高中物理第1节 波的形成和描述第1课时教案

这是一份高中物理第1节 波的形成和描述第1课时教案，共1页。教案主要包含了波的描述等内容，欢迎下载使用。

教学目标
能对波动现象进行分析和推理，认识波的形成过程。
知道机械波的概念和形成机械波的条件。
能用描点法作横波的图像，理解波的图像的物理意义。
知道波长、频率和波速的概念和物理意义。
掌握波长、频率和波速的关系，能解答有关问题。
教学重难点
教学重点
机械波的形成过程。
横波、纵波的区分，机械波的概念。
波的图像的理解。
理解波长、频率和波速的意义及其关系。
教学难点
机械波的形成过程及波动形式的理解。
正确建立波形图的物理图景。
知道波长、频率、波速的决定因素。
教学准备
软绳、软弹簧、多媒体课件
教学过程
新课引入
教师设问：日常生活中，我们总能见到水波，如果一片树叶落在水波上，它会怎样运动呢？
播放PPT中水波图片，生活经验告诉我们树叶会上下振动，但不会随波由近及远的传播，如何解释呢？这就需要我们用到波的形成与传播的相关知识。
讲授新课
波的形成与传播
图3-2 振动绳子形成波
实验与探究
波的形成
如图3-2，把软绳的一端系在墙上，用手抓住绳子的另一端上下振动，可看见沿绳传播的波。
实验表明，当绳的一端在手的作用下振动时，绳的各点都会收到影响并随之振动起来。同样，水面上某点的连续振动沿水面传播，就形成了水波。声带振动在空气中传播形成声波，地球内部的运动在地壳中传播形成地震波。这里振动的绳端、水面上的振动点、振动的声带、地震的震源等称为波源。绳、水、空气、地壳等都是传播波的物质，称为介质。
1．机械波的定义
机械振动在介质中传播，形成了机械波．
2．机械波的产生条件
(1)波源：做机械振动的物体．
t=0
t=14 T
t= 1 2T
t=3 4T
图3-3 波的形成
(2)介质：能传播波的物质．
机械振动在介质中是怎样传播的？我们以绳波为例来说明。
理论分析主要分为三步：
设想把一条绳子分成许多小的部分，每一小部分可视为质点，相邻质点间有相互作用。
如图3-3所示，质点1在外力作用下振动后，会带动质点2振动，只是质点2的振动要比质点1滞后一些。这样，前一个质点的振动总是带动后一个质点振动，依次带动下去，振动也就由发生区域向远处传播。
图3-4 舞台表演的波动
各质点依次振动，在同一时刻各质点的空间位置不同，因此从整条绳看就形成了凸凹相间的波形，波形随时间沿传播方向传播出去，从而形成了波。
在前面的实验探究中，若在绳上系一根红丝带，红丝带只上下振动，并不随波前进。由此可见，机械波向外传递的是机械振动这种运动形式，介质中每个质点仅在平衡位置附近振动，并不随波向前移动。这有些像球场看台上精彩的人浪，人浪不断移动但每个观众只需择时站立举手即可。舞台表演的波动，每个舞者也只需做上下动作即可。（图3-4）
介质中本来静止的质点，随着波的传播而发生振动，表明这些振动质点通过前面的质点依次传来。所以，波在传递振动的同时，也将波源的能量传递出去。若持续给波源提供能量，就能持续以波的形式把波源的能量传递出去。因此，波也是传递能量的一种方式。
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。例如绳上或弹簧上有波传播时，它们的质点发生振动，但质点并不随波迁移，传播的只是振动这种形式。
2.介质中本来静止的质点，随着波的传来而发生振动，这表示它获得了能量。这个能量是从波源通过前面的质点依次传来的，所以波在传播“振动”这种形式的同时，也将波源的能量传递出去。波是传递能量的一种方式。
3. 质点的振动重复波源的振动，起振方向与波源的起振方向相同。
波的分类
根据质点的振动方向和波的传播方向之间的关系，可把机械波分为横波与纵波两类
图3-5 绳上形成的横波示意图
当波在绳上沿水平方向传播时，绳上各质点做上下振动，两者的方向相互垂直。
定义：质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，称为横波。横波凸起的最高处称为波峰，凹下的最低处称为波谷。
图3-6 弹簧上形成纵波示意图
如果我们在长弹簧的一端沿着其轴线方向来回推拉，就会在弹簧中看到波动现象，这个波动情景与绳波的波动不同。弹簧会形成密集的部分和稀疏的部分，弹簧分布最密的地方称为密部，分布最疏的地方称为疏部，密部和疏部相间地从一端传到另一端形成波，弹簧内部的质点在波的传播方向上来回振动。
定义：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。在纵波中，质点分布最密的地方称为密部，质点分布最疏的地方置称为疏部。
图3-7 鼓面振动形成声波示意图
在空气中，发声物体的振动会使它周围的空气发生疏密变化，这种疏密相间的状态向外传播便形成了声波。（图3-7）
有的波既包含横波，又包含纵波如地震波。在震中附近，横波引起地面水平晃动，纵波引起地面上下颠簸。因为纵波在地球内部传播速度大于横波，所以地震时，人们一般先感觉上下颠簸，然后才感觉到有很强的水平晃动。横波是造成地震遭到破坏的主要原因。
三、波的描述
波在介质中传播时，各质点都在平衡位置附近振动，而整个波形不断地向前传播。如何描述一列波的运动情况呢？
（1） 波的图像
图3-9 横波的波形和图像
若在绳波传播的某个时刻拍下照片，就能得到该时刻的波形[图3-9（a）]。这个波形是由同一时刻具有不同位移的绳上各质点组成的。用横坐标x表示沿波传播方向上各质点的平衡位置，用纵坐标y表示各个质点离开平衡位置的位移，规定位移方向上为正值。在坐标平面内，以某一时刻各个质点的x、y值描出各对应点，再把这些点用平滑曲线连接起来，就得到该时刻波的图象，也称波形曲线或波形。在波的图像上，通常用箭头标出波的传播方向[图3-9（b）]。对于横波，波的图像与波的形状一致，波的图像反映了介质各个质点在某一时刻的位移情况。通过某一时刻波的图像，可直接得到各个质点在该时刻的位移。
1.定义：波源做简谐运动时，在各个时刻波的图像是一条正弦（或余弦）曲线，这种波称为简谐波。它是一种最基本、最简单的波，其他复杂的波可视为由若干个简谐波合成。
2.物理意义：反映某一时刻各个质点偏离平衡位置的位移.
3.注意：在波的图像中，每一个质点都只在自己的平衡位置附近振动，而不会随波的传播向远处迁移。
（2） 波的特征
观看动画，经过一个周期T，由质点1发出的振动传到质点13，使质点13开始振动。这时质点1恰好结束了一次全振动而开始下一次全振动，此后质点1与质点13的振动步调完全一致。也就是说，这两个质点振动的相位相同，它们在任何时刻对平衡位置的位移的大小和方向总是相同的。同样，质点2和1、3和15……它们每一对在振动中的相位也总是相同的。
1.波长定义：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，称为波长，通常用λ表示。
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。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。
观察总结：在波动中，相隔等于波长的两个点的振动特点：
（1）这两点对平衡位置的位移的大小和方向总保持相同。
（2）这两点速度大小和方向总保持相同。
所以：这两点振动步调总保持相同。
引申：
相隔λ整数倍的两个质点的步调总是相同。
相隔λ/2的两个质点的步调总是相反；相隔λ/2的奇数倍两个质点的步调总是相反。
2. 周期（频率）定义：在波动中，各个质点的振动周期（频率）是相同的，它们都等于波源的振动周期（频率），这个周期（频率）也称为波的周期（频率）。
频率通常用字母f表示，单位是Hz．周期通常用字母T表示，单位是s．
几点说明：
波的周期（或频率）应由波源决定，与传播波的介质无关。
每经历一个周期，原有的波形图不改变。
每经过一个周期的时间波就沿传播方向传播一个波长的距离。
3.波速定义：单位时间内振动所传播的距离叫做波速。
物理意义:反映振动在介质中传播的快慢程度。
经过一个周期T，振动在介质中传播的距离等于一个波长λ，所以机械波在介质中传播的速度为： v=xt=λT
而f=1T
所以上式也可以写成：v=fλ
几点说明：
(1)波速的大小由介质的性质决定，同一列波在不同介质中传播速度不同。
(2)一列波在同一均匀介质中是匀速传播的。
(3)要区分波速与质点振动速度的含义。
机械波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定，在不同的介质中，波速是不同的。例如声速还与温度有关。
4.波长、频率和波速之间的关系： v=fλ=λT
决定因素：
（1）波的频率只取决于波源，与波速、波长无关。波在传播过程中、从一种介质进入另一种介质时频率不变。如声波在空气中和水中传播时频率不变。
（2）波速的大小由介质的性质决定，与波的频率、质点的振幅无关。如声波，在空气中不管哪种频率的波传播速度相同。
（3）波长则决定于波速和频率。波从一种介质进入另一种介质波速发生变化，频率不变，波长发生变化；波在同一均匀介质中传播，v不变，当频率发生变化，波长也发生变化。
典题剖析
例1．(多选)关于机械波的形成，下列说法正确的是( )
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重复振动，只是时间上落后一步
C．参与振动的质点的振动频率都相同
D．机械波可以传递能量和信息
答案：BCD
解析：若只有物体振动，而周围没有传播这种振动的介质，振动不可能由近及远传播出去形成机械波，A错；机械波中各振动质点都在重复波源的振动，振动频率都等于波源的频率，只是离波源越远，振动步调越落后，B、C正确；机械波中介质各质点只在自己平衡位置附近振动，不随波迁移，离波源较远的质点振动的能量是通过离波源近的各质点的传递从波源获得的，D对．
例2如图所示为一简谐横波在某一时刻的波形图，此时质点A正向上运动，如图中箭头所示．由此可断定此横波( )
A．向右传播，且此时质点B正向上运动
B．向右传播，且此时质点C正向下运动
C．向左传播，且此时质点D正向上运动
D．向左传播，且此时质点E正向下运动
答案：C
解析：根据质点A正向上运动，根据后面的质点的振动总要追随它前面的质点的振动，可判定此列波的波源在右面，故波向左传播，根据同一原则可断定质点D和质点E都正向上运动．故选项C正确。
例3 (多选)下图所示的是一列简谐波在某一时刻的波形图象，下列说法中正确的是( )
A．质点A、C、E、G、I在振动过程中位移总是相同
B．质点B、F在振动过程中位移总是相等
C．质点D、H的平衡位置间的距离是一个波长
D．质点A、I在振动过程中位移总是相同，它们的平衡位置间的距离是一个波长
答案：BC
解析：从图象中可以看出质点A、C、E、G、I在该时刻的位移都是零，由于波的传播方向是向右的，容易判断出质点A、E、I的速度方向是向下的，而质点C、G的速度方向是向上的，因而这五个点的位移不总是相同，A项错误；质点B、F是同处在波峰的两个点，它们的振动步调完全相同，在振动过程中位移总是相等，B项正确；质点D、H是处在相邻的两个波谷的点，它们的平衡位置之间的距离等于一个波长，C项正确；虽然质点A、I在振动过程中位移总是相同，振动步调也完全相同，但由于它们不是相邻的振动步调完全相同的两个点，它们的平衡位置之间的距离不是一个波长(应为两个波长)，D项错误．
例4.(多选)对机械波，关于公式v＝λf，下列说法正确的是( )
A．v＝λf适用于一切波
B．由v＝λf知，f增大，则波速v也增大
C．v、λ、f三个量中，对同一列波来说，在不同介质中传播时保持不变的只有f
D．由v＝λf知，波长是4 m的声音为波长是2 m的声音传播速度的2倍
答案：AC
解析：公式v＝λf适用于一切波，A正确；公式中v、 f都有其特定的决定因素，即介质决定机械波的波速，波源决定频率，由v＝λf可知，波速、频率确定的同时，也确定了波长．故B错D错；C正确。
课堂小结
机械波形成过程：
把介质看成由大量的质点构成的物质，相邻质点间存在着相互作用力，当介质中某一点发生振动时，就会带动它相邻的质点振动，这些质点的振动又会带动各自周围的质点发生振动，这样振动就会在介质中逐渐传播开来。