高中物理人教版 (新课标)选修3第十二章 机械波综合与测试教案设计

这是一份高中物理人教版 (新课标)选修3第十二章 机械波综合与测试教案设计，共20页。
课时12.7　《机械波》整合与评价


　　1.通过观察,认识波是振动传播的形式和能量传播的形式。能区别横波和纵波。能用图象描述横波。理解波速、波长和频率(周期)的关系。
2.通过实验,认识波的干涉现象、衍射现象。
3.通过实验感受多普勒效应,解释多普勒效应产生的原因,列举多普勒效应的应用实例。
4.了解惠更斯原理,能用其分析波的反射和折射。




重点难点:波的图象,波长、波速和频率(周期)的关系。
教学建议:本章是第十一章“机械振动”教学内容的延伸和扩展。机械振动只讨论物体的运动状态随时间的变化,而波动讨论的是振动在空间介质中的传播。本章着重介绍有关波的共性的知识,如波的形成和传播、波长、频率、波速、波传播的规律、波的图象、波的反射和折射、波的干涉、衍射、多普勒效应等。本章的学习内容是以后学习光波和电磁波的重要基础。在本章的教学中要联系学生生活、现代社会及科技发展,同时注意加强演示实验、模拟实验的作用。



主题1:波的形成与传播
问题:观察如图所示的绳波的形成过程示意图,回答下列问题。

(1)质点1的起振方向如何?
(2)当质点1振动T、、T、T时,质点1的振动形式传到了哪些质点上?
(3)振动传到质点13时,质点1振动的路程和位移各是多少?此后质点1和质点13的振动规律有什么关系?
解答:(1)质点1的起振方向向上。
(2)经过T,质点1的振动形式传到了质点4,经传到了质点7,经T传到了质点10,经T传到了质点13。
(3)由图可以看出,由质点1发出的振动传到质点13时,质点1完成一次全振动,故路程为4倍振幅,位移为零。此后这两个质点的振动步调完全一致,也就是说,两个质点在振动中的任何时刻,相对平衡位置的速度、位移(包括大小和方向)总是相等的。
知识链接:介质中先振动的质点带动相邻质点的振动是形成波的根本原因,而质点之间的相互作用是能够“带动”的前提条件。
　　主题2:波的传播方向和质点振动方向的互判
问题:由波的传播方向和波形图判断质点(以质点P为例)振动方向的常用方法有哪些?由这些方法可以判断波的传播方向吗?
解答:①带动法:在质点P靠近波源一侧的图象上找一相邻质点,若在下方,则质点P向下运动;若在上方,则质点P向上运动。②口诀法:“上坡下,下坡上”。即沿着波的传播方向看,图象上“上坡”的点向下运动,“下坡”的点向上运动。③同侧法:在波的图象的某点上,沿水平方向画一箭头表示波的传播方向,在图象的同侧沿竖直方向画一箭头,箭头所指的方向就表示质点运动方向。④微平移法:根据波的传播方向,画出微小时间后的波形,由此可知后一时刻各质点的位置,从而判断质点的运动方向。
也可以根据这些方法由质点运动方向判断波的传播方向。
知识链接:对于波的传播方向和质点振动方向的互判问题,解答的关键在于理解横波形成和传播的规律。从这点上说,“带动法”最能体现问题的本质。

拓展一:波的图象的应用
波的图象是机械波中的一个重要内容,以波的图象为载体,考查波动这一“群体效应”与振动这一“个体运动”的内在联系的试题,常是高考命题的热点之一。常见问题一般包含如下几种类型:根据波的传播方向确定各质点振动方向;画出经过 t时间后的波形图;利用波动图象的周期性解决波的问题等。

1.图甲是一列向右传播的简谐横波在某时刻的波形图。已知波速v=0.5 m/s,画出该时刻7 s前及7 s后的瞬时波形图(至少要画一个波长)。
问1:此简谐波波长是多少?
答1:2 m。
问2:此波经7 s传播多远?
答2:3.5 m。
问3:经7 s传播的距离是波长的多少倍?
答3:1倍。

【解析】λ=2 m,v=0.5 m/s,T==4 s。所以波在7 s内传播的距离为x=vt=3.5 m=1λ,现有波形向右平移λ可得7 s后的波形;现有波形向左平移λ可得7 s前的波形。由上得到图中7 s后的瞬时波形图(粗实线)和7 s前的瞬时波形图(虚线),如图乙所示。
【答案】如图乙所示(虚线是7 s前的瞬时波形图,粗实线是7 s后的瞬时波形图)
【点拨】根据某时刻的波形,画出另一时刻的波形的方法有以下两种。(1)波形平移法:当波传播距离x=nλ+Δx时,波形平移Δx即可。(2)特殊质点振动法:当波传播时间t=nT+Δt时,根据振动方向判断相邻特殊点(波峰处质点,波谷处质点,平衡位置处质点)振动Δt后的位置进而确定波形。
注意:应用波形平移法时一定要注意平移的是波的形状而不是质点的位置,每个质点都是在各自的平衡位置附近上下振动,并不随波形迁移。从这个角度说,用特殊质点振动法更能体现各个质点的振动和所有质点波动的关系。

2.一简谐横波以4 m/s 的波速沿x轴正方向传播。已知t=0时的波形如图所示,则(　　)。
A.波的周期为1 s
B.x=0处的质点在t=0时向y轴负方向运动
C.x=0处的质点在t= s时速度为0
D.x=0处的质点在t= s时速度值最大
【解析】由图知,波长λ=4 m,周期T==1 s,故选项A正确;由同侧法可判断x=0处的质点在t=0时的振动方向沿y轴负方向,故选项B正确;Δt= s=,x=0处的质点经过后位于平衡位置和负向最大位移处之间,所以该质点在 s时速度既不为0,也不是最大值,故选项C、D错误。
【答案】AB
　　拓展二:机械波的形成和传播规律
机械波的形成实质是介质质点间存在相互作用,前面的质点带动后面的质点振动,同时将振动形式和能量向外传播。每一个质点都由前面的质点带动做受迫振动。机械波有如下特点:①若不计能量损失,各质点振幅相同;②各质点振动周期与波源的振动周期相同,即机械波的频率由波源决定,波速由介质决定;③离波源越远,质点振动越滞后,各质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波迁移。
3.图甲中,波源S从平衡位置y=0开始振动,运动方向竖直向上(y轴的正方向),振动周期T=0.01 s,产生的简谐波向左、右两个方向传播,波速均为v=80 m/s。经过一段时间后,P、Q两点开始振动,已知距离SP=1.2 m、SQ=2.6 m。若以Q点开始振动的时刻作为计时起点,则在图乙的振动图象中,能正确描述P、Q两点振动情况的是(　　)。

　　

A.①为Q点振动图象　　　B.②为Q点振动图象
C.③为P点振动图象 D.④为P点振动图象
问1:波长是多少?
答1:0.8 m。
问2:PS相当于几个波长?SQ相当于几个波长?
答2:PS相当于1.5个波长,SQ相当于3.25个波长。
问3:Q点起振方向向哪里?Q点开始振动时P点处于什么位置?
答3:Q点由平衡位置向上起振;Q点开始振动时P点处于波谷位置。
【解析】根据波长和波速的关系λ=vT得,波长λ=0.8 m, 所以有SP=1.5λ,SQ=3.25λ,即波由波源传播到Q点时,P已经振动,3.25T-1.5T=1.75T,所以当Q开始振动时,P从波谷开始向上振动。由此可以判断选项A、D正确。
【答案】AD
【点拨】用一句话概括波的形成和传播规律便是“前带后,后跟前,运动状态向后传”,即各质点都做受迫振动,起振方向由波源来决定,且其振动频率(周期)都等于波源的振动频率(周期),但离波源越远的质点振动越滞后。另外,要注意机械波传播的是波源的振动形式和波源提供的能量,而不是质点。
　　拓展三:利用波传播的周期性、双向性解题
机械波问题的一个特点是多解性。它一般分为以下几个方面。
波动图象的周期性形成多解:机械波在一个周期内不同时刻的图象形状是不同的,但在相隔时间为周期的整数倍的不同时刻的图象形状是相同的。机械波的这种周期性必然导致波的传播距离、时间和速度等物理量有多值与之对应。
波的传播的双向性形成多解:在一维条件下,机械波既可以向x轴正方向传播,又可以向x轴负方向传播,这就是波传播的双向性。
波形的隐含性形成多解:许多波动习题只给出了完整波形的一部分,或给出了几个特殊点,而其余部分处于隐含状态,这样,一道习题就有多个图形与之对应,从而形成了多解。

4.一列简谐波在x轴上传播,如图所示。t1时刻的波形如图中实线所示,t2时刻的波形如图中虚线所示。已知Δt=t2-t1=0.1 s,问:
(1)若波沿x轴正方向传播,且ΔtT,波速又为多大?
(3)若T