高中物理粤教版 (2019)选择性必修 第一册第一节 机械波的产生和传播导学案

机械波的产生和传播

1.知道机械波、波源和介质的概念。

2.知道机械波的产生条件以及传播特点。

3.知道横波和纵波的概念，能区分横波和纵波。

知识点一　认识机械波

[情境导学]

如图所示，用手抖动拴在树上的绳端，你看到了什么现象？它是如何形成的？

提示：沿绳向前传播的绳波，是离手较近的绳上的质点带动离手较远的绳上的质点振动形成的。

[知识梳理]

1．机械波的定义：机械振动在媒介中的传播。

2．机械波的产生条件：波源和介质。

(1)波源：产生机械波的振动源。

(2)介质：传播机械振动的媒介。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)有振动就一定有机械波。(×)

(2)有机械波就一定有介质。(√)

(3)在绳子上任一点的振动都会引起波动，进而形成机械波。(√)

2．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

解析：选B　声波是机械波，传播需要介质，故B选项正确。

知识点二　机械波的传播

[知识梳理]

1．形成原因(以绳波为例)

(1)绳子是有弹性的物体，把一条绳子分成一个个小段，将每一小段看作一个质点，质点间有弹性力作用。

(2)当手握绳端上下振动时，绳端带动相邻的质点振动，这个质点又带动更远的质点振动，然后绳上各质点都跟着振动起来，形成了凹凸相间的波形。

(3)t＝、、T、T的波形图。

2．特点

(1)机械波向外传递的是机械振动这种运动形式。

(2)介质中每个质点仅在平衡位置附近振动，并不随波向前移动。

(3)波是传递能量的一种方式。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)绳上各质点的振动是有先后顺序的。(√)

(2)绳上各质点振动的周期是相同的。(√)

(3)绳上各质点振动的平衡位置不断转换即形成波。(×)

2．思考题。

用手抖动拴在树上的绳的绳端时，会看到在绳上形成的波沿绳向前传播，那么绳上的各质点是否也随波一起向前传播？

提示：各质点沿手抖动的方向振动，并不随波向前传播。

知识点三　横波与纵波

[情境导学]

(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？

提示：(1)垂直。　(2)在同一条直线上。

[知识梳理]

1．机械波分类：横波和纵波。

2．横波：质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，叫作横波。横波中有波峰和波谷。

3．纵波：质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波，叫作纵波。纵波中有密部和疏部。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)横波中质点振动方向与波的传播方向一定垂直。(√)

(2)纵波中质点的振动方向与波的传播方向一定相同。(×)

(3)绳上质点的振动方向与波的传播方向垂直，绳波是横波。(√)

2．思考题。

地震波中既有纵波，又有横波，而且在地壳中传播时纵波速度大于横波速度。在地震时，当地居民感受的振动应该是怎样的？

提示：当地居民首先会感到 上下颠簸，后来又会感到在水平方向上左右摇动。

1．机械波的产生

2．机械波的特点

(1)机械波传播的是振动形式、能量和信息，介质中各质点本身并不随波传播而迁移，而是在各自的平衡位置附近振动。

(2)由于波的形成实际上是从波源开始依次带动介质中的各个质点参与振动，所以各个质点都在做受迫振动，因此各个质点振动的周期(频率)与波源的周期(频率)相同。

(3)在不考虑能量损失时，各质点振动的振幅相同，各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同。

3．振动和波动的区别与联系

[例题1]　细绳的一端在外力作用下从t＝0时刻开始做简谐运动，激发出一列横波。在细绳上选取15个点，如图所示，图(1)为t＝0时刻各点所处的位置，图(2)为t＝时刻的波形图(T为波的周期)。在图(3)中画出t＝时刻的波形图。

[解析]　机械波在传播过程中，介质中的质点都在各自的平衡位置附近振动，振动时间依次滞后。从波形图上看出，在t＝T时刻第4个质点才开始振动，则在t＝T时刻第10个质点刚开始振动，此时第4个质点已振动了的时间回到平衡位置，第1个质点到达下方最大位移处，新的波形图如答案图所示。

[答案]　

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]

1．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．波向右传播时，处于波中的质点也向右迁移

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

解析：选A　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。简谐运动形成的波在介质中传播时，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晚一些开始振动，但质点本身并不随波的传播而发生迁移，而且各质点的振动步调不一致，故B、C、D均错误。

2．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”，分析其原因是(　　)

A．大钟的回声

B．大钟在继续振动

C．人的听觉发生“暂留”

D．大钟虽停止振动，但空气仍在振动

解析：选B　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，它会再振动一段时间后因为阻尼而停止振动，因此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。

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．波的传播速度是质点振动的速度

D．波源停止振动时，波立即停止传播

解析：选AB　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的相互作用，一个质点的振动带动相邻质点的振动并由近及远地传播而形成波，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，不会随波源停止振动而立即停止传播，选项D错误。

1．横波与纵波的比较

2．对波的认识的两点提醒

(1)水波的认识方面：水波既不是横波也不是纵波，它属于比较复杂的机械波。

(2)纵波的认识方面：在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上，而不是方向相同。

[例题2]　关于横波与纵波，下列说法中正确的是(　　)

A．质点上下振动形成的波是横波

B．质点水平振动形成的波是纵波

C．波沿水平方向传播，质点在竖直方向上下振动，这类波是横波

D．质点在水平面内振动，波沿水平方向传播，这类波是纵波

[解析]　质点的振动方向与波的传播方向垂直的波叫横波，而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，则可知只有C项正确。

[答案]　C

[针对训练]

1．一列横波正沿水平方向由西向东传播，则下列说法中正确的是(　　)

A．波中的各个质点都在由西向东运动

B．波中的各个质点一定沿水平方向振动

C．波中的各个质点一定沿竖直方向振动

D．以上说法都错误

解析：选D　横波中各质点的振动方向与波的传播方向垂直，波在水平方向由西向东传播，质点振动方向与其垂直，不一定沿水平方向也不一定沿竖直方向，故A、B、C错误，D正确。

2．下列关于纵波的说法中正确的是(　　)

A．在纵波中，波的传播方向就是波中质点的移动方向

B．纵波中质点的振动方向一定与波的传播方向在同一条直线上

C．纵波中质点的振动方向一定与波的传播方向垂直

D．纵波也有波峰和波谷

解析：选B　纵波中质点的振动方向与波的传播方向虽然在同一条直线上，但质点的振动方向与波的传播方向可能相同，也可能相反，在波动中，横波有波峰和波谷，纵波有密部和疏部，故选项B正确。

3．关于横波和纵波，下列说法正确的是(　　)

A．不论是横波还是纵波，前一质点的振动带动后一质点的振动，后一质点必须重复前一质点的振动

B．在波的传播过程中，各质点的振动速度是相同的

C．横波只能在固体介质中传播，固体介质不能传播纵波

D．质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，这类波是纵波

解析：选A　不论是横波还是纵波，由于波源的振动，以及相邻质点间的相互作用力，前边的质点会带动后边的质点振动起来，后边的质点是在前一质点的作用下做受迫振动的，周期和频率都是相同的，选项A正确；各质点的运动都是简谐运动，是变速运动，并且各质点不一定是同步调振动的，选项B错误；固体介质在外力作用下引起的弹力可以与波的传播方向在同一直线上，也可以与之垂直，所以固体既能传播横波也能传播纵波，选项C错误；两个水平方向不一定在同一直线上，可能两个水平方向是垂直的，选项D错误。

1．沿绳传播的一列横波，当波源突然停止振动时(设绳无限长，且波传播过程无能量损失)(　　)

A．绳上各质点同时停止振动，波同时消失

B．离波源较近的质点先停止振动，直到所有质点全部停止振动

C．离波源较远的质点先停止振动，直到所有质点全部停止振动

D．以上说法都不对

解析：选D　当波源振动后，通过介质将波源的振动形式传递出去的同时，将能量也传递出去了。当波源停止振动后，传出去的能量不会消失，当没有能量损失时，这种波的形式和能量继续存在并且将继续传递下去，所以A、B、C都错误，正确答案为D。

2．(多选)把一根长而软的螺旋弹簧竖直提起来，手持弹簧有规律地上下振动，则(　　)

A．在弹簧上形成一列机械波

B．在弹簧上形成波峰和波谷

C．弹簧上的质点自上而下振动

D．弹簧上的机械波自上而下传播

解析：选AD　手有规律地上下振动时弹簧上各质点也上下振动，形成纵波，向下传播，故A、D正确，B、C错误。

3．下列关于横波的说法中正确的是(　　)

A．在横波中，质点的振动方向一定与波的传播方向垂直

B．在横波中，质点的振动方向也可能与波的传播方向在同一直线上

C．在横波中，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

解析：选A　横波的传播方向与质点的振动方向垂直，选项A正确，B、C错误；有波峰和波谷，但波的传播方向不一定与质点的振动方向垂直，选项D错误。

4．关于机械波，以下说法正确的是(　　)

A．声波属于机械波，是横波

B．质点的振动方向跟波的传播方向在同一直线上的波是横波

C．机械波向外传播的是振源的振动形式、信息和能量

D．波传播过程中各质点的起振方向与振源的起振方向可能不相同

解析：选C　声波属于机械波，是纵波，A选项错误；质点的振动方向跟波的传播方向在同一直线上的波是纵波，B选项错误；机械波在传播振动形式的过程中同时传递了信息和能量，C选项正确；简谐波传播过程中各质点的起振方向与振源的起振方向相同，D选项错误。

5．某绳波形成过程的示意图如图所示。质点1在外力的作用下沿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t＝0时，质点1开始向上运动，t＝时，1到达最上方，5开始向上运动。问：

(1)t＝时，质点8,12,16的运动状态(是否运动 、运动方向)如何？

(2)t＝时，质点8、12、16的运动状态如何？

解析：各质点在t＝时和t＝时的情况，如图所示。

(1)由甲图可知，t＝时，质点8未达到波峰，正在向上振动，质点12、16未振动。

(2)由乙图可知，t＝时，质点8正在向下振动，质点12向上振动，质点16未振动。

答案：见解析