机械波

  机械波 教学目标： 1．掌握机械波的产生条件和机械波的传播特点（规律）； 2．掌握描述波的物理量——波速、周期、波长； 3．正确区分振动图象和波动图象，并能运用两个图象解决有关问题 4．知道波的特性：波的叠加、干涉、衍射；了解多普勒效应 教学重点：机械波的传播特点，机械波的三大关系（波长、波速、周期的关系；空间距离和时间的关系；波形图、质点振动方向和波的传播方向间的关系） 教学难点：波的图象及相关应用 教学方法：讲练结合，计算机辅助教学 教学过程： 一、机械波 1．机械波的产生条件：①波源（机械振动）②传播振动的介质（相邻质点间存在相互作用力）。 2．机械波的分类 机械波可分为横波和纵波两种。 （1）质点振动方向和波的传播方向垂直的叫横波，如：绳上波、水面波等。 （2）质点振动方向和波的传播方向平行的叫纵波，如：弹簧上的疏密波、声波等。 分类 质点的振动方向和波的传播方向关系 形状 举例 横波 垂直 凹凸相间；有波峰、波谷 绳波等 纵波 在同一条直线上 疏密相间；有密部、疏部 弹簧波、声波等  说明：地震波既有横波，也有纵波。 3．机械波的传播 （1）在同一种均匀介质中机械波的传播是匀速的。波速、波长和频率之间满足公式：v=λ&#158;f。 （2）介质质点的运动是在各自的平衡位置附近的简谐运动，是变加速运动，介质质点并不随波迁移。 （3）机械波转播的是振动形式、能量和信息。 （4）机械波的频率由波源决定，而传播速度由介质决定。 4．机械波的传播特点（规律）： （1）前带后，后跟前，运动状态向后传。即：各质点都做受迫振动，起振方向由波源来决定；且其振动频率（周期）都等于波源的振动频率（周期），但离波源越远的质点振动越滞后。 （2）机械波传播的是波源的振动形式和波源提供的能量，而不是质点。 5．机械波的反射、折射、干涉、衍射 一切波都能发生反射、折射、干涉、衍射。特别是干涉、衍射，是波特有的性质。 （1）干涉   产生干涉的必要条件是：两列波源的频率必须相同。 需要说明的是：以上是发生干涉的必要条件，而不是充分条件。要发生干涉还要求两列波的振动方向相同（要上下振动就都是上下振动，要左右振动就都是左右振动），还要求相差恒定。我们经常列举的干涉都是相差为零的，也就是同向的。如果两个波源是振动是反向的，那么在干涉区域内振动加强和减弱的位置就正好颠倒过来了。 干涉区域内某点是振动最强点还是振动最弱点的充要条件： ①最强：该点到两个波源的路程之差是波长的整数倍，即δ=nλ ②最弱：该点到两个波源的路程之差是半波长的奇数倍，即 根据以上分析，在稳定的干涉区域内，振动加强点始终加强；振动减弱点始终减弱。 至于“波峰和波峰叠加得到振动加强点”，“波谷和波谷叠加也得到振动加强点”，“波峰和波谷叠加得到振动减弱点”这些都只是充分条件，不是必要条件。 【例1】  如图所示，S1、S2是两个相干波源，它们振动同步且振幅相同。实线和虚线分别表示在某一时刻它们所发出的波的波峰和波谷。关于图中所标的a、b、c、d四点，下列说法中正确的有 A．该时刻a质点振动最弱，b、c质点振动最强，d质点振动既不是最强也不是最弱 B．该时刻a质点振动最弱，b、c、d质点振动都最强 C．a质点的振动始终是最弱的， b、c、d质点的振动始终是最强的 D．再过T/4后的时刻a、b、c三个质点都将处于各自的平衡位置，因此振动最弱 解析：该时刻a质点振动最弱，b、c质点振动最强，这不难理解。但是d既不是波峰和波峰叠加，又不是波谷和波谷叠加，如何判定其振动强弱？这就要用到充要条件：“到两波源的路程之差是波长的整数倍”时振动最强，从图中可以看出，d是S1、S2连线的中垂线上的一点，到S1、S2的距离相等，所以必然为振动最强点。 本题答案应选B、C 点评：描述振动强弱的物理量是振幅，而振幅不是位移。每个质点在振动过程中的位移是在不断改变的，但振幅是保持不变的，所以振动最强的点无论处于波峰还是波谷，振动始终是最强的。 【例2】 如图所示表示两列相干水波的叠加情况，图中的实线表示波峰，虚线表示波谷。设两列波的振幅均为5 cm，且图示的范围内振幅不变，波速和波长分别为1m/s和0.5m。C点是BE连线的中点，下列说法中正确的是  （    ） A．C、E两点都保持静止不动 B．图示时刻A、B两点的竖直高度差为20cm C．图示时刻C点正处于平衡位置且向水面上运动 D．从图示的时刻起经0.25s，B点通过的路程为20cm 解析：由波的干涉知识可知图6中的质点A、B、E的连线处波峰和波峰或波谷和波谷叠加是加强区，过D、F的连线处和过P、Q的连线处波峰和波谷叠加是减弱区。C、E两点是振动的加强点，不可能静止不动。所以选项A是错误的。 在图示时刻，A在波峰，B在波谷，它们振动是加强的，振幅均为两列波的振幅之和，均为10cm，此时的高度差为20cm，所以B选项正确。 A、B、C、E均在振动加强区，且在同一条直线上，由题图可知波是由E处向A处传播，在图示时刻的波形图线如右图所示，由图可知C点向水面运动，所以C选项正确。                                                                                      波的周期T= /v = 0.5s，经过0.25s，即经过半个周期。在半个周期内，质点的路程为振幅的2倍，所以振动加强点B的路程为20cm，所以D选项正确。 点评：  关于波的干涉，要正确理解稳定的干涉图样是表示加强区和减弱区的相对稳定，但加强区和减弱区还是在做振动，加强区里两列波分别引起质点分振动的方向是相同的，减弱区里两列波分别引起质点分振动的方向是相反的，发生变化的是振幅增大和减少的区别，而且波形图沿着波的传播方向在前进。 （2）衍射。 ①波绕过障碍物的现象叫做波的衍射。 ②能够发生明显的衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸比波长小，或者跟波长相差不多。 （3）波的独立传播原理和叠加原理。 独立传播原理：几列波相遇时，能够保持各自的运动状态继续传播，不互相影响。 叠加原理：介质质点的位移、速度、加速度都等于几列波单独转播时引起的位移、速度、加速度的矢量和。 波的独立传播原理和叠加原理并不矛盾。前者是描述波的性质：同时在同一介质中传播的几列波都是独立的。比如一个乐队中各种乐器发出的声波可以在空气中同时向外传播，我们仍然能分清其中各种乐器发出的不同声波。后者是描述介质质点的运动情况：每个介质质点的运动是各列波在该点引起的运动的矢量和。这好比老师给学生留作业：各个老师要留的作业与其他老师无关，是独立的；但每个学生要做的作业却是所有老师留的作业的总和。 【例3】  如图中实线和虚线所示，振幅、周期、起振方向都相同的两列正弦波（都只有一个完整波形）沿同一条直线向相反方向传播，在相遇阶段（一个周期内），试画出每隔T/4后的波形图。并分析相遇后T/2时刻叠加区域内各质点的运动情况。 解析：根据波的独立传播原理和叠加原理可作出每隔T/4后的波形图如①②③④所示。 相遇后T/2时刻叠加区域内abcde各质点的位移都是零，但速度各不相同，其中a、c、e三质点速度最大，方向如图所示，而b、d两质点速度为零。这说明在叠加区域内，a、c、e三质点的振动是最强的，b、d两质点振动是最弱的。 6．多普勒效应 当波源或者接受者相对于介质运动时，接受者会发现波的频率发生了变化，这种现象叫多普勒效应。 学习“多普勒效应”必须弄清的几个问题： （1）当波源以速率v匀速靠近静止的观察者A时，观察者“感觉”到的频率变大了。但不是“越来越大”。 （2）当波源静止，观察者以速率v匀速靠近波源时，观察者“感觉”到的频率也变大了。 （3）当波源与观察者相向运动时，观察者“感觉”到的频率变大。 （4）当波源与观察者背向运动时，观察者“感觉”到的频率变小。 【例4】a为声源，发出声波；b为接收者，接收a发出的声波。a、b若运动，只限于在沿两者连线方向上，下列说法正确的是 A．a静止，b向a运动，则b收到的声频比a发出的高 B．a、b向同一方向运动，则b收到的声频一定比a发出的高 C．a、b向同一方向运动，则b收到的声频一定比a发出的低 D．a、b都向相互背离的方向运动，则b收到的声频比a发出的高 答案：A 二、振动图象和波的图象 1．振动图象和波的图象 振动图象和波的图象从图形上看好象没有什么区别，但实际上它们有本质的区别。 （1）物理意义不同：振动图象表示同一质点在不同时刻的位移；波的图象表示介质中的各个质点在同一时刻的位移。                               （2）图象的横坐标的单位不同：振动图象的横坐标表示时间；波的图象的横坐标表示距离。       （3）从振动图象上可以读出振幅和周期；从波的图象上可以读出振幅和波长。 简谐振动图象与简谐横波图象的列表比较：         简谐振动 简谐横波 图 象   坐 标 横坐标 时间 介质中各质点的平衡位置 纵坐标 质点的振动位移 各质点在同一时刻的振动位移 研究对象 一个质点 介质中的大量质点 物理意义 一个质点在不同时刻的振动位移 介质中各质点在同一时刻的振动位移 随时间的变化 原有图形不变，图线随时间而延伸 原有波形沿波的传播方向平移 运动情况 质点做简谐运动 波在介质中匀速传播；介质中各质点做简谐振动 2．描述波的物理量——波速、周期、波长： （1）波速v：运动状态或波形在介质中传播的速率；同一种波的波速由介质决定。 注：在横波中，某一波峰（波谷）在单位时间内传播的距离等于波速。 （2）周期T：即质点的振动周期；由波源决定。 （3）波长λ：在波动中，振动位移总是相同的两个相邻质点间的距离。 注：在横波中，两个相邻波峰（波谷）之间的距离为一个波长。 结论： （1）波在一个周期内传播的距离恰好为波长。 由此：①v=λ/T=λf；λ=vT.    ②波长由波源和介质决定。 （2）质点振动nT（波传播nλ）时，波形不变。 （3）相隔波长整数倍的两质点，振动状态总相同；相隔半波长奇数倍的两质点，振动状态总相反。 3．波的图象的画法 波的图象中，波的图形、波的传播方向、某一介质质点的瞬时速度方向，这三者中已知任意两者，可以判定另一个。（口诀为“上坡下，下坡上” ；或者“右上右、左上左）） 4．波的传播是匀速的 在一个周期内，波形匀速向前推进一个波长。n个周期波形向前推进n个波长（n可以是任意正数）。因此在计算中既可以使用v=λ&#158;f，也可以使用v=s/t，后者往往更方便。 5．介质质点的运动是简谐运动（是一种变加速运动） 任何一个介质质点在一个周期内经过的路程都是4A，在半个周期内经过的路程都是2A，但在四分之一个周期内经过的路程就不一定是A了。 6．起振方向 介质中每个质点开始振动的方向都和振源开始振动的方向相同。   S 【例5】 在均匀介质中有一个振源S，它以50HZ的频率上下振动，该振动以40m/s的速度沿弹性绳向左、右两边传播。开始时刻S的速度方向向下，试画出在t=0.03s时刻的波形。 v      v 1.2   0.8   0.4     0    0.4   0.8   1.2 解析：从开始计时到t=0.03s经历了1.5个周期，波分别向左、右传播1.5个波长，该时刻波源S的速度方向向上，所以波形如右图所示。 5 0 -5  y/m 2   4     x/m P 【例6】 如图所示是一列简谐横波在t=0时刻的波形图，已知这列波沿x轴正方向传播，波速为20m/s。P是离原点为2m的一个介质质点，则在t=0.17s时刻，质点P的：①速度和加速度都沿-y方向；②速度沿+y方向，加速度沿-y方向；③速度和加速度都正在增大；④速度正在增大，加速度正在减小。 以上四种判断中正确的是 A．只有①            B．只有④ C．只有①④          D．只有②③ 解析：由已知，该波的波长λ=4m，波速v=20m/s，因此周期为T=λ/v=0.2s；因为波向右传播，所以t=0时刻P质点振动方向向下；0.75 T TA=TB>TC； 再结合波动方向和振动方向的关系得：C图中的P点首先达到波谷。 （3）两个时刻的波形问题：设质点的振动时间（波的传播时间）为t，波传播的距离为x。 则：t=nT+△t即有x=nλ+△x （△x=v△t） 且质点振动nT（波传播nλ）时，波形不变。 ①根据某时刻的波形，画另一时刻的波形。 方法1：波形平移法：当波传播距离x=nλ+△x时，波形平移△x即可。 方法2：特殊质点振动法：当波传播时间t=nT+△t时，根据振动方向判断相邻特殊点（峰点，谷点，平衡点）振动△t后的位置进而确定波形。 ②根据两时刻的波形，求某些物理量（周期、波速、传播方向等） 1 2 x/m y 0 【例10】如图是一列向右传播的简谐横波在某时刻的波形图。 已知波速v=0.5m/s，画出该时刻7s前及7s后的瞬时波形图。 0 x/m y 解析：λ=2m，v=0.5m/s，T = =4 s.所以⑴波在7s内传播 的距离为x=vt=3.5m=1 λ⑵质点振动时间为1 T。 方法1  波形平移法：现有波形向右平移 λ可得7s后的波形； 现有波形向左平移 λ可得7s前的波形。 由上得到图中7s后的瞬时波形图（粗实线）和7s前的瞬时波形图（虚线）。 方法2   特殊质点振动法：根据波动方向和振动方向的关系，确定两个特殊点（如平衡点和峰点）在3T/4前和3T/4后的位置进而确定波形。请读者试着自行分析画出波形。 4 x/m y 0 【例11】如图实线是某时刻的波形图象，虚线是经过0.2s 时的波形图象。求： ①波传播的可能距离 ②可能的周期（频率） ③可能的波速  ④若波速是35m/s，求波的传播方向   ⑤若0.2s小于一个周期时，传播的距离、周期（频率）、波速。 解析： ①题中没给出波的传播方向，所以有两种可能：向左传播或向右传播。 向左传播时，传播的距离为x=nλ+3λ/4=（4n+3）m  （n=0、1、2  …） 向右传播时，传播的距离为x=nλ+λ/4=（4n+1）m   （n=0、1、2  …） ②向左传播时，传播的时间为t=nT+3T/4得：T=4t/（4n+3）=0.8 /（4n+3）（n=0、1、2  …） 向右传播时，传播的时间为t=nT+T/4得：T=4t/（4n+1）=0.8 /（4n+1）   （n=0、1、2  …） ③计算波速，有两种方法。v=x/t   或v=λ/T 向左传播时，v=x/t=（4n+3）/0.2=（20n+15）m/s. 或v=λ/T=4 （4n+3）/0.8=（20n+15）m/s.（n=0、1、2  …） 向右传播时，v=x/t=（4n+1）/0.2=（20n+5）m/s. 或v=λ/T=4 （4n+1）/0.8=（20n+5）m/s. （n=0、1、2  …） ④若波速是35m/s，则波在0.2s内传播的距离为x=vt=35×0.2m=7m=1 λ，所以波向左传播。 ⑤若0.2s小于一个周期，说明波在0.2s内传播的距离小于一个波长。则： 向左传播时，传播的距离x=3λ/4=3m；传播的时间t=3T/4得：周期T=0.267s；波速v=15m/s.向右传播时，传播的距离为λ/4=1m；传播的时间t=T/4得：周期T=0.8s；波速v =5m/s. 点评：做此类问题的选择题时，可用答案代入检验法。 （4）根据波的传播特点（运动状态向后传）确定某质点的运动状态问题： 【例12】一列波在介质中向某一方向传播，如图是此波在某一时刻的波形图，且此时振动还只发生在M、N之间，并知此波的周期为T，Q质点速度方向在波形中是向下的。则：波源是_____；P质点的起振方向为_________；从波源起振开始计时时，P点已经振动的时间为______。 解析：由Q点的振动方向可知波向左传播，N是波源。 由M点的起振方向（向上）得P质点的起振方向向上。振动从N点传播到M点需要1T，传播到P点需要3T/4，所以质点P已经振动的时间为T/4. 【例13】如图是一列向右传播的简谐横波在t=0时刻（开始计时）的波形图，已知在t=1s时，B点第三次达到波峰（在1s内B点有三次达到波峰）。则： ①周期为________             ②波速为______； ③D点起振的方向为_________；④在t=____s时刻，此波传到D点；在t=____s和t=___s时D点分别首次达到波峰和波谷；在t=____s和t=___s时D点分别第二次达到波峰和波谷。 解析： ①B点从t=0时刻开始在经过t=2.5T=1s第三次达到波峰，故周期T=0.4s.  ②由v=λ/T=10m/s.  ③D点的起振方向与介质中各质点的起振方向相同。在图示时刻，C点恰好开始起振，由波动方向可知C点起振方向向下。所以，D点起振方向也是向下。 ④从图示状态开始计时：此波传到D点需要的时间等于波从C点传播到D需要的时间，即：t=（45－4）/10=4.1s；   D点首次达到波峰的时间等于A质点的振动状态传到D点需要的时间，即：t=（45－1） /10=4.4s； D点首次达到波谷的时间等于B质点的振动状态传到D点需要的时间，即：t=（45－3）/10=4.2s；D点第二次达到波峰的时间等于D点首次达到波峰的时间再加上一个周期，即：t=4.4 s+0.4s=4.8 s.  D点第二次达到波谷的时间等于D点首次达到波峰的时间再加上一个周期，即：t=4.2s+0.4s=4.6s. 【例14】  已知在t1时刻简谐横波的波形如图中实线所示；在时刻t2该波的波形如图中虚线所示。t2-t1 = 0.02s。求： （1）该波可能的传播速度。 （2）若已知T< t2-t1