高中物理第2章机械波1机械波的形成和传播教师用书教科版选修3_4

机械波的形成和传播
[先填空]
1．机械波形成原因
以绳波为例(如图2­1­1)
图2­1­1
(1)可以将绳分成许多小段，每一段都可以看做质点．
(2)如果手不抖动，各个质点排列在同一直线上，各个质点所在的位置称为各自的平衡位置．
(3)手连续上下抖动，引起的振动就会沿绳向另一端传去，振动状态在绳上的传播就形成了机械波．
(4)手是引起绳上初始振动的装置，叫波源．
2．介质
(1)定义：能够传播振动的物质．
(2)质点运动特点：介质中的各质点只是在各自的平衡位置附近做往复运动，并没有随波的传播而向前迁移．
3．机械波
(1)定义：机械振动在介质中传播，形成了机械波．
(2)机械波的产生条件
①波源：引起初始振动的装置．
②介质：能够传播振动的物质．
(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迁移，传播的只是机械振动这种运动形式．
②波是传递能量的一种方式．
[再判断]
1．机械波传播的是介质中的质点．(×)
2．质点的振动位置不断转换即形成波．(×)
3．在绳波的形成和传播中，所有质点同时运动，同时停止运动．(×)
4．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．(×)
[后思考]
1．振动和波的关系是什么？有振动是否一定有机械波？
【提示】波源和介质是形成机械波的必要条件，二者缺一不可，有振动不一定有机械波，有机械波一定有振动．
2．机械波形成后，若波源停止振动，机械波会立即消失吗？
【提示】不会．波源停止振动后，机械波传递的能量并没有立即消失，因此机械波不会立即消失．
1．机械波的形成
(1)实质：介质各质点间存在相互作用力，前面质点的振动带动后面质点的振动．
(2)各质点的振动：每一个质点均做相同的受迫振动．
(3)各质点间的作用：相邻质点间有弹力作用，相互做功，将振动形式和振动能量同时向外传播．
2．机械波的特点
(1)振幅：若不计能量损失，各质点振幅相同．
(2)周期：波的周期、各质点的振动周期均和波源的振动周期相同．
(3)质点振动时刻：离波源越远，质点开始振动越晚．
(4)各质点的运动：各质点都在各自的平衡位置附近振动，并不随波迁移．
(5)作用：机械波向外传播振动形式和能量．
1．如图2­1­2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，从而形成简谐波．由波的形成及图示可知，下列
说法中正确的是( )
图2­1­2
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
E．波的形成过程中，质点沿着波的传播方向移动
【解析】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 和E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．
【答案】ACD
2．将一个小石子投向平静的湖面中心，会激起一圈圈向外传播的波纹，如果此时水面上有一片树叶，那么树叶运动情况是怎样的？
【解析】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，只在各自的平衡位置附近振动．
【答案】在原位置上下振动
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．
[先填空]
机械波可分为横波和纵波两类
1．横波中质点的振动方向与波的传播方向垂直．(√)
2．质点的振动方向与波的传播方向垂直的波都是横波．(√)
3．如果波源停止振动，介质中的波也会立即停止．(×)
4．横波在固体、液体、气体中都能传播，纵波只能在气体中传播．(×)
[后思考]
1．在平静的湖面上，漂浮着一片树叶，如果你往树叶附近扔下一块小石子，湖面立即兴起水波，水波一圈一圈往外扩展出去，于是树叶运动起来．这里的水波是横波还是纵波？
图2­1­3
【提示】横波．
2．地震波既有横波也有纵波，试分析哪一种波对地面建筑物的破坏力大．
【提示】横波振动方向与波前进方向垂直，而纵波振动方向与传播方向一致．在震中区，地震波直接入射地面，横波表现为左右摇晃．纵波表现为上下跳动．另外，横波振幅比纵波大，破坏力大，所以横波的水平晃动力是造成建筑物破坏的主要原因．
1．横波和纵波的比较
3．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
E．空气介质只能传播横波
【解析】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，E错误．
【答案】ABD
4.一列横波沿绳子向右传播，传播过程无能量损失，某时刻绳子形成如图2­1­4所示的凹凸形状．对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点，下列说法正确的是( )
【导学号：18640013】
图2­1­4
A ．它们的振幅相同
B ．质点D 和F 的速度方向相同
C ．质点A 和C 的速度方向相同
D ．从此时算起，质点B 比C 先回到平衡位置
E ．从此时算起，质点E 比
F 先到达波峰
【解析】 波源振动时，绳上各质点通过相互间的弹力作用跟着做受迫振动，不考虑传播中的能量损耗时，各质点的振幅均相同，选项A 正确；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，并跟随着离波源近的质点振动．由题图可知，波源在左端，因此，质点D 跟随离波源近的质点C 正向上运动，质点F 跟随离波源近的质点E 正向下运动，两者速度方向相反，选项B 错误；同理，此时质点A 正向下运动，质点C 正向上运动，两者速度方向也相反，选项C 错误；由于此时B 、C 两质点都向上运动，B 比C 先到最大位移处，故B 比C 先回到平衡位置，选项D 正确．同理知选项E 正确．
【答案】 ADE
5.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2­1­5所示)．在一次地震中，震源在地震仪下方，观察到两振子相差5 s 开始振动，求：
图2­1­5
(1)先振动的是哪个振子？ (2)震源距地震仪的距离是多少？
【解析】 横波速度小于纵波速度，所以P 先开始振动．由x 9 km/s ＋5 s ＝x
4 km/s ，可
得x ＝36 km.
【答案】 (1)P (2)36 km
解答波动问题的两个关键
1．波在传播过程中，质点只在其平衡位置附近做简谐运动，并不随波迁移．
2．根据质点做简谐运动的特点确定质点的位置和速度方向．。