2019-2020学年人教版物理选修3-4（浙江新高考专用版）讲义：第十二章 机械波 1 Word版含答案.pdf

1 波的形成和传播 波的形成和传播 知识内容选考要求课时要求 波的形成 和传播 b 1.了解横波的概念，知道横波的波峰和波谷，理解横波的形 成过程；了解纵波的概念，了解纵波的密部与疏部 2知道横波与纵波的区别，知道声波是纵波 3 了解介质的概念， 知道机械波是机械振动在介质中的传播， 知道波传播的是振动形式和能量，波也可以传播信息 4理解波动和振动的联系和区别. 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 定义标志性物理量实物波形 横波 质点的振动方向与波的 传播方向相互垂直的波 (1)波峰：凸起的最高处 (2)波谷：凹下的最低处 纵波 质点的振动方向与波的 传播方向在同一直线上 的波 (1)密部：质点分布最密的位置 (2)疏部：质点分布最疏的位置 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 (多选)如图 2 所示，沿水平方向的介质中的部分质点，每相邻两质点的距离相等，其 中 O 为波源，设波源的振动周期为 T，从波源通过平衡位置竖直向下振动开始计时，经 质 T 4 点 1 开始振动，则下列说法中正确的是( ) 图 2 A介质中所有质点的起振方向都是竖直向下的，但图中质点 9 起振最晚 B图中所画出的质点起振时间都是相同的，起振的位置和起振的方向是不同的 C图中质点 8 的振动完全重复质点 7 的振动，只是质点 8 振动时通过平衡位置或最大位移 处的时间总是比质点 7 通过相同的位置时落后T 4 D只要图中所有质点都已振动了，质点 1 与质点 9 的振动步调就完全一致，如果质点 1 发 生的是第 100 次振动，则质点 9 发生的就是第 98 次振动 答案 ACD 解析 从题图可知，质点 9 是图中距波源最远的点，尽管与波源起振方向相同，但起振时刻 最晚，故 A 正确，B 错误；质点 7 与质点 8 相比，质点 7 在质点 8 的前面，两质点的振动步 调相差 ，故 C 正确；质点 9 比质点 1 晚 2T 开始起振，一旦质点 9 起振后，质点 1、9 的振 T 4 动步调就完全一致，故 D 正确 针对训练 下列说法正确的是( ) A有机械振动就一定有机械波 B有机械波就一定有机械振动 C振源一停止振动，波立即停止传播 D由于各质点都要参与振动，所以介质要随波发生迁移 答案 B 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” 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 (2018·金华诊断)区分横波和纵波的依据是( ) A质点沿水平方向还是沿竖直方向振动 B波沿水平方向还是沿竖直方向传播 C质点的振动方向和波的传播方向是相互垂直，还是在一条直线上 D波传播距离的远近 答案 C 解析 横波与纵波的分类标准是看质点的振动方向和波的传播方向的关系，若相互垂直，则 为横波；若在一条直线上，则为纵波，故选项 C 正确 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 如图 4 所示是一列向右传播的横波，请标出这列波中 a、b、c、d、h 质点这一 时刻的速度方向 图 4 答案 见解析图 解析 由波的形成特点可知，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状态总 是滞后于前面的质点此题中质点 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 点为参照点，由波的形成特点知 d 点的振动滞后于 c 点，要追 随 c 点移动到最大位移处，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 比 c 超前，已从负的最大位移处回振，所以速度方向向上 ； a 超前于 b，已回到平衡位置，速 度最大，方向也向上 ； 同理以 g 为参照点，可知 h 点速度方向向上各点速度方向如图所示 例 5 如图 5 所示，是某绳波形成过程的示意图质点 1 在外力作用下沿垂直于直线方向做 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 t0 时，质点 1 开始向上运动，t 时，质点 1 到达最上方，质点 5 开始向上运动问： T 4 图 5 (1)t 时，质点 8、12、16 的运动状态(是否运动、运动方向)如何？ T 2 (2)t时，质点 8、12、16 的运动状态如何？ 3T 4 (3)tT 时，质点 8、12、16 的运动状态如何？ 答案 见解析 解析 各质点在各时刻的运动情况，如图甲、乙、丙所示 (1)由图甲可知，t 时，质点 8 正在向上振动，质点 12、16 未振动 T 2 (2)由图乙可知，t时，质点 8 正在向下振动，质点 12 正在向上振动，质点 16 未振动 3T 4 (3)由图丙可知，tT 时，质点 8、12 正在向下振动，质点 16 正在向上振动 学科素养 例 4、例 5 考查了质点振动方向的确定方法，根据波的形成特点，先振动的质点 带动后面的质点振动后面的质点的振动总是落后于前面质点，每一个质点都在自己的平衡 位置附近振动，正确画出各时刻的波形图，可以使问题变得更形象直观这是从物理学视角 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”的学 科素养 1(波的形成和传播)以下对机械波的认识正确的是( ) A形成机械波一定要有波源和介质 B波源做简谐运动形成的波中，各质点的运动情况完全相同 C横波向右传播时，处于波峰的质点也向右迁移 D机械波向右传播时，右方的质点比左方的质点早一些振动 答案 A 解析 波源和介质是形成机械波的两个必不可少的条件，故 A 正确简谐运动在介质中传播 时，介质中各质点都做简谐运动，沿波的传播方向上，后面的质点比前面的质点总要晚一些 开始振动，但质点本身并不随波的传播而发生迁移，故 B、C、D 错误 2(横波和纵波)2018 年 7 月 21 日，杭州市上城区、西湖区、滨江区交界处发生 2.2 级地震， 不少市民反映有震感，地震产生的能量以波的形式向远处传播，称为地震波，对于地震波， 下列说法中正确的是( ) A地震波是由机械振动引起的平面机械波 B只要波源停止振动，地震波的传播就会立即停止 C地震波既有横波，也有纵波，且纵波先到达地面 D地震波具有的能量，随着波的传播将越来越强 答案 C 解析 地震波有横波成分， 也有纵波成分， 纵波使地面发生上下振动， 而横波使地面发生前后、 左右晃动，且纵波先到达地面，所以地震波并非平面机械波，A 错误，C 正确；波源停止振 动后，波要继续向前传播，不会立即停止，B 错误；地震波具有的能量，随着波的传播将越 来越弱，D 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， 所以振动频率、 振幅相同， D 对 4(由“带动法”确定质点的振动方向)一列横波沿绳子向右传播，某时刻绳子形成如图 6 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 6 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，并跟随着前面的质 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 先达到最大位移处，并先回到 平衡位置，选项 A 错误，D 正确 一、选择题 考点一 波的形成、传播和特点 1在敲响古刹里的大钟时，有的同学发现，停止对大钟的撞击后，大钟仍“余音未绝” ，主 要原因是( ) A大钟的回声 B大钟在继续振动，空气中继续形成声波 C人的听觉发生“暂留” D大钟虽停止振动，但空气仍在振动 答案 B 解析 停止对大钟的撞击后，大钟的振动不会立即停止，振动的能量不会立即消失，还会在 空气中形成声波，这就是“余音未绝”的原因，所以选项 B 正确 2在一平静的湖面上漂浮着一轻木块，向湖中投入一石块，在湖面上激起水波，关于木块的 运动情况，以下说法正确的是( ) A因为“随波逐流” ，木块将被推至远处 B因不知道木块离波源的远近如何，所以无法确定木块的运动情况 C无论木块离波源的远近如何，它都不能被波推动，最多只能在湖面上做上下振动 D木块被推动的距离与木块的质量大小和所受水的阻力的大小等情况有关 答案 C 解析 波传播的是振动这种形式，各质点在各自平衡位置附近做简谐运动，并不随波迁移， 故 A、B、D 错误，C 正确 3(多选)关于机械波的说法正确的是( ) A相邻的质点要相互做功 B机械波在真空中也能传播 C波源开始时怎样振动，其他质点开始时就怎样振动 D除波源外，波中各质点都做受迫振动 答案 ACD 解析 机械波是由于介质中前面的质点带动后面的质点运动，使波源的振动形式与波源的能 量向远处传播而形成的，前、后质点间存在相互作用力，因而相互做功，故 A 正确；机械波 的传播必须有介质，在真空中不能传播，故 B 错误；波源依次带动后面的质点振动，每个质 点都做受迫振动，每个质点的频率都与波源频率相同，并且都“仿照”波源振动，故 C、D 正确 4关于机械波，下列说法中正确的是( ) A自然界所刮的风就是一种机械波 B波不仅能传递能量，而且参与振动的质点也在随波迁移 C波将波源的振动形式传播出去的同时，也可以传递信息 D传播机械波的介质一定是可以自由流动的 答案 C 5(2018·绍兴高二检测)科学探测表明，月球表面无大气层，也没有水，更没有任何生命存在 的痕迹，在月球上，两宇航员面对面讲话也无法听到，这是因为( ) A月球太冷，声音传播太慢 B月球上没有空气，声音无法传播 C宇航员不适应月球，声音太轻 D月球上太嘈杂，声音听不清楚 答案 B 解析 由于声波是机械波， 而机械波的传播必须有介质， 月球上没有空气， 所以声音无法传播 考点二 横波和纵波 6(2018·义乌高二检测)下列关于横波的说法中，正确的是( ) A横波中，质点的振动方向一定与波的传播方向垂直 B横波中，质点的振动方向也可能与波的传播方向平行 C横波中，波水平向右传播，各个质点一定上下振动 D能形成波峰、波谷的波是横波 答案 A 7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都是有时相同，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形成纵波的质点不随波迁移 答案 D 8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 1 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，则( ) 图 1 AP 先开始振动，震源距地震仪约 36 km BP 先开始振动，震源距地震仪约 25 km CH 先开始振动，震源距地震仪约 36 km DH 先开始振动，震源距地震仪约 25 km 答案 A 解析 横波的传播速率小于纵波的传播速率，所以 P 先开始振动由5 s， x 9 km/s x 4 km/s 可得 x36 km，则 A 正确，B、C、D 错误 考点三 由“带动法”确定质点的振动方向 9如图 2 所示为波沿一条固定的绳子向右刚传播到 B 点时的波形，由图可判断 A 点刚开始 的振动方向是( ) 图 2 A向左 B向右 C向下 D向上 答案 D 解析 根据带动法可知 B 点要向上振动，且所有点的起振方向都相同，所以 D 正确 10.一列简谐横波沿 x 轴传播，某时刻的波形如图 3 所示，已知此时质点 F 的运动方向沿 y 轴 负方向，则( ) 图 3 A此波向 x 轴正方向传播 B此时质点 C 向 y 轴正方向运动 C质点 C 将比质点 B 先回到平衡位置 D质点 E 的振幅为零 答案 C 解析 已知质点 F 的运动方向沿 y 轴负方向，即 F 质点正在“模仿”右边质点的振动，这说 明波源在右边，波从右向左传播，即此波向 x 轴负方向传播，选项 A 错误；此时质点 C 刚到 达最大位移处，速度为 0，此后向 y 轴负方向运动，选项 B 错误；质点 B 要先向 y 轴正方向 运动到达波峰位置再回到平衡位置，而质点 C 直接从波峰位置回到平衡位置，所以选项 C 正 确；振幅指的是质点离开平衡位置的最大距离，虽然此时质点 E 的位移为零，但其振幅不为 零，选项 D 错误 11.一列波在介质中向某一方向传播，图 4 为此波在某一时刻的波形图，并且此时振动还只发 生在 M、N 之间，已知此波的周期为 T，Q 质点速度方向在波形图中是向下的，下面说法中 正确的是( ) 图 4 A波源是 M，由波源起振开始计时，P 质点已经振动的时间为 T B波源是 N，由波源起振开始计时，P 质点已经振动的时间为3T 4 C波源是 N，由波源起振开始计时，P 质点已经振动的时间为T 4 D波源是 M，由波源起振开始计时，P 质点已经振动的时间为T 4 答案 C 解析 由于此时 Q 质点向下振动，且 Q 质点右边邻近质点在 Q 质点下方，则波向左传播，N 是波源经过一个周期，振动从 N 点传播到 M 点，又因从波源 N 起振开始计时，需经 T，P 3 4 质点才开始振动，故 P 质点已经振动了 ，选项 C 正确 T 4 二、非选择题 12(2017·乐清芙蓉中学高二下学期月考)上下抖动绳子出现的机械波为_波；左右抖 动弹簧出现的机械为_波(填“纵”或“横”) 答案 横 纵 解析 上下抖动绳子，在绳上形成的波的传播方向和各点的振动方向是相互垂直的，故是横 波而左右抖动弹簧时，波的传播方向和各点的振动方向在一条直线上，故为纵波. 13如图 5 甲所示为波源的振动图象，图乙为均匀介质中同一条直线上等间距的质点在 t1 s 时的振动状态，其中质点 4 刚开始振动请在图丙中画出 t5 s 时质点的振动状态 图 5 答案 见解析图 解析 由题图甲知波源振动周期 T4 s，根据波传播的规律知 t5 s 时，波源出现在波峰， 质点 16 起振如图所示