高二物理下 振动图像与波的图像及多解问题

第2课振动图像与波的图像及多解问题
知识目标
一、振动图象和波的图象
振动是一个质点随时间的推移而呈现的现象，波动是全部质点联合起来共同呈现的现象．
简谐运动和其引起的简谐波的振幅、频率相同，二者的图象有相同的正弦（余弦）曲线形状，但二图象是有本质区别的．见表：
振动图象波动图象
研究对象一振动质点沿波传播方向所有质点
研究内容一质点的位移随时间的变化规律某时刻所有质点的空间分布规律
图线
物理意义表示一质点在各时刻的位移表示某时刻各质点的位移
图线变化随时间推移图延续，但已有形状
不变
随时间推移，图象沿传播方向平
移
一完整曲线占横坐
标距离
表示一个周期表示一个波长
【例1】如图6—27所示，甲为某一波动在t=1．0s时的图象，乙为参与该波动的P质点的
振动图象
（1）说出两图中AA/的意义？
（2）说出甲图中OA/B图线的意义？
（3）求该波速v=？
（4）在甲图中画出再经3．5s时的波形图
（5）求再经过3．5s时p质点的路程S和位移
【例2】如图所示，（1）为某一波在t＝0时刻的波形图，（2）为参与该波动的P点的振动图象，则下列判断正确的是
A．该列波的波速度为4m／s ；
B．若P点的坐标为x p＝2m，则该列波沿x轴正方向传播
C、该列波的频率可能为 2 Hz；
D．若P点的坐标为x p＝4 m，则该列波沿x轴负方向传播；
二、波动图象的多解
波动图象的多解涉及：(1)波的空间的周期性；(2)波的时间的周期性；(3)波的双向性；(4)介质中两质点间距离与波长关系未定；(5)介质中质点的振动方向未定． 1.波的空间的周期性 2.波的时间的周期性 3.波的双向性
说明：波的对称性：波源的振动要带动它左、右相邻介质点的振动，波要向左、右两方向传播．对称性是指波在介质中左、右同时传播时，关于波源对称的左、右两质点振动情况完全相同．
【例3】一列在x 轴上传播的简谐波，在x l = 10cm 和x 2=110cm 处的两个质点的振动图象如图所示，则质点振动的周期与这列简谐波的波长．
【例4】如图实线是某时刻的波形图象，虚线是经过0.2s
时的波形图象。

求：
①波传播的可能距离 ②可能的周期（频率）
③可能的波速 ④若波速是35m/s ，求波的传播方向
⑤若0.2s 小于一个周期时，传播的距离、周期（频率）、波速。

试题展示
1．一列简谐横波沿直线由a 向b 传播，相距10.5m 的a 、b 两处的质点振动图象如图中a 、b 所示，则
A ．该波的振幅可能是20cm
B ．该波的波长可能是8.4m
C ．该波的波速可能是10.5 m/s
D ．该波由口传播到6可能历时7s
2、一列简谐横波沿x 轴负方向传播，图1是t = 1s 时的波
形图，图2是波中某振动质元位移随时间变化的振动图线(两图用同同一时间起点)，则图2可
4
x /m
y 0
O
y
d 2d 3d 4d 5d
6d 7d
2
d x
t 时刻
t ＋Δt 时刻
能是图1中哪个质元的振动图线？
A ．x = 0处的质元；
B ．x = 1m 处的质元；
C ．x = 2m
处的质元； D ．x = 3m 处的质元。

3、如图所示，实线和虚线分别为某种波在t 时刻和t ＋Δt 时刻的波形曲线。

B 和C 是横坐标分别为d 和3d 的两个质点，下列说法中正确的是（ ）
A ．任一时刻，如果质点
B 向上运动，则质点
C 一定向下运动 B ．任一时刻，如果质点B 速度为零，则质点C 的速度也为零
C ．如果波是向右传播的，则波的周期可能为
76
Δt D ．如果波是向左传播的，则波的周期可能为13
6
Δt
4、 图甲为一列简谐横波在某一时刻的波形图，图乙为质点P 以此时刻为计时起点的振动图象。

从该时刻起（ ） .
A ．经过0.35 s 时，质点Q 距平衡位置的距离小于质点P 距平衡位置的距离
B ．经过0.25 s 时，质点Q 的加速度大于质点P 的加速度
C ．经过0.15 s ，波沿x 轴的正方向传播了3 m
D ．经过0.1 s 时，质点Q 的运动方向沿y 轴正方向
5．如图所示为一列沿x 轴正方向传播、频率为50Hz 的简谐横波在t=0时刻的波形,此时P 点恰好开始振动.已知波源的平衡位置在O 点,P 、Q 两质点平衡位置坐标分别为P(12,0)、Q(56,0),( ). (A)波源刚开始振动时的运动方向沿＋y 方向 (B)这列波的波速为600m/s (C)当t=0.11s 时,Q 点刚开始振动 (D)Q 点刚开始振动时,P 点恰位于波谷
6、一列波在介质中向某一方向传播，如图是此波在某一时刻的波形图，且此时振动还只发生在
M 、N 之间，并知此波的周期为T ，Q 质点速度方向在波形中是向下的。

则：
O
0.1
0.2
0.2
－0.2
y /m
t /s
乙
O
2 4
0.2
－0.2
y /m x /m
甲
Q
P 图2
O t /s
y /m
1 2 3 4 5 6
x /m
图1
O y /m
1 2 3 4 5 6
波源是_____；P质点的起振方向为_________；从波源起振开始计时时
．．．．．．．．．．，P点已经振动的时间为______。

7. 一列沿x 轴正方向传播的横波，某时刻的波形图象如图中的实线Ⅰ所示，经t＝0.2 s后，波形图象如图中虚线Ⅱ所示．求这列波的波速。

8.一列简谐波沿x轴正方向传播，t=0时波形如图甲所示.已知在0.6s末，A点恰第四次（图中为第一次）出现在波峰，求
（1）该简谐波波长、波速分别为多少？
（2）x=5m处的质点p第一次出现波峰的时间为多少？
（3）如果以该机械波传到质点p开始计时，请在下图乙中画出p点的振动图像，并标明必要的数字，至少画出一个周期的图像。

1.解析：（1）甲图中AA/表示A质点的振幅或1．0s时A质点的位移大小为0．2m，方向为负．乙图中AA/’表示P质点的振幅，也是 P质点在 0．25s的位移大小为0．2m，方向为负．
（2）甲图中OA /
B 段图线表示O 到B 之间所有质点在1．0s 时
的位移、方向均为负．由乙图看出P 质点在1．0s 时向一y 方向振动，由带动法可知甲图中波向左传播，则OA /
间各质点正向远离平衡位置方向振动，A /
B 间各质点正向靠近平衡位置方向振动．
（3）甲图得波长λ＝4 m ，乙图得周期 T ＝1s 所以波速v=λ/T=4m/s （4）用平移法：Δx ＝v ·Δt ＝14 m ＝（3十½）λ
所以只需将波形向x 轴负向平移½λ=2m 即可，如图6——28所示
（5）求路程：因为n=2
/T t
=7，所以路程S=2An=2×0·2×7=2。

8m
求位移：由于波动的重复性，经历时间为周期的整数倍时．位移不变·所以只需考查从图示时刻，p 质点经T/2时的位移即可，所以经3．5s 质点P 的位移仍为零．
2.解析:由波动图象和振动图象可知该列波的波长λ=4m ，周期T ＝1．0s ，所以波速 v ＝λ／T ＝4m ／s ． 由P 质点的振动图象说明在t=0后，P 点是沿y 轴的负方向运动：若P 点的坐标为x p ＝2m ，则说明波是沿x 轴负方向传播的；若P 点的坐标为x p ＝4 m ，则说明波是沿x 轴的正方向传播的．该列波周期由质点的振动图象被唯一地确定，频率也就唯一地被确定为f ＝ l ／t ＝0Hz ．综上所述，只有A 选项正确．
3. 【解析】由两质点振动图象直接读出质点振动周期为 4s ．由于没有说明波的传播方向，本题就有两种可能性：（1）波沿x 轴的正方向传播．在t ＝0时，x 1在正最大位移处，x 2在平衡位置并向y 轴的正方向运动，那么这两个质点间的相对位置就有如图所示的可能性，也就x 2一 x 1＝（n 十1/4）λ，λ=400/（1十4n ）cm
（2）波沿x 轴负方向传播．在t ＝0时．x 1在正最大位移处，x 2在平衡位置并向y 轴的正方向运动，那么这两个质点间的相对位置就有如图所示的可能性，x 2一 x 1＝（n 十3/4）λ，λ=400／（3＋ 4n ）cm 4.
解析：①题中没给出波的传播方向，所以有两种可能：向左传播或向右传播。

向左传播时，传播的距离为x =n λ+3λ/4=（4n +3）m （n=0、1、2 …） 向右传播时，传播的距离为x =n λ+λ/4=（4n+1）m （n=0、1、2 …）
②向左传播时，传播的时间为t =nT +3T /4得：T =4t /（4n +3）=0.8 /（4n +3）（n=0、1、2 …） 向右传播时，传播的时间为t =nT +T /4得：T =4t /（4n +1）=0.8 /（4n +1） （n=0、1、2 …） ③计算波速，有两种方法。

v =x /t 或v =λ/T
向左传播时，v =x /t =（4n +3）/0.2=（20n +15）m/s. 或v =λ/T =4 （4n +3）/0.8=（20n +15）m/s.（n =0、1、2 …）
向右传播时，v =x /t =（4n +1）/0.2=（20n +5）m/s. 或v =λ/T =4 （4n +1）/0.8=（20n +5）m/s. （n =0、1、2 …）
④若波速是35m/s ，则波在0.2s 内传播的距离为x =vt =35×0.2m=7m=14
3
λ，所以波向左传播。

⑤若0.2s 小于一个周期，说明波在0.2s 内传播的距离小于一个波长。

则：
向左传播时，传播的距离x =3λ/4=3m ；传播的时间t =3T /4得：周期T =0.267s ；波速v =15m/s.向右传播时，传播的距离为λ/4=1m ；传播的时间t =T /4得：周期T =0.8s ；波速v =5m/s. 点评：做此类问题的选择题时，可用答案代入检验法。

5. 解析：从振动模型分析，若质点P 从t 1时刻开始向平衡位置方向振动，在一个周期内，从t 1时刻到t 2时刻，从t 2时刻到t 3时刻，对应的振动图象如图乙所示．考虑到振动的周期性，则有： t
2—t 1＝（n ＋1／4）T n ＝0，1，2…… 周期为：T=（t 2一t 1）／（n 十1/4） n ＝0，1，2…… 由公式：v ＝λ／T 得出速度v 的通解为： v ＝20（n ＋l ／4） n=0，1，2……方向向左． 若质点 P 从 t 1时刻开始背离平衡位置方向振动，在
一个周期内，从t 1时刻到t2时刻，从t 2时刻到t 3时刻，对应的振动图象如图丙所示．考虑到振动的周期性，则有： t 2—t 1＝（n ＋3／4）T n ＝0，1，2……
周期为：T=（t 2一t 1）／（n 十3/4） n ＝0，1，2……
由公式：v ＝λ／T 得出速度v 的通解为： v ＝20（n ＋3／4） n=0，1，2……方向向右． 答案：v ＝20（n ＋l ／4）（n ＝0，1，2……） 方向向左． 或v ＝ 20（ n ＋ 3／4）（ n ＝ 0，1，2，……）方向向右
6.解：⑴如果这列简谐横波是向右传播的，在t 2-t 1内波形向右匀速传播了λ
⎪⎭
⎫ ⎝
⎛
+31n ，所以波速()1231t t n v -÷⎪⎭⎫ ⎝
⎛
+=λ=100(3n +1)m/s (n =0,1,2,…)；同理可得若该波是向左传播的，可能的波
速v =100(3n +2)m/s (n =0,1,2,…)
⑵P 质点速度向上，说明波向左传播，T < t 2-t 1 <2T ，说明这段时间内波只可能是向左传播了5/3个波长，所以速度是唯一的：v =500m/s
⑶“Q 比R 先回到平衡位置”，说明波只能是向右传播的，而0.01s<T <0.02s ，也就是
T <0.02s<2T ，所以这段时间内波只可能向右传播了4/3个波长，解也是唯一的：v =400m/s
7.分析与解：本题没有给定波的传播方向，仅告诉我们在某一时刻M 、N 两点均处在平衡位置，且M 、N 之间仅有一个波峰．由此我们可以推想，处在直线MN 上的各个质点在该时刻相对平衡位置的位移可能会有以下四种情况，即波的图像有以下四种图形（如图中A 、B 、C 、D 图，各图中均为左端为M ，右端为N ）：若波的传播方向由M 到N ，那么：
A
C
B
D
在A 图中，经过时间t ，N 恰好到达波峰，说明时间t 内波向右前进的距离24
d S λ==，且
4T t =，所以波速2d v T t
λ==． 在B 图中，经过时间t ，波峰传到N 点，则波在时间t 内向右前进的距离3344d S λ==，
且34
T t =，所以波速3434d d v T t t λ===．
在C 图中，经过时间t ，波向右前进的距离44d S λ==，且4T t =，所以波速4d v t t
λ==．
在D 图中，经过时间t ，波向右前进的距离324d S λ==，且34T t =，所以波速2d v T t λ==．
若波的传播方向从N 到M ，那么：
在A 图中，质点N 此时要向下振动，经过时间t ，N 到达波峰，则时间34
T t =，在时间t 内波向左前进的距离3324d S λ==，所以波速32d v t
=．
在B 图中，经过时间t ， N 到达波峰，则时间4
T t =，在此时间内波向左前进的距离
44d S λ==，所以波速4d v T t
λ==． 在C 图中，波在时间t 内向左前进的距离3344
d S λ==，且34T t =，所以波速
3434d d v T t t λ===． 在D 图中，质点N 经过4T
变为波峰，所以4
T t =，在时间t 内波向左前进的距离
64d S λ==，所以波速6d v T t
λ==． 所以该列波可能的波速有五种6d v t =、4d v t =、2d v t =、34d v t =、32d v t
=．
其实上述解决问题的方法过于程序化，如果能够判断出八种情况下该时刻波形图上的波峰
在传播方向上到N 点的距离S ，波速v 就等于s t
．例如：最后一种情况中，波峰在传播方向上
到N 点的距离6d S =，所以波速6s d v t t
==．其它情况读者可自行解决．
1.答案：D
解析：题目中给出了两个质点的振动图像，从图中直接可以看出振动的振幅为10cm,周期为4S ，A 错误，因为波是沿着a 向b 传播，所以从振动形式可以看出，b 比a 至少晚振动3/4
个周期，满足t =nT +3，（n =0，1，2……），再利用v = λT = s
t
，可得BC 错，D 正确。

2.答案：AC
解析：由振动图象可知，振动周期为0.1s ，故此列波的频率一定是10Hz ，A 正确；因为波速为07
.01.042
.4-=
n v ，当n=2时，波速为34m/s ，故C 正确；由图不能断定波长一定是0.1m ，也
无法确定哪一点距波源近一些．
3.答案：C
解析：交流电的概念，大小和方向都随时间变化，在t 轴的上方为正，下方为负，A 错。

有效值2
m E E
只对正弦交流电使用，最大值一样，所以B 错。

由图可知，C 对。

变压之后频
率不变，D 错。

4.C
5.A
6.A
7.AC
8.解析：由Q 点的振动方向可知波向左传播，N 是波源。

由M 点的起振方向（向上）得P 质点的起振方向向上。

振动从N 点传播到M 点需要1T ，传播到P 点需要3T /4，所以质点P 已经振动的时间为T /4.。