高中物理人教版 (新课标)选修33 波长、频率和波速教学设计

    第3讲    波长、频率和波速

(一)  描述机械波的物理量

(1)波长(λ)

a.定义：沿着波的传播方向，两个相邻的在振动过程中对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离。 b.单位：米     

①在横波中波长等于相邻两个波峰或波谷之间的距离；在纵波中波长等于相邻两个密部或疏部的中央之间的距离。

②质点振动一个周期，振动形式在介质中传播的距离恰好等于一个波长，即：振动在一个周期里在介质中传播的距离等于一个波长。

(2)波速(v)

a.定义：波的传播快慢，其大小由介质的性质决定的，在不同的介质中速度并不相同。  b.单位：米/秒 

c.表达式：v＝λ/T

(1)    频率质点振动的周期又叫做波的周期(T)；质点振动的频率又叫做波的频率(f)。

波的振动周期和频率只与振源有关，与媒质无关。

提问：比较振动图象与波形图象(从五点分析，以巩固波的图象。)

(二）           练习讨论

提问1：从下图波的图象中你可以直接看出哪些物理量？

答：从图象可以直接读出振幅A为6cm，波长为20cm，还可以对比看出在该时刻任一质点相对平衡位置的位移(包括大小和方向)。

3．已知波的振幅A，求质点Δt时间内通过的路程和位移及质点振动状态传播的距离

提问2：(提出问题请同学讨论)

上图中，质点A的振动传到E点时，求点A运动的位移、路程各是多少？此过程质点B的振动状态向右传播多远？

答：从图象看，A点与E点是振动完全相同的相邻的两点，显然两点的横坐标之差恰为一个波长，即A点的振动状态传到E点时经历的时间恰为一个周期。在相应时间内质点正好完成一次全振动，则其相对平衡位置的位移为6cm；而其运动路程是振幅的4倍，等于24cm。在这段时间内，B质点振动状态传到F点，F与B点在波长的传播方向上的距离恰为一个波长，所以质点B的振动状态向右传播20cm。

讲解：当介质传播振动时，其内部质点振动的位移和路程与质点振动状态传播的距离并没有直接的关系，只能通过波的周期与质点振动周期的一致性，将上述三个物理量(x、s、λ)联系起来。

例题评讲：

例1．下图是一列简谐波在某一时刻的波形图线。虚线是0.2s后它的波形图线。这列波可能的传播速度是多大？

解：因为波具有空间周期性，当波向右传播时，在0.2s内，传播的距离应为：

则传播速度为：

当波向左传播时，在0.2s内，传播的距离为：

则传播速度为：

例2．绳上有一简谐横波向右传播，当绳上某一质点A向上运动达最大值时，在其右方相距0.30m的质点B刚好向下运动达到最大位移，若已知波长大于0.15m，求该波的波长。

分析：据题意知，A、B两质点的间距为波长的半整数倍，由波的性质得nλ+λ/2＝0.3m。

当n＝0时，λ0＝0.6m

当n＝1时，λ1＝0.2m

当n＝2时，λ2＝0.12m＜0.15m

故波的波长有两种可能值：一是0.6m，二是0.2m。

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例1．如图10－24所示为一列简谐横波在t=0时刻的波形图，波的传播速度v=0.2m/s，则从t=0到t=2.5s的时间内，质点M运动通过的路程是________，位移是________。

例2．在波的传播方向上，有相距1.05m的两质点a、b，当a达正的最大位移时，b恰好在平衡位置，已知a、b间的距离小于2个波长，波的频率为200Hz，求波传播的可能速度。

同步训练

1．由原点O处的波源发生的一列简谐波沿x轴正向传播，在t=0时刻的波形曲线如图10－25所示，已知这列波的质点P连续出现两次波峰的时间间隔为0.4s，则（       ）

1. 这列波的波长为5cm
2. 这列波的传播速度为10m/s
3. 当t=0.7s时，质点Q第一次到达波峰
4. 质点Q到达波峰时，质点P恰好到达波谷

2．如图10－26所示为一简谐波在t1=0时刻的波的图象，波的传播速度v=2m/s，质点M在平衡位置上，求从t1=0到t2=2.45s这段时间内，质点M通过的路程和位移各多大？

3．如图10－27所示，A、B一列简谐横波中的两点，某时刻，A正处于正向最大位移处，另一点B恰好通过平衡位置向-y方向振动。已知A、B的横坐标分别为xA=0,xB=70m，并且波长λ符合不等式：20m<λ<80m,求波长λ.

4．简谐机械波在给定的媒质中传播时，下列说法正确的是（        ）

1. 振幅越大，则波传播的速度越快   B。振幅越大，则波传播的速度越慢

C．在一个周期内，振动质元走过的路程等于一个波长

D。振动的频率越高，则波传播一个波长的距离所用的时间越短

5．如图10－28所示，在xOy平面内有一沿x正方向传播的简谐波，波速为1m/s，振幅为4cm，频率为2.5Hz，在t=0时刻，P点位于其平衡位置上方最大位移处，则距P为0.2m的Q点（       ）

1. 在0.1s时的位移是4cm
2. 在0.1s时的速度最大
3. 在0.1s时的速度沿y轴负方向
4. 在0—0.1s时间内的路程是4cm

6．如图10－29所示，1，2，3，……，10各点之间距离均是1m。当t=0时，点1开始向上振动，经0.1s达到最大位移，而振动向右传播到点3，则以下结论正确的是（        ）

1. 波的传播速度是10m/s，周期是0.4s
2. 波的频率是2.5Hz，波长是8m
3. 再经0.1s,波传播到点5，点4达到最大位移
4. 波传播到点10时，经过0.45s，点8达到最大位移

7．一列简谐横波沿x轴传播时，某时刻的波形如图10－30所示，其中质点A在图示时刻位于最大位移处，位于x轴上的质点B与坐标原点相距0.5m，此时刻它正好经过x轴沿y正方向运动，历经0.02s达到最大位移处，由此可知（          ）

A．  这列波的波长是2m      B。这列波的频率是50Hz

C．这列波的波速是25m/s    D．这列波是从右向左传播的

8．有一列沿水平绳传播的简谐横波，频率为10Hz，振动方向沿着竖直方向，当绳上的质点P到达其平衡位置且向下运动时，在其右方相距0.6m处的质点Q刚好到达最高点，由此可知波速传播方向可能是（          ）

A．8m/s,向右传播     B．8m/s,向左传播   C．24m/s，向右传播    D．24m/s，向左传播

9．如图10－31所示，在一条直线上有S,M,N三点，S为波源，距M点为12m，距N点为21m。由于波源S的振动在直线上形成一列横波，其波长为8m，波速为4m/s,下列说法中正确的是（      ）

1. M点先开始振动，N点后振动，振动时间相差2.25s，但振动周期都为2s
2. M点在最高点时，N点在平衡位置之上且向下振动
3. M点在最高点时，N点在平衡位置之上且向上振动   D。振动过程中M,N两点的位移有可能在某时刻相同

10．波源从平衡位置开始振动，在介质中传播形成一列波，0.1s传到C点。波在0.1s的图像如图10－32所示。该波源的振动频率为           ，波的周期为          ，波长为        ，波速为           。

拓展尝新

11．一列横波在t=0时刻的波形如图10－33所示，传播方向沿x轴正方向。已知在0.9s末，P点出现第三次波谷，则从零时刻算起，经      s在Q点第一次出现波峰。

12．如图10－34所示，实线是一列简谐波在某一时刻的波形图像，虚线是0.2s后它的波形图像，则这列波可能的波速为多大？

答案：

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例1．解：（1）由图可读出：λ=0.4m，A=5cm，由v=λf可求出f=5Hz，T=0.2s，则在t=2.5s时间内质点M共振动了12.5个周期，所以2.5s内通过的总路程为12.5×4×0.05m=2.5m。

（2）很显然质点M振动了12.5个周期后又回到了出发点，所以从t=0到t=2.5s时间内，质点M的位移为零。

例2．解：a、b的间距与波长λ的关系有四种可能：

由v=λf得波的传播的可能速度为：

同步训练

1. BC
2. 路程：2.45m       位移：－5cm
3. 或，且波沿着＋x方向传播
4. D        
5. BD
6. BD
7. ACD
8. BC
9. ACD
10. 5Hz   0.2s     10cm     50cm/s

拓展尝新

11. 1.4
12. 波沿x正方向传播时，v=(20n+5)m/s

波沿x负方向传播时，v=(20n+15)m/s

(其中n=0，1，2，3···)