第一課時(shí) 知識(shí)梳理
一、考點(diǎn)內(nèi)容與要求
內(nèi) 容要求說(shuō)明
振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播――波
橫波和縱波,橫波的圖象,波長(zhǎng)、頻率和波速的關(guān)系
波的疊加,波的干涉、衍射現(xiàn)象
聲波,超聲波及其應(yīng)用
多普勒效應(yīng)Ⅱ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅰ
二、知識(shí)結(jié)構(gòu)
三、本章知識(shí)考查特點(diǎn)及高考命題趨
本考點(diǎn)內(nèi)容是歷年高考的必考內(nèi)容,其中命題頻率最高的知識(shí)點(diǎn)是波的圖像、頻率、波長(zhǎng)、波速的關(guān)系。題型多以選擇題、填空題的形式出現(xiàn),試題信息容量大、綜合性強(qiáng),一道題往往考查多個(gè)概念和規(guī)律,特別是通過(guò)波的圖像綜合考查對(duì)波的理解能力、推理能力和空間想象推理能力。
涉及波的圖像的題目在近幾年的高考中重現(xiàn)率為100%,一般以選擇題的形式出現(xiàn),常常和質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)以及波速公式結(jié)合在一起考查,另外,圍繞波的干涉、衍射現(xiàn)象、多普勒效應(yīng)等內(nèi)容,以新的背景出題的可能性也在不斷的增大。
預(yù)計(jì)在高考中,本考點(diǎn)作為大題出現(xiàn)的可能性比較小,仍將以選擇、填空或作圖的方式出現(xiàn),在波的圖象上出題的次數(shù)仍將最高。用圖象考核理解能力和推理能力以及對(duì)圖象的理解和應(yīng)用的題目應(yīng)予以足夠的重視。
四、課后練習(xí)
1、質(zhì)點(diǎn)的 方向跟波的 方向垂直的波,叫做橫波。在橫波中,凸起的最高處叫做 ,凹下的最低處叫做 。質(zhì)點(diǎn)的 方向跟波的
方向在同一直線上的波,叫做縱波。在縱波中,質(zhì)點(diǎn)分布最密的地方叫做 ,質(zhì)點(diǎn)分布最疏的地方叫做 。
2、發(fā)生地震時(shí),從地震源傳出的地震波,既有
也有 。
3、繩、彈簧、水、空氣、地殼等借以傳播波的物質(zhì),叫做 。 在 中的傳播,形成機(jī)械波。
4、介質(zhì)中有機(jī)械波傳播時(shí),介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生 ,但質(zhì)點(diǎn)并不隨波而 ,傳播的只是 這種形式,同時(shí)也將波源的 ,傳遞出去,因此波是傳遞 的一種形式。
5、波的運(yùn)動(dòng)情況可以用圖象表示,用橫坐標(biāo)x表示在波的傳播方向上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的 ,縱坐標(biāo)y表示某一時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的 ,畫(huà)出各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的x、y坐標(biāo),并把這些點(diǎn)連成曲線,就得到某一時(shí)刻的波的圖象。波形圖象是 或 曲線的波叫做簡(jiǎn)諧波。簡(jiǎn)諧波是一種最 、最 的波,其他的波可以看作是由若干簡(jiǎn)諧波 的。
6、波長(zhǎng):在波動(dòng)中,對(duì)平衡位置的 總是相等的兩個(gè) 質(zhì)點(diǎn)間的 ,叫做波長(zhǎng)。波長(zhǎng)通常用 表示。
7、波速:波速等于 和 的乘積。通常用公式表示為 。機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速度由 的性質(zhì)所決定。
8、波可以 繼續(xù)傳播,這種現(xiàn)象叫做波的衍射。只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長(zhǎng) ,或者比波長(zhǎng) 時(shí),才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。一切波都能發(fā)生 。 是波特有的現(xiàn)象。
9、幾列波相遇時(shí)能夠保持各自的 ,繼續(xù)傳播,在它們重疊的區(qū)域里,介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與這幾列波引起的振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)的位移等于這幾列波單獨(dú)傳播時(shí)引起的位移的 。 。 相同的兩列波疊加,使某些區(qū)域振動(dòng) ,某些區(qū)域振動(dòng) ,而且振動(dòng) 的區(qū)域和振動(dòng) 的區(qū)域相互隔開(kāi)。這種現(xiàn)象叫做波的干涉,所形成的圖樣叫做 圖樣。一切波都能發(fā)生 。 是波特有的現(xiàn)象。
10、多普勒效應(yīng):由于 和觀察者之間有 ,使觀察者感到 發(fā)生變化的現(xiàn)象,叫做多普勒效應(yīng)。當(dāng)波源與觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),如果二者相互接近,觀察者接受到的頻率 ,如果二者相互遠(yuǎn)離,觀察者接受到的頻率 。
11、頻率低于 的聲波,我們稱它為次聲波。頻率高于 的聲波,我們稱它為超聲波。
12、振動(dòng)圖象和波動(dòng)圖象:
振動(dòng)圖象和波動(dòng)圖像在外形上是非常相似的,都是
曲線,但它們所研究的對(duì)象和內(nèi)容卻有著本質(zhì)的區(qū)別。振動(dòng)圖像的橫坐標(biāo)表示 ,波動(dòng)圖像的橫坐標(biāo)表示 。振動(dòng)圖像反映了 質(zhì)點(diǎn)在 時(shí)刻的位移,波動(dòng)圖像反映了 質(zhì)點(diǎn)在 時(shí)刻對(duì)各自平衡位置的位移。從振動(dòng)圖像可以直接讀出振動(dòng)的振幅和 ,從波動(dòng)圖象可以直接讀出振幅和 。隨著時(shí)間的推移,振動(dòng)圖像已有形狀 、圖像往后 ,而波動(dòng)圖象是沿著波的傳播方向 。
第二課時(shí) 機(jī)械波的形成和傳播 波的圖象
一、考點(diǎn)理解 1、機(jī)械波
(1)定義:機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中傳播過(guò)程,叫做機(jī)械波。
(2)產(chǎn)生條件:①振源;②傳播振動(dòng)的介質(zhì)。
(3)分類:
①橫波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向跟波的傳播方向垂直的波。
②縱波:質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向跟波的傳播方向在同一直線上的波。
(4)特點(diǎn):
①每一質(zhì)點(diǎn)都以它的平衡位置為中心做振動(dòng),后一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)總是落后于帶動(dòng)它的前一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)。
②波傳播的是振動(dòng)的形式,質(zhì)點(diǎn)并不隨波而遷移。
③波是傳播能量的一種方式。
④波可以傳遞信息,例如,語(yǔ)言――利用聲波,廣播、電視――利用無(wú)線電波,光纜――利用光波。
2、描述波的物理量
(1)波長(zhǎng) :在波的傳播方向上,兩個(gè)
相鄰的在振動(dòng)過(guò)程中對(duì)平衡位置的位移總是相等的質(zhì)點(diǎn)之間的距離叫做波長(zhǎng)。
說(shuō)明:①在橫波中,兩個(gè)相鄰的波峰(或波谷)間的距離等于波長(zhǎng);在縱波中,兩個(gè)相鄰的密部(或疏部)間的距離等于波長(zhǎng)。
②波的傳播實(shí)質(zhì)上就是波形的平移,波形在一個(gè)周期里向前平移的距離等于波長(zhǎng)。
(2)頻率f:波源的振動(dòng)頻率,就是波的頻率。因?yàn)榻橘|(zhì)各質(zhì)點(diǎn)做受迫振動(dòng),其振動(dòng)是由波源的振動(dòng)引起的,故各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率都等于波源的振動(dòng)頻率,波的頻率不隨介質(zhì)的不同而變化,當(dāng)波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí),波的頻率不變。
(3)波速 :?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)某一波的波峰(或波谷)向前移動(dòng)的距離,叫波速。波速由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定,不同介質(zhì)中,波速不同。同類波在同一種均勻介質(zhì),波速是一個(gè)定值,因 ,而波的頻率f就是波源振動(dòng)頻率,跟介質(zhì)無(wú)關(guān)。
說(shuō)明:①電磁波傳播不需要介質(zhì)。②電磁波在介質(zhì)中傳播的速度由介質(zhì)和電磁波的頻率決定。③氣體、液體和固體都能傳播縱波,但液體和氣體不能傳播橫波。
3、波動(dòng)圖象
(1)物理意義:表示波的傳播方向上,介質(zhì)中的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻相對(duì)平衡位置的位移。當(dāng)波源做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),它在介質(zhì)中形成簡(jiǎn)諧波,其波動(dòng)圖象為正弦或余弦曲線。
(2)由波的圖象可獲取的信息;
①該時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)的位移。
②質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅A。
③波長(zhǎng) 。
④若知道波速 的方向,可知各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。如右圖中,設(shè)波速向右,則1、4質(zhì)點(diǎn)沿-y方向運(yùn)動(dòng),2、3質(zhì)點(diǎn)沿+y方向運(yùn)動(dòng)。
⑤若知道該時(shí)刻某質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向?膳袛嗖ǖ膫鞑シ较。如右上圖中,設(shè)質(zhì)點(diǎn)4向上運(yùn)動(dòng),則該波向左傳播。
⑥若已知波速υ的大小,可求頻率f及周期T:
⑦若已知f或T,可求 的大小:
⑧若已知波速 的大小和方向,可畫(huà)出后一時(shí)刻的波形圖:波在均勻介質(zhì)中做勻速運(yùn)動(dòng),在時(shí)間△t內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形式沿波速方向傳播△x=υ△t,即把原波形圖沿波的傳播方向平移△x,每過(guò)一個(gè)周期T,波向前傳播一個(gè)波長(zhǎng)λ的距離,波形復(fù)原一次。
4、振動(dòng)和波動(dòng)的比較
類別振 動(dòng)波 動(dòng)
運(yùn)動(dòng)
現(xiàn)象振動(dòng)是單個(gè)質(zhì)點(diǎn)表現(xiàn)出的周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象波動(dòng)是質(zhì)點(diǎn)群聯(lián)合起來(lái)表現(xiàn)出的周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象
運(yùn)動(dòng)
成因質(zhì)點(diǎn)由于某種原因離開(kāi)平衡位置,同時(shí)受到指向平衡位置的力―――回復(fù)力的作用介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)受到相鄰質(zhì)點(diǎn)的擾動(dòng)而隨著運(yùn)動(dòng),并由近及遠(yuǎn)傳播開(kāi)去,各質(zhì)點(diǎn)間存在相互作用彈力
相互
聯(lián)系振動(dòng)是波的起因,波是振動(dòng)的傳播,就單個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)看,所呈現(xiàn)的是振動(dòng),就各質(zhì)點(diǎn)的整體來(lái)看,所呈現(xiàn)的是波動(dòng),都是周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象
5、振動(dòng)圖象和波動(dòng)圖象的比較
圖象名稱
對(duì)比內(nèi)容振動(dòng)圖象波動(dòng)圖象
研究對(duì)象單個(gè)振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)連續(xù)介質(zhì)中的大量質(zhì)點(diǎn)
橫坐標(biāo)軸時(shí)間介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)的平衡位置與所選坐標(biāo)原點(diǎn)的距離(即質(zhì)點(diǎn)平衡位置的坐標(biāo))
縱坐標(biāo)軸振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)對(duì)平衡位置的位移同一時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)對(duì)平衡位置的位移
物理意義描述一個(gè)振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化的規(guī)律,能直觀表示一個(gè)振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況描述介質(zhì)中大量質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻的位移隨質(zhì)點(diǎn)平衡位置的變化情況,能直觀表示一列波在某時(shí)刻的波形
兩個(gè)相鄰峰值間沿橫軸的距離等于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的周期,顯示出振動(dòng)的時(shí)間對(duì)稱性等于一個(gè)波長(zhǎng),顯示出波動(dòng)的空間對(duì)稱性
圖象隨時(shí)間的變化隨著時(shí)間的推移,圖象將沿著橫坐標(biāo)軸的正方向延伸,但原有的圖象不發(fā)生變化隨著時(shí)間的推移,波的圖象將沿波的傳播方向平移,且每經(jīng)一個(gè)周期,圖象又恢復(fù)原來(lái)的形狀
圖象顯示的主要物理量①由縱軸坐標(biāo)可知振幅
②由橫軸坐標(biāo)可知周期
③由圖象的切線斜率可知速度的大小及方向的變化情況
④由位移的變化情況可知加速度的大小及方向的變化情況①由縱軸坐標(biāo)可知振幅
②由橫軸坐標(biāo)可知波長(zhǎng)
③可根據(jù)波的傳播方向確定各質(zhì)點(diǎn)某時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向,也可根據(jù)某質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向確定波的傳播方向
④由位移情況可確定介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻加速度的大小及方向情況
二、方法講解 1、畫(huà)波的圖象:要畫(huà)出波的圖象通常要知道波長(zhǎng)λ、振幅A、波的傳播方向以及橫軸上某質(zhì)點(diǎn)在該時(shí)刻的振動(dòng)狀態(tài)(包括位移和振動(dòng)方向)這四個(gè)要素。
2、已知波的傳播方向(或某質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向)來(lái)判定圖象上該時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向(或波的傳播方向),方法為如下。
(1)帶動(dòng)法:根據(jù)波的形成,利用靠近波源的點(diǎn)帶動(dòng)它鄰近的離波源稍遠(yuǎn)的點(diǎn)的道理,在被判定振動(dòng)方向的點(diǎn) 附近圖象上靠近波源一方找另一點(diǎn) 。若 在 上方,則 帶動(dòng) 向上運(yùn)動(dòng)如右圖所示;若 在 的下方,則 帶動(dòng) 向下運(yùn)動(dòng)。
(2)微平移法:將波形沿波的傳播方向作微小移動(dòng) ,則可判定 點(diǎn)沿y方向的運(yùn)動(dòng)方向了。
反過(guò)來(lái)已知波形和波形上一點(diǎn) 的振動(dòng)方向也可判定波的傳播方向。
(3)“口訣”法:沿波的傳播方向看!吧仙降皖^”“下山抬頭”,其中“低頭”表示質(zhì)點(diǎn)向下振動(dòng),“抬頭”表示質(zhì)點(diǎn)向上振動(dòng)。與“人低頭爬山,下山舉頭遠(yuǎn)眺”類比形象助記,十分簡(jiǎn)捷地判定兩者方向間的關(guān)系。如下圖(a)中已知波向右傳播,則向右看,OA段為上山,故質(zhì)點(diǎn)P向下運(yùn)動(dòng);AB段為下山,則質(zhì)點(diǎn)Q向上運(yùn)動(dòng),在(b)圖中,已知質(zhì)點(diǎn)P向下運(yùn)動(dòng),即低頭,只有上山才低頭,也只有向左看才上山。故波向左傳播。
3、已知波速 和波形,畫(huà)出再經(jīng)△t時(shí)間波形圖的方法。
(1)平移法:先算出經(jīng)△t時(shí)間波傳播的距離
,再把波形沿波的傳播方向平移△x即可。因?yàn)椴▌?dòng)圖象的重復(fù)性,若知波長(zhǎng)λ,則波形平移nλ時(shí)波形不變,當(dāng) 時(shí),可采取去整 留零x的方法,只需平移x即可。
(2)特殊點(diǎn)法:在波形上找兩特殊點(diǎn),如過(guò)平衡位置的點(diǎn)和與它相鄰的峰(谷)點(diǎn),先確定這兩點(diǎn)的振動(dòng)方向,再看 ,由于經(jīng) 波形不變,所以也采取整去 留零t的方法,分別作出兩特殊點(diǎn)經(jīng)t后的位置,然后按正弦規(guī)律畫(huà)出新波形。 三、考點(diǎn)應(yīng)用 例1:關(guān)于機(jī)械波的說(shuō)法正確的是( )
A、相鄰的質(zhì)點(diǎn)要相互做功
B、縱波的質(zhì)點(diǎn)可以隨波遷移,而橫波的質(zhì)點(diǎn)不能
C、振源開(kāi)始時(shí)怎樣振動(dòng),其他質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始時(shí)就怎樣振動(dòng)
D、波中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率是相同的
分析:機(jī)械波是由于介質(zhì)中前面的質(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)后面的質(zhì)點(diǎn),使振源的振動(dòng)形式與振源的能量向遠(yuǎn)處傳播而形成的,前后質(zhì)點(diǎn)間存在相互作用力,因而相互做功,故A正確。波傳播過(guò)程中,各質(zhì)點(diǎn)只能在各自的平衡位置附近振動(dòng),故質(zhì)點(diǎn)不隨波遷移,因此B錯(cuò)。振源依次帶動(dòng)下面的質(zhì)點(diǎn),每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都做受迫振動(dòng),其振動(dòng)頻率都與振源頻率相同,并且都“仿照”振源振動(dòng),故C、D正確。
答案:A、C、D
點(diǎn)評(píng):理解機(jī)械波的形成和傳播是正確作出判斷的關(guān)鍵。注意相鄰的質(zhì)點(diǎn)相互作用力做正功時(shí),質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能增加;做負(fù)功時(shí),質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能減少。
例2:下圖為一橫波在某時(shí)刻的波形圖,已知F質(zhì)點(diǎn)此時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向如圖所示,則( )
A、波向右傳播
B、質(zhì)點(diǎn)H的運(yùn)動(dòng)方向與質(zhì)點(diǎn)F的運(yùn)動(dòng)方向相同
C、質(zhì)點(diǎn)C比質(zhì)點(diǎn)B先回到平衡位置
D、質(zhì)點(diǎn)C在此時(shí)的加速度為零
分析:由于F質(zhì)點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng),跟著右邊質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),此波從右向左傳播,選項(xiàng)A錯(cuò)誤。在此時(shí)刻,質(zhì)點(diǎn)H的運(yùn)動(dòng)方向應(yīng)向上,選項(xiàng)B錯(cuò)誤。
由于質(zhì)點(diǎn)C運(yùn)動(dòng)方向向下。T/4后回到平衡位置,而質(zhì)點(diǎn)B此時(shí)刻運(yùn)動(dòng)方向向上,到最大位移后,再用T/4的時(shí)間才回到平衡位置,選項(xiàng)C正確。
質(zhì)點(diǎn)C此時(shí)在最大位移處,它的加速度最大,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
答案: C。
點(diǎn)評(píng):深刻理解波的形成過(guò)程,“后邊跟前邊,時(shí)間滯后點(diǎn)”,即靈活運(yùn)用“帶動(dòng)看齊法”是解此類題的關(guān)鍵,這也是正確把握波動(dòng)問(wèn)題的基本能力要求。
例3:(全國(guó)高考題)如下圖所示,在xOy平面內(nèi)有一沿x軸正方向傳播的簡(jiǎn)諧橫波,波速為1m/s,振幅為4cm,頻率為2.5Hz。在t=0時(shí)刻,P點(diǎn)位于其平衡位置上方最大位移處,則距P為0.2m的Q點(diǎn)( )
A、在0.1s時(shí)的位移是4cm
B、在0.1s時(shí)的速度最大
C、在0.1s時(shí)的速度向下
D、要0到0.1s時(shí)間內(nèi)的路程是4cm
分析: ,P、Q相距 。
先畫(huà)出若干個(gè)波長(zhǎng)的波形圖,如下圖所示,確定波的傳播方向,再按題干中給出的條件,確定P點(diǎn)所在位置,再確定Q點(diǎn)所在位置。
經(jīng)過(guò)0.1s,也就是T/4后,Q點(diǎn)將回到平衡位置,并向上運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)B正確。
在0――0.1s時(shí)間內(nèi)通過(guò)路程為振幅,即4cm,選項(xiàng)D正確。
答案:B、D。
點(diǎn)評(píng):凡相距波長(zhǎng)整數(shù)倍的各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)同步調(diào)(即“同相”),凡相距半波長(zhǎng)奇數(shù)倍的各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)反步調(diào)(即“反相”)。本題P、Q相距為 ,故振動(dòng)為反步調(diào),另外,質(zhì)點(diǎn)每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期T,運(yùn)動(dòng)路程為4A(A指振幅)。
例4:一列簡(jiǎn)諧橫波沿x軸正方向傳播,在t=0時(shí)刻的波形圖像如下圖所示,已知這列波在P點(diǎn)依次出現(xiàn)兩個(gè)波峰的時(shí)間間隔為0.4s,則質(zhì)點(diǎn)Q要再經(jīng)過(guò) s,才能第一次到達(dá)波峰處。
分析:求波傳播方向上某未振動(dòng)點(diǎn)第一次到達(dá)波峰(谷)的時(shí)間可以從兩方面考慮;
1、波先要到達(dá)該點(diǎn)后,該點(diǎn)再到達(dá)波峰(谷)
2、根據(jù)波的勻速平移特點(diǎn),將鄰近該點(diǎn)的峰(谷)平移至該點(diǎn)。
解答:方法一:由圖知 ,由P點(diǎn)的振動(dòng)可知振動(dòng)周期T=0.4s。
根據(jù) ,波速 ,從x=5m到x=9m需時(shí)間t,則 。
再經(jīng)過(guò)0.4s后,Q點(diǎn)才開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng),然后經(jīng)過(guò) 才第一次到達(dá)波峰,這樣共經(jīng)過(guò)0.7s,Q質(zhì)點(diǎn)才第一次到達(dá)波峰。
方法二:依題意知λ=4m,T=0.4s。
所以波速 。
Q點(diǎn)第一次出現(xiàn)波峰的時(shí)間,即位于x=2m處的波峰傳播到Q點(diǎn)所需時(shí)間,即
。
點(diǎn)評(píng):波是一種運(yùn)動(dòng)形式,雖然質(zhì)點(diǎn)并不隨波向前遷移,但“波形”卻向前平移。方法二中運(yùn)用波形平移法求解顯得簡(jiǎn)便迅速。
四、課后練習(xí) 1、(全國(guó)Ⅲ 豫冀閩浙等十省理綜)一列沿x軸正方向傳播的簡(jiǎn)諧橫波,周期為0.50s。某一時(shí)刻,離開(kāi)平衡位置的位移都相等的各質(zhì)元依次為 、 、 ……,已知 和 之間的距離為20cm, 和 之間的距離為80cm,則 的振動(dòng)傳到 所需的時(shí)間為( )
A、0.50s B、0.13s C、0.10s D、0.20s
2、(全國(guó)Ⅰ黑蒙桂理綜)簡(jiǎn)諧橫波沿x軸正方向傳播,某時(shí)刻其波形如圖所示。下列說(shuō)法正確的是( )
A、由波形圖可知該波的波長(zhǎng)
B、由波形圖可知波的周期
C、經(jīng) 周期后質(zhì)元P運(yùn)動(dòng)到Q點(diǎn)
D 、經(jīng) 周期后質(zhì)元R的速度變?yōu)榱?br />3、(全國(guó)Ⅱ云甘貴渝川理綜)一列簡(jiǎn)諧橫波在x軸上傳播,某時(shí)刻的波形圖如圖所示,a、b、c為三個(gè)質(zhì)元,a正向上運(yùn)動(dòng)。由此可知( )
A、該波沿x軸正方向傳播
B、c正向上運(yùn)動(dòng)
C、該時(shí)刻以后,b比c先到達(dá)平衡位置
D、該時(shí)刻以后,b比c先到
達(dá)離平衡位置最遠(yuǎn)處
4、(北京理綜)一列簡(jiǎn)諧機(jī)械橫波某時(shí)刻的波形圖如圖所示,波源的平衡位置坐標(biāo)為x=0。當(dāng)波源質(zhì)點(diǎn)處于其平衡位置上方且向下運(yùn)動(dòng)時(shí),介質(zhì)中平衡位置坐標(biāo)x=2m的質(zhì)點(diǎn)
所處位置及運(yùn)動(dòng)情況是
A、在其平衡位置下方且向上運(yùn)動(dòng)
B、在其平衡位置下方且向下運(yùn)動(dòng)
C、在其平衡位置上方且向上運(yùn)動(dòng)
D、在其平衡位置上方且向下運(yùn)動(dòng)
5、(天津理綜)圖中實(shí)線和虛線分別是x軸上傳播的一列簡(jiǎn)諧橫波t=0和t=0.03s時(shí)刻的波形圖,x=1.2m處的質(zhì)點(diǎn)在t=0.03s時(shí)刻向y軸正方向運(yùn)動(dòng),則
A、該波的頻率可能是125Hz
B、該波的波速度可能是10m/s
C、t=0時(shí)x=1.4m處質(zhì)點(diǎn)的加速度方向沿y軸正方向
D、各質(zhì)點(diǎn)在0.03s內(nèi)隨波遷移0.9m
6、(成都)下圖中,在原
點(diǎn)處做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的波源產(chǎn)生的機(jī)械波沿x軸正方向傳播,波速 。為了接收信號(hào),
在x=400m處設(shè)有一接收器A(圖中未標(biāo)出)。已知t=0時(shí),波已經(jīng)傳播到x=40m處,則
下列說(shuō)法中不正確的是( )
A、波源振動(dòng)的周期為0.05s
B、x=40m處的質(zhì)點(diǎn)在t=0.5s時(shí)位移最大
C、接收器在t=1.0s時(shí)才能接收到此波
D、若波源向x軸負(fù)方向移動(dòng),則接收器收到的波的頻率將小于20Hz
7、(濟(jì)南)如下圖所示,
沿x軸正方向傳播的一列簡(jiǎn)
諧橫波在某時(shí)刻的波形圖
為一正弦曲線,其波速為
200m/s,下列說(shuō)法中不正確
的 是( )
A、圖示時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)b的加速度正在增大
B、從圖示時(shí)刻開(kāi)始,經(jīng)過(guò)0.01s,質(zhì)點(diǎn)b通過(guò)的路程一定為0.4m
C、若此波遇到另一列簡(jiǎn)諧橫波并發(fā)生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象,則該波所遇到的波的頻率為50Hz
D、若該波發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象,則該波遇到的障礙物尺寸一定比4m大
8、(黃岡)在波的傳播方向上有相距小于一個(gè)波長(zhǎng)的A、B兩點(diǎn),t=0時(shí)刻兩點(diǎn)速度相等(υ≠0),經(jīng)過(guò)時(shí)間t=0.01s,兩點(diǎn)加速度相等,已知波長(zhǎng)為8m,則波速可能為( )
A、200m/s B、400m/s
C、600m/s D、800m/s
第三課時(shí) 機(jī)械波的多解問(wèn)題
一、方法講解 求解機(jī)械波問(wèn)題時(shí),常常由于同學(xué)們對(duì)問(wèn)題的隱含條件或波動(dòng)的實(shí)際情況分析不徹底,容易造成解答不完整,出現(xiàn)漏解。為了避免此類錯(cuò)誤的發(fā)生,特對(duì)這種問(wèn)題形成多解的原因進(jìn)行簡(jiǎn)明剖析,供廣大讀者參考。
(一)波的傳播的雙向性形成的多解
在中學(xué)階段,一般只限于討論機(jī)械波沿一直線傳播的簡(jiǎn)單情形,在這種情況下,波的傳播方向有兩種可能,這就是波傳播的雙向性。
(二)波的時(shí)間的周期性形成的多解
機(jī)械波在介質(zhì)中傳播的過(guò)程中,由于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)作周期性振動(dòng),使得波形圖也具有周期性,即若某一時(shí)刻t各振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)形成一波形,經(jīng)過(guò)時(shí)間△t=nT(n =0,1,2,……),各振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)將回到原來(lái)狀態(tài),則t+△t=t+nT時(shí)刻的波形與t時(shí)刻的波形重合。
(三)波的空間的周期性形成的多解
根據(jù)簡(jiǎn)諧波的傳播規(guī)律易推知,沿傳播方向相距恰為一個(gè)波長(zhǎng)或?yàn)椴ㄩL(zhǎng)整數(shù)倍的質(zhì)點(diǎn),在任意時(shí)刻它們的振動(dòng)情況完全相同,即步調(diào)一致。因此將一個(gè)波形沿傳播方向平移一個(gè)波長(zhǎng)或一個(gè)波長(zhǎng)的整數(shù)倍的距離,平移后的波形與原波形重合,這就是波的空間周期性。由波的空間的周期性,可得如下結(jié)論:
(四)題設(shè)條件的不明確形成的多解
在波動(dòng)問(wèn)題中,如講某質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻在最大位移處就包含有處于正最大位移與負(fù)最大位移兩種可能;講某質(zhì)點(diǎn)從平衡位置開(kāi)始起振就包含有向y軸正方向或向y軸負(fù)方向起振兩種可能等等。這就是波動(dòng)問(wèn)題中的題設(shè)條件的不明確性。
二、方法應(yīng)用 例1:如右下圖,一根張緊的水平彈性長(zhǎng)繩上的a、b兩點(diǎn)相距14.0m,b點(diǎn)在a點(diǎn)的右方,當(dāng)一列簡(jiǎn)諧橫波沿此長(zhǎng)繩向右傳播時(shí),若a點(diǎn)的位移達(dá)到正向最大時(shí),b點(diǎn)的位移恰為0,且向下運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)t=1.00s后,a點(diǎn)的位移為零,且向下運(yùn)動(dòng),而b點(diǎn)的位移恰達(dá)到負(fù)向最大,則這列簡(jiǎn)諧橫波的波速可能等于( )
A、4.67m/s B、6m/s
C、10m/s D、14m/s
分析:根據(jù)題目所述的情況,這列簡(jiǎn)諧橫波原來(lái)的最簡(jiǎn)波形如右圖(甲)所示,經(jīng)1s后最簡(jiǎn)波形如右圖(乙)所示。
根據(jù)波的周期性,可知a、b兩質(zhì)點(diǎn)間的距離s應(yīng)為該波波長(zhǎng)λ的(n+3/4)倍,即
題目所給的時(shí)間t為該波周期的( k+1/4)倍,即
所以,這列波的波速為
上式中對(duì)應(yīng)每一個(gè)n的確定值,k可取0,1,2,…一系列的值,反之亦然。
當(dāng)n=k=0時(shí), ;
當(dāng)n=k=1時(shí), 。
由速度υ的通式不能得到6n/s和14m/s,所以該題的答案為A、C。
答案:AC
點(diǎn)評(píng):由于波動(dòng)圖象的周期性,使a、b兩點(diǎn)間距離 ,傳播時(shí)間 這是分析問(wèn)題和解決的關(guān)鍵,因此要加強(qiáng)對(duì)波形圖時(shí)間、空間兩個(gè)方面周期性的深入理解,請(qǐng)思考:本題中,若繩上的簡(jiǎn)諧波向左傳播,情況又將會(huì)怎樣?
例2:一列簡(jiǎn)諧橫波在t=0
時(shí)的波形曲線如右圖所示,波沿x軸傳播,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)b的平衡位置在x=3m處,在 時(shí),
b第二次處于波峰,求此波的傳
播速度。
分析:由波的圖象可知,此波的波長(zhǎng)λ=4m 。波的傳播方向沿x軸,可能沿x軸正方向(向右),也可能沿x軸負(fù)方向(向左),要分兩種情況來(lái)確定質(zhì)點(diǎn)b此刻的運(yùn)動(dòng)情況,進(jìn)而確定周期,求出波速。
解答:若波沿x軸向右傳播,則往左側(cè)看,相鄰質(zhì)點(diǎn)位置在b之上,此刻質(zhì)點(diǎn)b 正通過(guò)平衡位置向波峰位置振動(dòng),經(jīng)0.7s第二次處于波峰,可見(jiàn) ,于是得到T=0.56s,則
。
若波沿x軸向左傳播,則往右側(cè)看,相鄰質(zhì)點(diǎn)位置在b之下,此刻質(zhì)點(diǎn)b正通過(guò)平衡位置向波谷位置振動(dòng),經(jīng)0.7s第二次處于波峰,可見(jiàn) ,于是得到 ,則
點(diǎn)評(píng):波在均勻介質(zhì)中可以向各個(gè)方向傳播,即使研究沿直線傳播的波,仍要注意到波速可能有相反的兩個(gè)方向,需對(duì)各種情況分別作出討論,避免漏解。請(qǐng)思考:本題中,在這段時(shí)間內(nèi)b質(zhì)點(diǎn)通過(guò)的路程有多大?
例3:如下圖所示,A、B是一列簡(jiǎn)諧橫波中的兩點(diǎn),某時(shí)刻,A正處于正向最大位移處,另一點(diǎn)B恰好通過(guò)平衡位置向-y方向振動(dòng)。已知A、B的橫坐標(biāo)分別為 、 ,并且波長(zhǎng)λ符合不等式:20m<λ<80m,求波長(zhǎng)λ。
分析:根據(jù)題目中A點(diǎn)和B點(diǎn)的位置,作出A、B間的兩種最簡(jiǎn)波形圖(圖中的實(shí)虛兩種曲線波形)。
解答:(1)由實(shí)線最簡(jiǎn)波形圖寫(xiě)出這種情況的通式為 ,得70m = ,所以波長(zhǎng)通式為 ,其中n=0,1,2,3…依次代入通式,解得λ=280m,56m, ,…。由已知
20m<λ<80m的限制條件,可知波長(zhǎng)應(yīng)為 或56m,且波向-x方向傳播。
(2)由虛線最簡(jiǎn)波形圖寫(xiě)出這種情況的通式為 ,得70m = ,所以波長(zhǎng)通式為 ,其中n=0,1,2,3…依次代入通式,解得λ= ,…。由已知20m<λ<80m的限制條件,可知波長(zhǎng)應(yīng)為 ,且波向+x方向傳播。
點(diǎn)評(píng):本題的解析是已知波的兩個(gè)特殊質(zhì)點(diǎn),求解波長(zhǎng)的一般方法。①如果題目已知條件無(wú)任何限制,求出的波長(zhǎng)應(yīng)為兩組通解。②如果題目已知條件中對(duì)波長(zhǎng)加了限制(本題加了20m<λ<80m的限制,則從兩組通解中分別求出有限個(gè)解。③如果題目中已知條件加了波的傳播方向的限制。例如波沿+x方向傳播,則本題只有一組的 通解。如果在限制傳播方向的基礎(chǔ)上,如本題又加了20m<λ<80m的限制,則只能從這一組解中取 兩個(gè)解。請(qǐng)思考:若本題中改限制條件“20m<λ<80m”為“波在A、B間傳播時(shí)間為2T<t<4T”,則波長(zhǎng)的取值又怎樣?
以上對(duì)機(jī)械波問(wèn)題形式多解的原因分別進(jìn)行了討論分析。在對(duì)簡(jiǎn)諧橫波的具體運(yùn)動(dòng)中,還將遇到在同一題中,既要考慮其“雙向性”,又要考慮其時(shí)間和空間的周期性。
三、課后練習(xí) 1、(2001,春季高考)有一列沿水平繩傳播的簡(jiǎn)諧橫波,頻率為10Hz,振動(dòng)方向沿豎直方向。當(dāng)繩上的質(zhì)點(diǎn)P到達(dá)其平衡位置且向下運(yùn)動(dòng)時(shí),在其右方相距0.6m處的質(zhì)點(diǎn)Q剛好到達(dá)最高點(diǎn)。由此可知波速和傳播方向可能是( )
A、8m/s,向右傳播 B. 8m/s,向左傳播
C、24m/s,向右傳播 D.24m/s,向左傳播
2、(2002,株州)如圖
所示,實(shí)線為一列向右傳播的橫波在t=0時(shí)的波形,而
虛線則為此列橫波在t=0.5
秒時(shí)的波形,若此列橫波的周期為T(mén),且0.3秒<T<0.5秒,則此列橫波的波速為( )
A、34m/s B、26m/s C、18m/s D、10m/s
3、(2002,石家莊)一列簡(jiǎn)諧橫波在某時(shí)刻的波形如圖中實(shí)線所示,經(jīng)2.0s后波形如圖中虛線所示,下列說(shuō)法中正確的組合是( )
①該波的波長(zhǎng)為16m
②該波的波長(zhǎng)為14m
③若波向右傳播,則波速可能是5m/s,且波對(duì)應(yīng)的頻率為(2/3)Hz
④若波向左傳播,則波速可能是3m/s,且波對(duì)應(yīng)的頻率為(3/16)Hz
A、②③ B、①③ C、②④ D、①④
4、(2002年,東城區(qū))如圖所示一列橫波在 和 時(shí)刻的波形分別如圖中的實(shí)線和
虛線所示,已知波在介質(zhì)中的傳播速度是2m/s
①若 - ,則波是向右傳播的
②若 - ,則波
是向左傳播的
③若 - ,則在 時(shí)
刻質(zhì)元P向y軸正方向運(yùn)動(dòng)
④若 - ,則在 時(shí)刻質(zhì)
元P向y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)上述結(jié)論正確的
是( )
A、①③ B、②③
C、①④ D、②④
5、如圖所示,為一機(jī)械波某
時(shí)刻的波形圖像,已知波的傳播
速度υ=1米/秒,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間t后,波形如虛線所示,則t的可能值為( )
A、1秒 B、3秒
C、5秒 D、7秒
6、(2002,全國(guó)高考)一列橫波在t=0時(shí)刻波形如圖中實(shí)線所示,在t=1s時(shí)刻的波形如圖中虛線所示,則由此可判定此波的( )
A、波長(zhǎng)一定是4cm
B、周期一定是4s
C、振幅一定是2cm
D、傳播速度一定是1cm/s
7、已知平面簡(jiǎn)諧波在x軸上傳播,原點(diǎn)O的振動(dòng)圖線如圖(a)所示,t時(shí)刻的波形圖線如圖(b)所示,則 時(shí)刻的波形圖線可能是( )
第四課時(shí) 波的現(xiàn)象 多普勒效應(yīng) 次聲波和振聲波
(一) 考點(diǎn)理解 波的反射和折射
1、反射
波遇到障礙物會(huì)返回來(lái)繼續(xù)傳播,這種現(xiàn)象叫波的反射。在波的反射中,反射角等于入射角;反射波的波長(zhǎng)、頻率和波速都跟入射波的相同。
對(duì)著高墻或山崖喊話時(shí),我們聽(tīng)到回聲,夏日里雷鳴不絕,在空房子里說(shuō)話,會(huì)聽(tīng)到聲音更響等。這都是聲波的反射。水波遇到障礙物時(shí)也會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象,同學(xué)們不妨親自觀察一下。
2、波的折射
波從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí),傳播方向會(huì)發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫波的折射。
在波的折射現(xiàn)象中,波的頻率不改變,但波速、波長(zhǎng)都發(fā)生了變化。入射波的傳播方向與界面法線的夾角i叫做入射角,折射波的傳播方向與法線間的夾角叫折射角r,入射角i、折射角r和波速之間存在以下關(guān)系:
。úㄓ山橘|(zhì)Ⅰ進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ)
其中 和 分別是波在介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ中的波速。
(二)波的衍射和干涉
1、波的疊加原理
兩列波在空間相遇以后,互不干擾,仍以各自的運(yùn)動(dòng)特征向前傳播,只是在重疊區(qū)域里,任一質(zhì)點(diǎn)的總位移,等于兩列波引起的位移的矢量和。
2、波的衍射
波可以繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播,這種現(xiàn)象叫波的衍射。衍射現(xiàn)象的本質(zhì)是波在遇到小孔或障礙物時(shí),偏離了直線傳播,使波所波及的范圍擴(kuò)大。任何波都能發(fā)生衍射,衍射總是存在的,只是有的衍射明顯,有的衍射不明顯,實(shí)驗(yàn)證明只有當(dāng)小孔(縫)或障礙物的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多,或者比波長(zhǎng)更小時(shí),才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。
聲波波長(zhǎng)1.7cm<λ<17m,故聲波遇到障礙物時(shí),幾乎都能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象。聞其聲不見(jiàn)其人,就是司空見(jiàn)慣的衍射現(xiàn)象。
光波波長(zhǎng)很小,在0.4um――0.8um范圍內(nèi),跟一般障礙物相比非常小,所以通常看不到光的衍射現(xiàn)象。
3、波的干涉
(1)定義
頻率相同(振動(dòng)方向平行)的兩列波疊加,使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng),某些區(qū)域的振動(dòng)減弱,而且振動(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域和振動(dòng)減弱的區(qū)域相互間隔,這種現(xiàn)象叫做波的干涉,所形成的圖樣叫干涉圖樣。
(2)產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件
兩列波的頻率必須相同,產(chǎn)生這樣波的波源叫相干波源。一切波都能發(fā)生干涉,干涉也是波特有的現(xiàn)象。
(3)振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)
①加強(qiáng)區(qū)
當(dāng)兩相干涉波源振動(dòng)步調(diào)完全一致,在兩列波相遇的區(qū)域中的某一點(diǎn)P與兩波源 和 的距離差滿足 (k=0,1,2,……)時(shí),P點(diǎn)為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn),即兩列波在P點(diǎn)總是波峰與波峰相遇或者是波谷與波谷相遇,這些點(diǎn)的合振動(dòng)振幅A= , 與 分別為兩列波的振幅。
②減弱區(qū)
當(dāng)兩相干涉波源振動(dòng)步調(diào)完全相同時(shí),若P點(diǎn)滿足 ,k=0,1,2,3……時(shí),則P點(diǎn)為減弱點(diǎn),在這樣的位置,兩列波相遇時(shí),總是波峰與波谷相遇,特別地,當(dāng)兩列波振幅相同( )時(shí),振動(dòng)減弱點(diǎn)的合振動(dòng)振幅A= ,根本不振動(dòng)。
據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)知,對(duì)于路程差 相同的點(diǎn)連結(jié)起來(lái)所得的線是雙曲線。
注意:振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)的位移并不總是 ,因?yàn)檫@些點(diǎn)也是在振動(dòng),其振動(dòng)位移也不斷變化。
(三)超聲波和次聲波
(1)定義
人耳能聽(tīng)到的聲波的頻率范圍是有限的,大致有20Hz―20000Hz之間,頻率低于20Hz的聲波叫次聲波,高于20000Hz的叫超聲波。
(2)應(yīng)用
次聲波波長(zhǎng)比一般聲波波長(zhǎng)大,更易發(fā)生衍射,傳播距離更遠(yuǎn),利用次聲波(建次聲波波站)可以預(yù)報(bào)海嘯、臺(tái)風(fēng)、核爆炸等。
超聲波波長(zhǎng)小,不易發(fā)生衍射現(xiàn)象,基本上沿直線傳播,可以定向發(fā)射和接收,超聲波在水中傳播距離比光波和無(wú)線電波遠(yuǎn)得多,超聲波的穿透能力很強(qiáng),能穿透幾米厚的金屬(比r射線的穿透能力還強(qiáng)),水中測(cè)位儀―聲吶和超聲波探傷儀、B超(超聲波B型顯示切面成像方法)等,就是利用超聲波的直線傳播特性和強(qiáng)穿透特性制成的。
2、多普勒效應(yīng)
(1)定義
由于觀察者與波源之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng),使
觀察者感受到的波的頻率與波的實(shí)際頻率不同的現(xiàn)象,就叫多普勒效應(yīng)。
(2)多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生原因
觀察者接收到的頻率等于觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)。當(dāng)波以速度v通過(guò)接收者時(shí),時(shí)間t內(nèi)通過(guò)的完全波的個(gè)數(shù) ,因而單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)接收者的完全波的個(gè)數(shù),即接收頻率 。
若波源不動(dòng),觀察者朝向波源以速度 運(yùn)動(dòng),由于相對(duì)速度增大而使得單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀察者的完全波的個(gè)數(shù)增多,即 ,
可見(jiàn)接收頻率增大了。同理可知,當(dāng)觀察者背離波源運(yùn)動(dòng)時(shí),接收頻
率將減小。
若觀察者不動(dòng),波源向觀察者以速度 運(yùn)動(dòng),由于波長(zhǎng)變短為 ,而使得單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀察者的完全波的個(gè)數(shù)增多,即 ,可見(jiàn)接收頻率亦增大。同理可知,當(dāng)波源背離觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí),接收頻率將減小。
(四)對(duì)波的衍射的說(shuō)明
1、波只要遇到障礙物或通過(guò)小孔都會(huì)發(fā)生衍射,但觀察到明顯衍射現(xiàn)象條件是:障礙物或小孔的尺寸比波長(zhǎng)小或與波長(zhǎng)差不多。
2、障礙物越小,或者波長(zhǎng)越大,衍射現(xiàn)象越明顯。
3、小孔的尺寸越小,或者波長(zhǎng)越大,衍射現(xiàn)象越明顯,強(qiáng)度越小,振動(dòng)越弱,由傳播過(guò)去的機(jī)械能量越小造成的。
(五)對(duì)波的干涉的說(shuō)明
1、振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域永遠(yuǎn)是振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域,振動(dòng)減弱區(qū)域永遠(yuǎn)是振動(dòng)減弱區(qū)域。
2、振動(dòng)加強(qiáng)的意義是此區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)仍做機(jī)械振動(dòng),只是此處振動(dòng)最劇烈,振幅最大為A= ,其位移范圍為:- 。
3、振動(dòng)減弱的意義是此區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)也做機(jī)械振動(dòng),只是此處振動(dòng)最弱,振幅最小為A=│ │,
其 位 移 范 圍 內(nèi):-│ │ 。
4、在同一時(shí)刻振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的位移不一定比振動(dòng)減弱區(qū)域質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的位移大。
二、方法講解 1、波的干涉的分析
在干涉現(xiàn)象中,振動(dòng)加強(qiáng)是指質(zhì)點(diǎn)合振動(dòng)的振幅增大,振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的能量增大;振動(dòng)減弱是指質(zhì)點(diǎn)合振動(dòng)的振幅減小,能量減小。不論是振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域或是減弱區(qū)域,各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)周期都與波源的周期相同,各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移是周期性變化的,要得到穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象,觀察到干涉圖樣,兩個(gè)波源必須是頻率相同,振動(dòng)方向相同的相干波源。波源 、 產(chǎn)生兩列波在同一介質(zhì)中傳播,介質(zhì)中的各質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與兩個(gè)振源引起的振動(dòng),質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)為這兩振動(dòng)的矢量和,介質(zhì)中P點(diǎn),如右圖所示,離兩波源距離分別是 、 ,若 、 是同步振動(dòng),那么,它們對(duì)P
引起的振動(dòng)的步調(diào)差別完全
由距離差△s=
決定。當(dāng)△s=nλ(n=0,1,2…)時(shí),兩列波在P點(diǎn)振動(dòng)步調(diào)一致,為同相振動(dòng),即振動(dòng)加強(qiáng),是加強(qiáng)點(diǎn);當(dāng) (n=0,1,2……)兩列波在P點(diǎn)振動(dòng)步調(diào)相反,為反相振動(dòng),即振動(dòng)減弱,是減弱點(diǎn)。由此看來(lái),加強(qiáng)點(diǎn)與減弱點(diǎn)與位置有關(guān),不隨時(shí)間變化。
三、考點(diǎn)應(yīng)用 例1:右圖是觀察水面波的衍射的實(shí)驗(yàn)裝置,AC和BD是兩塊擋板,AB是一個(gè)孔,O是波源,圖中已畫(huà)出波源所在區(qū)域波的傳播情況,每?jī)蓷l相鄰波紋(圖中曲線)之間距離表示一個(gè)波長(zhǎng),則對(duì)于波經(jīng)過(guò)孔之后的傳播情況,下列描述正確的是( )
A、此時(shí)能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象
B、如果將孔AB擴(kuò)大,有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象
C、擋板前后波之間距離相等
D、如果孔的大小不變,使波源頻率增大,可以更明顯觀察到衍射現(xiàn)象
分析:由圖知水波波長(zhǎng)跟小孔尺寸相差不大,此時(shí)能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象,如果孔AB擴(kuò)大到比波長(zhǎng)大得多,就不能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象,所以A、B均正確。波繞過(guò)障礙物后,即發(fā)生衍射現(xiàn)象時(shí),波的特征并未發(fā)生改變,即波的波長(zhǎng)、頻率和波速不改變,故C選項(xiàng)正確。當(dāng)波的頻率增大,波速不變,波長(zhǎng) 變小,有可能比不變的孔寬小得多,衍射現(xiàn)象就越不明顯,故D選項(xiàng)錯(cuò)誤。
答案:A、B、C。
點(diǎn)評(píng):掌握產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是作出正確判斷的關(guān)鍵。
例2:如右圖所示, 、 是振幅均為A的兩個(gè)水波波源,某時(shí)刻它們形成的波峰和波谷分別由實(shí)線和虛線表示。則下列說(shuō)法中正確的是( )
A、兩列波在相遇區(qū)域發(fā)生干涉
B、兩列波在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)生疊加
C、此時(shí)各點(diǎn)的位移
D、A處振動(dòng)始終減弱,B、C處振動(dòng)始終加強(qiáng)
分析:兩列波發(fā)生干涉的條件是:頻率相同,相差恒定。從圖上可知 ,則是 ,這兩列波不是相干波,故不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
兩列機(jī)械波在相遇區(qū)域發(fā)生疊加,這是波的基本現(xiàn)象之一。其結(jié)果是:任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的總位移,都等于這兩列波引起的位移的矢量和。所以B、C選項(xiàng)正確。
由于頻率不同,疊加情況會(huì)發(fā)生變化。如C處此時(shí)兩波峰相遇,但經(jīng) , 在C處是波谷, 則不是,故C處不能始終加強(qiáng),D錯(cuò)。
答案: B、C。
點(diǎn)評(píng):頻率相同的兩列波才能發(fā)生干涉,兩列波疊加不一定發(fā)生干涉,值得注意的是,頻率不同的兩列波疊加,振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)不一定總是加強(qiáng),振動(dòng)減弱的點(diǎn)也不一定總是減弱。
例3:關(guān)于多普勒效應(yīng),下列說(shuō)法正確的是
A、多普勒效應(yīng)是由于波的干涉引起的
B、多普勒效應(yīng)說(shuō)明波源的頻率發(fā)生改變
C、多普勒效應(yīng)是由于波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的
D、只有聲波才可以產(chǎn)生多普勒效應(yīng)
分析:多普勒效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是由于觀察者與波源在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),觀察者接收到的頻率與實(shí)際頻率不同,而實(shí)際上波源的頻率是不會(huì)改變的,且多普勒效應(yīng)是波動(dòng)過(guò)程中的共有特征。
答案:C。
點(diǎn)評(píng):多普勒效應(yīng)是由于波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的,是所有波共有的特征。要注意多普勒效應(yīng)與其他聲波現(xiàn)象的區(qū)別。
例4:如圖所示,在同一均勻介質(zhì)中有 、 兩個(gè)波源,這兩個(gè)波源的頻率、振動(dòng)方向均相同,且振動(dòng)的步調(diào)完全一致, 、 之間相距兩個(gè)波長(zhǎng),B點(diǎn)為 、 連線的中點(diǎn),以B點(diǎn)為圓心,以 為半徑畫(huà)圓,問(wèn)在該圓周上( 、 兩波源除外),共有幾個(gè)振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)?
分析:首先讓我們分析 、 兩波源的連線上共有幾個(gè)加強(qiáng)點(diǎn),又 , ,故A、C兩點(diǎn)也為加強(qiáng)點(diǎn)(右圖),即 、 連線上共有三個(gè)加強(qiáng)點(diǎn),再過(guò)A、B、C三點(diǎn)作三條加強(qiáng)線(表示三個(gè)加強(qiáng)區(qū)域),交圓周于 、 、 、 、 、 點(diǎn),顯然這6個(gè)點(diǎn)也為加強(qiáng)點(diǎn),故圓周上共有6個(gè)加強(qiáng)點(diǎn)。
解答:共有6個(gè)加強(qiáng)點(diǎn)。
點(diǎn)評(píng):本題還可以利用用路程差 用數(shù)學(xué)方法列方程求解,但較為繁瑣。
例5:蝙蝠視覺(jué)比較差,但是夜間出來(lái)飛行和覓食都能正確找到方位和捕捉到目標(biāo)
(1)其中的原因應(yīng)是 ( )
A、自身可以發(fā)射電磁波,并能接收回波
B、紫外線提高了它的視覺(jué)
C、有靈敏地感知熱幅射的能力
D、自身有發(fā)射和接收超聲波的器官
(2)蝙蝠的定位系統(tǒng)只有幾分之一克,與雷達(dá)相比( )
A、蝠屬于鳥(niǎo)類,所以定位精確
B、定位精確度高,抗干擾能力強(qiáng)
C、由于質(zhì)量小,定位精確度低
D、由于質(zhì)量小,抗干擾能力低
分析:本題研究的是蝙蝠的特異功能,它是靠嘴上一個(gè)喇叭形器官發(fā)出一種超聲波,超聲波遇到障礙物就反射回來(lái),它根據(jù)兩只耳朵聽(tīng)到超聲波回音的時(shí)間來(lái)判斷障礙物的距離和方向,它的定位能力和抗干擾能力都優(yōu)于雷達(dá)。人類用于軍事、工農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)臒o(wú)線電定位系統(tǒng)的雷達(dá)就是從研究蝙蝠的特異功能獲得啟發(fā)而發(fā)明的。仿生學(xué)對(duì)人類技術(shù)的創(chuàng)新有著十分重要的作用,所以科學(xué)知識(shí)的交叉綜合對(duì)人類將來(lái)的發(fā)展起著重要的作用。
答案。1)D (2)B
點(diǎn)評(píng):本題是將超聲波的特點(diǎn)及應(yīng)用以新的背景出現(xiàn),此類問(wèn)題的關(guān)鍵還是對(duì)基本知識(shí)的理解與記憶。
四、課后練習(xí) 1、(2004.鄭州)內(nèi)燃機(jī)、通風(fēng)機(jī)等在排放各種高速氣流的過(guò)程中,都伴隨著噪聲,消除噪聲污染是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要課題。如圖所示是干涉型消聲器的結(jié)構(gòu)及氣流運(yùn)行圖。有一列波長(zhǎng)為λ的聲波,沿水平管道自左向右傳播,當(dāng)入射波到達(dá)a處時(shí),分成兩束相干波,它們分別通過(guò) 和 的路程,再在b處相遇,若△r= - ,則△r應(yīng)該等于( )
A、波長(zhǎng)λ的整數(shù)倍 B、波長(zhǎng) 的奇數(shù)倍
C、波長(zhǎng)λ的奇數(shù)倍 D、半波長(zhǎng) 的偶數(shù)倍
2、(2004.南京)關(guān)于多普勒效應(yīng)的敘述,下列說(shuō)法中正確的是( )
A、產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是波源頻率發(fā)生了變化
B、產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是觀察者和波源之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)
B、甲乙兩列車(chē)相向行駛,兩車(chē)均鳴笛,且所發(fā)出的笛聲頻率相同,乙車(chē)中的某旅客聽(tīng)到的甲車(chē)笛聲頻率低于他所聽(tīng)到的乙車(chē)笛聲頻率
D、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)所接受的來(lái)自于遙遠(yuǎn)星系上的某種原子光譜,與地球上同種原子的光譜相比較,光譜中各條譜線的波長(zhǎng)均變長(zhǎng)(稱為哈勃紅移),這說(shuō)明該星系正在遠(yuǎn)離我們而去。
3、(2004.福建)如下圖表示兩列頻率相同的相干水波在t=0時(shí)刻的疊加情況,圖中實(shí)線表示圖示時(shí)刻的波峰位置,虛線表示同一時(shí)刻的波谷位置,已知兩列波的振幅均為2cm,且在圖中所示范圍內(nèi)振幅不變,波速2cm/s,波長(zhǎng)為0.4m,E點(diǎn)是BD連線和AC連線的交點(diǎn),下列說(shuō)法中正確的是( )
A、 B、D兩點(diǎn)在t=0時(shí)刻的豎直高度差為4cm
B、 B、D兩點(diǎn)在t=0.1s時(shí)刻的豎直高度差為4 cm
C、 E點(diǎn)的振幅為2cm
D、 在t=0.05s時(shí)刻,A、B、C、D四點(diǎn)對(duì)平衡位置的位移均為零
4、(2004.黃岡)如右圖,水面上有M、N兩個(gè)振動(dòng)情況完全一樣的振源,在水面上形成兩列水波。在MN連線的中垂線上有a、b、c三點(diǎn)。已知某時(shí)刻a點(diǎn)是兩波谷相遇點(diǎn),b點(diǎn)是兩波峰相遇點(diǎn),則可以判斷c點(diǎn)( )
A、一定是振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)
B、一定是兩波峰相遇點(diǎn)
C、一定是兩波谷相遇點(diǎn)
D、條件不足,無(wú)法判斷
5、(2004.北京)聲波屬于機(jī)械波。下列有關(guān)聲波的描述中正確的是( )
A、同一列聲波在各種介質(zhì)中的波長(zhǎng)是相同的
B、聲波的頻率越高,它在空氣中傳播的速度越快
C、聲波可以繞過(guò)障礙物傳播,即它可以發(fā)生衍射
D、人能辨別不同樂(lè)器同時(shí)發(fā)出的聲音,證明聲波不會(huì)發(fā)生干涉
6、利用超聲波探查人體組織器官診斷疾病,稱為超聲診斷。B超聲是目前超聲診斷中最常用的檢查方法。超聲診斷儀由主機(jī)和探頭(又稱換能器)組成。主機(jī)產(chǎn)生電信號(hào),通過(guò)探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去,導(dǎo)入人體,遇到病變組織就會(huì)發(fā)生不同程度的反射回聲,通過(guò)探頭又可將回聲轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送回主機(jī)。經(jīng)過(guò)放大及運(yùn)算處理可以得到人體內(nèi)部的影像,從而診斷疾病。超聲波診斷所用超聲波的頻率一般為2―30MHz。超聲波在人體軟組織內(nèi)的傳播速度平均為1540m/s。
(1)超聲波的頻率范圍是( )
A、2-20MHz B、大于2MHz
C、 大于20kHz D、20kHz-20MHz
(2)超聲波診斷所用的超聲波在人體軟組織內(nèi)的波長(zhǎng)范圍為( )
A、1.7× ―1.7× m
B、7.7× ―7.7× m
C、1.7× ―7.7× m
D、7.7―77μm
(3)超聲波從空氣進(jìn)入人體,其速度( )
A、增大 B、減小
C、不變 D、不能確定
(4)B超中所用的超聲波屬于(。
A、電磁波,且為橫波 B、電磁波。且為縱波
C、機(jī)械波,且為橫波 D、機(jī)械波,且為縱波
(5)超聲波遇到人體內(nèi)部均勻的液體物一般無(wú)回聲,遇到不均勻或不同組織的界面時(shí)有回聲。下述人體內(nèi)的物質(zhì),對(duì)超聲波有回聲的是( )
A、血液 B、膽汁
C、胰腺 D、尿液
(6)超聲診斷儀中探頭的作用是( )
A、實(shí)驗(yàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換
B、實(shí)驗(yàn)電信號(hào)和光信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換
C、實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)和光信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換
D、實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和內(nèi)能的相互轉(zhuǎn)
第九章 《機(jī)械波》參考答案
第一課時(shí)
1、振動(dòng):傳播;波峰;波谷;振動(dòng);傳播;密部;疏部
2、橫波;縱波
3、介質(zhì);機(jī)械振動(dòng);介質(zhì)
4、振動(dòng);遷移;振動(dòng);能量;能量
5、平衡位置;位移;正弦;余弦;基本;
簡(jiǎn)單;合成
6、位移;相鄰;距離;
7、波長(zhǎng);頻率; ;介質(zhì)本身
8、繞過(guò)障礙物;相差不多;更;衍射;衍射
9、運(yùn)動(dòng)狀態(tài);矢量和;頻率;加強(qiáng);減弱;加強(qiáng);減弱;干涉;干涉;干涉
10、波源;相對(duì)運(yùn)動(dòng);頻率;增大;減小
11、20Hz;20000Hz
12、正弦(或余弦);時(shí)間;質(zhì)點(diǎn)的平衡位置;單個(gè);所有;多個(gè);某一;周期;波長(zhǎng);不變;順延;平移
第二課時(shí)
1、C 由于題設(shè)中各位移相同質(zhì)元依次為 、 、 ……, =20cm, =80cm可以推知這列波的波長(zhǎng)為100cm即1m,所以根據(jù) 可知波速 , 的振動(dòng)傳到 的時(shí)間 ,C正確。
2、AD 從波的圖象中,可以讀出波長(zhǎng),A正確;而波的圖象不能讀出周期,B錯(cuò);波傳播的是振動(dòng)形式,質(zhì)點(diǎn)只在平衡位置附近做往復(fù)運(yùn)動(dòng),C錯(cuò),D對(duì)。
3、C 由波傳播的規(guī)律知質(zhì)元的振動(dòng)是由先振動(dòng)的質(zhì)元帶動(dòng)后振動(dòng)的質(zhì)元,由題圖知a質(zhì)元偏離平衡位置的位移,說(shuō)明a質(zhì)元左側(cè)質(zhì)元先于a質(zhì)元振動(dòng),波是沿X軸正方向傳播的,選項(xiàng)A正確。質(zhì)元C和質(zhì)元a之間有一波谷,質(zhì)元C振動(dòng)方向與質(zhì)元a振動(dòng)方向相反,質(zhì)元c向下運(yùn)動(dòng),故選項(xiàng)B錯(cuò)誤。b質(zhì)元正向著平衡位置運(yùn)動(dòng),故b比c先達(dá)平衡位置選項(xiàng)C正確,c比b先到達(dá)偏離平衡位置的最遠(yuǎn)處,選項(xiàng)D是錯(cuò)誤的。
4、A 由題中波動(dòng)圖象可看出波長(zhǎng) ,而波源到介質(zhì)點(diǎn)的距離x=2m為半波長(zhǎng),所以源點(diǎn)與介質(zhì)點(diǎn)為反相質(zhì)點(diǎn),所以x=2m的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置下方且向上運(yùn)動(dòng)故A正確而B(niǎo)、C、D為錯(cuò)誤的。
5、A 由題意知 =0.03(n=1、2、3…)再由 代入數(shù)據(jù),得A正確B錯(cuò),當(dāng)t=0時(shí)x=1.4m處質(zhì)點(diǎn)加速度方向沿y軸負(fù)方向,C錯(cuò)。各質(zhì)點(diǎn)只在平衡位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)不隨波遷移D錯(cuò)。故選A。
6、B、D 波源振動(dòng)的周期:
,A正確;x=40m處的質(zhì)點(diǎn)在t=0.5s時(shí)仍在平衡位置,B錯(cuò)誤;接收器接收到此波的時(shí)間: ,C錯(cuò)誤;由多普勒效應(yīng)的知識(shí),可知D正確。
7、D 由波的傳播特點(diǎn)可知,圖示時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)b正在向下運(yùn)動(dòng),加速度不斷增大,A正確;由 ,可得經(jīng)過(guò)0.01s,質(zhì)點(diǎn)b通過(guò)的的路程一定為0.4m,B正確; ,C正確;由波發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件可知D不正確。
8、A、C 由題意可知:0.01×2= ,根據(jù) ,當(dāng)n=1時(shí), ;n=2當(dāng)時(shí), ,故正確選項(xiàng)是A、C
第三課時(shí)
1、BC 據(jù)題分析可知PQ之間相距s;它與波長(zhǎng)λ的關(guān)系可能是:波向右傳播時(shí), (n=0,1,……);波向左傳播時(shí), (n=0,1,……),則波向右傳播時(shí), (n=0,1,……),當(dāng)n=0時(shí), ,故C對(duì)。波向左傳播時(shí),
(n=0,1,……),當(dāng)n=0時(shí),
,故B對(duì)。
2、D 前后波形相差 個(gè)周期,( )T=0.5,0.3<T<0.5,所以T=0.4s,波長(zhǎng)λ=4m,
3、D
4、A 波速 ,波長(zhǎng) ,周期 ,用平移法,即當(dāng) - ,波向右傳播,若 - ,即波向左傳播,P向y軸正方向運(yùn)動(dòng)。
5、A、B、C、D 由圖可知λ=4m,由于υ=1m/s,則T=4s
若波向右傳播則t=(n+3/4)T(n=0,1,2,3……)
若波向左傳播則t=(n+1/4)T(n=0,1,2,3……)
6、A、C 由圖象可直接得出該波的波長(zhǎng) ,振幅為2cm,故A、C正確。但本題中未說(shuō)明波的傳播方向,如波沿x軸正向傳播,傳播時(shí)間 ,又T=1s;
∴ (n=0,1,2,3……);波速 ,若波向x軸負(fù)向傳播,則傳播時(shí)間 ,∴T=4/(4n+3),波速 ,由以上分析可看出,波速和周期都是不定值,故BD不對(duì)。
7、C、D 由振動(dòng)圖像(a)可知振動(dòng)周期T=0.4s,經(jīng)△t= ,即經(jīng)過(guò)
n=△t/T=0.5/0.4=1.25個(gè)周期后,波動(dòng)圖像與經(jīng)過(guò)T/4后的波動(dòng)圖像相同,若波沿x正向傳播,則波形(b)向右平移1/4個(gè)波長(zhǎng)如圖D所示;若波沿x負(fù)方向傳播,則波形(b)向左平移1/4個(gè)波長(zhǎng)如圖C所示,選項(xiàng)C、D正確。
第四課時(shí)
1、B 由圖可知a處分成的兩相干波,在b處相遇時(shí)互相減弱,波程差△r應(yīng)等于半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍,B正確。
2、BD 波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫多普勒效應(yīng),A錯(cuò)誤,B正確;如果波源與觀察者相互接近,觀察者接收到的頻率增大,如果二者遠(yuǎn)離,觀察者接收到的頻率變小,C錯(cuò)誤,D正確。
3、D 由υ=2m/s. λ=0.4m得T=0.2s所以在t=0.05s時(shí),即經(jīng)過(guò) 時(shí),A、B、C、D四點(diǎn)均處于平衡位置。
4、A C到M、N的距離相等,故必為加強(qiáng)點(diǎn)。
5、C 聲波的頻率由波源決定,波速由介質(zhì)決定,波長(zhǎng)由波源和介質(zhì)共同決定。同一列聲波,頻率相同,進(jìn)入不同的介質(zhì),波速不同,由 ,則波長(zhǎng)不同,所以A選項(xiàng)錯(cuò)誤;不同波進(jìn)入同一種介質(zhì)中的波速是相同的,所以B選項(xiàng)錯(cuò)誤;一切波都可以進(jìn)行波的干涉和衍射,所以C選項(xiàng)正確,D選項(xiàng)錯(cuò)誤。
6、(1)C (2)B (3)A
(4)D (5)C (6)
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