人教版(新教材)高中物理选择性必修1学案：3 2 波的描述

人教版（新教材）高中物理选择性必修第一册PAGEPAGE12波的描述〖学习目标〗1.理解波的图像的物理意义.2.理解波的图像和振动图像的区别.3.掌握波长、频率和波速的关系，并会进行有关计算．一、波的图像1．波的图像的画法(1)建立坐标系，描点用横坐标x表示在波的传播方向上各质点的平衡位置，纵坐标y表示某一时刻各质点偏离平衡位置的位移．得到一系列坐标为(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)，…的点．(2)连线用一条平滑的曲线把各点连接起来就是这一时刻波的图像，有时也称波形图.2．正弦波(简谐波)(1)如果波的图像是正弦曲线，这样的波叫作正弦波，也叫简谐波．(2)简谐波中各质点的振动是简谐运动．3．波形图与振动图像(1)波形图表示介质中的“各个质点”在某一时刻的位移．(2)振动图像表示介质中“某一质点”在各个时刻的位移．二、波长、频率和波速1．波长λ(1)定义：在波的传播方向上，振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离．(2)特征①在横波中，两个相邻波峰或两个相邻波谷之间的距离等于波长．②在纵波中，两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距离等于波长．2．周期T、频率f(1)周期(频率)：在波动中，各个质点的振动周期(或频率)叫波的周期(或频率)．(2)周期T和频率f的关系：f＝eq\f(1,T).(3)波长与周期的关系：经过一个周期T，振动在介质中传播的距离等于一个波长．3．波速(1)定义：机械波在介质中的传播速度．(2)决定因素：由介质本身的性质决定，在不同的介质中，波速是不同(选填“相同”或“不同”)的．(3)波长、周期、频率和波速的关系：v＝eq\f(λ,T)＝λf.1．判断下列说法的正误．(1)波的图像反映的是某一时刻介质中各质点的位移情况．(√)(2)从波的图像可以知道各质点振动的振幅．(√)(3)在波的传播方向上位移始终相同的两质点间的距离等于波长．(×)(4)机械波在介质中的传播速度取决于波源．(×)(5)波的频率由介质决定．(×)(6)根据v＝eq\f(λ,T)可知，机械波的波长越长，波速越大．(×)2.一列简谐横波在某一时刻的波形图如图1所示，由该图像可知该波的振幅为________cm，波长为________m；若该波波源的振动周期为T＝0.2s，则该波的频率f＝________Hz，波速v＝________m/s.图1〖答案〗21.05.05.0一、波的图像1．对波的图像的理解(1)波的图像是某一时刻介质中各个质点运动情况的“定格”．可以将波的图像比喻为某一时刻对所有质点拍摄下的“集体照”．(2)简谐波的图像是正(余)弦曲线，介质中的质点做简谐运动．2．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偏离平衡位置的位移．(2)可以直接看出在波的传播过程中各质点的振幅A及波长．(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．3．波的图像的周期性质点振动的位移做周期性变化，即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．(多选)如图2所示为一列沿x轴正方向传播的简谐横波在某个时刻的波形图，由图像可知()图2A．质点b此时位移为零B．质点b此时向－y方向运动C．质点d的振幅是2cmD．质点a再经过eq\f(T,2)通过的路程是4cm，偏离平衡位置的位移大小是4cm〖答案〗AC〖解析〗由题图波形图知，质点b在平衡位置，所以此时其位移为零，选项A正确；因波沿x轴正方向传播，波源在左侧，由质点振动方向与波的传播方向的关系可知质点b此时向＋y方向运动，选项B错误；简谐波在传播过程中，介质中各质点的振幅相同，所以质点d的振幅是2cm，选项C正确；再经过eq\f(T,2)的时间，质点a将运动到负的最大位移处，通过的路程是4cm，偏离平衡位置的位移大小是2cm，选项D错误．1．在某一时刻各个质点的位移不同，但各个质点的振幅是相同的．2．简谐波中的所有质点都做简谐运动，它们的周期均相同．二、质点振动方向与波传播方向的关系1．带动法：后面质点依次重复前面质点的振动．2．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3所示)．图33．同侧法：在波的图像上的某一点，沿y轴方向画出一个箭头表示质点运动方向，并设想在同一点沿x轴方向画一个箭头表示波的传播方向，那么这两个箭头总是在曲线的同侧(如图4所示)．图44．微平移法：如图5所示，实线为t时刻的波形图，作出微小时间Δteq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(Δt＜\f(T,4)))后的波形如虚线所示，由图可见t时刻的质点P1(P2)经Δt后运动到P1′(P2′)处，这样就可以判断质点的运动方向了．图5(多选)如图6所示为一列简谐波在某一时刻的波形图，此时刻质点F的振动方向如图所示．则()图6A．该波向右传播B．质点B和D的运动方向相同C．质点C比质点B先回到平衡位置D．此时质点F和H的加速度相同〖答案〗CD〖解析〗由“上下坡”法可知，波只有向左传播，此时刻质点F的运动方向才向下，同理，质点D的运动方向也向下，而质点A、B、H的运动方向向上，质点F、H相对各自平衡位置的位移相同，由a＝－eq\f(kx,m)可知，两质点的加速度相同，因质点C直接从最大位移处回到平衡位置，即tC＝eq\f(T,4)，而质点B要先运动到最大位移处，再回到平衡位置，故tB＞eq\f(T,4)＝tC，故C、D正确．三、波长、频率和波速1．波长的三种确定方法(1)定义法：在波动中，振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离等于一个波长．注意两个关键词：“振动相位总是相同”、“两个相邻质点”．“振动相位总是相同”的两质点，在波的图像上振动位移总是相同，振动速度总是相同．(2)图像法①在波的图像上，无论从什么位置开始，一个完整的正(余)弦曲线对应的水平距离为一个波长．②在波的图像上，振动位移总是相同的两个相邻质点间的距离为一个波长．(3)公式法：根据公式λ＝vT来确定．2．波长、频率和波速的关系(1)在一个周期内，振动在介质中传播的距离等于一个波长．波速与波长、周期、频率的关系为v＝eq\f(λ,T)＝λf.(2)波的周期和频率由波源决定，与v、λ无关，当波从一种介质进入另一种介质时，周期和频率不发生改变．(3)波速由介质本身的性质决定，在同一种均匀介质中波速不变．(多选)(2020·北京西城区期中)如图7所示，一列简谐横波沿x轴正方向传播，从波传到x＝5m的M点时开始计时，已知P点相继出现两个波峰的时间间隔为0.4s，下面说法中正确的是()图7A．这列波的波长是4mB．这列波的传播速度是10m/sC．质点Q(x＝9m)经过0.5s才第一次到达波峰D．M点以后各质点开始振动的方向都是向下的〖答案〗ABD〖解析〗从波的图像可以看出该波的波长为λ＝4m，选项A正确；由题意可知该波的周期为T＝0.4s，则该波的传播速度为v＝eq\f(λ,T)＝eq\f(4,0.4)m/s＝10m/s，选项B正确；波峰传到Q所用的时间为t＝eq\f(x,v)＝eq\f(9－2,10)s＝0.7s，选项C错误；由波的图像可以看出，M点开始振动的方向向下，说明M点以后各质点开始振动的方向都是向下，选项D正确．针对训练1(多选)一列沿x轴以5m/s的速度传播的简谐横波，t＝0时刻的波形如图8所示，P、Q两质点的横坐标分别为3.5m、2.5m．已知t＝0时质点Q的运动方向沿y轴正方向，则下列说法正确的是()图8A．波的传播方向沿x轴负方向B．质点P振动的周期为0.8sC．0～3.4s时间内质点Q的路程为17cmD．t＝0时刻起，质点P比质点Q先回到平衡位置〖答案〗ABD〖解析〗t＝0时，质点Q的运动方向沿y轴正方向，由“上下坡法”可知波沿x轴负方向传播，故A正确；由题图可知波的波长λ＝4m，由v＝eq\f(λ,T)得T＝eq\f(λ,v)＝eq\f(4,5)s＝0.8s，故B正确；经过时间t＝3.4s＝4eq\f(1,4)T，质点Q运动的路程s<4×4A＋A＝17cm，故C错误；在题图所示状态Q向上运动，P向下运动，故P比Q先回到平衡位置，故D正确．四、振动图像和波的图像的比较导学探究如图9甲、乙为某一列波在某时刻的波的图像和某质点的振动图像，两图像横坐标和纵坐标分别表示什么意义？两图线的物理意义分别是怎样的？图9〖答案〗波的图像横坐标表示各质点的平衡位置，纵坐标表示某时刻各质点离开平衡位置的位移；而振动图像横坐标表示某质点运动的时间，纵坐标表示该质点在不同时刻离开平衡位置的位移．波的图像表示某时刻各质点的位移，振动图像表示质点的位移随时间变化的规律．知识深化振动图像和波的图像的比较振动图像波的图像图像坐标横坐标时间各质点的平衡位置纵坐标某一质点在不同时刻的振动位移各质点在同一时刻的振动位移研究对象一个质点沿波传播方向上的各质点物理意义一个质点在不同时刻的振动位移介质中各质点在同一时刻的振动位移(2020·北京东城二模)如图10甲所示为一列简谐横波在t＝0时的波的图像，图乙所示为该波中平衡位置位于x＝4m处的质点P的振动图像．下列说法正确的是()图10A．此波的波速为2m/sB．此波沿x轴正方向传播C．t＝0.5s时质点P的速度最大D．t＝1.0s时质点P的加速度最大〖答案〗C〖解析〗由题图可知，周期T＝1.0s，波长λ＝4m，则波速v＝eq\f(λ,T)＝eq\f(4,1.0)m/s＝4m/s，选项A错误；平衡位置位于x＝4m处的质点P在t＝0时刻向下振动，根据“上下坡法”知，波沿x轴负方向传播，选项B错误；t＝0.5s时，质点P运动到平衡位置向上振动，速度最大，选项C正确；t＝1.0s时质点P运动到平衡位置向下振动，加速度为零，选项D错误．针对训练2(多选)(2019·全国卷Ⅰ改编)一简谐横波沿x轴正方向传播，在t＝eq\f(T,2)时刻，该波的波形图如图11(a)所示，P、Q是介质中的两个质点．图(b)表示介质中某质点的振动图像．下列说法正确的是()图11A．质点Q的振动图像与图(b)相同B．在t＝0时刻，质点P的速率比质点Q的大C．在t＝0时刻，质点P的加速度的大小比质点Q的大D．平衡位置在坐标原点的质点的振动图像如图(b)所示〖答案〗CD〖解析〗t＝eq\f(T,2)时刻，题图(b)表示介质中的某质点从平衡位置向下振动，而题图(a)中质点Q在t＝eq\f(T,2)时刻从平衡位置向上振动，平衡位置在坐标原点的质点从平衡位置向下振动，所以质点Q的振动图像与题图(b)不同，平衡位置在坐标原点的质点的振动图像如题图(b)所示，选项A错误，D正确；在t＝0时刻，质点P处在波谷位置，速率为零，与其平衡位置的距离最大，加速度最大，而质点Q运动到平衡位置，速率最大，加速度为零，即在t＝0时刻，质点P的速率比质点Q的小，质点P的加速度比质点Q的大，选项B错误，C正确．1.(波的图像的理解)(多选)如图12所示为一列简谐横波在某时刻的波形图，传播方向向左，则此时刻有()图12A．各质点的位移都为5cmB．x＝2m处的质点速度沿y轴正方向C．x＝4m处的质点加速度方向沿y轴正方向D．x＝8m处的质点速度为正的最大值〖答案〗CD〖解析〗从题图波的图像可以看出，选项A错误；根据波的传播方向和波的图像可以得出，此时刻x＝2m处的质点速度方向沿y轴负方向，选项B错误；x＝4m处的质点此时处于负的最大位移处，加速度方向沿y轴正方向，选项C正确；x＝8m处的质点位于平衡位置，速度方向沿y轴正方向，所以速度为正的最大值，选项D正确．2.(波的图像的理解)(2019·北京卷)一列简谐横波某时刻的波形如图13所示，比较介质中的三个质点a、b、c，则()图13A．此刻a的加速度最小B．此刻b的速度最小C．若波沿x轴正方向传播，此刻b向y轴正方向运动D．若波沿x轴负方向传播，a比c先回到平衡位置〖答案〗C3．(波长、频率、周期、波速)(2020·吉林八校联考高二下学期期中)一列简谐横波沿x轴正方向传播，传到M点时波形如图14所示，再经0.6s，N点开始振动，则该波的振幅A和频率f为()图14A．A＝1mf＝5HzB．A＝0.5mf＝5HzC．A＝0.5mf＝2.5HzD．A＝1mf＝2.5Hz〖答案〗C〖解析〗由题图可知，该波的振幅A＝0.5m，波长λ＝4m，经0.6s，N点开始振动，该波的波速v＝eq\f(Δx,Δt)＝eq\f(11－5,0.6)m/s＝10m/s，所以频率f＝eq\f(v,λ)＝eq\f(10,4)Hz＝2.5Hz，故A、B、D错误，C正确．4．(振动图像与波的图像)(2021·山