高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册1 波的形成学案设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册1 波的形成学案设计，共10页。

知识点一 波的形成
1．波：振动的传播称为波动，简称波。
2．波的形成(以绳波为例)
(1)设想将绳分成许多小段，每一段都可以看成质点。
(2)相邻质点间有相互作用，当振源质点振动时，会带动相邻质点振动。这一质点又会带动下一质点振动。
(3)后面质点的运动重复前面质点的运动。
(4)后面质点运动滞后前面质点的运动，同一时刻，各质点离开平衡位置的位移是不同的，从而形成凹凸相间的波形。
1：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)在波的形成过程中，各质点平衡位置不断移动。(×)
(2)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。(×)
(3)如果波源停止振动，介质中的波也会立即停止。(×)
知识点二 横波和纵波
1．横波与纵波的比较
2．声波
声波是纵波，声波不仅能在空气中传播，也能在固体、液体中传播。
横波和纵波的分类依据是什么？
提示：波的传播方向和质点振动方向的关系。
2：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)横波中质点的振动方向和波的传播方向垂直。(√)
(2)在水平方向传播的波是横波，在竖直方向传播的波是纵波。(×)
(3)横波在固体、液体、气体中都能传播，纵波只能在气体中传播。(×)
知识点三 机械波
1．介质：波借以传播的物质，如绳、弹簧、水、空气等。
2．机械波的形成：机械振动在介质中传播，形成机械波。
3．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，因此说它传播的只是振动这种运动形式。
(2)介质中本来静止的质点，随着波的传来而发生振动，可见波是传递能量的一种方式。
(3)我们能用语言进行交流，说明波可以传递信息。
3：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)振源做简谐运动形成的波中，各质点的运动情况完全相同。(×)
(2)机械波向右传播时，右方的质点比左方的质点早一些振动。(×)
(3)机械波的传播过程也是能量的传递过程。(√)

艺术体操也叫韵律体操，是一种艺术性很强的女子竞赛体操项目。19世纪末20世纪初起源于欧洲。艺术体操表演项目有很多，丝带舞表演就是其中之一，如图所示是一幅丝带舞的表演图。
丝带舞
(1)丝带上的各点有没有随波迁移？
(2)运动员的手停止抖动后，丝带上的波会立即停止吗？
提示：(1)没有 (2)不会
考点1 波的形成和传播
1．机械波的形成
2．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。
(4)机械波传播的是波源的信息
我们用语言进行交流，是利用声波传递信息。
(5)机械波是一种“集体运动”
波的形成离不开介质中大量质点的集体振动，个别质点形不成波。
(1)波源和介质是形成机械波的必需条件，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)机械波在介质中传播时，介质中的各点不随波向前迁移，只在各自平衡位置附近做往复振动。
【典例1】 如图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直线方向做简谐运动，带动其余质点依次上下振动，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＝eq \f(T,4)时，1到达最上方，5开始向上运动。问：
(1)t＝eq \f(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＝eq \f(3T,4)时，质点8、12、16的运动状态如何？
思路点拨：解答此题要注意以下三点：
(1)波在传播过程中前一质点带动后一质点振动。
(2)各质点的起振方向都与波源相同。
(3)各质点的振动频率都与波源的频率相同。
[解析] 各质点在各时刻的情况，如图所示。
甲
乙
(1)由甲图可知，t＝eq \f(T,2)时，质点8未到达波峰，正在向上振动，质点12、16未振动。(2)由乙图可知，t＝eq \f(3T,4)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
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。
[跟进训练]
1．如图所示，水平放置的弹性长绳上有一系列均匀分布的质点1、2、3…使质点1沿竖直方向做简谐运动，振动将沿绳向右传播，从质点1经过平衡位置向上运动时开始计时，当振动传播到质点13时，质点1恰好完成一次全振动。此时质点10的加速度( )
A．为零B．小于质点1的加速度
C．方向向上D．方向向下
D [根据题意，当振动传播到质点13时，质点1恰好完成一次全振动；故此时质点1～13间波形为一个完整的正弦波形，此时质点10处于正向最大位移处，回复力最大，方向指向平衡位置，即向下；根据牛顿第二定律，可知加速度最大，且方向也指向平衡位置，即向下，故选D。]
考点2 横波和纵波
1．横波和纵波的比较
特别提醒：在现实生活中，绳上波为横波，声波为纵波，有些机械波既有横波，也有纵波。例如：地震波既有横波成分，又有纵波成分。
2．振动与波动的联系和区别
【典例2】 一列横波沿一条长绳传播，当波源突然停止振动时( )
A．所有质点都立即停止运动
B．已经振动的质点继续振动，尚未振动的质点不会振动
C．离波源近的质点先停止振动，然后才是远的质点停止振动
D．离波源远的质点先停止振动，然后才是近的质点停止振动
C [当波源突然停止振动时，由于波是质点间相互带动，并且重复，同时后一个质点比前一个质点滞后，所以离波源近的质点先停止振动，然后才是远的质点停止振动；波的形式仍在质点的振动下传播。最终所有质点将会停止振动，但靠近波源先停止，远离波源后停止振动，故A、D错误，C正确。已经振动的质点继续振动，尚未振动的质点，将在波的形式传播后，停止振动，故B错误。]
波动过程中介质中各质点的运动规律
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”。
[跟进训练]
2．关于横波和纵波，下列说法不正确的是( )
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
C [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。]
3．关于振动和波的关系，下列说法中正确的是( )
A．有振动一定有波动，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
B [机械波的产生条件是有波源和介质，由于介质中的质点依次带动由近及远传播而形成波，所以选项A错误，B正确；波的传播速度是波形由波源向外伸展的速度，在均匀介质中其速度大小不变，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；波源一旦将振动传播给了介质，振动就在介质中向远处传播，而当波源停止振动时，振动在介质中仍然继续传播，不会随波源停止振动而停止传播，选项D错误。]
1．关于机械波的形成和传播，下列说法中正确的是( )
A．机械波在介质中传播，波源周围如果没有介质，也能形成机械波
B．离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得迟一些
C．离波源较近的质点总比离波源较远的质点振动得早一些
D．一旦波源振动起来，介质中的各个质点也就立刻振动起来
C [机械波形成的条件是有波源和介质，两者缺一，不能形成机械波；机械波的形成可表述为离波源近的质点带动离波源远的质点振动，故离波源近的质点振动得早一些。所以选项C正确。]
2．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
C [横波与纵波分类的依据是质点振动方向和波传播方向的关系，若两者互相垂直，为横波，若两者在一条直线上，为纵波，故答案为C。]
3．一列横波某时刻的波形如图所示，则关于质点A在此时刻的受力情况，下列说法正确的是( )
A．如果波向右传播，则质点A受到向上的作用力
B．如果波向右传播，则质点A不受作用力
C．如果波向左传播，则质点A受到向上的作用力
D．如果波向左传播，则质点A受到向下的作用力
D [波在介质中传播的过程中任何质点都参与波的传播，都会振动。振动需要回复力，质点A所受的回复力总是指向平衡位置，所以题图中A受到的力向下，与波的传播方向无关。故选项D正确。]
4．(新情境题，以地震为背景，考查纵波和横波)据某校地震测报组消息：1999年9月21日凌晨，台湾南投地区发生了7.6级大地震，它是由台湾中部大茅—双冬及车笼埔两块断层受到挤压，造成剧烈上升及平行移位而形成。已知地震波分三种：横波(S波)，波速vS＝4.5 km/s；纵波(P波)，波速vP＝9.9 km/s；面波(L波)，vL问题：
(1)位于震源上方的南投地区某中学地震测报组有单摆A与竖直弹簧振子B(如图甲所示)，地震发生时最先明显振动的是________(选填“A”或“B”)。
(2)台中市地震观测台记录到的地震曲线如图乙所示，由图可知三种波形各对应的地震波类型：a为________波，b为________波，c为________波。(均选填“S”“P”或“L”)
(3)若在地震曲线图上测得P波与S波的时间差为7.6 s，则地震台距震源约为________km。
甲 乙
[解析] (1)纵波的速度最快，所以纵波最先到达，在甲图中地震发生时最先剧烈振动的是B。
(2)由图可知，纵波的速度最快，横波次之，面波速度最小，最先到达的是纵波，最后到达的是面波。
(3)根据eq \f(x,vS)－eq \f(x,vP)＝7.6 s，可以求出地震台距震源的距离x＝62.7 km。
[答案] (1)B (2)P S L (3)62.7
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．机械波的形成条件是什么？
提示：振源和介质。
2．机械波根据振动方向和传播方向的关系可分哪几类？
提示：两类，即横波和纵波。
3．在波的传播过程中，波传播的是什么？
提示：振动形式和能量。
超声波的应用与发展
以超声为工具，来检验、测量或控制各种非声学量及其变化的超声检测和控制技术已得到广泛的应用。用超声波易于获得指向性极好的定向声束，加上超声波能在不透光材料中传播，因此它已广泛地用于各种材料的无损探伤、测厚、测距、医学诊断和成像等。当前，超声检测这方面的新研究和新应用仍在不断地出现，例如声发射技术和超声全息等。
超声处理是通过超声对物质的作用来改变或加速改变物质的某些物理、化学、生物特性或状态的技术。
由于使用适当的换能器可产生大功率的超声波，而通过聚焦、增幅杆等方法，还可获得高声强的超声，加上液体中的空化现象，使得利用超声进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、促进化学反应、医疗以及种子处理等，已经广泛地应用于工业、农业、医学卫生等各个领域，并还在继续发展。但很多应用机理至今尚未搞清，有待深入研究。
1．超声波是机械波吗？超声波的传播需要介质吗？
提示：是，需要介质。
2．超声波能传播能量和信息吗？
提示：能。学习任务
1．知道机械波、横波和纵波的概念，明确波峰、波谷、疏部和密部。
2．通过实例观察知道机械波产生的条件及传播过程。
3．探究绳波和弹簧波的形成，区分横波和纵波。
4．通过生活中的波动现象培养学生观察、分析、归纳的能力。
定义
标识性物理量
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：质点分布最密的部分
②疏部：质点分布最疏的部分
横波
纵波
概念
在波动中，质点的振动方向和波的传播方向相互垂直
在波动中，质点的振动方向和波的传播方向在一条直线上
介质
只能在固体介质中传播
在固体、液体和气体介质中均能传播
特征
在波动中交替、间隔出现波峰和波谷
在波动中交替、间隔出现密部和疏部
振动
波动
运动现象
振动是单个物体所表现出的周而复始的运动现象
波动是介质中大量的质点受到扰动时，从扰动中心传播开来的周而复始的运动现象
运动的成因
物体由于某种原因离开平衡位置，同时受到指向平衡位置的力——回复力作用
介质中的质点受到相邻质点的扰动而随着运动，并由近及远传播开去，且各部分都受到指向原位置的力的作用
联系
(1)振动是波的起因，波是振动的传播
(2)有波动一定有振动，有振动不一定有波动
(3)牢记波动的周期等于质点振动的周期