成一个个小段，一个个小段可以看做一个个相连的质点，这些质点之间 存在着相互作用. (2)当手握绳端上下振动时，绳端带动相邻质点，使它也上下振动.这个质点又带动更远一些 的质点……绳上的质点都跟着振动起来，只是后面的质点总比前面的质点迟一些开始振动. 二、横波和纵波 定义 标志性物理量 实物波形 横波 质点的振动方向与波的传播 方向相互垂直的波 (1)波峰：凸起的最高处 (2)波谷：凹下的最低处 纵波 质点的振动方向与波的传播 方向在同一直线上的波 (1)密部：质点分布最密的位置 (2)疏部：质点分布最疏的位置 三、机械波 1.介质 (1)定义：波借以传播的物质. (2)特点：组成介质的质点之间有相互作用，一个质点的振动会引起相邻质点的振动. 2.机械波 机械振动在介质中传播，形成了机械波. 3.机械波的特点 (1)介质中有机械波传播时，介质本身并不随波一起传播，它传播的只是振动这种运动形式. (2)波是传递能量的一种方式. (3)波可以传递信息. 1.判断下列说法的正误. (1)质点的振动位置不断转换即形成波.( × ) (2)在绳波的形成和传播中，所有质点同时运动，同时停止运动.( × ) (3)物体做机械振动，一定产生机械波.( × ) (4)质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，这样的波一定是横波.( × ) 2.绳波在某时刻的形状如图1 所示，若O 是波源，则此刻A 点的振动方向________，若O′是 波源，则此刻A 点的振动方向________.(填“向上”或“向下”) 图1 答案 向上 向下 一、波的形成、传播及特点 如图所示，手拿绳的一端，上下振动一次，使绳上形成一个凸起状态，随后形成一个凹落状 态，可以看到，这个凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动.如果在绳子上某处做 一红色标记，观察这一红色标记的运动. (1)红色标记有没有随波迁移？ (2)当手停止抖动后，绳上的波会立即停止吗？ 答案 (1)没有.红色标记只在竖直方向上下振动. (2)不会.当手停止抖动后，波仍向右传播. 1.机械波的形成与传播 2.波的特点 (1)振幅：像绳波这种一维(只在某个方向上传播)机械波，若不计能量损失，各质点的振幅相 同. (2)周期(频率)：各质点都在做受迫振动，所以各质点振动的周期(频率)均与波源的振动周期 (频率)相同. (3)步调：离波源越远，质点振动越滞后. (4)运动：各质点只在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移.各质点的起振方向都与波源 开始振动的方向相同. (5)实质：机械波向前传播的是振动这种运动形式，同时也可以传递能量和信息. 例1 如图2 所示，是某绳波形成过程的示意图.质点1 在外力作用下沿垂直于直线方向做 简谐运动，带动2、3、4、…各个质点依次上下振动，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： 图2 (1)t＝时，质点8、12、16 的运动状态(是否运动、运动方向)如何？ (2)t＝时，质点8、12、16 的运动状态如何？ 答案 见解析 解析 各质点在各时刻的情况，如图所示： (1)由甲图可知，t＝时，质点8 未达到波峰，正在向上运动，质点12、16 未运动. (2)由乙图可知，t＝时，质点8 正在向下运动，质点12 向上运动，质点16 未运动. 波动过程中各质点的运动规律可用三句话来描述： 1先振动的质点带动后振动的质点. 2后振动的质点重复前面质点的振动. 3后振动的质点的振动状态落后于先振动的质点. 概括起来就是“带动、重复、落后”. 针对训练 (多选)下列关于机械波的说法中，正确的是( ) A.波传播过程中，质点也随着波移动 B.相邻质点间必有相互作用力 C.前一质点的振动带动相邻的后一质点的振动，后一质点的振动必定落后于前一质点的振动 D.离波源越远，质点的振动频率越小 答案 BC 二、横波和纵波 如图所示， (1)图甲是绳波，其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系？ (2)图乙是声波，其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系？ 答案 (1)相互垂直. (2)在同一条直线上. 横波和纵波的区别 (1)质点的振动方向与波的传播方向的关系不同：横波中，质点的振动方向与波的传播方向 垂直；纵波中，质点的振动方向与波的传播方向在同一条直线上. (2)传播介质不同：横波只能在固体介质中传播；纵波在固体、液体和气体中均能传播. (3)特征不同：横波中交替、间隔出现波峰和波谷；纵波中交替、间隔出现密部和疏部. 例2 关于横波和纵波，下列说法正确的是( ) A.振源上下振动形成的波是横波 B.振源水平振动形成的波是纵波 C.波沿水平方向传播，质点上下振动，这类波是横波 D.质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，这类波是纵波 答案 C 解析 根据横波和纵波的概念，质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波叫做横波，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，与上下振动或水平振动无关，故 A、B 选项错误，C 选项正确；质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，并不能说明是沿 同一直线，故D 选项错误. 三、振动与波的关系 1.区别 (1)研究对象不同——振动是单个质点在平衡位置附近的往复运动，是单个质点的“个体行 为”；波动是振动在介质中的传播，是介质中彼此相连的大量质点将波源的振动传播的“群 体行为”. (2)力的来源不同——产生振动的回复力，可以由作用在物体上的各种性质的力提供；而引 起波动的力，则总是联系介质中各质点的弹力. (3)运动性质不同——振动是质点的变加速运动；而波动是匀速直线运动，传播距离与时间 成正比. 2.联系 (1)振动是波动的原因，波动是振动的结果；有波动必然有振动，有振动不一定有波动. (2)波动的性质、频率和振幅与振源相同. 例3 (多选)关于振动和波的关系，下列说法中正确的是( ) A.振动是波的成因，波是振动的传播 B.振动是单个质点呈现的运动现象，波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.波源停止振动时，波立即停止传播 答案 AB 解析 机械波的产生条件是有波源和介质.由于介质中的质点之间相互作用，一个质点的振 动带动相邻质点的振动并由近及远传播而形成波，所以选项A、B 正确；波的传播速度是波 形由波源向外传播的速度；而质点振动的速度和方向都随时间周期性地发生变化，选项C 错误；波源一旦将振动传给了介质，振动就会在介质中向远处传播；当波源停止振动时，介 质仍然继续传播波源振动的运动形式，不会因波源停止振动而立即停止传播，选项D 错误. 四、由“带动法”确定质点的振动方向 带动法 原理：先振动的质点带动邻近的后振动的质点. 方法：在质点P 靠近波源一方附近的图象上另找一点P′，P′为先振动的质点，若P′在P 上方， 则P 向上运动，若P′在P 下方，则P 向下运动.如图3 所示. 图3 例4 一列横波沿绳子向右传播，某时刻绳子形成如图4 所示的形状，对此时绳上A、B、 C、D、E、F 六个质点说法正确的是( ) 图4 A.质点B 向右运动 B.质点D 和质点F 的速度方向相同 C.质点A 和质点C 的速度方向相同 D.从此时算起，质点B 比质点C 先回到平衡位置 答案 D 解析 波传播时，离波源远的质点的振动落后于离波源近的质点的振动，并跟随着离波源近 的质点振动，D 跟随C 向上运动，F 跟随E 向下运动，同理，A 向下运动，C 向上运动，由 此可知选项B、C 错误；由于此时B 和C 都向上运动，所以B 比C 先到达最大位移处，并先 回到平衡位置，选项A 错误，D 正确. [学科素养] 例4 考查了质点振动方向的确定方法，先振动的质点带动邻近的后振动的质点. 这是从物理学视角对基于事实构建的振动模型中各质点运动规律及相互关系的分析，体现了 “科学思维”的学科素养. 1.(波的形成和传播)(2018·临漳一中高二下学期期中)如图5 所示是某绳波形成过程的示意图， 1、2、3、4……为绳上的一系列等间距的质点，绳处于水平方向.质点1 在外力作用下沿竖 直方向做简谐运动，带动2、3、4……各个质点依次上下振动，把振动从绳的左端传到右端. t＝0 时质点1 开始竖直向上运动，经过四分之一周期，质点5 开始运动.下列判断正确的是( ) 图5 A.t＝时质点5 的运动方向向下 B.t＝时质点8 的速度方向向上 C.t＝时质点12 的运动方向向下 D.t＝T 时质点17 开始向下运动 答案 B 2.(横波和纵波)有关纵波与横波，下列说法中正确的是( ) A.对于纵波，质点的振动方向与波的传播方向一定相同 B.对于横波，质点振动方向与波的传播方向垂直 C.纵波的质点可以随波迁移，而横波的质点不能 D.横波只能在固体中传播，纵波只能在液体、气体中传播 答案 B 解析 纵波质点振动方向与传播方向在一条直线上，方向并不一定相同，故A 选项错误； 机械波的质点只是在其平衡位置附近做简谐运动，并不随波迁移，横波和纵波都是这样，故 C 选项错误；横波只能在固体中传播，纵波可在固体、液体和气体中传播，故D 选项错误. 3.(振动与波的关系)(多选)关于机械波和机械振动，下列说法中正确的是( ) A.机械振动就是机械波，机械波就是机械振动 B.有机械波，则一定有机械振动 C.机械波就是质点在介质中的运动路径 D.在波传播方向上各个质点都有相同的振动频率和振幅 答案 BD 解析 机械振动在介质中传播，形成了机械波，A 错；波的形成有两个条件，一是要有波源， 二是要有介质，所以，有机械波一定有机械振动，B 对；在波的形成和传播过程中，各质点 不随波迁移，C 错；离波源较远的质点依靠前面质点的带动，所以频率、振幅相同，D 对. 4.(由“带动法”确定质点的振动方向)振源A 带动细绳上各点上下做简谐运动，t＝0 时刻绳 上形成的波形如图6 所示.规定绳上质点向上运动的方向为x 轴的正方向，则P 点的振动图 象是( ) 图6 答案 B 解析 由“带动法”可知此时P 点从平衡位置开始向下运动，B 正确. 一、选择题 考点一 波的形成、传播和特点 1.在敲响古刹里的大钟时，有的同学发现，停止对大钟的撞击后，大钟仍“余音未绝”，主 要原因是( ) A.大钟的回声 B.大钟在继续振动，空气中继续形成声波 C.人的听觉发生“暂留” D.大钟虽停止振动，但空气仍在振动 答案 B 解析 停止对大钟的撞击后，大钟的振动不会立即停止，振动的能量不会立即消失，大钟会 做一段时间的阻尼振动，因此还会在空气中形成声波，这就是“余音未绝”的原因，所以选 项B 正确. 2.在一平静的湖面上漂浮着一轻木块，向湖中投入一石块，在湖面上激起水波，关于木块的 运动情况，以下说法正确的是( ) A.因为“随波逐流”，木块将被推至远处 B.因不知道木块离波源的远近如何，所以无法确定木块的运动情况 C.无论木块离波源的远近如何，它都不能被波推动，最多只能在湖面上做上下振动 D.木块被推动的距离与木块的质量大小和所受水的阻力的大小等情况有关 答案 C 解析 波传播的是振动这种形式，各质点在各自平衡位置附近做简谐运动，并不随波迁移， 故A、B、D 错误，C 正确. 3.(多选)关于机械波的说法正确的是( ) A.相邻的质点要相互做功 B.机械波在真空中也能传播 C.波源开始时怎样振动，其他质点开始时就怎样振动 D.除波源外，波中各质点都做受迫振动 答案 ACD 解析 机械波是由于介质中前面的质点带动后面的质点运动，使波源的振动形式与波源的能 量向远处传播而形成的，前、后质点间存在相互作用力，因而相互做功，故A 正确；机械 波的传播必须有介质，在真空中不能传播，故B 错误；波源依次带动后面的质点，每个质 点都做受迫振动，每个质点的频率都与波源频率相同，并且都“仿照”波源振动，故C、D 正确. 4.(多选)关于机械波的形成，下列说法中正确的是( ) A.物体做机械振动，一定产生机械波 B.后振动的质点总是跟着先振动的质点振动，只是时间上落后一步 C.参与振动的质点都有相同的频率 D.机械波是质点随波迁移，也是振动能量的传递 答案 BC 解析 机械波的形成必须具备的两个条件：波源和介质，物体做机械振动，若其周围没有传 播这种振动的介质，远处的质点不可能振动起来形成机械波，故A 选项错误；形成机械波 的各振动质点只在各自的平衡位置附近做简谐运动，并不随波迁移，故D 选项错误. 5.一列简谐横波在介质中传播，当波源质点突然停止振动时，介质中其他质点的振动及能量 传递的情况是( ) A.所有质点都立即停止振动 B.已经振动的质点将继续振动，未振动的质点则不会振动 C.能量将会继续向远处传递 D.能量传递随即停止 答案 C 6.关于机械波，下列说法中正确的是( ) A.自然界所刮的风就是一种机械波 B.波不仅能传递能量，而且参与振动的质点也在随波迁移 C.波将波源的振动形式传播出去的同时，也可以传递信息 D.传播机械波的介质一定是可以自由流动的 答案 C 考点二 横波和纵波 7.区分横波和纵波的依据是( ) A.是否沿水平方向传播 B.质点振动的方向和波传播的远近 C.质点振动的方向和波传播的方向是相互垂直还是在同一直线上 D.质点振动的快慢 答案 C 8.(2018·南昌十中高二下学期期中)下列关于纵波的说法中，正确的是( ) A.在纵波中，波的传播方向就是波中质点的移动方向 B.纵波中质点的振动方向一定与波的传播方向在一条直线上 C.纵波中质点的振动方向一定与波的传播方向垂直 D.纵波也有波峰和波谷 答案 B 9.某地区地震波中的横波和纵波传播速率分别约为4 km/s 和9 km/s.一种简易地震仪由竖直弹 簧振子P 和水平弹簧振子H 组成(如图1 所示).在一次地震中，震源在地震仪下方，观察到两 振子相差5 s 开始振动，则( ) 图1 A.P 先开始振动，震源距地震仪约36 km B.P 先开始振动，震源距地震仪约25 km C.H 先开始振动，震源距地震仪约36 km D.H 先开始振动，震源距地震仪约25 km 答案 A 解析 横波的传播速率小于纵波的传播速率，所以P 先开始振动.由＋5 s＝，可得x＝36 km，故A 正确，B、C、D 错误. 考点三 由“带动法”确定质点的振动方向 10.(2018·商州高二检测)如图2 所示为波沿一条固定的绳子向右刚传播到B 点时的波形，由 图可判断A 点刚开始的振动方向是( ) 图2 A.向左 B.向右 C.向下 D.向上 答案 D 解析 根据带动法可知B 点要向上振动，且所有点的起振方向都相同，所以D 正确. 11.一列简谐横波沿x 轴传播，某时刻的波形如图3 所示，已知此时质点F 的运动方向向y 轴 负方向，则( ) 图3 A.此波向x 轴正方向传播 B.质点C 此时向y 轴正方向运动 C.质点C 将比质点B 先回到平衡位置 D.质点E 的振幅为零 答案 C 解析 因为机械波在传播过程中，靠近波源的质点的振动带动相邻的后面质点的振动，而后 面质点要“模仿”前面质点的振动，所以本题中，已知质点F 的运动方向向y 轴负方向，即 F 质点正在“模仿”右边质点的振动，这说明波源在右边，波从右向左传播，即此波向x 轴 负方向传播，选项A 错误；质点C 此时刚到达最大位移处，速度为0，此后向y 轴负方向运 动，选项B 错误；质点B 要先向y 轴正方向运动到达波峰位置再回到平衡位置，而质点C 直 接从波峰位置回到平衡位置，选项C 正确；振幅指的是质点离开平衡位置的最大距离，虽 然此时质点E 的位移为零，但其振幅不为零，选项D 错误. 12.一列波在介质中向某一方向传播，图4 为此波在某一时刻的波形图，并且此时振动还只 发生在M、N 之间，已知此波的周期为T，Q 质点速度方向在波形图中是向下的，下面说法 中正确的是( ) 图4 A.波源是M，由波源起振开始计时，P 质点已经振动了T B.波源是N，由波源起振开始计时，P 质点已经振动了 C.波源是N，由波源起振开始计时，P 质点已经振动了 D.波源是M，由波源起振开始计时，P 质点已经振动了 答案 C 解析 由于此时Q 质点向下振动，且Q 质点右方邻近质点在Q 质点下方，则波向左传播， N 是波源.经过一个周期，振动从N 点传播到M 点，又因从波源N 起振开始计时，需经T，P 质点才开始振动，故P 质点已振动了，选项C 正确. 二、非选择题 13.如图5 甲所示为波源的振动图象，图乙为均匀介质中同一条直线上等间距的质点在t＝1 s 时的振动状态，其中质点4 刚开始振动.请在图丙中画出t＝5 s 时质点的振动状态. 图5 答案 见解析图 解析 由题图甲知波源振动周期T＝4 s，根据波传播的规律知t＝5 s 时，波源出现在波峰， 质点16 起振.如图所示.