高中物理选择性必修一 第1节 波的形成.docx

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高中物理选择性必修一第1节波的形成

第1节　波的形成

核心素养

物理观念

科学思维

1.认识波是振动的传播。

2.知道波在传播过程中同时传播能量和信息。

3.能区分横波和纵波，知道什么是波峰和波谷、密部与疏部。

4.知道机械波的定义及形成机械波的条件。

1.能区别机械振动和机械波。

2.会判断质点的振动方向。

知识点一　波的形成

[观图助学]

1.波：

振动的传播称为波动，简称波。

2.波的形成和传播

当手握绳端上下振动时，绳端带动相邻的质点，使它也上下振动。

这个质点又带动更远一些的质点……绳子上的质点都跟着振动起来，只是后面的质点总比前面的质点迟一些开始振动，绳端这种上下振动的状态就沿绳子传出去了。

[思考判断]

（1）在绳波的形成和传播中，所有质点同时运动，同时停止运动。

（×）

（2）在绳波的形成和传播中，所有质点的运动是近似的匀速直线运动。

（×）

（3）波的形成过程中，前面的质点带动后面的质点振动，后面的质点重复前面质点的振动。

（√）

波的形成过程：

（1）将绳子各部分看成是相互之间存在弹力的质点。

（2）沿波传播方向，前一质点依次带动后一质点，后一质点延迟振动。

（3）把质点的振动状态向前传播，从总体上看形成凸凹相间的波。

知识点二　横波和纵波

1.质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波，叫作横波。

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.质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波，叫作纵波。

在纵波中，质点分布最密的位置叫作密部，质点分布最疏的位置叫作疏部。

3.横波和纵波是按照质点振动方向和波传播方向的关系来区别的。

4.发声体振动时在空气中产生的声波是纵波。

声波不仅能在空气中传播，也能在液体、固体中传播。

实物波形

知识点三　机械波

1.形成：

机械振动在介质中传播，形成了机械波。

2.产生条件：

①波源；②传播振动的介质。

3.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，它传播的只有振动这种运动形式。

②介质中本来静止的质点，随着波的传来而发生振动，这表示它获得了能量，可见波是传递能量的一种方式。

③我们能用语言进行交流，说明波可以传播信息。

[思考判断]

（1）形成机械波一定要有振源和介质。

（√）

（2）振源做简谐运动形成的波中，各质点的运动情况完全相同。

（×）

（3）横波向右传播时，处于波峰的质点也向右迁移。

（×）

（4）机械波向右传播时，右方的质点比左方的质点早一些振动。

（×）

（5）机械波的传播过程也就是能量的传递过程。

（√）

核心要点

　波的形成和传播

[观察探究]

如图

用手握住绳子的一端上下抖动，就会看到凸凹相间的波向绳的另一端传播出去，形成绳波。

请结合图示思考下列问题。

（1）绳上的质点，哪些位置先振动，哪些位置后振动？

（2）质点间的振动是如何发生的？

（3）从振源开始，各个质点做什么振动？

（4）绳波在传播时，绳子上的各点是否随波发生迁移？

（5）手停止振动，波会不会立即停止传播？

提示　

（1）前面的质点先振动，后面的质点后振动。

（2）绳发生弹性形变产生弹力，前面的质点带动后面的质点振动。

（3）若振源开始做简谐运动，则各质点均做简谐运动。

（4）没有，绳上各点只在竖直方向上振动。

（5）不会，手停止振动后，已形成的波仍向右传播。

[探究归纳]

1.机械波的产生

（1）动力学观点：

介质质点间存在相互作用力，介质中前面的质点带动后面的质点振动，将波源的振动形式向外传播。

（2）能量观点：

介质中前后质点间存在相互作用力，因而相互做功，从而将波源能量向外传播。

机械波的产生过程如图所示：

2.波的传播

波的传播有以下特点

（1）振动由振源逐步向远处传播；

（2）各质点相继发生振动，后一质点将重复前一质点的振动；

（3）各质点的起振方向均相同；

（4）各质点只在平衡位置附近做机械振动，而不随波迁移。

[试题案例]

[例1]（多选）如图所示为沿水平方向的介质中的部分质点，每相邻质点间距离相等，其中0处为波源，设波源的振动周期为T，从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中正确的是（　　）

A.介质中所有点的起振方向都是竖直向下的，但图中9点起振最晚

B.图中所画的质点起振时间都是相同的，起振的位置和起振方向是不相同的

C.图中质点8的振动完全重复质点7的振动，只是质点8振动时，通过平衡位置或最大位移的时间比质点7通过相同位置时落后

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，如果质点1发生的是第100次振动，则质点9发生的就是第98次振动

思路引导　解答此题要注意：

（1）波在传播过程中前一质点带动后一质点

（2）各质点的起振方向都与波源相同

（3）各质点的振动频率都与波源的频率相同

解析　根据波的产生和传播过程可知，传播过程中各质点的振动都是重复波源的振动，所以所有质点的起振方向都相同，为竖直向下，但从时间上来说，起振依次落后

的时间，所以A、C正确，B错误；由于质点9比质点1晚起振两个周期，所以当所有质点都起振后，质点1与9步调完全一致，只是质点9在振动总时间上永远晚2T，所以D正确。

答案　ACD

方法凝炼

波动过程中介质中各质点的振动规律

[针对训练1]如图所示是某绳波形成过程的示意图，1、2、3、4……为绳上的一系列等间距的质点，绳处于水平方向。

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。

t＝0时质点1开始竖直向上运动，经过四分之一周期，质点5开始运动。

下列判断正确的是（　　）

A.质点6开始振动时的运动方向向下

B.t＝

时质点6的速度方向向下

C.t＝

时质点10的运动方向向上

D.t＝T时质点16开始运动

解析　介质中各质点开始振动时的振动方向和振源开始振动时的振动方向相同，A错误；经过t＝

质点1回到平衡位置，质点9开始向上振动，质点5振动到正的最大位移处，根据带动法可知，质点6在平衡位置上方，向上振动，即速度的方向向上，B错误；t＝

时质点1振动到负的最大位移处，质点9振动到正的最大位移处，质点13开始振动，5～13之间的质点在平衡位置上方，9～13之间的质点振动方向都向上，C正确；t＝T时质点17开始运动，D错误。

答案　C

核心要点

　横波和纵波

[观察探究]

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）图乙是声波，其中质点的振动方向与波的传播方向是什么关系？

答案　

（1）相互垂直。

（2）在同一条直线上。

[探究归纳]

1.横波与纵波的区别

　　名称

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条直线上

介质

不能在气体介质中传播

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.横波和纵波的特点

（1）横波的质点振动方向和波的传播方向相互垂直。

（2）纵波的质点振动方向和波的传播方向在同一直线上。

（3）横波有波峰和波谷，纵波有疏部和密部。

3.几种常见的机械波

（1）绳波是横波。

（2）声波是纵波。

（3）水波是比较复杂的机械波，不能简单地认为是横波，但有时将水波理想化为横波。

（4）地震波中既有横波，又有纵波。

[试题案例]

[例2]（多选）下列关于横波与纵波的说法中，正确的是（　　）

A.声波一定是纵波

B.水波一定是横波

C.地震波既有横波，也有纵波

D.横波只能在固体中传播，纵波既可以在固体中传播，也可以在液体、气体中传播

解析　声波可以在空气中传播，也可以在液体和固体中传播，空气中的声波一定是纵波，而液体、固体中的声波既可能是纵波，也可能是横波，故A项错误；水波是比较复杂的机械波，既有横波，也有纵波，故B项错误；地震波既有横波，也有纵波，故发生地震时，地面既有上下振动，也有左右振动，C项正确；由横波与纵波的区别知D项正确。

答案　CD

方法凝炼

对横波和纵波的掌握除基本知识（如横波和纵波的形成机理、特点、分类依据）外，还要了解一些波的常识，如声波在空气中是纵波，而在液体、固体中的声波既可能是纵波，也可能是横波，地震波中既有横波，又有纵波，且二者传播速度不同，地壳中纵波的传播速度大于横波的传播速度；水波既不是横波，也不是纵波，它是一种大家最为常见、熟悉、貌似横波的波。

[针对训练2]某次地震

波中的横波和纵波传播速率分别约为4km/s和9km/s。

一种简易地震仪由竖直弹簧振子P和水平弹簧振子H组成，如图所示，在一次地震中，震源在地震仪下方，观察到两振子相差5s开始振动，则（　　）

A.P先开始振动，震源距地震仪约36km

B.P先开始振动，震源距地震仪约25km

C.H先开始振动，震源距地震仪约36km

D.H先开始振动，震源距地震仪约25km

解析　由于纵波传播速度大，纵波先传到地面，由于震源在地震仪下方故P先振动。

设震源距地面距离为h。

则

－

＝Δt

－

＝5s，解得h＝36km，A正确。

答案　A

核心要点

　机械波

[探究归纳]

机械波的特点

（1）机械波传播的是振动形式、能量和信息，介质中各质点本身并不随波的传播而迁移，而是在各自的平衡位置附近振动。

（2）由于波的形成实际上是从波源开始依次带动介质中的各个质点参与振动，所以各个质点都在做受迫振动，因此各个质点振动的周期（频率）与波源的周期（频率）相同。

（3）在不考虑能量损失时，各质点振动的振幅相同，各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同。

[试题案例]

[例3]（多选）关于机械波的说法正确的是（　　）

A.各质点都在各自的平衡位置附近振动

B.相邻质点间必有相互作用力

C.前一质点的振动带动相邻的后一质点振动，后一质点的振动必定滞后于前一质点

D.各质点随波的传播而迁移

解析　波源的振动使其周围质点依次振动，之所以能依次振动下去，就是依靠了相邻质点间的相互作用力；沿波的传播方向，后一质点的振动必滞后于前一质点的振动；质点只在平衡位置附近振动，并不随波迁移。

答案　ABC

[针对训练3]（多选）关于机械波的形成，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.参与振动的质点都有相同的频率

D.机械波是介质随波迁移，也是振动能量的传递

解析　机械波的形成必须具备的两个条件：

振源和介质，若物体做机械振动，而其周围没有传播这种振动的介质，远处介质的质点不可能振动起来形成机械波，故选项A错误；任何一个振动的质点都是一个波源，带动它周围的质点振动，将振动传播开来，所以后一质点总是落后于前一质点，但振动频率相同，故选项B、C正确；形成机械波的各振动质点只在平衡位置附近往复运动，并没有随波迁移，离波源远的质点振动的能量是通过各质点的传递从波源获得的，故选项D错误。

答案　BC

1.（波的形成）关于机械波的形成，下列说法中正确的是（　　）

A.当波源开始起振时，介质中的所有质点都与波源同时开始振动

B.离波源越远的质点振动频率越小

C.若波源做简谐运动，所带动的各质点也做简谐运动

D.若波源停止振动，介质中各质点也立即停止振动

解析　任何一个振动的质点都是一个波源，带动它周围的质点振动，将振动传播开来，所以后一质点的振动总是落后于前一质点，但振动形式和振动频率均相同，若波源停止振动，已形成的波不会立即消失，仍沿原方向继续传播，综上所述，选项A、B、D错误，C正确。

答案　C

2.（波的分类）如图所示，有一组学生做游戏来模拟波的传播。

该游戏模拟的是________（选填“横波”或“纵波”）的传播，因为学生下蹲与起立时身体的运动方向与模拟波的传播方向________（选填“平行”或“垂直”）。

解析　根据纵波与横波的概念，质点振动方向与波传播方向垂直的为横波，同一直线的为纵波。

答案　横波　垂直

3.（机械波）沿绳传播的一列机械波，当波源突然停止振动时，有（　　）

A.绳上各质点同时停止振动，横波立即消失

B.绳上各质点同时停止振动，纵波立即消失

C.离波源较近的质点先停止振动，较远的质点稍后停止振动

D.离波源较远的质点先停止振动，较近的质点稍后停止振动

解析　机械波向前传播时，各个质点都在振动，一旦波源停止振动，离波源较近的质点先停止振动，离波源较远的质点后停止振动。

答案　C

4.（振动和波动）

一列波在介质中向某一方向传播，图为此波在某一时刻的波形图，并且此时振动还只发生在M、N之间，已知此波的周期为T，Q质点速度方向在波形图中是向下的，下面说法中正确的是（　　）

A.波源是M，由波源起振开始计时，P质点已经振动时间T

B.波源是N，由波源起振开始计时，P质点已经振动时间

C.波源是N，由波源起振开始计时，P质点已经振动时间

D.波源是M，由波源起振开始计时，P质点已经振动时间

解析　由于此时Q质点向下振动，且Q质点右方邻近质点在Q点下方，则波向左传播，N是波源。

振动从N点传播到M点，经过一个周期；从波源N起振开始计时，需经

T，P质点才开始起振，故P质点已振动了

，选项C正确。

答案　C

基础过关

1.在敲响古刹里的大钟时，有的同学发现，停止对大钟的撞击后，大钟仍“余音未绝”，分析其原因是（　　）

A.大钟的回声

B.大钟在继续振动

C.人的听觉发生“暂留”的缘故

D.大钟虽停止振动，但空气仍在振动

解析　停止对大钟的撞击后，大钟的振动不会立即停止，振动的能量不会凭空消失，它会再振动一段时间然后因为阻尼而停止，因此还会在空气中形成声波，这就是余音未绝的原因，所以选项B正确。

答案　B

2.下列关于波的应用中正确的是（　　）

A.要使放在河中的纸船逐渐靠近河岸，可向比纸船更远处投掷石子形成水波

B.两个在水中潜泳并且靠得较近的运动员能听到对方发出的声音是声波在液体中传播的应用

C.光缆利用机械波传递信息

D.宇航员在宇宙飞船里，击打船壁只能引起机械振动，不能形成声波

解析　机械波在介质中传播的过程中，质点只是在各自的平衡位置附近振动，介质本身并不迁移，故A错误；由于声波不仅能在气体中传播，也能在液体及固体中传播，因此靠得较近的运动员也能听到对方的声音，故B正确；光缆是利用光波传递信息的，故C错误；宇航员在宇宙飞船里，击打船壁能引起机械振动，同时也能形成声波，故D错误。

答案　B

3.在日本近海某次地震引发的海啸，造成了重大的人员伤亡。

海啸实际上是一种波浪运动，也可称为地震海浪。

下列说法中正确的是（　　）

A.波源停止振动时，海啸和地震波的传播立即停止

B.地震波和海啸都是由机械振动引起的机械波

C.地震波和海啸都只有纵波

D.地震波和海啸具有能量，随着传播将愈来愈强

解析　地震波和海啸都是由机械振动引起的机械波，当波源停止振动时，海啸和地震波的传播都不会立即停止，选项A错误，选项B正确；地震波既有横波，也有纵波，选项C错误；地震波和海啸具有能量，随着传播将越来越弱，选项D错误。

答案　B

4.关于横波和纵波，下列说法正确的是（　　）

A.振源上下振动形成的波是横波

B.振源水平振动形成的波是纵波

C.波沿水平方向传播，质点上下振动，这类波是横波

D.质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，这类波是纵波

解析　根据横波和纵波的概念，质点振动方向与波的传播方向垂直者为横波，沿同一直线者为纵波，并不是上下振动与水平振动的问题，所以选项A、B错误；质点沿水平方向振动，波沿水平方向传播，并不能说明是沿同一直线，故选项D错误，C正确。

答案　C

5.

如图所示为波沿着一条右端固定的绳子传播到B点的波形图，由图可判断出A点开始振动的方向（　　）

A.向左　　B.向右

C.向上　　D.向下

解析　由题图可知波向右传播，传播到B点，B点刚开始振动且振动方向向下，其重复波源A的运动，所以A点开始振动的方向向下，选项D正确。

答案　D

6.（多选）

一列横波沿绳子向右传播，某时刻绳子形成如图所示的波形，对此绳上a、b、c、d、e、f六个质点，下列说法正确的是（　　）

A.它们的振幅相同

B.其中d和f的速度方向相同

C.其中a和c的速度方向相同

D.从此时算起，b比c先回到平衡位置

答案　AD

7.

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点的振动图像是（　　）

解析　根据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，显然，只有选项B正确。

答案　B

8.（多选）

一列横波沿水平方向传播，某一时刻的波形如图所示，则图中a、b、c、d四点在此时刻具有相同运动方向的是（　　）

A.a和cB.a和d

C.b和cD.b和d

解析　若波向右传播，则a、d向上振动，c、b向下振动；若波向左传播，则a、d向下振动，c、b向上振动。

答案　BC

9.（多选）关于机械振动和机械波，下列说法正确的是（　　）

A.有机械波一定存在机械振动，有机械振动就一定能够产生机械波

B.机械振动在介质中传播形成机械波

C.参与振动的质点的振动频率是由波源决定的，与介质的性质无关

D.波源振动得越快，波在介质中的传播速度就越大

解析　机械振动在介质中传播形成机械波，则有机械波一定存在机械振动，有机械振动不一定能够产生机械波，还需要传播振动的介质，故A错误，B正确；质点的振动频率等于波源的振动频率，所以参与振动的质点的振动频率是由波源决定的，与介质的性质无关，故C正确；波在介质中传播的速度由介质的性质决定，与波源的振动快慢无关，故D错误。

答案　BC

10.（多选）关于机械波的以下说法中，正确的是（　　）

A.波动发生需要两个条件：

波源和介质

B.波动过程是介质质点由近及远移动的过程

C.波动过程是能量由近及远传递的过程

D.波源与介质质点的振动都是自由振动

解析　波源（即振源）振动时，依靠介质中的相互作用力带动周围各部分质点振动起来，形成机械波。

作为介质的各质点只在平衡位置附近振动，并不随波向外迁移，仅把振源的振动和能量传播开来。

波源和介质质点之间的相互作用力带动相邻的质点振动，是受迫振动。

故介质质点不是自由振动。

选项A、C正确，B、D错误。

答案　AC

能力提升

11.（多选）

如图所示为一列简谐波在某时刻的波形图，a、b、c、d为介质中的四个质点，a在波峰，d在波谷，c在平衡位置，b的位移大小等于振幅的一半，四个质点的加速度大小分别为aa、ab、ac、ad，它们的速度大小分别为va、vb、vc、vd，则（　　）

A.acab>aa＝ad

C.va＝vd>vb>vcD.va＝vd

解析　由简谐运动的特点可知，位移越大，加速度越大，速度越小，故质点a与质点d加速度最大，质点c加速度最小，而质点c速度最大，质点a和质点d速度最小，A、D正确，B、C错误。

答案　AD

12.（多选）如图所示

为一列机械波在某一时刻的形状，此时刻质点F的振动方向如图所示。

则（　　）

A.该波向左传播

B.质点C比质点B先回到平衡位置

C.质点E此时刻向下振动

D.质点C此时刻的加速度为零

解析　由波形图和质点F的振动方向，根据带动法可知波源在右侧，故该波向左传播，选项A正确；由于该波向左传播，根据带动法可知质点E此时刻向下振动，选项C正确；此时质点B向上振动，质点C在最大位移处也将向下振动，故质点C比质点B先回到平衡位置，选项B正确；因质点C在最大位移处，其加速度最大，选项D错误。

答案　ABC

13.（多选）一列简谐横波沿x轴传播，周期为T，t＝0时刻的波形如图所示。

此时平衡位置位于x＝3m处的质点正在向上运动，若a、b两质点平衡位置的坐标分别为xa＝2.5m，xb＝5.5m，则以下说法中正确的是（　　）

A.波沿x轴负方向传播

B.当a质点处在波峰时，b质点在向上运动

C.t＝

时，a质点正在向y轴负方向运动

D.t＝

时，b质点正在向y轴负方向运动

解析　由t＝0时刻x＝3m处的质点向上振动，可得该波向左传播，即波沿x轴负方向传播，故A正确；当a质点处在波峰时，b质点在平衡位置向上运动，故B正确；t＝0时刻质点a向上振动，分析可知，t＝

时，a质点仍向y轴正方向运动，选项C错误；t＝0时刻质点b向下振动，分析可知，t＝

时，b质点仍向y轴负方向运动，选项D正确。

答案　ABD

14.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，1到达最上方，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＝

时，质点8、12、16的运动状态如何？

解析　各质点在各时刻的情况，如图甲、乙所示。

（1）由甲图可知，t＝

时，质点8末达到波峰，正在向上振动，质点12、16末振动。

（2）由乙图可知，t＝

时，质点8正在向下振动，质点12向上振动，质点16末振动。

答案　见解析