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第三章　机械波
第1节　波的形成
课程要求 学科素养
通过观察,认识波的特征。能区别横波和纵波 物理观念 能从运动与相互作用、能量的角度理解机械波的产生和传播,掌握横波、纵波、波峰、波谷、密部及疏部的概念
科学思维 利用比较思维,区分振动和波动两种不同运动的特征
科学态度 与责任 能够利用机械波传播的特征解释生活中的现象
要点一　波的形成
1.波的概念:振动的传播称为波动,简称波。
2.波的形成(以绳波为例,如图所示)
(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)后面质点的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(疏密相间)的波形。
如图所示,手拿绳的一端,上下振动一次,使绳上形成一个凸起状态和一个凹落状态,可以看到,这个凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动。如果在绳子上某处做一红色标记,观察这一红色标记的运动。
(1)红色标记有没有随波迁移 红色标记是怎样运动的
(2)当手停止抖动后,绳上的波会立即停止传播吗
提示:(1)没有,红色标记只在竖直方向上下振动。
(2)不会,当手停止抖动后,绳上的波仍向右传播。
　波动过程中各质点的运动特点
波动过程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:
(1)先振动的质点带动后振动的质点——“带动”;
(2)后振动的质点重复前面质点的振动——“重复”;
(3)后振动的质点的振动状态滞后于先振动的质点的振动状态——“滞后”。
【例1】　如图所示是某绳波形成过程的示意图。质点1在外力作用下沿竖直方向做简谐运动,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,质点1到达最上方,质点5开始向上运动。问:
(1)t=时,质点6、10、14的运动状态(是否运动、运动方向)如何
(2)画出t=时的波形,并说明质点6、10、14的运动状态。
【答案】　见解析
【解析】　(1)各质点在t=时的情况如图甲所示,
由图甲可知,t=时,质点6正在向上运动,质点10、14未运动。
(2)t=T时的波形如图乙所示,质点6正在向下运动,质点10正在向上运动,质点14未运动。
要点二　横波和纵波
1.横波
(1)特征:质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。
(2)波形特点:凹凸相间的波纹。
(3)波峰与波谷:在横波中,凸起的最高处叫作波峰,凹下的最低处叫作波谷。
2.纵波
(1)特征:质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上。
(2)波形特点:质点分布最疏的位置叫作疏部,质点分布最密的位置叫作密部。
如图所示:
(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)图乙是推拉弹簧产生的波,其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系
提示:(1)相互垂直
(2)在同一直线上
1.横波和纵波的对比
项目 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同一直线上
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
2.“带动法”判断质点的振动方向
(1)原理:先振动的质点带动邻近的后振动的质点。
(2)方法:在质点P靠近波源一方附近的图像上另找一点P',P'为先振动的质点。若P'在P上方(图甲),则P向上运动;若P'在P下方(图乙),则P向下运动。
【例2】　关于横波和纵波,下列说法正确的是 (　A　)
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,质点的振动方向与波的传播方向有时会相同
C.形成纵波的质点随波一起迁移
D.空气介质只能传播横波
【解析】　波的传播方向和质点的振动方向在同一直线上的波为纵波,二者方向有时相同,有时相反,故A正确;波的传播方向和质点的振动方向垂直的波为横波,故B错误;质点不会随着波的传播而发生迁移,故C错误;空气介质只能传播纵波,故D错误。
要点三　机械波
1.介质
(1)定义:波借以传播的物质。
(2)特点:组成介质的质点之间有相互作用,一个质点的振动会引起相邻质点的振动。
2.机械波
(1)定义:机械振动在介质中传播,形成了机械波。
(2)产生条件:
①要有波源;
②要有传播振动的介质。
3.机械波的特点
(1)介质中有机械波传播时,介质本身并不随波一起传播,它传播的只是振动这种运动形式。
(2)波是传递能量的一种方式。
(3)波可以传递信息。
(1)物体做机械振动,一定产生机械波。 (　×　)
(2)机械波的传播方向就是介质中质点的振动方向。 (　×　)
(3)除振源外,机械波中各质点都做受迫振动。 (　√　)
(4)机械波是介质中的点随波迁移,也是振动能量的传递。 (　×　)
1.机械波的特点
(1)机械波的传播离不开介质,没有介质就无法形成机械波。
(2)介质中各质点都在做受迫振动,所以各质点振动的周期(频率)均与波源的振动周期(频率)相同。
(3)离波源越远,质点振动越滞后,但每一个质点的起振方向与波源的起振方向相同。
(4)机械波向前传播的是振动这种运动形式,各质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波迁移。
2.几种常见的波
(1)绳波是横波。
(2)空气中产生的声波是纵波。
(3)地震波中既有横波,又有纵波。
(4)水波既不是横波,也不是纵波,是一种比较复杂的机械波。
3.振动与波动的区别和联系
项目 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
【例3】　一列横波沿绳子向右传播,某时刻绳子形成如图所示的形状,对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点,下列说法正确的是 (　D　)
A.质点B向右运动
B.质点D和质点F的速度方向相同
C.质点A和质点C的速度方向相同
D.从此时算起,质点B比质点C先回到平衡位置
【解析】　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,质点D跟随质点C向上运动,质点F跟随质点E向下运动,同理可知质点A向下运动,由此可知B、C错误;介质中的质点不随波迁移,由于此时质点B和质点C都向上运动,所以质点B比质点C先到达最大位移处,并先回到平衡位置,故A错误,D正确。
【例4】　如图是以质点P为波源的机械波在绳上传到质点Q时的波形。
(1)请判断此机械波的类型。
(2)判断图示时刻质点Q的振动方向。
(3)质点P从平衡位置刚开始振动时,是朝着哪个方向运动的
【答案】　(1)横波　(2)向上　(3)向上
【解析】　(1)各质点的振动方向与波传播方向相互垂直,是横波。
(2)质点P为波源,质点Q在右侧质点的带动下将向上振动。
(3)由(2)可知,当波恰好传到质点Q时,质点Q起振方向向上,故质点P从平衡位置开始振动时的方向也向上。
1.如图所示为一横波在某一时刻的波形图,已知此时质点A正向上运动,如图中箭头所示,由此可判断此横波 (　C　)
A.向右传播,且此时质点B正减速运动
B.向右传播,且此时质点C位移正增大
C.向左传播,且此时质点D加速度正减小
D.向左传播,且此时质点E势能正减小
解析:由题意知,此时质点A正向上运动,波形将向左平移,所以此横波向左传播,此时质点B、C的振动方向向下,质点D、E的振动方向向上,质点B向平衡位置运动,速度增大,质点C向波谷运动,位移增大,质点D向平衡位置运动,加速度减小,质点E向波峰运动,位移增大,势能增大,故C正确,A、B、D错误。
2.波源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质点的振动图像是 (　B　)
解析:由题图及波的传播与质点的振动关系可知,P质点在t=0时刻正由平衡位置沿x轴负方向运动,故B正确,A、C、D错误。
3.如图所示为波源开始振动后经过一个周期的波形图,设介质中质点振动周期为T,下列说法正确的是 (　C　)
A.若M质点为波源,则M质点开始振动时方向向下
B.若M质点为波源,则P质点已经振动了T
C.若N质点为波源,则P质点已经振动了T
D.若N质点为波源,则该时刻P质点动能最大
解析:若M质点为波源,相当于M质点追随它左边的质点振动,又因为是经过一个周期的波形,此时M质点的振动方向向上,即开始振动时的方向向上,故A错误;若M质点为波源,振动刚刚传到N质点,P质点已振动了T,故B错误;若N质点为波源,则N质点开始振动的方向向下,P质点已振动了T,又因为此时P质点离平衡位置最远,速度为0,动能最小,故C正确,D错误。
课时作业16
(总分:60分)
1.(5分)近年来,人们越来越注重身体锻炼。有种健身器材叫战绳,其用途广泛,通常可用于高强度间歇训练形式的心肺锻炼或肌肉锻炼。当某健身人士双手以相同节奏上下抖动两根相同的战绳,使战绳形成绳波,如图所示。下列说法正确的是 (　D　)
A.两根战绳形成的波形一定完全相同
B.两根战绳上的波传播速度不相同
C.若人停止抖动战绳,则绳波立即消失
D.离人越远的波形振幅越小
解析:当某健身人士双手以相同节奏上下抖动两根相同的战绳,使战绳形成绳波,由于双手抖动的初相位和抖动幅度不一定相同,所以两根战绳形成的波形不一定完全相同,故A错误;介质材料相同,则两根战绳上的波传播速度相同,故B错误;若人停止抖动战绳,绳波不会立即消失,会继续向前传播,故C错误;绳波在传播过程中能量逐渐减小,离人越远的波形振幅越小,故D正确。
2.(5分)下列关于机械波与机械振动的说法正确的是 (　B　)
A.小明课间用球拍向地面拍打乒乓球,乒乓球的运动属于机械振动
B.振动的传播称为波动,但机械波的传播离不开介质,机械波的波速由介质本身的性质决定
C.任何机械振动都会形成机械波
D.做简谐运动的物体经过平衡位置时,合力一定为0,速度最大
解析:机械振动是指物体或物体的一部分在一个位置附近的往复运动,所以乒乓球的运动不属于机械振动,故A错误;振动在介质中传播形成了波,波传播的是振动的形式,介质中的质点重复波源的振动形式,所以只要介质确定了,波速就确定了,与波源无关,因此有机械波一定有机械振动,反过来有机械振动不一定会有机械波,故B正确,C错误;做简谐运动的物体经过平衡位置时回复力一定为0,速度最大,合力不一定为0,故D错误。
3.(5分)关于振动和波的关系,下列说法正确的是 (　D　)
A.物体做机械振动,就一定会激发机械波
B.如果振源停止振动,它所引起的波动也立即停止
C.质点的振动方向总是垂直于波的传播方向
D.介质中每个质点开始振动的方向一定与振源开始振动的方向相同
解析:形成机械波的条件:一是有机械振动;二是有传播振动的介质。有机械振动不一定有机械波,还要有传播振动的介质,故A错误。振源停止振动时,它引起的波在介质中仍继续向前传播,故B错误。机械波有横波和纵波两类,对于横波,质点的振动方向总与波的传播方向垂直;对于纵波,质点振动方向与波的传播方向在同一直线上,故C错误。波在传播中介质的各质点相互带动,所以介质中每个质点开始振动的方向一定与振源开始振动的方向相同,故D正确。
4.(5分)机械振动在介质中传播,形成了机械波。下列说法正确的是 (　C　)
A.在纵波中,质点的分布是均匀的
B.机械波在真空中可以传播
C.发声体振动时在空气中产生的声波是纵波
D.介质中有机械波传播时,介质与波一起传播
解析:纵波的波形是疏密相间的,质点分布最密的位置叫密部,分布最疏的位置叫疏部,故A错误;机械波的传播需要介质,不能在真空中传播,故B错误;发声体振动时在空气中产生的声波是纵波,故C正确;在波的传播中,振动质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波的传播发生迁移,故D错误。
5.(5分)“水袖功”是中国古典舞中用于表达情感的常用技巧,舞者通过手把有规律的抖动传导至袖子上,营造出一种“行云流水”的美感。这一过程其实就是机械波的传播。下列关于机械波的说法正确的是 (　A　)
A.波是传递能量的一种方式
B.介质中质点的振动速度等于波速
C.介质中的质点随波的传播向远处迁移
D.波由一种介质进入另一种介质传播时频率发生变化
解析:在“水袖功”中,舞者手部的抖动通过袖子传递出去,形成波浪效果,正是波传递能量的体现,波是传递能量的一种方式,故A正确。介质中质点的振动速度由振幅和频率决定;波速是波传播的速度,由介质决定,两者不同,故B错误。介质中的质点只在平衡位置附近振动,不随波的传播而迁移,故C错误。波的频率由波源决定,与介质无关,因此当波进入不同介质时,频率不变,故D错误。
6.(5分)一条绳子可以分成一个个小段,每小段都可以看作一个质点,这些质点之间存在相互作用。如图是某绳波形成过程示意图,质点1在外力作用下沿竖直方向做简谐运动,带动质点2,3,4,…各个质点依次振动,把振动从绳的左端传到右端。t=T时,质点9刚要开始运动。下列说法正确的是 (　D　)
A.t=T时,质点4刚开始振动
B.t=T时,质点9开始向下运动
C.t=T时,质点5的加速度达到最大
D.t=T时,质点13第一次到达波峰
解析:t=T时,质点5刚开始振动,故A错误;由“同侧法”可知,t=T时,质点9开始向上运动,故B错误;t=T时,质点5到达平衡位置向下运动,则此时质点5的加速度为0,故C错误;t=T时,质点13已经振动了时间,第一次到达波峰,故D正确。
7.(5分)某同学设计了如图甲所示的地震测量装置,水平方向X和竖直方向Y的构造相同。地震波中的横波和纵波的传播速率分别约为4 km/s和9 km/s。地震中,假定震源在地震仪下方,观察到两振子相差0.5 s开始振动,如图乙所示,则下列说法正确的是 (　C　)
A.两重球处于平衡位置时弹簧弹力均为0
B.X方向传感器接收到的是纵波振动
C.该地震波的振动周期是0.1 s
D.该次地震中心与测试点距离10 km
解析:Y方向的重球处于平衡位置时弹簧弹力等于重球的重力,故A错误;纵波的传播速度较快,根据题意经过0.5 s后X方向上位移传感器也开始出现图像,所以X方向传感器接收到的是横波振动,故B错误;根据Y方向的振动图像可知,5T=0.5 s,解得T=0.1 s,故C正确;根据题意可知9t=4(t+0.5 s),该次地震中心与测试点距离为x=3.6 km,故D错误。
8.(5分)“蜻蜓点水”是常见的自然现象,如图所示,某同学在研究蜻蜓运动的过程中获得了一张蜻蜓点水的俯视照片,照片反映了蜻蜓连续三次点水后某瞬间的水面波纹,每次点水的时间忽略不计。则关于蜻蜓的飞行方向及飞行速度v与水波传播速度v水的大小关系正确的是 (　C　)
A.向左,v>v水 B.向左,vC.向右,v>v水 D.向右,v解析:由题图可见向右圆的半径变小,根据最新形成的水波半径小,然后随时间逐渐变大,所以蜻蜓向右飞行。由题图可知相邻两圆的圆心距大于相邻两圆的半径之差,可得蜻蜓飞行的速度大于水波传播的速度,故选C。
9.(5分)中医是我国传统文化的瑰宝,“悬丝诊脉”更是一门绝技。悬丝诊脉,悬的是“丝”,“诊”的是脉搏通过悬丝传过来的振动,即通过机械波判断出病灶的位置与轻重缓急。如图,假设“丝”上有间距相等的点1、2、3、4、5、6、…,且相邻两点间距离为l。待诊病人在搭上丝线后,图中质点1在t=0时开始向上振动,产生的机械波沿丝线向医生传播,t=1.25 s时质点1第二次到达最高点,此时质点6刚好开始振动,则下列说法正确的是 (　C　)
A.该波的波长为2l
B.t=1.25 s时质点6振动的方向向下
C.t=2 s时质点3恰好位于平衡位置
D.t=0.75 s时质点1和质点3的加速度相同
解析:根据题意有5l=+λ,所以λ=4l,故A错误;介质中各质点的起振方向与波源的起振方向相同,所以t=1.25 s时质点6振动的方向向上,故B错误;根据题意有t=+T,解得T=1 s,波从质点1传播到质点3需要半个周期,即0.5 s,所以t=2 s时质点3实际振动的时间为1.5 s,所以t=2 s时质点3恰好位于平衡位置且向下振动,故C正确;质点1和质点3间的距离等于半个波长,所以两质点振动步调相反,所以t=0.75 s时质点1和质点3的加速度大小相等,方向相反,故D错误。
10.(5分)(多选)如图,在一条软绳上选18个等间距的质点,质点1在外力作用下首先向上振动,其余质点在相互作用力的带动下依次振动,从而形成简谐波,由波的形成可知,下列说法正确的是 (　AC　)
A.质点1带动质点2是利用绳上质点间的弹力实现的,因此每个质点均做受迫振动
B.每个质点开始运动后,均在水平方向做匀速运动,在竖直方向做简谐运动
C.绳上的每一个质点开始振动时,方向都向上,振动周期都相同
D.绳上波的传播过程也是能量的传递过程,每个质点均做等幅振动,故每个质点的机械能守恒
解析:机械波的形成原因是质点间的相互作用,前一质点带动后一质点,后一质点重复前一质点的振动,每个质点都做受迫振动,振动的周期都相同,所以质点2是被质点1对它的弹力带动起来的,由题图可知绳上的每一个质点开始振动时,方向都向上,故A、C正确;质点只能在平衡位置附近振动,不能沿绳移动,故B错误;绳上波的传播过程也是能量的传递过程,每个质点均做等幅的受迫振动,故每个质点的机械能不守恒,故D错误。
11.(5分)如图所示,鲁本斯火焰管上有很多等间距排列的小孔,管子的一端封闭,另一端通入声波后,在管内通入可燃性气体并点燃,小孔喷出的火焰高度会随着管内不同位置的气压大小呈现出有规律的分布,已知气压越大,火焰的高度越高。下列说法正确的是 (　C　)
A.横波可以在空气中传播
B.声波中气体分子的振动方向与波的传播方向相互垂直
C.在声波的密部处,火焰的高度最大
D.在声波的疏部处,火焰的高度最大
解析:空气中只能传播纵波,横波不可以在空气中传播,故A错误;声波是纵波,故声波中气体分子的振动方向与波的传播方向在同一直线上,故B错误;在声波的密部处,气压最大,火焰的高度最大,故C正确,D错误。
12.(5分)(多选)位置坐标x=0的波源S在t=0时刻从平衡位置开始向下运动,形成沿x轴正、负两个方向传播的简谐横波,沿波传播方向上有间距均为1 m的9个质点,位置坐标如图所示。t=0时刻各质点均处于平衡位置,经0.3 s x=1 m处的质点第一次具有正向最大速度,同时x=3 m的质点开始振动,则下列法正确的是 (　AB　)
A.波速为10 m/s
B.x=-3 m和x=3 m的两质点振动步调完全一致
C.t=0.6 s时,x=4 m的质点具有负向最大速度
D.t=0.5 s时,x=-2.5 m的质点加速度正在减小
解析:设该波的波速为v,周期为T,根据题意可得=0.3 s,+=0.3 s,其中x1=1 m,x3=3 m,联立解得v=10 m/s,T=0.4 s,故A正确;由于该波源形成沿x轴正、负两个方向传播的简谐横波,则关于该波源对称的点的振动步调一致,故B正确;该波从波源传播到x=4 m处所用的时间为t== s=0.4 s,则可知0.4 s时x=4 m处的质点才开始振动,且跟波源的起振方向相同,即从平衡位置开始向下振动,而0.2 s=,则可知t=0.6 s时,x=4 m的质点到达平衡位置,正向上振动,此刻该质点具有正向最大速度,故C错误;该波传播到x=-2.5 m处所用的时间为t1== s=0.25 s,则再经过0.25 s,x=-2.5 m的质点正从平衡位置向正向最大位移处振动,而离平衡位置越远加速度越大,速度越小,即该质点的加速度正在增大,故D错误。(共52张PPT)
第三章　机械波
第1节　波的形成
核心要点 点点过
1
目录
即时演练 堂堂清
2
课时作业16
3
课程要求 学科素养
通过观察,认识波的特征。能区别横波和纵波 物理观念 能从运动与相互作用、能量的角度理解机械波的产生和传播,掌握横波、纵波、波峰、波谷、密部及疏部的概念
科学思维 利用比较思维,区分振动和波动两种不同运动的特征
科学态度 与责任 能够利用机械波传播的特征解释生活中的现象
核心要点 点点过
1.波的概念:振动的传播称为波动,简称波。
2.波的形成(以绳波为例,如图所示)
(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)后面质点的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(疏密相间)的波形。
要点一　波的形成
振动
质点
振动
重复
位移
如图所示,手拿绳的一端,上下振动一次,使绳上形成一个凸起状态和一个凹落状态,可以看到,这个凸起状态和凹落状态在绳上从一端向另一端移动。如果在绳子上某处做一红色标记,观察这一红色标记的运动。
(1)红色标记有没有随波迁移 红色标记是怎样运动的
(2)当手停止抖动后,绳上的波会立即停止传播吗
提示:(1)没有,红色标记只在竖直方向上下振动。
(2)不会,当手停止抖动后,绳上的波仍向右传播。
　波动过程中各质点的运动特点
波动过程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:
(1)先振动的质点带动后振动的质点——“带动”;
(2)后振动的质点重复前面质点的振动——“重复”;
(3)后振动的质点的振动状态滞后于先振动的质点的振动状态——“滞后”。
【例1】　如图所示是某绳波形成过程的示意图。质点1在外力作用下沿竖直方向做简谐运动,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,质点1到达最上方,质点5开始向上运动。问:
(1)t=时,质点6、10、14的运动状态(是否运动、运动方向)如何
(2)画出t=时的波形,并说明质点6、10、14的运动状态。
【答案】　见解析
【解析】　(1)各质点在t=时的情况如图甲所示,
由图甲可知,t=时,质点6正在向上运动,质点10、14未运动。
(2)t=T时的波形如图乙所示,质点6正在向下运动,质点10正在向上运动,质点14未运动。
1.横波
(1)特征:质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。
(2)波形特点:凹凸相间的波纹。
(3)波峰与波谷:在横波中,凸起的最高处叫作波峰,凹下的最低处叫作波谷。
2.纵波
(1)特征:质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上。
(2)波形特点:质点分布最疏的位置叫作疏部,质点分布最密的位置叫作密部。
要点二　横波和纵波
垂直
凸起的最高处
凹下的最低处
在同一直线上
疏部
密
部
如图所示:
(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)图乙是推拉弹簧产生的波,其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系
提示:(1)相互垂直
(2)在同一直线上
1.横波和纵波的对比
项目 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同一直线上
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
2.“带动法”判断质点的振动方向
(1)原理:先振动的质点带动邻近的后振动的质点。
(2)方法:在质点P靠近波源一方附近的图像上另找一点P',P'为先振动的质点。若P'在P上方(图甲),则P向上运动;若P'在P下方(图乙),则P向下运动。
【例2】　关于横波和纵波,下列说法正确的是 (　　)
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,质点的振动方向与波的传播方向有时会相同
C.形成纵波的质点随波一起迁移
D.空气介质只能传播横波
【解析】　波的传播方向和质点的振动方向在同一直线上的波为纵波,二者方向有时相同,有时相反,故A正确;波的传播方向和质点的振动方向垂直的波为横波,故B错误;质点不会随着波的传播而发生迁移,故C错误;空气介质只能传播纵波,故D错误。
A
1.介质
(1)定义:波借以传播的物质。
(2)特点:组成介质的质点之间有相互作用,一个质点的振动会引起相邻质点的振动。
2.机械波
(1)定义:机械振动在介质中传播,形成了机械波。
(2)产生条件:
①要有波源;
②要有传播振动的介质。
要点三　机械波
传播
相互作用
相邻质点
介质
介质
3.机械波的特点
(1)介质中有机械波传播时,介质本身并不随波一起传播,它传播的只是振动这种运动形式。
(2)波是传递能量的一种方式。
(3)波可以传递信息。
振动
能量
信息
(1)物体做机械振动,一定产生机械波。 (　　)
(2)机械波的传播方向就是介质中质点的振动方向。(　　)
(3)除振源外,机械波中各质点都做受迫振动。(　　)
(4)机械波是介质中的点随波迁移,也是振动能量的传递。(　　)
×
×
√
×
1.机械波的特点
(1)机械波的传播离不开介质,没有介质就无法形成机械波。
(2)介质中各质点都在做受迫振动,所以各质点振动的周期(频率)均与波源的振动周期(频率)相同。
(3)离波源越远,质点振动越滞后,但每一个质点的起振方向与波源的起振方向相同。
(4)机械波向前传播的是振动这种运动形式,各质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波迁移。
2.几种常见的波
(1)绳波是横波。
(2)空气中产生的声波是纵波。
(3)地震波中既有横波,又有纵波。
(4)水波既不是横波,也不是纵波,是一种比较复杂的机械波。
3.振动与波动的区别和联系
项目 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
【例3】　一列横波沿绳子向右传播,某时刻绳子形成如图所示的形状,对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点,下列说法正确的是 (　 　)
A.质点B向右运动
B.质点D和质点F的速度方向相同
C.质点A和质点C的速度方向相同
D.从此时算起,质点B比质点C先回到平衡位置
D
【解析】　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,质点D跟随质点C向上运动,质点F跟随质点E向下运动,同理可知质点A向下运动,由此可知B、C错误;介质中的质点不随波迁移,由于此时质点B和质点C都向上运动,所以质点B比质点C先到达最大位移处,并先回到平衡位置,故A错误,D正确。
【例4】　如图是以质点P为波源的机械波在绳上传到质点Q时的波形。
(1)请判断此机械波的类型。
(2)判断图示时刻质点Q的振动方向。
(3)质点P从平衡位置刚开始振动时,是朝着哪个方向运动的
【答案】　(1)横波　(2)向上　(3)向上
【解析】　(1)各质点的振动方向与波传播方向相互垂直,是横波。
(2)质点P为波源,质点Q在右侧质点的带动下将向上振动。
(3)由(2)可知,当波恰好传到质点Q时,质点Q起振方向向上,故质点P从平衡位置开始振动时的方向也向上。
即时演练 堂堂清
1.如图所示为一横波在某一时刻的波形图,已知此时质点A正向上运动,如图中箭头所示,由此可判断此横波 (　 　)
A.向右传播,且此时质点B正减速运动
B.向右传播,且此时质点C位移正增大
C.向左传播,且此时质点D加速度正减小
D.向左传播,且此时质点E势能正减小
解析:由题意知,此时质点A正向上运动,波形将向左平移,所以此横波向左传播,此时质点B、C的振动方向向下,质点D、E的振动方向向上,质点B向平衡位置运动,速度增大,质点C向波谷运动,位移增大,质点D向平衡位置运动,加速度减小,质点E向波峰运动,位移增大,势能增大,故C正确,A、B、D错误。
C
2.波源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质点的振动图像是 (　 　)
解析:由题图及波的传播与质点的振动关系可知,P质点在t=0时刻正由平衡位置沿x轴负方向运动,故B正确,A、C、D错误。
B
3.如图所示为波源开始振动后经过一个周期的波形图,设介质中质点振动周期为T,下列说法正确的是 (　 　)
A.若M质点为波源,则M质点开始振动时方向向下
B.若M质点为波源,则P质点已经振动了T
C.若N质点为波源,则P质点已经振动了T
D.若N质点为波源,则该时刻P质点动能最大
C
解析:若M质点为波源,相当于M质点追随它左边的质点振动,又因为是经过一个周期的波形,此时M质点的振动方向向上,即开始振动时的方向向上,故A错误;若M质点为波源,振动刚刚传到N质点,P质点已振动了T,故B错误;若N质点为波源,则N质点开始振动的方向向下,P质点已振动了T,又因为此时P质点离平衡位置最远,速度为0,动能最小,故C正确,D错误。
课时作业16
1.(5分)近年来,人们越来越注重身体锻炼。有种健身器材叫战绳,其用途广泛,通常可用于高强度间歇训练形式的心肺锻炼或肌肉锻炼。当某健身人士双手以相同节奏上下抖动两根相同的战绳,使战绳形成绳波,如图所示。下列说法正确的是 (　 　)
A.两根战绳形成的波形一定完全相同
B.两根战绳上的波传播速度不相同
C.若人停止抖动战绳,则绳波立即消失
D.离人越远的波形振幅越小
D
解析:当某健身人士双手以相同节奏上下抖动两根相同的战绳,使战绳形成绳波,由于双手抖动的初相位和抖动幅度不一定相同,所以两根战绳形成的波形不一定完全相同,故A错误;介质材料相同,则两根战绳上的波传播速度相同,故B错误;若人停止抖动战绳,绳波不会立即消失,会继续向前传播,故C错误;绳波在传播过程中能量逐渐减小,离人越远的波形振幅越小,故D正确。
2.(5分)下列关于机械波与机械振动的说法正确的是 (　 　)
A.小明课间用球拍向地面拍打乒乓球,乒乓球的运动属于机械振动
B.振动的传播称为波动,但机械波的传播离不开介质,机械波的波速由介质本身的性质决定
C.任何机械振动都会形成机械波
D.做简谐运动的物体经过平衡位置时,合力一定为0,速度最大
B
解析:机械振动是指物体或物体的一部分在一个位置附近的往复运动,所以乒乓球的运动不属于机械振动,故A错误;振动在介质中传播形成了波,波传播的是振动的形式,介质中的质点重复波源的振动形式,所以只要介质确定了,波速就确定了,与波源无关,因此有机械波一定有机械振动,反过来有机械振动不一定会有机械波,故B正确,C错误;做简谐运动的物体经过平衡位置时回复力一定为0,速度最大,合力不一定为0,故D错误。
3.(5分)关于振动和波的关系,下列说法正确的是 (　　)
A.物体做机械振动,就一定会激发机械波
B.如果振源停止振动,它所引起的波动也立即停止
C.质点的振动方向总是垂直于波的传播方向
D.介质中每个质点开始振动的方向一定与振源开始振动的方向相同
D
解析:形成机械波的条件:一是有机械振动;二是有传播振动的介质。有机械振动不一定有机械波,还要有传播振动的介质,故A错误。振源停止振动时,它引起的波在介质中仍继续向前传播,故B错误。机械波有横波和纵波两类,对于横波,质点的振动方向总与波的传播方向垂直;对于纵波,质点振动方向与波的传播方向在同一直线上,故C错误。波在传播中介质的各质点相互带动,所以介质中每个质点开始振动的方向一定与振源开始振动的方向相同,故D正确。
4.(5分)机械振动在介质中传播,形成了机械波。下列说法正确的是 (　 　)
A.在纵波中,质点的分布是均匀的
B.机械波在真空中可以传播
C.发声体振动时在空气中产生的声波是纵波
D.介质中有机械波传播时,介质与波一起传播
解析:纵波的波形是疏密相间的,质点分布最密的位置叫密部,分布最疏的位置叫疏部,故A错误;机械波的传播需要介质,不能在真空中传播,故B错误;发声体振动时在空气中产生的声波是纵波,故C正确;在波的传播中,振动质点只在各自的平衡位置附近振动,并不随波的传播发生迁移,故D错误。
C
5.(5分)“水袖功”是中国古典舞中用于表达情感的常用技巧,舞者通过手把有规律的抖动传导至袖子上,营造出一种“行云流水”的美感。这一过程其实就是机械波的传播。下列关于机械波的说法正确的是 (　　)
A.波是传递能量的一种方式
B.介质中质点的振动速度等于波速
C.介质中的质点随波的传播向远处迁移
D.波由一种介质进入另一种介质传播时频率发生变化
A
解析:在“水袖功”中,舞者手部的抖动通过袖子传递出去,形成波浪效果,正是波传递能量的体现,波是传递能量的一种方式,故A正确。介质中质点的振动速度由振幅和频率决定;波速是波传播的速度,由介质决定,两者不同,故B错误。介质中的质点只在平衡位置附近振动,不随波的传播而迁移,故C错误。波的频率由波源决定,与介质无关,因此当波进入不同介质时,频率不变,故D错误。
6.(5分)一条绳子可以分成一个个小段,每小段都可以看作一个质点,这些质点之间存在相互作用。如图是某绳波形成过程示意图,质点1在外力作用下沿竖直方向做简谐运动,带动质点2,3,4,…各个质点依次振动,把振动从绳的左端传到右端。t=T时,质点9刚要开始运动。下列说法正确的是(　 　)
A.t=T时,质点4刚开始振动
B.t=T时,质点9开始向下运动
C.t=T时,质点5的加速度达到最大
D.t=T时,质点13第一次到达波峰
D
解析:t=T时,质点5刚开始振动,故A错误;由“同侧法”可知,t=T时,质点9开始向上运动,故B错误;t=T时,质点5到达平衡位置向下运动,则此时质点5的加速度为0,故C错误;t=T时,质点13已经振动了时间,第一次到达波峰,故D正确。
7.(5分)某同学设计了如图甲所示的地震测量装置,水平方向X和竖直方向Y的构造相同。地震波中的横波和纵波的传播速率分别约为4 km/s和9 km/s。地震中,假定震源在地震仪下方,观察到两振子相差0.5 s开始振动,如图乙所示,则下列说法正确的是 (　 　)
A.两重球处于平衡位置时弹簧弹力均为0
B.X方向传感器接收到的是纵波振动
C.该地震波的振动周期是0.1 s
D.该次地震中心与测试点距离10 km
C
解析:Y方向的重球处于平衡位置时弹簧弹力等于重球的重力,故A错误;纵波的传播速度较快,根据题意经过0.5 s后X方向上位移传感器也开始出现图像,所以X方向传感器接收到的是横波振动,故B错误;根据Y方向的振动图像可知,5T=0.5 s,解得T=0.1 s,故C正确;根据题意可知9t=4(t+0.5 s),该次地震中心与测试点距离为x=3.6 km,故D错误。

8.(5分)“蜻蜓点水”是常见的自然现象,如图所示,某同学在研究蜻蜓运动的过程中获得了一张蜻蜓点水的俯视照片,照片反映了蜻蜓连续三次点水后某瞬间的水面波纹,每次点水的时间忽略不计。则关于蜻蜓的飞行方向及飞行速度v与水波传播速度v水的大小关系正确的是(　 　)
A.向左,v>v水 B.向左,vC.向右,v>v水 D.向右,v解析:由题图可见向右圆的半径变小,根据最新形成的水波半径小,然后随时间逐渐变大,所以蜻蜓向右飞行。由题图可知相邻两圆的圆心距大于相邻两圆的半径之差,可得蜻蜓飞行的速度大于水波传播的速度,故选C。
C
9.(5分)中医是我国传统文化的瑰宝,“悬丝诊脉”更是一门绝技。悬丝诊脉,悬的是“丝”,“诊”的是脉搏通过悬丝传过来的振动,即通过机械波判断出病灶的位置与轻重缓急。如图,假设“丝”上有间距相等的点1、2、3、4、5、6、…,且相邻两点间距离为l。待诊病人在搭上丝线后,图中质点1在t=0时开始向上振动,产生的机械波沿丝线向医生传播,t=1.25 s时质点1第二次到达最高点,此时质点6刚好开始振动,则下列说法正确的是 (　 　)
A.该波的波长为2l
B.t=1.25 s时质点6振动的方向向下
C.t=2 s时质点3恰好位于平衡位置
D.t=0.75 s时质点1和质点3的加速度相同
C
解析:根据题意有5l=+λ,所以λ=4l,故A错误;介质中各质点的起振方向与波源的起振方向相同,所以t=1.25 s时质点6振动的方向向上,故B错误;根据题意有t=+T,解得T=1 s,波从质点1传播到质点3需要半个周期,即0.5 s,所以t=2 s时质点3实际振动的时间为1.5 s,所以t=2 s时质点3恰好位于平衡位置且向下振动,故C正确;质点1和质点3间的距离等于半个波长,所以两质点振动步调相反,所以t=0.75 s时质点1和质点3的加速度大小相等,方向相反,故D错误。
10.(5分)(多选)如图,在一条软绳上选18个等间距的质点,质点1在外力作用下首先向上振动,其余质点在相互作用力的带动下依次振动,从而形成简谐波,由波的形成可知,下列说法正确的是 (　 　)
A.质点1带动质点2是利用绳上质点间的弹力实现的,因此每个质点均做受迫振动
AC
B.每个质点开始运动后,均在水平方向做匀速运动,在竖直方向做简谐运动
C.绳上的每一个质点开始振动时,方向都向上,振动周期都相同
D.绳上波的传播过程也是能量的传递过程,每个质点均做等幅振动,故每个质点的机械能守恒
解析:机械波的形成原因是质点间的相互作用,前一质点带动后一质点,后一质点重复前一质点的振动,每个质点都做受迫振动,振动的周期都相同,所以质点2是被质点1对它的弹力带动起来的,由题图可知绳上的每一个质点开始振动时,方向都向上,故A、C正确;质点只能在平衡位置附近振动,不能沿绳移动,故B错误;绳上波的传播过程也是能量的传递过程,每个质点均做等幅的受迫振动,故每个质点的机械能不守恒,故D错误。
11.(5分)如图所示,鲁本斯火焰管上有很多等间距排列的小孔,管子的一端封闭,另一端通入声波后,在管内通入可燃性气体并点燃,小孔喷出的火焰高度会随着管内不同位置的气压大小呈现出有规律的分布,已知气压越大,火焰的高度越高。下列说法正确的是 (　 　)
A.横波可以在空气中传播
B.声波中气体分子的振动方向与波的传播方向
相互垂直
C.在声波的密部处,火焰的高度最大
D.在声波的疏部处,火焰的高度最大
C
解析:空气中只能传播纵波,横波不可以在空气中传播,故A错误;声波是纵波,故声波中气体分子的振动方向与波的传播方向在同一直线上,故B错误;在声波的密部处,气压最大,火焰的高度最大,故C正确,D错误。

12.(5分)(多选)位置坐标x=0的波源S在t=0时刻从平衡位置开始向下运动,形成沿x轴正、负两个方向传播的简谐横波,沿波传播方向上有间距均为1 m的9个质点,位置坐标如图所示。t=0时刻各质点均处于平衡位置,经0.3 s x=1 m处的质点第一次具有正向最大速度,同时x=3 m的质点开始振动,则下列法正确的是(　 　)
A.波速为10 m/s
B.x=-3 m和x=3 m的两质点振动步调完全一致
C.t=0.6 s时,x=4 m的质点具有负向最大速度
D.t=0.5 s时,x=-2.5 m的质点加速度正在减小
AB
解析:设该波的波速为v,周期为T,根据题意可得=0.3 s,+=0.3 s,其中x1=1 m,x3=3 m,联立解得v=10 m/s,T=0.4 s,故A正确;由于该波源形成沿x轴正、负两个方向传播的简谐横波,则关于该波源对称的点的振动步调一致,故B正确;该波从波源传播到x=4 m处所用的时间为t== s=0.4 s,则可知0.4 s时x=4 m处的质点才开始振动,且跟波源的起振方向相同,即从平衡位置开始向下振动,而0.2 s=,则可知t=0.6 s时,x=4 m的质点到达平衡位置,正向上振动,此刻该质点具有正向最大速度,故C错误;该波传播到x=-2.5 m处所用的时间为t1== s=0.25 s,则再经过0.25 s,x=-2.5 m的质点正从平衡位置向正向最大位移处振动,而离平衡位置越远加速度越大,速度越小,即该质点的加速度正在增大,故D错误。
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