机械波的形成和传播 高二物理

一、波的形成及特点
1.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 的质点， 这些质点之间存在着弹性力的作用. (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…绳子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.
针对训练2 如图所示，一列绳波沿着绳由左向右传播，A是波源，t时 刻，波刚传到B点.下列说法正确的是 A.质点C在t时刻的振动方向向下 B.质点D的起振方向与A相反 C.质点B在t时刻的振动方向向下
√D.波源A开始振动时振动方向向上
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1.(波的形成)如图所示为某绳波形成过程的示意图，1、2、3、4…为绳上
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3.(横波和纵波)关于横波和纵波，下列说法正确的是 A.质点的振动方向和波的传播方向垂直的波叫纵波 B.质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波叫横波 C.横波有波峰和波谷，纵波有密部和疏部
√D.地震波是横波，声波是纵波
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解析 质点的振动方向和波的传播方向垂直的波叫横波，A错误； 质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波叫纵波，B错误； 横波有波峰和波谷，纵波有密部和疏部，C正确； 地震波有横波也有纵波，空气中的声波是纵波，D错误.
C.t＝34T时质点 11 的运动方向向下 D.t＝T 时质点 17 开始向下运动
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2.(波的特点)关于波的形成和特点，下列说法正确的是 A.随着波的传播，介质中各质点都在沿波的传播方向运动 B.随着波的传播，介质中的各质点也将由近及远地迁移出去
√C.传播波的过程中相邻各质点间必有相互作用力
答案 见解析图
解析 由波的传播特点可知，介质中先振动的质点将带动它后面的质点 振动，后面质点的振动是前面质点振动的重复，比较沿波传播方向上相 邻的两质点，可知后面质点的振动总是滞后于前面的质点.题图中质点c 和g此时在最大位移处，速度为零，无速度方向可言. 若以此时最大位移处的c点为参考点，由波的传播方向和传播的特点可 知，d点相对于c点为后面的质点，d点的振动滞后于c，要追随c运动到 负的最大位移处，所以速度方向向下，e、f依次跟上，速度方向都向下； b的振动超前，已从负的最大位移处回振，所以速度方向向上； a超前b，已回到平衡位置，速度最大也向上； 同理以g点为参考点，可知h点速度方向向上，如图所示.
“带动法”判定质点的振动方向： (1)原理：先振动的质点带动邻近的后振动的质点. (2)方法：在质点P靠近波源一方附近的图像上另找一点P′，P′为先振 动的质点，若P′在P上方，则P向上运动，若P′在P下方，则P向下运 动，如图6所示.
图6
例4 如图所示是一列水平向右传播的横波，请标出这列波中a、b、c、 d、…、h等质点在这一时刻的速度方向.
由图甲可知，t＝T2 时，质点6未达到波峰，正在向上运动，质点10、14未 运动.
(2)画出t＝34T时的波形图，并说明质点6、10、14的运动状态. 答案 见解析
解析 t＝34T时的波形图如图乙所示，质点6正在向下运动，质点10向上 运动，质点14未运动.
归纳总结
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)后振动的质点的振动状态落后于先振动的质点的振动状态. 概括起来就是“带动、重复、落后”.
D.某一横波在介质中沿水平方向传播，介质中的质点必沿竖直方向上下 振动
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解析 随着波的传播，介质中各质点都在各自的平衡位置附近来回振动， 不随波迁移，故A、B错误； 波源的振动使质点一个个被带动，且与波源振动形式相同，且总滞后于 前一个质点，可知各质点间有力的作用，故C正确； 某一横波在介质中沿水平方向传播，介质中的质点的振动方向与波的传 播方向垂直，但不一定沿竖直方向，故D错误.
和疏部
注意：水波既不是横波也不是纵波，它属于比较复杂的机械波.
例3 关于横波和纵波，下列说法正确的是 A.对于横波和纵波，质点的振动方向和波的传播方向有时相同，有时相反 B.对于纵波，质点的振动方向与波的传播方向一定相同 C.形成纵波的质点随波一起迁移
√D.空气介质中只能传播纵波
解析 横波中质点的振动方向与波的传播方向相互垂直，纵波中质点的 振动方向总是与波的传播方向在同一直线上，有时相同，有时相反，故 选项A、B错误； 无论是横波还是纵波，质点都是在平衡位置附近做往复运动，不会随波 迁移，故选项C错误； 因为空气介质只能通过压缩而产生相互作用力，故空气介质中只能传播 纵波，故选项D正确.
例1 如图所示，是某绳波形成过程的示意图.质点1在外力作用下沿竖直
方向做简谐运动，带动2、3、4…各个质点依次上下振动，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＝ 时T4 ，1到达最上方， 5开始向上运动.问：
(1)t＝T2 时，质点6、10、14的运动状态(是否运动、运动方向)如何？ 答案 见解析 解析 各质点在t＝T2 时的情况如图甲所示：
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4.(质点振动方向的判定)一列横波沿绳子向右传播，某时刻绳子形成如图 所示的形状，对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点，下列说法正确 的是 A.质点B向右运动 B.质点D和质点F的速度方向相同 C.质点A和质点C的速度方向相同
√D.从此时算起，质点B比质点C先回到平衡位置
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解析 波传播时，离波源远的质点的振动落后于离波源近的质点的振 动，并跟随着近的质点振动，D跟随C向上运动，F跟随E向下运动，同 理，A向下运动，C向上运动，由此可知选项B、C错误； 由于此时B和C都向上运动，所以B比C先到达最大位移处，并先回到平 衡位置，选项A错误，D正确.
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(1)密部：质点分布_最__密_ 质点的振动方向与波的
的位置 纵波 传播方向在_同__一__直_线__上__
(2)疏部：质点分布_最__疏_ 的波
的位置
实物波形名称 项目横波 Nhomakorabea纵波
介质
在固体、液体和气体介质中均 只能在固体介质中传播
能传播
特征
在波动中交替、间隔出现波 在波动中交替、间隔出现密部
峰和波谷
二、横波和纵波 如图所示：
(1)图甲是绳波，其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系？ 答案 相互垂直
(2)图乙是声波，其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系？ 答案 在同一条直线上
横波和纵波的比较
定义
标志性物理量
质点的振动方向与波的 (1)波峰：凸起的_最__高__处__ 横波
传播方向相互垂直的波 (2)波谷：凹下的_最__低__处__
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，带动2、3、4…各个质点依次上下振动，把振动从绳的左
端传到右端.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.t＝T4时质点 5 的运动方向向下
√B.t＝T2时质点 7 的运动方向向上
向上，振动周期都相同 D.绳上波的传播过程也是能量的传递过程，
每个质点均做等幅振动，故每个质点的机械能守恒
解析 每个质点开始振动后，只在竖直方 向做简谐运动，水平方向上不随波迁移， B错误； 波的传播过程也是能量的传递过程，每个 质点均做受迫振动，所受合力不为零，故 每个质点的机械能并不守恒，A、D错误.
2.介质 (1)定义：波借以传播的物质. (2)特点：组成介质的质点之间有相互作用，一个质点的振动会引起相邻 质点的振动. 3.机械波的形成 机械振动在介质中传播，形成了机械波.
波源 质点间的相互作用 前一质点带
以振动的形
机 械
介质
动后一质点
式向外传播
波
4.波的特点
(1)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)各质点都在做受迫振动，所以各质点振动的周期(频率)均与波源的振
动周期(频率)相同.
(3)离波源越远，质点振动越滞后，但每一个质点的起振方向与波源起振
方向相同.
(4)机械波向前传播的是振动这种运动形式，各质点只在各自的平衡位置 附近振动，并不随波迁移. (5)波是传递能量的一种方式. (6)波可以传递信息. 3.振动和波动的联系 (1)振动是波动的原因，波动是振动的结果；有波动必然有振动，有振动 不一定有波动. (2)波动中各质点振动的性质、频率和振幅与波源相同.
针对训练1 在一条软绳上选18个等间距的质点，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， 从而形成简谐波，由波的形成及图可知，下列说法中正确的是 A.每个质点均在其平衡位置附近自由振动 B.每个质点开始运动后，均在水平方向做
匀速运动，在竖直方向做简谐运动
√C.绳上的每一个质点开始振动时，方向都
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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， 随后形成一个凹落状态，可以看到， 这个凸起状态和凹落状态在绳上从 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？ 答案 没有，红色标记只在竖直方向上下振动. (2)当手停止抖动后，绳上的波会立即停止吗？ 答案 不会，当手停止抖动后，波仍向右传播.
例2 关于振动和波的关系，下列说法正确的是
①振动是波的成因，波是振动的传播
②振动是单个质点呈现的运动现象，波是许多质点联合起来呈现的运动
现象
③波的传播速度就是质点振动的速度
④波源停止振动时，波立即停止传播
A.①③ C.②③
B.①②√
D.①④
解析 机械波的产生条件是有波源和介质.由于介质中的质点之间相互 作用，一个质点的振动带动相邻质点的振动并由近及远传播而形成波， ①②正确； 波的传播速度是波形由波源向外传播的速度，而质点振动的速度和方 向都随时间周期性地发生变化，③错误； 波源一旦将振动传给了介质，振动就会在介质中向远处传播，当波源 停止振动时，介质仍然继续传播波源振动的运动形式，不会因波源停 止振动而立即停止传播，④错误，故选B.