高中物理选修3-4优质学案：1 波的形成和传播

1波的形成和传播
[学科素养与目标要求]
物理观念：1.知道机械波的产生条件，理解机械波的形成过程.2.知道横波和纵波的概念.3.知道机械波传播的特点．
科学思维：通过生活中有关波的素材，建立对波的感性认识，为进一步学习打下基础．
科学探究：通过视频和模拟动画，逐步体会和理解波的形成和传播及横波、纵波的概念．科学态度与责任：注重学生的亲身体验和实验观察，理解科学本质，形成对科学和技术应有的正确态度．
一、波的形成和传播
1．波：振动的传播称为波动，简称波．
2．波的形成和传播(以绳波为例)
(1)一条绳子可以分成一个个小段，一个个小段可以看做一个个相连的质点，这些质点之间存在着相互作用．
(2)当手握绳端上下振动时，绳端带动相邻质点，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．二、横波和纵波
三、机械波
1．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．
2．机械波
机械振动在介质中传播，形成了机械波．
3．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，它传播的只是振动这种运动形式．
(2)波是传递能量的一种方式．
(3)波可以传递信息．
1．判断下列说法的正误．
(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，所有质点同时运动，同时停止运动．(×)
(3)物体做机械振动，一定产生机械波．(×)
(4)质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，这样的波一定是横波．(×)
2．绳波在某时刻的形状如图1所示，若O是波源，则此刻A点的振动方向________，若O′是波源，则此刻A点的振动方向________．(填“向上”或“向下”)
图1
[答案]向上向下
一、波的形成、传播及特点
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？
(2)当手停止抖动后，绳上的波会立即停止吗？
[答案](1)没有．红色标记只在竖直方向上下振动．
(2)不会．当手停止抖动后，波仍向右传播．
1．机械波的形成与传播
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(频率)：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)步调：离波源越远，质点振动越滞后．
(4)运动：各质点只在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移．各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同．
(5)实质：机械波向前传播的是振动这种运动形式，同时也可以传递能量和信息．
例
1 如图2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 ＝T
4时，1到达最上方，5
开始向上运动．问：
图2
(1)t ＝T
2时，质点8、12、16的运动状态(是否运动、运动方向)如何？
(2)t ＝3T
4时，质点8、12、16的运动状态如何？
[答案] 见[解析]
[解析] 各质点在各时刻的情况，如图所示：
(1)由甲图可知，t ＝T
2时，质点8未达到波峰，正在向上运动，质点12、16未运动．
(2)由乙图可知，t ＝3T
4
时，质点8正在向下运动，质点12向上运动，质点16未运动．
波动过程中各质点的运动规律可用三句话来描述：
(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.,概括起来就是“带动、重复、落后”.
针对训练(多选)下列关于机械波的说法中，正确的是()
A．波传播过程中，质点也随着波移动
B．相邻质点间必有相互作用力
C.前一质点的振动带动相邻的后一质点的振动，后一质点的振动必定落后于前一质点的振动D．离波源越远，质点的振动频率越小
[答案]BC
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？
(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](1)相互垂直．
(2)在同一条直线上．
横波与纵波的区别
1．质点的振动方向与波的传播方向的关系不同：横波中，质点的振动方向与波的传播方向垂直；纵波中，质点的振动方向与波的传播方向在同一条直线上．
2．传播介质不同：横波只能在固体介质中传播；纵波在固体、液体和气体中均能传播．3．特征不同：横波中交替、间隔出现波峰和波谷；纵波中交替、间隔出现密部和疏部．
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
[答案] C
[解析]根据横波和纵波的概念，质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波叫做横波，质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波叫做纵波，与上下振动或水平振动无关，故A、B选项错误，C选项正确；质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，并不能说明是沿同一直线，故D选项错误．
三、振动与波的关系
1．区别
(1)研究对象不同——振动是单个质点在平衡位置附近的往复运动，是单个质点的“个体行为”；波动是振动在介质中的传播，是介质中彼此相连的大量质点将波源的振动传播的“群体行为”．
(2)力的来源不同——产生振动的回复力，可以由作用在物体上的各种性质的力提供；而引起波动的力，则总是联系介质中各质点的弹力．
(3)运动性质不同——振动是质点的变加速运动；而波动是匀速直线运动，传播距离与时间成正比．
2．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)波动的性质、频率和振幅与振源相同．
例
3(多选)关于振动和波的关系，下列说法中正确的是()
A．振动是波的成因，波是振动的传播
B．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
C．波的传播速度就是质点振动的速度
D．波源停止振动时，波立即停止传播
[答案]AB
[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，所以选项A、B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，选项C 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，选项D错误．四、由“带动法”确定质点的振动方向
带动法
原理：先振动的质点带动邻近的后振动的质点．
方法：在质点P靠近波源一方附近的图象上另找一点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3所示．
图3
例
4一列横波沿绳子向右传播，某时刻绳子形成如图4所示的形状，对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点说法正确的是()
图4
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
[答案] D
[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．
[学科素养]例4考查了质点振动方向的确定方法，先振动的质点带动邻近的后振动的质点．这是从物理学视角对基于事实构建的振动模型中各质点运动规律及相互关系的分析，体现了“科学思维”学科素养.
1．(波的形成和传播)(2018·临漳一中高二下学期期中)如图5所示是某绳波形成过程的示意图，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，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()
图5
A ．t ＝T 4
时质点5的运动方向向下 B ．t ＝T 2
时质点8的速度方向向上 C ．t ＝3T 4
时质点12的运动方向向下 D ．t ＝T 时质点17开始向下运动
[答案] B
2．(横波和纵波)有关纵波与横波，下列说法中正确的是( )
A ．对于纵波，质点的振动方向与波的传播方向一定相同
B ．对于横波，质点振动方向与波的传播方向垂直
C ．纵波的质点可以随波迁移，而横波的质点不能
D ．横波只能在固体中传播，纵波只能在液体、气体中传播
[答案] B
[解析] 纵波质点振动方向与传播方向在一条直线上，方向并不一定相同，故A 选项错误；机械波的质点只是在其平衡位置附近做简谐运动，并不随波迁移，横波和纵波都是这样，故C 选项错误；横波只能在固体中传播，纵波可在固体、液体和气体中传播，故D 选项错误．
3．(振动与波的关系)(多选)关于机械波和机械振动，下列说法中正确的是( )
A ．机械振动就是机械波，机械波就是机械振动
B ．有机械波，则一定有机械振动
C ．机械波就是质点在介质中的运动路径
D ．在波传播方向上各个质点都有相同的振动频率和振幅
[答案]BD
[解析]机械振动在介质中传播，形成了机械波，A错；波的形成有两个条件，一是要有波源，二是要有介质，所以，有机械波一定有机械振动，B对；在波的形成和传播过程中，各质点不随波迁移，C错；离波源较远的质点依靠前面质点的带动，所以频率、振幅相同，D 对．
4．(由“带动法”确定质点的振动方向)振源A带动细绳上各点上下做简谐运动，t＝0时刻绳上形成的波形如图6所示．规定绳上质点向上运动的方向为x轴的正方向，则P点的振动图象是()
图6
[答案] B
[解析]由“带动法”可知此时P点从平衡位置开始向下运动，B正确.。