2023年高考物理详解详析机械波doc高中物理.docx

机械波 （一）机械波的产生和传播 波的概念 一、机械波——机械振动在弹性介质中的传播 二、形成条件 1、 振动的物体――振源波源、波的发源地，最先振动的质点，不是自由振动，而应是受迫振动，有机械振动，不一定有机械波，有机械波必有机械振动。 2、 传播振动的媒介物――介质应具有弹性的媒质，这里的弹性与前述弹性不同，能形成波的媒质叫弹性媒质。 三、波的特点和传播 1、 把介质看成是由大量的质点构成的，规定离振源近的称为前一质点，离振源远的称为后一个质点。相邻的质点间存在着相互作用力，振动时，前一质点带动后一质点振动 2、 各个质点在平衡位置附近往复振动，不随波的传播而迁移（水中的树叶） 举例：足球人浪，体操表演 3、 质点做受迫振动，各质点开始振动时的振动方向、频率、振幅，对简谐波而言都和振源相同。 4、 各个质点启动同向不同时 S 【例】 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、 振动速度和波速的区别。在均匀媒质中波是匀速、直线前进的，波由一种媒质进入另一种媒质，f不变，而v变，而质点的振动是变加速运动，二者没有必然联系，不能混淆。 四、波的意义 1、 传播振动的能量——启动 受迫（机械波传播机械能，电磁波传播电磁能。） 2、 传播振动的形式——振幅 周期 频率（振源如何振动，质点就如何振动） 3、传播信息 （声波、光波、电磁波） 五、波的分类 1横波――质点的振动方向与波的传播方向垂直（水波、绳波……） 2、纵波——质点的振动方向与波的传播方向共线 （声波） 练习：都在水平面的振动也可以形成横波 地震波有横波也有纵波 （二）机 械 波 的 图 象 一、波的图象 用x表示波的传播方向的各个质点的平衡位置，用y表示某一时刻各个质点偏离平衡位置的位移，并规定在横波中位移的方向向上为正。 取得方法：1、描点法――找到某一时刻介质的各个质点偏离平衡位置的位移 2、拍照 二、波的意义 横轴：介质各个质点的平衡位置 纵轴：某一时刻介质的各个质点偏离平衡位置的位移 三、比照振动图象和波的图象 x（m） y（m） 1 2 3 4 t（s） 1 2 3 4 x（m） 振动图象和波动图象的联系与区别 联系：波动是振动在介质中的传播，两者都是按正弦或余弦规律变化的曲线；振动图象和波的图象中的纵坐标均表示质点的振动位移，它们中的最大值均表示质点的振幅。 区别：①振动图象描述的是某一质点在不同时刻的振动情况，图象上任意两点表示同一质点在不同时刻偏离平衡位置的位移；波的图象描述的是波在传播方向上无数质点在某一时刻的振动情况，图象上任意两点表示不同的两个质点在同一时刻偏离平衡位置的位移。 ②振动图象中的横坐标表示时间，箭头方向表示时间向后推移；波的图象中的横坐标表示离开振源的质点的位置，箭头的方向可以表示振动在介质中的传播方向，即波的传播方向，也可以表示波的传播方向的反方向。 ③振动图象随时间的延续将向着横坐标箭头方向延伸，原图象形状不变；波的图象随着时间的延续，原图象的形状将沿横坐标方向整个儿地平移，而不是原图象的延伸。 在不同时刻波的图象是不同的；对于不同的质点振动图象是不同的。 y x 0 y x 0 四、振动方向和波的传播方向的联系 前一质点带动后一质点运动 1、 由传波方向确定振动方向 2、由振动方向确定传播方向 3、画出一定时间的机械波的图象 （三） 描绘机械波的物理量 一、周期和频率 在波动中，各个质点的振动周期是相同的，它们都等于波源的振动周期，这个周期也叫做波的周期。同样，各个质点的振动频率也是波的频率。 二、波长（λ）和波的推进 在波动中，相对于平衡位置的位移总相等的两个相邻质点间的距离，叫做波长 1、在横波中，两个相邻的波峰或波谷间的距离等于波长，在纵波中两个相邻的密部或疏部间的距离等于波长。 2、波动在一个周期中向前推进一个波长 3、在一个周期内波峰或波谷向前推进一个波长 4、波的传播方向就是波峰或波谷的推进方向 三、波速——1、波的传播速度（公式） 2、波峰或波谷的推进速度 3、与波源无关，所以波从一种媒质进入另一种媒质时f不变、v变化，波速也是波的能量传播速度。 注意：1、频率或周期取决于振源（受迫振动） 2、 速取决于介质，波由一种介质进入到另外一种介质时，波速改变，但是频率不变。类比：频率相同，“步长〞不同 四 波的多解问题 时间的周期性 距离的周期性 方向的双向性 例1：如图为t=0时刻波形，波向左传。在t1=0.7s时P点第二次出现波峰，那么 ①质点A和B的位移在t=0时刻相等 ②在t=0时刻C向上运动 ③在t2=0.9s末Q点第一次出现波峰 ④在t3=1.26s末Q点第二次出现波峰 例2：以正弦波沿x轴负方向传播，某时刻波形如图。v=10m/s，试画出t1=1.3s;t2=1.5s的波形图 例3：一列横波在x轴上传播，在t1=0和t2=0.005s时的波形图如图，求： ①设T＞(t2-t1)，如果波向左传播波速是多大？如果波向右传播波速是多大？ ②设T＜(t2-t1)，且v=6000m/s求波的传播方向。 ③假设无条件限制，波速是多大？ 例4：A和B为一列横波上相距6m的两个质点，如图分别为其的振动图像，如果波长大于14m，那么这列波的波速为多少？ 例5：一列横波沿直线A、B传播，AB两点间距离为3m,某一时刻AB两点相对平衡位置的位移均为零，且AB之间只有一个波峰，求波长λ （四 ） 波的特性 Ⅰ波的衍射 实验一：机械波遇到小孔 结论：当小孔的尺寸小于波长或与波长相差不多时，衍射明显 实验二：机械波遇到障碍物 结论：当障碍物的尺寸小于波长或与波长相差不多时衍射明显 练习 S A 1、 闻其声不见其人——衍射 2、 空山不见人，但闻人语响——衍射 3、 余音绕梁，三日不绝——反射 4、 雷声轰鸣不断——反射 5、 让A点动起来的方法有多少？ Ⅱ波的干预 一 波的叠加原理 1、 相遇时，位移和速度都是矢量和 2、 相遇后，保持原状，继续传播 3、 峰峰叠加加强，谷谷叠加加强，峰谷叠加减弱 二 波的干预 1、波的传播就是波峰或波谷的推进 2、干预条件：振动相同的两列波（相干波源）叠加 3、干预图样的特点（定性分析） ① 形成加强区和减弱区 ② 加强区和减弱区相互间隔 ③ 强总强，弱总弱 ④ 加强区振幅增加，但是位移有时可以为零 4、 定量分析加强区和减弱区的计算 步调一致 步调相反 5．干预和衍射现象是波的特有的现象，一切波（包括电磁波）都能发生干预知衍射，反之，能发生干预和衍射的一定是波。 6．声波：①空气中的声波是纵波②人耳能感觉的声波的频率范围是20Hz～20220Hz，波长范围是17mm～17m。③人耳能区分回声和原声的最小时间是0.1s④声波有干预、衍射、反射现象，声音的共振叫共鸣 例1：如下列图，a、b两质点是两列相向传播的简谐横波的振源，它们的间距为6m，假设a、b振动频率均为5Hz，位移大小和方向始终相同，两列波的波速均为10m/s，那么（答案：A.B.D） A.ab连线中点是振幅最大点 B.ab连线上离a为1.5m处无振动 C.ab连线上振动最弱的位置共三处 D. ab连线上振动最强的位置共五处 例2：如图，湖面上有一个半径为45m的圆周，AB是它的直径，在圆心O和圆周上的A点分别装有同样的振动源，其波在湖面上传播的波长是10m。假设一只小船在B处恰好感觉不到振动，它沿圆周慢慢向A划行，在到达A之前的过程中还有几次感觉不到振动？(答案：8次) 【例2】 如下列图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，以下说法中正确是BCD 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 补充：波的反射和折射，遵循两个定律 （五） 多 普 勒 效 应 S A 一 波源发出的频率f——波源单位时间内发出波的个数 观察者接收到的频率f ′——观察者单位时间内接收到的波的个数 二 相对运动时对频率的影响 1、 波源和观察者都不动f ′= f B A S 波长不变 波速不变 2、 波源不动 ⑴观察者接近波源f ′＞f ⑵观察者远离波源f ′＜f 3、观察者不动 波长改变 波速不变 波源远离观察者f ′＜f 波源靠近观察者f ′＞f 三 结论 当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。 四 应用 ①有经验的铁路工人可以从火车的汽笛声判断火车的运动方向和快慢. ②有经验的战士可以从炮弹飞行时的尖叫声判断飞行的炮弹是接近还是远去. ③交通警察向行进中的汽车发射一个频率的电磁波，波被运动的汽车反射回来时，接收到的频率发生变化，由此可指示汽车的速度. ④由地球上接收到遥远天体发出的光波的频率可以判断遥远天体相对于地球的运动速度. 五 多普勒效应是波动过程共有的特征. 例：一列火车鸣笛通过某测速站，当火车驶来时，测速仪接受到汽笛的频率为f1=440Hz；当火车离去时，测得汽笛声频率f2=390Hz，假设空气中的声速为v=340m/s，试求列车的速度是多少？ 解析：设列车速度为v’ 六、次声波和超声波 人耳能听到的声音的频率范围为20Hz～20220Hz v1、次声波：频率低于20HZ的声波。v2、超声波：频率高于20220HZ的声波 w.w.w.k.s.5.u.c.o.m ks5u