教科版 (2019)1 机械波的形成和传播学案

这是一份教科版 (2019)1 机械波的形成和传播学案，共17页。

1．知道机械波、横波和纵波的概念，明确波峰和波谷、疏部和密部。
2．通过实例观察知道机械波产生的条件及传播过程。
3．借助对波的传播过程的探究，区分横波和纵波。
4．通过生活中的波动现象培养观察、分析、归纳的能力。
知识点一 机械波的形成和传播
1．波：振动的传播称为波动，简称波。
2．波的形成(以绳波为例)
(1)一条绳子可以分成一个个小段，这些小段可以看作一个个相连质点，这些质点之间存在着弹力的作用。
(2)当手握绳端上下振动时，绳端带动相邻的质点，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。
知识点二 机械波
1．介质：能够传播振动的物质。
2．机械波的形成：机械振动在介质中传播，形成机械波。
3．特点
(1)介质中有机械波传播时，介质本身并不随波的传播而向前移动，因此说它传播的只是机械振动这种运动形式。
(2)介质中本来静止的质点，随着波的传来而发生振动，可见波是传递能量的一种方式。
(3)我们能用语言进行交流，说明波可以传递信息。
知识点三 横波和纵波
1．横波与纵波的比较
2．声波
发声体振动时在空气中产生的声波是纵波，声波不仅能在空气中传播，也能在固体、液体中传播。
横波和纵波的分类依据是什么？
提示：波的传播方向和质点振动方向的关系。
思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(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，所有质点的运动是近似的匀速直线运动。(×)
(3)如果波源停止振动，介质中的波也会立即停止。(×)
(4)机械波向右传播时，右方的质点比左方的质点早一些振动。(×)
(5)机械波的传播过程也是能量的传递过程。(√)
(6)横波中质点的振动方向和波的传播方向垂直。(√)
(7)纵波中质点随波向前迁移。(×)
如图所示是艺术体操比赛中的带操表演，运动员手持细棒抖动彩带的一端，彩带随之波动翻卷，翩翩起舞。请问：
(1)波是怎样形成的？
(2)波的传播有什么特点？
提示：(1)彩带后面的质点在前面质点的带动下形成了带波。
(2)彩带的每一点并没有随波向远处迁移，只是向远处传递了机械振动这种运动形式和能量。
考点1 波的形成和传播
1．机械波的形成
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：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)立场：各质点只在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移，且起振方向与波源的起振方向相同。
(5)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。
【典例1】 如图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直线方向做简谐运动，带动其余质点依次上下振动，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＝T4时，1到达最上方，5开始向上运动。问：
(1)t＝T2时，质点8、12、16的运动状态(是否运动、运动方向)如何？
(2)t＝3T4时，质点8、12、16的运动状态如何？
思路点拨：解答此题要注意以下三点：
(1)波在传播过程中前一质点带动后一质点振动。
(2)各质点的起振方向都与波源相同。
(3)各质点的振动频率都与波源的振动频率相同。
[解析] 各质点在各时刻的振动情况，如图所示。
甲
乙
(1)由甲图可知，t＝T2时，质点8未到达波峰，正在向上振动，质点12、16未振动。
(2)由乙图可知，t＝3T4时，质点8正在向下振动，质点12向上振动，质点16未振动。
[答案] 见解析
机械波的形成和传播特点
(1)机械波的形成过程及特点可以概括为“带动、重复、落后”，即前一质点“带动”后一质点振动，后一质点“重复”前一质点的振动形式，并且后一质点的振动“落后”于前一质点。
(2)就整个物体来说，呈现的现象是波动，而就构成物体的单个质点来说，所呈现的现象是振动。
(3)要画另一时刻的波形图，应先确定特殊点的位置，即此时刻在平衡位置或最大位移处的点，如上例中波源1和质点5、9、13这些点的位置确定后，其他点可顺势找出。
[跟进训练]
1．(多选)如图所示，水平放置的弹性长绳上有一系列均匀分布的质点1、2、3、…使质点1沿竖直方向做简谐运动，振动将沿绳向右传播，从质点1经过平衡位置向上运动时开始计时，当振动传播到质点13时，质点1恰好完成一次全振动。此时质点10的加速度( )
A．为零B．为最大值
C．方向向上 D．方向向下
BD [根据题意，当振动传播到质点13时，质点1恰好完成一次全振动，故此时质点1～13间波形为一个完整的正弦波形，此时质点10处于正向最大位移处，回复力最大，方向指向平衡位置，即向下；根据牛顿第二定律，可知加速度最大，且方向也指向平衡位置，即向下，故选B、D。]
考点2 横波和纵波
横波和纵波的比较
特别提醒：在现实生活中，绳上波为横波，声波为纵波，有些机械波既有横波，也有纵波。例如：地震波既有横波成分，又有纵波成分。
【典例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
C [根据纵波与横波的定义知，质点振动方向与波的传播方向垂直的波是横波，质点振动方向与波的传播方向平行的波是纵波，并不是上下振动与水平振动的问题，所以A、B错误，C正确；波沿水平方向传播，且质点沿水平方向振动不足以说明质点振动方向与波的传播方向平行，则D错误。]
[跟进训练]
2．(多选)关于横波和纵波，下列说法正确的是( )
A．对于纵波，质点的振动方向和波的传播方向有时相同，有时相反
B．对于横波，质点的运动方向与波的传播方向一定垂直
C．形成纵波的质点随波一起迁移
D．空气介质只能传播纵波
ABD [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平行的波是纵波，纵波质点的运动方向与波的传播方向有时相同，有时相反，A、B正确；无论横波还是纵波，质点都不随波迁移，C错误；横波不能在空气中传播，空气只能传播纵波，D正确。]
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
AC [机械波形成的条件是有波源和介质，两者缺一不能形成机械波；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A、C正确。]
2．(多选)一列横波某时刻的波形如图所示，则关于质点A在此时刻的受力情况，下列说法正确的是 ( )
A．如果波向右传播，则质点A受到向上的作用力
B．如果波向右传播，则质点A受到向下的作用力
C．如果波向左传播，则质点A受到向上的作用力
D．如果波向左传播，则质点A受到向下的作用力
BD [波在介质中传播的过程中任何质点都参与波的传播，都会振动。振动需要回复力，质点A所受的回复力总是指向平衡位置，所以题图中A受到的力向下，与波的传播方向无关。故B、D正确。]
3．(新情境题，以地震为背景，考查纵波和横波)中国地震台网测定：老挝发生6.0级地震，离我国边境线仅4公里，造成云南震感强烈。已知地震波分三种：横波(S波)，波速vS＝4.5 km/s；纵波(P波)，波速vP＝9.9 km/s；面波(L波)，vL问题：
(1)位于震源上方的某中学地震测报组有单摆A与竖直弹簧振子B(如图甲所示)，地震发生时最先明显振动的是______________(选填“A”或“B”)。
(2)某地震观测台记录到的地震曲线如图乙所示，由图可知三种波形各对应的地震波类型：a为______________波，b为______________波，c为______________波。(均选填“S”“P”或“L”)
(3)若在地震曲线图上测得P波与S波的时间差为7.6 s，则该地震台距震源约为______________km。
甲 乙
[解析] (1)纵波的速度最快，所以纵波最先到达，在题图甲中地震发生时最先剧烈振动的是B。
(2)由题图乙可知，由于纵波的速度最大，横波次之，面波速度最小，故最先到达的是纵波，最后到达的是面波。
(3)根据xvS-xvP＝7.6 s，可以求出地震台距震源的距离x＝62.7 km。
[答案] (1)B (2)P S L (3)62.7
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．机械波的形成条件是什么？
提示：振源和介质。
2．机械波根据振动方向和传播方向的关系可分哪几类？
提示：两类，即横波和纵波。
3．在波的传播过程中，波传播的是什么？
提示：振动形式和能量。
课时分层作业(十) 机械波的形成和传播
题组一 机械波的形成和传播
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
BCD [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错误；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振动的频率，只是离波源越远，振动步调越落后，B、C正确；机械波介质中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质点的传递从波源获得的，D正确。]
2．一个小石子投向平静的湖面中心，会激起一圈圈波纹向外传播，如果此时水面上有一片树叶(如图所示)，下列对树叶运动情况的叙述正确的是( )
A．树叶慢慢向湖心运动
B．树叶慢慢向湖岸漂去
C．在原处上下振动
D．沿着波纹做圆周运动
C [由于波在传播过程中，只传递振动能量和波源所发出的信息，而各质点不随波迁移，只在各自的位置附近做振动，故选项C正确。]
3．下列关于机械波的说法正确的是( )
A．质点的振动方向与波的传播方向在一条直线上的波叫作横波
B．虽然在真空中质点间没有相互作用力，但是机械波还是能在真空中传播
C．波在传播振动这种运动形式的同时，也可将信息传播出去
D．波传播的过程就是介质中的质点随波迁移的过程
C [质点的振动方向与波的传播方向在一条直线上的波叫作纵波，质点的振动方向与波的传播方向垂直的波叫作横波，A项错误；正是因为真空中质点间没有相互作用力，一个质点的振动不会带动周围质点的振动，从而不能形成机械波，B项错误；波在介质中传播，不仅可以传播振动形式，而且能将能量和信息传播出去，C项正确；介质中的质点只是在各自的平衡位置两侧做周期性振动，并不随波迁移，D项错误。]
4．振源A带动细绳上下振动，某时刻在绳上形成的横波波形如图所示，规定绳上各质点向上运动的方向为x轴的正方向，从波传播到细绳上的P点开始计时，下列四个图形能表示P点振动图像的是( )
A B
C D
A [由波形得知，波向右传播，开始计时，P点在平衡位置且振动方向向下。
选项图A中t＝0时刻，质点在平衡位置且振动方向向下，与波动情况一致，故A正确；选项图B中t＝0时刻，质点在正向最大位移处，与波动情况不一致，故B错误；选项图C中t＝0时刻，质点在平衡位置且振动方向向上，与波动情况不一致，故C错误；选项图D中t＝0时刻，质点在负向最大位移处，与波动情况不一致，故D错误。]
5．(多选)如图所示为一列机械波在某一时刻的形状，此时刻质点F的振动方向如图所示。则( )
A．该波向左传播
B．质点C比质点B先回到平衡位置
C．质点E此时刻向下振动
D．质点C此时刻的加速度为零
ABC [由波形图和质点F的振动方向，根据质点带动法可知波源在右侧，故该波向左传播，A正确；由于该波向左传播，根据带动法可知质点E此时刻向下振动，C正确；此时质点B向上振动，质点C在最大位移处将向下振动，故质点C比质点B先回到平衡位置，B正确；因质点C在最大位移处，其加速度最大，D错误。]
6．(多选)如图所示是一条软绳，绳上选有18个质点，质点1在外力作用下首先向上振动，其余质点在相互作用力的带动下依次振动，从而形成机械波。由波的形成及图示可知，下列说法中正确的是( )
A．质点1带动质点2是利用绳上质点间的弹力实现的，因此每个质点均做受迫振动
B．每个质点开始运动后，在水平方向做匀速运动，在竖直方向做简谐运动
C．绳子上的每一个质点开始振动时，方向都向上，振动周期都相同
D．绳子上波的传播过程，也是能量的传播过程，虽然每个质点均做等幅振动，但每个质点的机械能并不守恒
ACD [质点1带动质点2是利用绳上质点间的弹力实现的，因此每个质点都做受迫振动，A正确；每个质点开始振动后，只在竖直方向做简谐运动，水平方向不随波迁移，B错误；绳子上每一个质点的起振方向都相同，振动周期等于波源振动周期，C正确；波的传播过程，也是能量的传播过程，虽然每个质点均做等幅振动，但每个质点的机械能并不守恒，D正确。]
题组二 横波与纵波
7．关于振动和波，下列说法正确的是( )
A．如果波源停止振动，介质中所有质点也立即停止振动
B．沿水平方向传播的波为横波
C．有振动一定有波，但有波不一定有振动
D．波动的过程是质点的振动形式及能量由近及远的传播过程
D [波传播的是振动的形式和能量，波的传播过程中，若振源停止振动，波的能量没有消失，波的传播不会立即停止，故A错误；振动方向与传播方向垂直的波为横波，故B错误；要想产生波，必须有振源和介质，若没介质则不会形成波，故有波必有振动，但有振动不一定有波，故C错误；波动的过程是质点的振动形式及能量由近及远的传播过程，故D正确。]
8．手持较长软绳端点O以周期T在竖直方向上做简谐运动，带动绳上的其他质点振动形成简谐波沿绳水平传播，示意如图。绳上有另一质点P，且O、P的平衡位置间距为L。t＝0时，O位于最高点，P的位移恰好为零，速度方向竖直向上，下列判断正确的是( )
A．该简谐波是纵波
B．该简谐波传播方向与O点振动方向在同一直线上
C．t＝T8时，P在平衡位置下方
D．t＝3T8时，P的速度方向竖直向下
D [绳波中质点的振动方向与波的传播方向垂直，属于横波，而纵波的传播方向和质点的振动方向在同一直线上，故A、B错误；因t＝0时，P的位移恰好为零，速度方向竖直向上，0～T4内P由平衡位置振动到波峰，T4～T2内P由波峰回动到平衡位置，可知t＝T8时P在平衡位置上方并向上振动，t＝3T8时P在平衡位置上方并向下振动，故C错误，D正确。]
9．如图所示，有一组学生做游戏来模拟波的传播。该游戏模拟的是______________(选填“横波”或“纵波”)的传播，因为学生下蹲与起立时身体的运动方向与模拟波的传播方向______________(选填“平行”或“垂直”)。
[解析] 根据纵波与横波的概念，质点振动方向与波传播方向垂直的为横波，平行的为纵波。
[答案] 横波 垂直
1．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，如图所示。在一次地震中，震源在地震仪正下方，观察到两振子相差10 s开始振动，则( )
A．P先开始振动，震源距地震仪约72 km
B．P先开始振动，震源距地震仪约50 km
C．H先开始振动，震源距地震仪约72 km
D．H先开始振动，震源距地震仪约50 km
A [纵波的传播速度快，纵波先到，所以P先开始振动，根据xv1-xv2＝10 s，解得x＝72 km。故A正确，B、C、D错误。]
2．(多选)一列横波在某时刻的波形图像如图所示，a、b、c、d为介质中的四个质点。a在波峰，d在波谷，c在平衡位置，b的位移大小等于振幅的一半，四个质点的加速度大小分别为aa、ab、ac、ad，它们的速度大小分别为va、vb、vc、vd，则( )
A．ac＜ab＜aa＝ad B．ac＞ab＞aa＝ad
C．va＝vd＞vb＞vc D．va＝vd＜vb＜vc
AD [由简谐运动规律可知，质点所受回复力的大小与位移的大小成正比，因而加速度的大小与位移的大小成正比，所以这四个质点的加速度大小关系为ac3．一条绳子可以分成一个个小段，每小段都可以看成一个质点，这些质点之间存在着相互作用。如图所示，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，会带动2、3、4、…各个质点依次上下振动，把振动从绳的左端传回右端。质点1的振动周期为T。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( )
A．经过一个周期质点20开始运动
B．质点20开始振动时运动方向向下
C．t＝T2时质点5的加速度方向向上
D．t＝3T4时质点11的速度方向向上
D [由题意可知，经过四分之一周期，质点5开始运动，则经过一个周期质点17开始运动，选项A错误；因为质点1开始起振的方向向上，则质点20开始振动时运动方向也向上，选项B错误；在t＝T4时质点5开始向上振动，在t＝T2时质点5到达最高点，其加速度方向向下，选项C错误；t＝3T4时质点13刚开始起振，此时质点11已经振动了T8，则运动方向向上，选项D正确。]
4．细绳的一端在外力作用下从t＝0时刻开始做简谐运动，激发出一列简谐横波。在细绳上选取15个点，图中甲为t＝0时刻各点所处的位置，乙为t＝T4时刻的波形图(T为波的周期)。在丙中画出t＝3T4时刻的波形图。
[解析] 机械波在传播过程中，介质的质点都在各自的平衡位置附近振动，时间依次滞后，从波形图上看出，在t＝T4时刻第4个质点才开始振动，则在t＝34T时刻第10个质点刚开始振动，此时第4个质点已振动了T2的时间回到了自己的平衡位置，第1个质点到达下方最大位移处，新的波形如图所示。
[答案] 见解析图
定 义
标识性物理量
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相互平行的波
①密部：质点分布最密的部分
②疏部：质点分布最疏的部分
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相互平行
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
在波动中交替、间隔出现波峰和波谷
在波动中交替、间隔出现密部和疏部