第1节 波的形成和描述

第3章机械波第1节波的形成和描述核心素养导学物理观念(1)知道机械波的形成过程和形成条件，了解波的传播特点。(2)知道横波和纵波的概念。(3)掌握波长、频率和波速的概念。(4)识别波的图像和振动图像。科学思维(1)学会用图像描述机械波的方法，理解波的图像的物理意义。(2)理解波长、频率、波速的关系，并能结合波的图像分析解决波传播的问题。科学探究(1)观察并探究绳波的产生与传播。(2)观察并探究弹簧形成的波。科学态度与责任认识到物理研究是对自然现象进行抽象的创造性工作，培养对物理学习的兴趣。续表一、波的形成与传播1．波的形成：__________在介质中传播形成机械波。2．波的传播(1)要有，即能够引起其他质点振动的质点。(2)要有传播振动的______。

有波源和有介质是形成机械波的必要条件，二者缺一不可，有振动不一定有机械波，有机械波一定有振动。机械振动介质二、波的分类1．机械波可分为横波和纵波两类

横波纵波定义质点的振动方向与波的传播方向______的波质点的振动方向与波的传播方向在_________上的波标识性物理量①波峰：横波中凸起的_______②波谷：横波中凹下的_______①密部：纵波中质点分布_____的位置②疏部：纵波中质点分布_____的位置实物波形垂直同一直线最高处最低处最密最疏2．声波和地震波(1)声波是______，它不仅能在空气中传播，也能在固体、液体中传播。(2)地震波既包含____波，又包含____波。横波引起地面水平晃动，纵波引起地面上下颠簸，且纵波在地球内部的传播速度大于横波。三、波的描述1．波的图像

波的图像描述的是某一时刻各个质点的位移。如果介质中各个质点做简谐运动，它所形成的波就叫________，它的波形曲线是一条正弦(或余弦)曲线。纵波横纵简谐波2．波的特征波源质点f波源相邻总是相同一个波长T传播的距离传播时间λf介质本身续表1．如图所示，用手抓住绳子的一端用力上下振动，就形成一列绳波。试判断下列说法的正误。(1)在绳波的形成和传播中，所有质点同时运动，同时停止运动。

()(2)在绳波的形成和传播中，所有质点的运动是近似的匀速直线运动。

()(3)波的形成过程中，前面的质点带动后面的质点振动，后面的质点重复前面质点的振动。

()××√2．科学探测表明，月球表面无大气层，也没有水，更没有任何生命存在的痕迹。如图所示，在月球上两名宇航员面对面讲话却无法听到，请分析其原因？提示：宇航员发出的声波为机械波，传播需要介质，而月球上没有空气，声波无法传播。3．一列波的图像如图甲所示，其中某一点的振动图像如图乙所示。

(1)如何区分波的图像与振动图像。(2)两种图像纵坐标的最大值相同吗？提示：(1)最简单的方法是看横坐标，振动图像的横坐标是时间t，波的图像的横坐标是传播距离x。(2)相同，都等于振幅。新知学习(一)|机械波的形成和传播[任务驱动]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，随后形成一个凹下状态，可以看到，这个凸起状态和凹下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？提示：(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，已产生的波仍向另一端传播。

[重点释解]1．机械波的形成2．机械波的特点(1)振幅：像绳波这种只在某个方向上传播的机械波，若不计能量损失，各质点的振幅相同。(2)周期：各质点振动的周期均与波源的振动周期相同。(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做往复振动，并不随波迁移。(5)实质：机械波向前传播的是振动这种运动形式，同时也传递能量和信息。3．振动和波动的区别与联系

振动波动区别研究对象单个质点在平衡位置附近的往复运动，研究的是单个质点的“个体行为”振动在介质中的传播，研究的是大量质点将波源振动传播的“群体行为”力的来源可以由作用在物体上的各种性质力提供介质中各质点间的弹力运动性质质点做变加速运动在同一均匀介质中传播速度不变联系因果关系振动是波动的原因，波动是振动在介质中传播的结果；有波动必然有振动，但有振动不一定有波动频率关系波动的频率与振动的频率相同[答案]见解析图/方法技巧/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动周期相同，其运动特点可用三句话来描述：(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]1．(多选)关于机械波的形成和传播，下列说法中正确的是

(

)A．机械波只能在介质中传播，波源周围如果没有介质，就不能形成机械波B．离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得迟一些C．离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得早一些D．一旦波源振动起来，介质中的各个质点也就立刻振动起来解析：机械波形成的条件是有波源和介质，两者缺少一个就不能形成机械波；机械波的形成可表述为离波源近的质点带动离波源远的质点振动，故离波源近的质点振动得早一些。所以选项A、C正确。答案：AC2．(2023·龙岩高二检测)一频率为5Hz的振源O做简谐运动时形成的水波如图所示。已知该波的波速为1m/s，到振源O的距离为0.75m和1.2m处分别有一片可看成质点的小树叶P和Q，则下列说法正确的是

(

)A.两片树叶的起振方向相反B．水波的波长为0.2mC．Q的起振时刻比P的晚半个周期D．当Q在波谷时，P恰好到波峰新知学习(二)|横波和纵波的比较[任务驱动]2023年2月6日，土耳其发生7.8级地震，造成了重大人员伤亡和财产损失，我国及时派出了多支救援队赶赴现场展开救援工作。当地震发生时，地震波在地球内部和地表传播，有时使人感到左右摇晃，有时使人感到上下颠簸。请思考：(1)地震波是横波还是纵波？(2)横波与纵波的根本区别是什么？提示：(1)地震波既有横波成分，也有纵波成分。(2)横波与纵波的根本区别是质点的振动方向与波的传播方向之间的关系。

[重点释解]1．横波与纵波的比较名称项目横波纵波概念在波动中，质点的振动方向和波的传播方向相互垂直在波动中，质点的振动方向和波的传播方向在一条直线上介质只能在固体介质中传播在固体、液体和气体介质中均能传播特征在波动中间隔、交替出现波峰和波谷在波动中间隔、交替出现密部和疏部2．对波的认识的两点提醒(1)水波的认识方面：水波既不是横波也不是纵波，它属于比较复杂的机械波。(2)纵波的认识方面：在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向在同—直线上，而不是方向相同。[针对训练]1．(多选)机械波按质点振动方向与波传播方向的关系可分为横波和纵波。关于介质中质点的振动方向和波的传播方向，下列说法正确的是

(

)A．在横波中二者方向有时相同B．在横波中二者方向一定不同C．在纵波中二者方向有时相同D．在纵波中二者方向一定不同解析：在横波中质点的振动方向和波的传播方向相互垂直，所以二者方向一定不同，故A错，B对；在纵波中二者方向在同一直线上，既可以相同，也可以相反，故C对，D错。答案：BC2．对于横波和纵波，下列说法中正确的是

(

)A．质点在水平面内振动的波一定是横波B．质点振动方向与波传播方向都在水平面内的波一定是横波C．某时刻横波中波峰和波谷处的质点位移都是最大D．横波中波峰处质点位移最大，波谷处质点位移最小解析：物理学中，把质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波，把质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波称为纵波，所以质点在水平面内振动的波不一定是横波；质点振动方向与波传播方向都在水平面内的波不一定是横波，故A、B错误；横波中波峰和波谷处振动情况总是相反，横波中波峰和波谷处的质点位移都是最大，故C正确，D错误。答案：C3．(多选)某地发生7.1级强地震，若恰好在震源(位于地下)正上方地区的一个观测站记录的纵波和横波的到达时刻相差5s，已知在这一地区地震波的纵波和横波的传播速率分别为9km/s和4km/s，若近似认为波的速度恒定，则下列判断正确的是

(

)A．地震时，震源正上方地区的建筑物先左右振动、后上下振动B．地震时，震源正上方地区的建筑物先上下振动、后左右振动C．震源距该观测站的距离为25kmD．震源距该观测站的距离为36km答案：BD

新知学习(三)|波的图像的理解和应用[重点释解]1．由波的图像获得的三点信息(1)可以直接看出在该时刻沿传播方向上各个质点的位移。(2)可以直接看出在波的传播过程中各质点的振幅A。(3)若已知该波的传播方向，可以确定各质点的振动方向；或已知某质点的振动方向，可以确定该波的传播方向。2．波的图像的周期性

在波的传播过程中，各质点都在各自的平衡位置附近振动，不同时刻质点的位移不同，则不同时刻波的图像不同。质点的振动位移做周期性变化，则波的图像也做周期性变化。经过一个周期，波的图像复原一次。3．波的传播方向的双向性

如果只知道波沿x轴传播，则有可能沿x轴正向传播，也可能沿x轴负向传播，具有双向性。[典例体验][典例]

一列简谐横波某时刻的波形图如图所示。此后K质点比L质点先

回到平衡位置。下列判断正确的是(

)A．该简谐横波沿x轴负方向传播B．此时K质点沿y轴正方向运动C．此时K质点的速度比L质点的小D．此时K质点的加速度比L质点的小[解析]

由题知K质点比L质点先回到平衡位置，则此时K质点应沿y轴负方向运动，再根据“上下坡法”可知，该波应沿x轴正方向传播，A、B错误；L质点在波谷处，则L质点的速度为0，故此时K质点的速度比L质点的大，C错误；由于质点在竖直方向做机械振动，根据F＝－ky＝ma，结合波的图像可看出yL＞yK，则此时K质点的加速度比L质点的小，选项D正确。[答案]

D[拓展]

(多选)对应[典例]的情境，图中M点和K点从图中时刻开始计时，其振动图像为

(

)[解析]由于已判断出波沿x轴正方向传播，可知该时刻K点和M点振动方向都向下，故K点的振动图像应为D；M点的振动图像应为B。[答案]

BD/方法技巧/判断质点振动方向与波的传播方向的四种常用方法(1)上下坡法沿波的传播方向看，“上坡”的点向下运动，“下坡”的点向上运动，简称“上坡下，下坡上”。如图甲所示。(2)微平移法原理：波向前传播，波形也向前平移。方法：作出经微小时间Δt后的波形，就知道了各质点经过Δt时间到达的位置，此刻质点振动方向也就知道了。如图乙所示。甲乙丙丁[针对训练]1．

如图所示，实线为简谐波在时刻t的图像，虚线为简谐波

经Δt时间后的图像。则下列说法中正确的是

(

)A．这列简谐波一定沿x轴正向传播B．这列简谐波一定沿x轴负向传播C．实线上的质点a经Δt时间后位于虚线上a1位置D．实线上的质点a经Δt时间后位于虚线上a2位置解析：经Δt时间后的波形可能是t时刻的波形向右平移(向右传播)得到的，也可能是向左平移(向左传播)得到的，根据题意无法判断，A、B错误；波上质点在平衡位置上下振动，并不随波迁移，故C错误，D正确。答案：D新知学习(四)|波长、频率和波速的关系及应用[典例体验][典例]如图甲为某一列波在t＝1.0s时的图像，图乙为这列波中质点P的振动图像。(1)该波的振幅、周期、波长各为多少？提示：A＝0.2m，T＝1.0s，λ＝4m。(2)该波的波速是多少？(3)如果该波由一种介质进入另一种不同的介质，试说明周期、频率、波长、波速中不变的物理量有哪些？为什么？

提示：不变的物理量是周期和频率，这两个物理量由波源决定，与介质无关。(4)再经过3.5s时，质点P的路程是多大？(5)试判断波的传播方向。

提示：由振动图像知，t＝1.0s时，质点P振动方向为y轴负方向，结合甲图像可知波沿x轴负方向传播。[系统归纳]1．关于波长的定义 “相邻质点”和“相对平衡位置的位移和振动方向总是相同”是波长定义的关键，二者缺一不可。2．波速的决定因素(1)机械波的波速只与传播介质的性质有关。同一列波在不同介质中传播速度不同；不同频率的同种机械波在同一介质中传播速度相等。(2)波在同一均匀介质中是匀速传播的。它向外传播的是振动的形式，而不是将质点向外迁移，质点的振动是一种变加速运动，因此质点的振动速度时刻在变。3．波速公式的理解[针对训练]1．一列沿x轴正方向传播的简谐横波，传播速度v＝10m/s，t＝0时位于坐标原点的质点从平衡位置沿y轴正方向运动，下列图形中哪个是t＝0.6s时的波形

(

)答案：B2．(2022·广东高考)如图所示，某同学握住软绳的一端周期性上下抖动，在绳上激发了一列简谐波。从图示时刻开始计时，经过半个周期，绳上M处的质点将运动至__________(选填“N”“P”或“Q”)处。加快抖动，波的频率增大，波速________(选填“增大”“减小”或“不变”)。解析：在简谐波的传播过程中，介质中的质点只能在平衡位置两侧做简谐运动，在图示时刻，质点M位于波峰处，则经过半个周期，M将振动到波谷处，即图中的P点处。由于波速由介质决定，与频率无关，故加快抖动，波速不变。答案：P不变一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养

科学思维——波的形成1．(选自人教版新教材课后练习)如图是以质点P为波源的机械波在绳

上传到质点Q时的波形。

(1)请判断此机械波的类型。(2)P点从平衡位置刚开始振动时，是朝着哪个方向运动的？解析：(1)由波的传播方向和质点振动方向互相垂直，可知该机械波为横波。(2)由波的传播特点可知，P点刚开始振动的方向为竖直向上。答案：(1)横波(2)竖直向上

科学态度与责任——地震波的认识2．(选自沪科版新教材课后练习)2011年3月11日，日本宫城县发生了里氏9.0级地震并引发海啸，造成重大人员伤亡和财产损失。从这一事件中，你能进一步理解(地震)波本质上传播的是什么吗？提示：由于发生强烈的地震时会产生巨大的能量，发生在海底的地震将这些能量传递给海水，引发海啸，所以地震波本质上传播的是能量。二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值1．图中展示了一张骨牌倒下时引起的相邻骨牌依次倒下的照片，以及一阵风吹过麦地形成的麦浪滚滚的景象。关于骨牌和麦浪的运动，下列说法正确的是

(

)A．骨牌的运动形成了波，麦子的运动形成的不是波B．麦子的运动形