第十二章1波的形成和传播

1、第十二章机械波 1波的形成和传播 1.1.简谐运动具有简谐运动具有_和对称性。和对称性。 2.2.简谐运动的回复力由简谐运动的回复力由_提供。提供。 3.3.简谐运动的能量与简谐运动的能量与_有关有关, ,对同一个系统来说对同一个系统来说,_,_越越 大大, ,振动的能量就越大。振动的能量就越大。 4.4.物体在周期性驱动力作用下的振动称为物体在周期性驱动力作用下的振动称为_。 周期性周期性 合力或某个分力合力或某个分力 振幅振幅振幅振幅 受迫振动受迫振动 一、波的形成和传播及波的实质一、波的形成和传播及波的实质 1.1.绳波形成原因绳波形成原因( (如图如图):): 研究对象研究对象 绳子每

2、一部分看作绳子每一部分看作_ 平衡位置平衡位置 _ _时质点所在的位置时质点所在的位置 外因外因 外来的扰动引起绳中的某一质点振动外来的扰动引起绳中的某一质点振动 内因内因 绳中各质点之间存在着绳中各质点之间存在着_ 过程过程 绳端质点带动绳端质点带动_振动振动, ,并依次并依次 带动邻近质点振动由近及远带动邻近质点振动由近及远 质点质点 无外来扰动无外来扰动 相互作用力相互作用力 周围质点周围质点 2.2.介质介质: : (1)(1)定义定义: :波借以波借以_的物质。的物质。 (2)(2)特点特点: :组成介质的质点之间有组成介质的质点之间有_,_,一个质点的振一个质点的振 动会引起相邻质

3、点的振动。动会引起相邻质点的振动。 传播传播 相互作用相互作用 3.3.机械波机械波: : (1)(1)定义定义:_:_在介质中传播在介质中传播, ,形成机械波。形成机械波。 (2)(2)产生条件产生条件 要有要有_。 要有传播振动的要有传播振动的_。 (3)(3)机械波的实质机械波的实质 传播振动这种运动传播振动这种运动_。 传递能量的一种传递能量的一种_。依靠介质中各个质点间的相互作。依靠介质中各个质点间的相互作 用力而使各相邻质点依次做机械振动来传递波源的能量。用力而使各相邻质点依次做机械振动来传递波源的能量。 机械振动机械振动 机械振动机械振动 介质介质 形式形式 方式方式 二、波的分

4、类二、波的分类 机械波可分为横波和纵波两类机械波可分为横波和纵波两类, ,其波形及描述对比如下其波形及描述对比如下: : 定义定义标识性物理量标识性物理量实物波形实物波形 横横 波波 质点的振动质点的振动 方向与波的方向与波的 传播方向相传播方向相 互互_的波的波 波峰波峰: :凸起的凸起的_ 波谷波谷: :凹下的凹下的_ 绳上形成横波绳上形成横波 纵纵 波波 质点的振动质点的振动 方向与波的方向与波的 传播方向在传播方向在 _ 上的波上的波 密部密部: :质点分布质点分布_ 的位置的位置 疏部疏部: :质点分布质点分布_ 的位置的位置 纵波纵波 垂直垂直 最高处最高处 最低处最低处 同一直线

5、同一直线 最密最密 最疏最疏 【思考辨析】【思考辨析】 1.1.判断正误判断正误: : (1)(1)质点的振动位置不断转换即形成波。质点的振动位置不断转换即形成波。( () ) (2)(2)在绳波的形成和传播中在绳波的形成和传播中, ,所有质点同时运动所有质点同时运动, ,同时停止运同时停止运 动。动。( () ) (3)(3)在绳波的形成和传播中在绳波的形成和传播中, ,所有质点的运动是近似的匀速直所有质点的运动是近似的匀速直 线运动。线运动。( () ) (4)(4)机械波传播的是能量和振动形式机械波传播的是能量和振动形式, ,机械波不能在真空中传机械波不能在真空中传 播。播。( () )

6、 (5)(5)横波在固体、液体、气体中都能传播横波在固体、液体、气体中都能传播, ,纵波只能在气体中纵波只能在气体中 传播。传播。( () ) 提示提示: :(1)(1)。某质点的振动位置不断转换不能形成波。某质点的振动位置不断转换不能形成波, ,如弹簧如弹簧 振子的往复运动。振子的往复运动。 (2)(2)。在绳波的形成和传播中。在绳波的形成和传播中, ,由波源开始振动由波源开始振动, ,并带动邻近并带动邻近 质点由近及远依次振动质点由近及远依次振动, ,不是所有质点同时运动不是所有质点同时运动, ,同时停下。同时停下。 (3)(3)。在绳波的形成和传播中。在绳波的形成和传播中, ,所有质点依

7、次振动所有质点依次振动, ,做的不是做的不是 匀速直线运动。匀速直线运动。 (4)(4)。机械波的传播依靠质点间的相互作用。机械波的传播依靠质点间的相互作用, ,在真空中机械波在真空中机械波 不能传播。不能传播。 (5)(5)。纵波可以在固体中传播。纵波可以在固体中传播。 2.2.问题思考问题思考: : 当地震发生时当地震发生时, ,地震波在地球内部和地表传播地震波在地球内部和地表传播, ,有时使人感到左有时使人感到左 右摇晃右摇晃, ,有时感到上下颠簸有时感到上下颠簸, ,由此可见地震波是什么波由此可见地震波是什么波? ? 提示提示: :震源往往在地下某个深度的地方震源往往在地下某个深度的地

8、方, ,地震发生时地震发生时, ,人感到上人感到上 下颠簸是因为有纵波下颠簸是因为有纵波, ,感到左右摇晃是因为有横波。所以感到左右摇晃是因为有横波。所以, ,地震地震 波既含有纵波成分又含有横波成分。波既含有纵波成分又含有横波成分。 一、机械波的形成及特点一、机械波的形成及特点 1.1.机械波的形成机械波的形成: : 2.2.波的特点波的特点: : (1)(1)振幅振幅: :像绳波这种一维像绳波这种一维( (只在某个方向上传播只在某个方向上传播) )机械波机械波, ,若若 不计能量损失不计能量损失, ,各质点的振幅相同。各质点的振幅相同。 (2)(2)周期周期: :各质点振动的周期均与波源的

9、振动周期相同。各质点振动的周期均与波源的振动周期相同。 (3)(3)步调步调: :离波源越远离波源越远, ,质点振动越滞后。质点振动越滞后。 (4)(4)运动运动: :各质点只在各自的平衡位置附近振动各质点只在各自的平衡位置附近振动, ,并不随波迁移。并不随波迁移。 (5)(5)实质实质: :机械波向前传播的是振动这种运动形式机械波向前传播的是振动这种运动形式, ,同时也传递同时也传递 能量和信息。能量和信息。 【学而后思】【学而后思】 (1)(1)振动和波的关系是什么振动和波的关系是什么? ?有振动是否一定有机械波有振动是否一定有机械波? ? 提示提示: :波源和介质是形成机械波的必要条件波

10、源和介质是形成机械波的必要条件, ,二者缺一不可二者缺一不可, ,有有 振动不一定有机械波振动不一定有机械波, ,有机械波一定有振动。有机械波一定有振动。 (2)(2)机械波形成后机械波形成后, ,若波源停止振动若波源停止振动, ,机械波会立即消失吗机械波会立即消失吗? ? 提示提示: :波源停止振动后波源停止振动后, ,机械波传递的能量并没有立即消失机械波传递的能量并没有立即消失, ,因因 此机械波不会立即消失。此机械波不会立即消失。 【典例【典例1 1】如图所示为沿水平方向的介质中的部分质点，每相如图所示为沿水平方向的介质中的部分质点，每相 邻两质点间距离相等，其中邻两质点间距离相等，其中

11、O O为波源。设波源的振动周期为为波源。设波源的振动周期为T T， 自波源通过平衡位置竖直向下振动时开始计时，经过自波源通过平衡位置竖直向下振动时开始计时，经过 质点质点 1 1开始起振，则下列关于各质点的振动和介质中的波的说法中开始起振，则下列关于各质点的振动和介质中的波的说法中 正确的是正确的是( )( ) T 4 A.A.介质中所有质点的起振方向都是竖直向下的，但图中质点介质中所有质点的起振方向都是竖直向下的，但图中质点9 9 起振最晚起振最晚 B.B.图中所有质点的起振时间都是相同的，起振的位置和起振的图中所有质点的起振时间都是相同的，起振的位置和起振的 方向是不同的方向是不同的 C.

12、C.图中质点图中质点8 8的振动完全重复质点的振动完全重复质点7 7的振动，只是质点的振动，只是质点8 8振动时，振动时， 通过平衡位置或最大位移的时间总是比质点通过平衡位置或最大位移的时间总是比质点7 7通过相同位置时通过相同位置时 落后落后 D.D.只要图中所有质点都已振动了，质点只要图中所有质点都已振动了，质点1 1与质点与质点9 9的振动步调就的振动步调就 完全一致，但如果质点完全一致，但如果质点1 1发生的是第发生的是第100100次振动，则质点次振动，则质点9 9发生发生 的就是第的就是第9898次振动次振动 T 4 【解题探究】【解题探究】(1)(1)经过一个周期，哪一个质点开始

13、起振？经过一个周期，哪一个质点开始起振？ 提示：提示：每经过每经过 相邻下一个序号的质点开始振动，所以经过相邻下一个序号的质点开始振动，所以经过 一个周期，质点一个周期，质点4 4开始起振。开始起振。 (2)(2)质点开始起振时的振动情况和波源相同吗？质点开始起振时的振动情况和波源相同吗？ 提示：提示：波传播的是振动形式，故每个质点起振时的振动情况波传播的是振动形式，故每个质点起振时的振动情况 与波源相同。与波源相同。 T 4 ， 【标准解答】【标准解答】选选A A、C C、D D。据波的传播特点知，波传播过程中。据波的传播特点知，波传播过程中 各质点的振动总是重复波源的振动，所以起振方向相同

14、，都是各质点的振动总是重复波源的振动，所以起振方向相同，都是 竖直向下，但从时间上来说，起振依次落后竖直向下，但从时间上来说，起振依次落后 的时间，所以选的时间，所以选 项项A A、C C正确，正确，B B项错误；由题意知，质点项错误；由题意知，质点9 9比质点比质点1 1应晚起振两应晚起振两 个周期，所以当所有质点都起振后，质点个周期，所以当所有质点都起振后，质点1 1与质点与质点9 9步调完全一步调完全一 致，所以选项致，所以选项D D正确。正确。 T 4 【总结提升】【总结提升】波动过程中介质中各质点的运动特点波动过程中介质中各质点的运动特点 波动过程中介质中各质点的振动周期都与波源的振

15、动周期相同波动过程中介质中各质点的振动周期都与波源的振动周期相同, , 其运动特点可用三句话来描述其运动特点可用三句话来描述, ,即先振动的质点带动后振动的即先振动的质点带动后振动的 质点质点; ;后振动的质点重复前面质点的振动后振动的质点重复前面质点的振动; ;后振动质点的振动状后振动质点的振动状 态落后于先振动的质点。概括起来就是态落后于先振动的质点。概括起来就是“带动、重复、落后带动、重复、落后”。 【变式训练】【变式训练】在机械波中有在机械波中有( () ) A.A.各质点都在各自的平衡位置附近振动各质点都在各自的平衡位置附近振动 B.B.相邻质点间必有相互作用力相邻质点间必有相互作用

16、力 C.C.前一质点的振动带动相邻的后一质点振动前一质点的振动带动相邻的后一质点振动, ,后一质点的振动后一质点的振动 必定落后于前一质点必定落后于前一质点 D.D.各质点也随波的传播而迁移各质点也随波的传播而迁移 【解析】【解析】选选A A、B B、C C。振源的振动使其周围质点依次振动。振源的振动使其周围质点依次振动, ,之所之所 以能依次振动下去以能依次振动下去, ,就是依靠了相邻质点间的相互作用力就是依靠了相邻质点间的相互作用力; ;沿波沿波 的传播方向的传播方向, ,后一质点的振动必滞后于前一质点的振动后一质点的振动必滞后于前一质点的振动; ;质点只质点只 在平衡位置附近振动在平衡位

17、置附近振动, ,并不随波迁移并不随波迁移, ,故故A A、B B、C C正确正确,D,D错误。错误。 【变式备选】【变式备选】图甲中有一条均匀的绳图甲中有一条均匀的绳,1,1、2 2、3 3、4 4 是绳上一是绳上一 系列等间距的点。现有一列简谐横波沿此绳传播。某时刻系列等间距的点。现有一列简谐横波沿此绳传播。某时刻, ,绳绳 上上9 9、1010、1111、1212四点的位置和运动方向如图乙所示四点的位置和运动方向如图乙所示( (其他点的其他点的 运动情况未画出运动情况未画出),),其中点其中点1212的位移为零的位移为零, ,向上运动向上运动, ,点点9 9的位移的位移 达到最大值。试在图

18、丙中画出再经过达到最大值。试在图丙中画出再经过 周期时的波形图。周期时的波形图。 3 4 【解析】【解析】从题中图乙可以看出从题中图乙可以看出, ,在图乙所示的时刻在图乙所示的时刻, ,该均匀绳上该均匀绳上 点点9 9达到最大位移时达到最大位移时, ,点点1212正通过平衡位置向上运动正通过平衡位置向上运动, ,因而由图因而由图 乙中点乙中点9 9、1010、1111、1212所在位置点连成的那段曲线代表在该均所在位置点连成的那段曲线代表在该均 匀绳上传播的简谐横波在图乙所示时刻的四分之一波形图。由匀绳上传播的简谐横波在图乙所示时刻的四分之一波形图。由 这段波形可以画出在该均匀绳上传播的简谐横

19、波在图乙所示时这段波形可以画出在该均匀绳上传播的简谐横波在图乙所示时 刻的从点刻的从点0 0到点到点1212的波形图。由图乙中表示的波形图和点的波形图。由图乙中表示的波形图和点9 9、1010、 1111、1212四个点的运动方向四个点的运动方向, ,可以判断出在均匀绳上传播的简谐可以判断出在均匀绳上传播的简谐 横波是向右传播的。由于介质中质点都在各自的平衡位置附近横波是向右传播的。由于介质中质点都在各自的平衡位置附近 往复运动往复运动, ,所以再经过所以再经过 周期周期, ,点点9 9在平衡位置在平衡位置, ,而点而点1212到达负的到达负的 最大位移处。由此可得出点最大位移处。由此可得出点

20、9 9到点到点1212间的波形。由这段波形也间的波形。由这段波形也 就知道了这一时刻整条绳上的波形。如图丙所示。就知道了这一时刻整条绳上的波形。如图丙所示。 答案答案: :见解析见解析 3 4 二、横波与纵波二、横波与纵波 机械波可以分为横波和纵波机械波可以分为横波和纵波, ,两种波比较如下两种波比较如下: : 名称名称 项目项目 横波横波纵波纵波 概念概念 在波动中在波动中, ,质点的振动方质点的振动方 向和波的传播方向相互向和波的传播方向相互 垂直垂直 在波动中在波动中, ,质点的振动方质点的振动方 向和波的传播方向在一向和波的传播方向在一 条直线上条直线上 介质介质只能在固体介质中传播只

21、能在固体介质中传播 在固体、液体和气体介在固体、液体和气体介 质中均能传播质中均能传播 特征特征 在波动中交替、间隔出在波动中交替、间隔出 现波峰和波谷现波峰和波谷 在波动中交替、间隔出在波动中交替、间隔出 现密部和疏部现密部和疏部 【学而后思】【学而后思】 (1)(1)绳波、声波、水波各属于横波还是纵波绳波、声波、水波各属于横波还是纵波? ? 提示提示: :绳波是横波绳波是横波, ,声波是纵波声波是纵波, ,水波不是横波也不是纵波水波不是横波也不是纵波, ,它属它属 于比较复杂的机械波。于比较复杂的机械波。 (2)(2)纵波中各质点的振动方向是否与波的传播方向始终相同纵波中各质点的振动方向是

22、否与波的传播方向始终相同? ? 提示提示: :在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向在同一直线在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向在同一直线 上上, ,而不是方向相同。而不是方向相同。 【典例【典例2 2】下列关于横波、纵波的说法正确的是下列关于横波、纵波的说法正确的是( () ) A.A.凸凹相间的波叫横波凸凹相间的波叫横波, ,凸起的最高处叫波峰凸起的最高处叫波峰, ,凹下的最低处叫凹下的最低处叫 波谷波谷 B.B.质点振动方向和波的传播方向在同一直线上的波叫横波质点振动方向和波的传播方向在同一直线上的波叫横波 C.C.沿横向传播的波叫横波沿横向传播的波叫横波, ,沿纵向传播的波叫纵波沿

23、纵向传播的波叫纵波 D.D.沿横向传播的波叫纵波沿横向传播的波叫纵波, ,沿纵向传播的波叫横波沿纵向传播的波叫横波 【解题探究】【解题探究】(1)(1)横波和纵波最本质的区别是什么横波和纵波最本质的区别是什么? ? 提示提示: :质点的振动方向与波的传播方向垂直的波是横波质点的振动方向与波的传播方向垂直的波是横波, ,质点的质点的 振动方向与波的传播方向平行的波是纵波。振动方向与波的传播方向平行的波是纵波。 (2)(2)能够传播横波的介质是否就不能传播纵波了能够传播横波的介质是否就不能传播纵波了? ? 提示提示: :有的介质中既可以传播横波有的介质中既可以传播横波, ,也可以传播纵波也可以传播

24、纵波, ,具体是哪具体是哪 一种波一种波, ,要根据振动方向与波传播方向间的关系判定。要根据振动方向与波传播方向间的关系判定。 【标准解答】【标准解答】选选A A。质点的振动方向与波的传播方向垂直的波。质点的振动方向与波的传播方向垂直的波 为横波为横波, ,质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波为质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波为 纵波纵波,B,B、C C、D D错误错误; ;横波具有波峰和波谷横波具有波峰和波谷,A,A正确。正确。 【变式训练】【变式训练】关于横波和纵波关于横波和纵波, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( () ) A.A.对于横波和纵波对于横波和纵波,

25、,质点的振动方向和波的传播方向有时相同质点的振动方向和波的传播方向有时相同, , 有时相反有时相反 B.B.对于纵波对于纵波, ,质点的振动方向与波的传播方向一定相同质点的振动方向与波的传播方向一定相同 C.C.形成纵波的质点形成纵波的质点, ,随波一起迁移随波一起迁移 D.D.空气介质只能传播纵波空气介质只能传播纵波 【解析】【解析】选选D D。横波质点的振动方向与传播方向相互垂直。横波质点的振动方向与传播方向相互垂直, ,纵波纵波 质点的振动方向与传播方向有时相同质点的振动方向与传播方向有时相同, ,有时相反有时相反, ,故故A A、B B均错误均错误; ; 介质中的质点都是在平衡位置附近

26、做往复运动介质中的质点都是在平衡位置附近做往复运动, ,不会随波定向不会随波定向 移动移动, ,故故C C项错误。因为空气介质只能通过压缩而产生相互作用项错误。因为空气介质只能通过压缩而产生相互作用 力力, ,故空气中的机械波只能是纵波故空气中的机械波只能是纵波, ,故故D D项正确。项正确。 【典例】【典例】如图所示为波源开始振动后经过一个周期的波形图如图所示为波源开始振动后经过一个周期的波形图, , 设介质中质点振动周期为设介质中质点振动周期为T,T,下列说法正确的是下列说法正确的是( () ) A.A.若若M M质点为波源，则质点为波源，则M M质点开始振动时方向向下质点开始振动时方向向

27、下 B.B.若若M M质点为波源，则质点为波源，则P P质点已经振动了质点已经振动了 C.C.若若N N质点为波源，则质点为波源，则P P质点已经振动了质点已经振动了 D.D.若若N N质点为波源，则该时刻质点为波源，则该时刻P P质点动能最大质点动能最大 考查内容考查内容关于波的传播的问题关于波的传播的问题 3 T 4 3 T 4 【解析】【解析】选选C C。若。若M M质点为波源，相当于质点为波源，相当于N N质点追随它左边的质质点追随它左边的质 点，又因为是经过一个周期的波形，此时点，又因为是经过一个周期的波形，此时N N质点的振动方向向质点的振动方向向 上，即为波源开始振动的方向。振动

28、刚刚传到上，即为波源开始振动的方向。振动刚刚传到N N质点，质点，P P质点质点 已振动了已振动了 A A、B B错。若错。若N N质点为波源，则开始振动的方向质点为波源，则开始振动的方向 向下，向下，P P质点已振动了质点已振动了 又因为又因为P P质点离平衡位置最远，故质点离平衡位置最远，故 此时速度为零，动能最小，故此时速度为零，动能最小，故C C对、对、D D错。错。 1 T 4 ， 3 T 4 ， 关于机械波的形成和传播的四个认识误区关于机械波的形成和传播的四个认识误区 误区误区1:1:误认为只要有波源就一定能形成波误认为只要有波源就一定能形成波 产生误区的原因是没有正确认识形成机械波的条件有两个产生误区的原因是没有正确认识形成机械波的条件有