高中物理人教版 (新课标)选修31 波的形成和传播教学设计及反思

2011年3月11日日本东北宫城县北部地区发生里氏9.0级特大地震,所影响的范围几乎是日本本州岛的四分之一,甚至离震中1000多公里的神户都有震感, 周边国家

部分高层建筑也感受到异常。此次地震对日本是一个灾难性的影响。我们在日常生活中会遇到各种各样的波动,有破坏力极大的地震波、海洋中的波浪、湖泊中的水波、空气中的声波以及弥漫在我们周围的无线电波和光波等。我们不禁会问:波究竟是什么?我们该怎样了解波呢?

课时12.1　波的形成和传播

　　1.通过观察和分析,认识波是振动的传播,知道波在传播振动形式的同时也传播能量和信息。

2.能区分横波和纵波,知道什么是波峰和波谷、密部和疏部。

3.知道什么是机械波和机械波形成的条件。

重点难点:机械波的形成过程及传播。

教学建议:本节讨论的是机械波的产生和传播,并定性研究波的一些基本特征。对机械波的认识和理解需要一个过程,教学中不可急于求成,应该注意教学方式的选择。要从注重教师的讲解转变为注重学生的亲身体验和学生对实验的观察,并通过播放录像、模拟动画等方法,帮助学生逐步体会和理解本节知识。注意运用学生已经有的运动学和动力学知识,分析和研究波的基本特征和规律。

导入新课:自从人类发明牙刷以来,关于牙刷的发明就层出不穷。从变化多端的造型和硬度不一的刷毛到后来的电动牙刷,在刷牙这件事情上,似乎所有人都热衷于更有趣、更高科技的体验。随着科技的发展,一种新型牙刷近来悄然兴起,它的名字叫声波牙刷。什么是声波牙刷?它与声波有什么关系?它是怎样刷牙的呢?

1.波的形成和传播

(1)波

波动就是振动的①传播,简称波。

(2)波的形成

在一根软绳上,用手握住一端拉平后上下抖动,绳上形成一列波。这是因为绳上相邻的质点之间存在②相互作用,前面先振动的质点③带动后面的质点。

2.横波与纵波

(1)横波

质点的振动方向与波的传播方向相互④垂直(填“平行”或“垂直”)的波叫作横波。在横波中,凸起的最高处叫⑤波峰,凹下的最低处叫⑥波谷。

(2)纵波

振动方向与波的传播方向⑦在同一直线上的波,叫作纵波。在纵波中,质点分布最密的位置叫⑧密部,质点分布最稀疏的位置叫⑨疏部。

(3)实例:绳波是⑩横波,声波是纵波。

3.机械波

(1)介质

绳、弹簧、水、空气等都是波借以传播的物质,叫作介质。

(2)机械波

机械振动在介质中传播,叫作机械波。

(3)波的传播特点:波在介质中传播时,各质点只在自己的平衡位置附近振动,介质本身并不随波迁移。波只是传播“振动”这种运动形式和能量。波不但传递能量,而且还可以传递信息。

1.先有振动还是先有波?

　　解答:先有振动。

2.声波能在液体中传播吗?

解答:声波在气体、液体、固体中都能传播。

3.机械波能传递信息吗?

解答:能。

主题1:波的形成与传播

情景:你看过艺术体操的“带操”表演吗?观看课本“彩带飞舞”的图片,在图片中,运动员手持细棒抖动彩带的一端,彩带随波翻卷,这是振动在彩带上传播的结果。

问题:(1)是不是运动员一抖动细棒,整个波就形成了?

(2)彩带上的波形是怎样形成的?

解答:(1)不是,波是振动的传播,它的形成有一个过程。

(2)细棒振动带动与它相邻的质点发生振动,并依次带动离细棒更远的质点振动,细棒的振动逐渐传播出去,形成了波。

知识链接:波源的振动引起了相邻质点的振动,先振动的质点带动了后面的质点,后面的质点重复前面质点的振动形式。

　　主题2:横波和纵波

情景:做一做课本的“演示”实验,观察沿绳传播的横波,如图甲所示;再做一做软弹簧上的纵波实验,观察纵波在弹簧上的传播,如图乙所示。

问题:(1)从整体感观上说,你看到的情景分别是怎样的?

(2)如果你的关注点只放在介质的一个点上,你观察到的情况分别又是怎样的?

　　解答:(1)图甲中波峰和波谷都在水平向右匀速移动;图乙中密部和疏部都在水平向右匀速移动。

(2)图甲中,如果我们盯着绳子上某一个点(可以做个标记)看,它就是在上下往复运动,并没有移动它的平衡位置。图乙中,如果我们盯着弹簧上某一个圈或点(可以做个标记)看,它就是在左右往复运动,也没有移动它的平衡位置。

知识链接:横波和纵波是机械波的两种基本类型,可以同时存在于同一介质中,如地震波中既有横波,又有纵波。

　　主题3:机械波

情景:生活中有大量的波动现象发生,如敲打鼓发出的声音是在空气中传播的,水波是在水面上传播的,绳子上和弹簧上的波是在绳子和弹簧上传播的。

问题:(1)阅读课本“机械波”部分内容,思考机械波产生的条件是什么?

(2)结合主题2和课本“做一做”,总结机械波的特点。

(3)思考并讨论,课本“做一做”中波浪成功的关键是什么?

解答:(1)机械波的产生要同时满足两个条件。①要有机械振动;②要有传播振动的介质。

(2)①波只是传播振动这种运动形式和能量,而介质中的质点并不随波迁移。②波在传递运动形式的同时,也在传递能量和信息。

(3)一是各同学蹲、起的快慢程度一样,二是每位同学滞后相邻前一位同学开始蹲、起的时间间隔一样。

知识链接:机械波在传播时,介质中各质点的振动都是受迫振动,每个质点的振动频率都与波源的振动频率相同。

1.(考查横波和纵波)关于横波和纵波,下列说法正确的是(　　)。

A.质点的振动方向和波的传播方向垂直的波叫横波

B.质点振动方向跟波的传播方向在同一直线上的波叫纵波

C.横波有波峰和波谷,纵波有密部和疏部

D.地震波是横波,声波是纵波

【解析】根据横波和纵波的定义知,A、B、C三项正确;声波是一种纵波,但地震波中既有横波,又有纵波,D选项错误。

【答案】ABC

【点评】地震波中既有横波的成分,也有纵波的成分。

2.(考查对机械波的理解)下列关于机械波的概念的说法中,正确的是(　　)。

A.质点振动的方向总是垂直于波传播的方向

B.横波和纵波可同时存在于介质中

C.机械波传播的不仅仅是运动形式,还能传播能量,传递振动信息

D.横波中质点不随波迁移,纵波中质点随波迁移

【解析】机械波包括横波和纵波,横波中质点振动方向与波的传播方向垂直,纵波中质点振动方向和波的传播方向在同一直线上,A错;振动质点只是在平衡位置附近振动,都不随波迁移,D错;横波和纵波可以同时在介质中传播,它们传播运动形式的同时还传播能量和信息,B、C正确。

【答案】BC

【点评】机械波传播的是振动形式、能量、信息,质点并不随波迁移。

3.(考查机械波的特点)在波的传播中,下列说法正确的是(　　)。

A.相邻质点间必有相互作用力

B.各质点都在各自的平衡位置附近做受迫振动,但振动频率不等于振源频率

C.前一质点的振动带动相邻的后一质点振动,后一质点必定落后于前一质点

D.各质点随波的传播而迁移

【解析】在波的传播过程中,质点之间依靠相互作用依次振动,故A正确;介质中的各个质点都在振源的带动下做受迫振动,所以频率都是一样的,B错;由于是前一质点的振动带动了相邻的后一质点振动,所以后一质点必定落后于前一质点,C正确;各质点都在各自的平衡位置附近振动,并不随波迁移,D错。

【答案】AC

【点评】机械波传播时,介质中各质点做受迫振动,模仿波源的振动,但相位依次落后。

4.(考查振动和波的关系)关于振动和波的关系,下列说法正确的是(　　)。

A.有机械波必有振动

B.有机械振动必有波

C.离波源远的质点振动周期长

D.波源停振时,介质中的波动立即停止

【解析】一个质点的振动会带动邻近质点的振动,使振动这种运动形式向外传播出去而形成机械波,但在缺少介质的情况下,波动现象就无法发生,故A选项对,B选项错。波动形成以后,各质点的振动都先后重复波源的振动,故各质点的振动周期是一样的,C错。大量质点的振动所形成的波动不会因波源的停振而立即消失,因为能量不会无缘无故地消失,故D选项错。

【答案】A

【点评】有机械振动是有机械波的前提条件。

拓展一:机械波的形成和传播

1.关于机械波的形成和传播,下列说法中正确的是(　　)。

A.物体做机械振动,一定产生机械波

B.后振动的质点总是跟着先振动的质点重复振动,只是时间落后一步

C.参与振动的所有质点有相同的频率

D.机械波传播过程中各质点随波迁移,波的传播也是振动能量的传递

【分析】考查机械波的形成与传播以及机械波的特点。要明确机械波的传播必须有振源和介质,而且波源周围介质的振动是由波源质点带动而产生的受迫振动。

【解析】机械波的形成必须具备两个条件:振源和介质。只有物体做机械振动,而其周围没有传播这种振动的介质,远处的质点不可能振动起来形成机械波,故A选项错误;任何一个振动的质点都是由波源带动的,并将振动传播开来,所以后一质点总是落后前一质点,故选项B、C正确;形成机械波的各个质点,只在平衡位置附近往复运动,并没有随波迁移,离振源远的质点振动的能量是通过各质点的传递从振源获得的,故选项D错误。

【答案】BC

【点拨】本题考查机械波的产生及其传播特点。机械波是由于机械振动在介质中的传播形成的,在机械波传播过程中各质点的振动周期都与波源的振动周期相同;离波源越远,质点的振动越滞后,但各质点的起振方向与波源起振方向相同;波传播的是振动形式,而各质点并不随波迁移;波在传播振动形式的同时,也在传播能量和信息。

　　拓展二:机械波和机械振动的关系

2.关于振动和波的关系,下列说法正确的是(　　)。

A.振动是形成波的原因,波动是振动的传播

B.振动是单个质点呈现的现象,波动是许多质点联合起来呈现的现象

C.波的传播速度就是质点振动的速度

D.有波动一定有振动,有振动一定有波动

【分析】考查振动与波的联系。振动的研究对象是一个质点,波动的研究对象是很多连续的质点,质点的振动速度与波的传播速度是两个不同的概念。

【解析】由于介质中的各部分存在相互作用,所以某一点的振动会引起相邻部分质点发生振动,这样振动就由近及远传播开去而形成波,所以A、B正确;波的传播速度和质点振动的速度不是一回事,C不对;有波动一定有振动,但有振动不一定有波动,D不对。

【答案】AB

【点拨】机械波是由机械振动引起的,并且形成机械波的各个质点也都在做机械振动。机械波传播的是振动形式和能量;质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波迁移;离波源近的质点带动离波源远的质点依次振动。

一、物理百科

什么是地震

地震是由地壳的运动而造成的。地震时,岩层破裂产生的强烈振动以波的形式从震源向各个方向传播,形成地震波。地震波分为纵波、横波和面波,纵波和横波在地球内部传播,而面波只能沿地球表面传播。纵波的传播能引起地面沿垂直方向的振动。横波的传播能引起地面产生前后或左右的晃动。面波既能使地面产生上下和前后方向的振动,也能使地面产生近似水平方向的左右摆动。

在震中区,纵波、横波、面波三种波并未分离,且振幅较大,互相叠加,地面产生相当复杂的震动,造成建筑物的破坏。随着距离的增加,各类波互相分离,波的振动能量逐渐减弱,破坏力也在逐步减小。强烈地震造成的危害是巨大的。如我国1976年的唐山大地震,死亡20多万人,近7000户断门绝烟,全部建筑几乎毁于一旦;再如2001年1月份的印度大地震,导致几万人死亡,许多人无家可归,许多古建筑受到严重破坏。2008年5月12日,四川汶川发生的大地震,也造成了重大的人员伤亡和巨大的经济损失。2010年4月14日,青海玉树发生7.1级地震,也造成了重大的人员伤亡。

我国处在环太平洋地震带,是一个多地震国家。为了人民生命财产安全,我们国家建立了遍布全国的地震观测网,为地震预报做了充分的准备。现在我国的地震预报水平处在世界先进行列。

二、备用试题

1.下列有关机械振动与机械波的说法中正确的是(　　)。

A.有机械振动就一定有机械波

B.机械波中各质点振幅一定相同

C.机械波中各质点均做受迫振动

D.机械波中各质点振动周期相同

【解析】有机械振动不一定有机械波,故A错误;机械波传播过程中要消耗能量,所以振动幅度逐渐减小,各质点的振幅不一定相等,故B错;机械波传播过程中各质点都要受到它前面质点的作用,每个质点都在做受迫振动,各质点振动的周期相同,故C、D选项正确。

【答案】CD

2.下列说法中正确的是(　　)。

A.机械波的传播方向就是波中各质点的振动方向

B.机械波的传播方向就是振动能量传递的方向

C.机械波传播的是振动这种运动形式,质点并不随波迁移

D.波不但能传递能量也能传递信息

【解析】机械波的传播方向不同于质点的振动方向,它是振动能量传递的方向。机械波传播的是振动这种运动形式,介质本身不随波迁移,我们用语言交流,利用声波传递信息,因此波不但能传递能量也能传递信息。所以本题的正确答案为B、C、D。

【答案】BCD

1.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,两名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】两名宇航员面对面讲话却无法听到,说明有振源却传播不出去,即缺乏声波传播的另一条件,没有介质,故B选项正确。

【答案】B

2.关于介质中质点的振动方向和波的传播方向,下列说法正确的是(　　)。

A.在横波中二者方向有时相同

B.在横波中二者方向一定不同

C.在纵波中二者方向有时相同

 D.在纵波中二者方向一定不同

【解析】在横波中质点振动方向和波的传播方向相互垂直,所以二者方向一定不同,故A错、B对;在纵波中二者方向在同一直线上,两者方向有时相同,有时相反,故C对、D错。

【答案】BC

3.下列关于机械波的说法中正确的是(　　)。

A.介质中各质点都在各自的平衡位置附近振动

B.传播波的过程中相邻质点间必有相互作用力

C.随着波的传播,介质中的各质点也将由近及远地迁移出去

D.将相邻的两个质点比较,离波源近的质点带动离波源远的质点振动

【解析】介质中各质点都在各自的平衡位置附近振动,不会随波迁移,A正确、C错误;由于介质中的各部分存在相互作用,所以某一点的振动会引起相邻部分质点振动,这样振动就由近及远传播开去而形成波,B、D都正确。

【答案】ABD

4.振源A带动细绳上各点上下做简谐运动,t=0时刻绳上形成的波形如图所示。规定绳上质点向上运动的方向为x轴的正方向,则P点的振动图象是(　　)。

【解析】根据前一质点的位置确定后一质点的运动方向, t=0时刻P点前一质点在下方,确定P点的起振方向是从平衡位置向下振动,故只有选项B正确。

【答案】B

5.一个小石子投向平静的湖面中心,会激起一圈圈波纹向外传播,如果此时水面上有一片树叶,下列对树叶运动情况的叙述正确的是(　　)。

A.树叶慢慢向湖心运动

B.树叶慢慢向湖岸漂去

C.在原处上下振动

D.沿着波纹做圆周运动

【解析】由于波在传播过程中,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做振动,故选C。

【答案】C

6.图示是某绳上波形成过程的示意图。质点1在外力作用下沿竖直方向做简谐振动,带动2、3、4……各个质点依次上下振动,将振动由绳的左端传到右端。已知t=0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:

(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=T时,质点8、12、16的运动状态如何?

(3)t=T时,质点8、12、16的运动状态如何?

【解析】由于质点间的相互作用,前面的质点总是带动后面的质点振动,所以后面的质点总是滞后于前面的质点。

(1)t=时,质点8正在向上振动,未达到最高点,质点12、16未动。

(2)t=T时,质点8正在向下振动,质点12向上振动,质点16未振动。

(3)t=T时,质点8、12正在向下振动,质点16向上振动。

【答案】见解析

7.一列波由波源处向周围扩展开去,下列说法正确的是(　　)。

A.介质中各质点由近及远地传播开去

B.介质中质点的振动形式由近及远地传播开去

C.介质中质点振动的能量由近及远地传播开去

D.介质中质点只是振动而没有迁移

【解析】波动过程是振动形式和振动能量的传递过程,介质中质点并不随波迁移。

【答案】BCD

8.把闹钟放在密闭的玻璃钟罩内,在罩外仍然可以听到闹钟的铃声。但如果将玻璃罩内的空气用抽气机抽出去,就听不到闹钟的铃声,这说明(　　)。

A.声波能在空气中传播

B.抽去罩内的空气后,闹钟不再运转了

C.声波能在固体中传播

D.声波不能在真空中传播

【解析】声波只能在介质中传播,同时声波可以在固、液、气三种形态的物质中传播,所以A、C、D正确。

【答案】ACD

9.图示为波沿着一条右端固定的绳子传播到B点的波形示意图,由图可判断出A开始振动的方向是(　　)。

A.向左　　　B.向右　　　C.向上　　　D.向下

【解析】波的传播过程中各质点的振动是在振源的带动下依次进行的,所以每个质点开始的振动方向一定和振源的起振方向相同,从图中可知B点将开始向上振动,所以振源的起振方向向上,故选C。

【答案】C

10.图示是沿水平方向的介质中的部分质点,每相邻质点间的距离相等,其中O为波源,设波源的振动周期为T,自波源通过平衡位置竖直向下振动开始计时,经过,质点1开始振动,则下列关于各质点的振动和介质中的波的说法正确的是(　　)。

A.介质中所有的质点的起振方向都竖直向下,且图中质点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起振、通过平衡位置或最大位移处的时间总是比质点7落后

D.只要图中所有的质点都已振动了,质点1与质点9的振动步调就完全一致,但如果质点1发生的是第100次振动,则质点9发生的是第98次振动

【解析】从图中可知,质点9是图中距波源最远的点,尽管与振源起振方向相同,但起振时刻最晚,故A正确、B错误;质点7与质点8相比较,质点7是质点8的前质点,7、8质点间的振动步调相差,故C正确;质点9与质点1相距2个波长,质点9比质点1晚2T开始振动,一旦质点9起振后,1、9振动步调就完全一致,故D正确。

【答案】ACD

11.一列横波沿绳子向右传播,某时刻绳子形成如图所示的凹凸形状。对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点的运动情况的描述正确的是(　　)。

A.不考虑传播中的能量损耗,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

【解析】波源振动时,绳上各质点通过相互间的弹力跟着做受迫振动,不考虑传播中的能量损耗时,各质点的振幅相同,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,并跟随着近的质点振动。由图可知,波源在左端,因此,质点D跟随近波源的质点C向上运动,质点F跟随近波源的质点E向下运动,两者速度方向相反,B错。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,C错。由于此时B、C两质点都向上运动,所以质点C比质点B晚一些到达最大位移处,质点C回到平衡位置也比质点B迟,D正确。

【答案】AD

12.如图(a)所示,有一条均匀的绳,0、1、2、3、4、…是绳上一系列等间隔的点。现有一列简谐横波沿此绳传播。某时刻,绳上9、10、11、12四点的位置和运动方向如图(b)所示(其他点的运动情况未画出),其中点12的位移为零,向上运动,点9的位移达到最大值。试在图(c)中画出再经过周期时点3、4、5、6的位置和速度方向,其他点不必画。[图(c)的横、纵坐标与图(a)、(b)完全相同]

【解析】根据横波的形成原理,由题中给出9、10、11、12四点的位置和运动方向,可画出其他各点的位置和运动方向,如图甲所示,居中的直线为各点的平衡位置,根据各点此时的运动方向(如图甲中实线所示),即可找到再过T时各个质点的位置和运动方向,如图甲中的虚线所示。

甲

则可知再经过周期时点3、4、5、6的位置和速度方向,如图乙所示。

乙

【答案】如图乙所示