
?3.2 波的描述
基礎(chǔ)知識梳理
一、波的圖象的畫法
1.建立坐標(biāo)系:用橫坐標(biāo)x表示在波的傳播方向上各質(zhì)點(diǎn)的 位置,縱坐標(biāo)y表示某時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的 .
2.描點(diǎn):把平衡位置位于x1,x2,x3,…的質(zhì)點(diǎn)的位移y1,y2,y3,…畫在xOy坐標(biāo)平面內(nèi),得到一系列坐標(biāo)為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),…的點(diǎn).
3.連線:用一條平滑的線把各點(diǎn)連接起來就是這時(shí)波的圖象,有時(shí)也稱 ,簡稱波形.
二、正弦波
如果波形是 曲線,這樣的波叫做正弦波,也叫 波.
三、波形圖與振動(dòng)圖象
1.波形圖表示介質(zhì)中的“各個(gè)質(zhì)點(diǎn)”在某一時(shí)刻的 .
2.振動(dòng)圖象表示介質(zhì)中“某一質(zhì)點(diǎn)”在各個(gè)時(shí)刻的 .
四、波長、周期和頻率
1.波長λ
(1)定義:在波動(dòng)中,振動(dòng) 總是相同的兩個(gè) 質(zhì)點(diǎn)間的距離.
(2)特征
①在橫波中,兩個(gè)相鄰波峰或兩個(gè)相鄰波谷之間的 等于波長.
②在縱波中,兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰 之間的距離等于波長.
2.周期T、頻率f
(1)周期(頻率):在波動(dòng)中,各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的 周期(或頻率)叫波的周期(或頻率).
(2)周期T和頻率f的關(guān)系:互為 ,即f= .
(3)波長與周期的關(guān)系:經(jīng)過一個(gè)周期T,振動(dòng)在介質(zhì)中傳播的距離等于一個(gè) .
五、波速
1.定義:機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播 .
2.決定因素:由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定,在不同的介質(zhì)中,波速是 的.
3.波長、周期、頻率和波速的關(guān)系:v== .
典型例題分析
考點(diǎn)一:波長、頻率和波速的關(guān)系
【例1】一列簡諧橫波沿x軸負(fù)方向傳播,周期為0.2s,時(shí)刻的波形圖如圖所示,下列說法正確的是( ?。?br />
A.平衡位置在處的質(zhì)點(diǎn)的振幅為5.0m
B.該波的波速為10m/s
C.該簡諧橫波的波長為2m
D.在0~0.2s內(nèi),平衡位置在處的質(zhì)點(diǎn)位移為零
【變式練習(xí)】
1.坐標(biāo)原點(diǎn)有一波源沿y軸振動(dòng),形成沿x軸正方向傳播的簡諧橫波,如圖所示。已知波速為10m/s,下列說法正確的是(???)
A.這列波的波長是4m B.這列波的振幅是20cm
C.波源振動(dòng)的頻率為25Hz D.波源振動(dòng)的頻率為10Hz
2.一列簡諧橫波在均勻介質(zhì)中沿直線傳播,P、Q是傳播方向上相距10 m的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)。波先傳到P,當(dāng)波傳到Q開始計(jì)時(shí),P、Q兩質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像如圖所示,則( ?。?br />
A.質(zhì)點(diǎn)Q開始振動(dòng)的方向沿y軸負(fù)方向
B.該波從P傳到Q的最短時(shí)間為2 s
C.該波波長的最大值為15 m
D.該波的傳播速度可能為 m/s
考點(diǎn)二:機(jī)械波相關(guān)物理量的計(jì)算
【例2】如圖所示,均勻介質(zhì)中波源S位于x軸上處,波源S振動(dòng)周期為。已知質(zhì)點(diǎn)P在波源開始振動(dòng)后開始振動(dòng),則這列波在均勻介質(zhì)中的波長為( ?。?br />
A.1m B.2m
C.5m D.10m
【變式練習(xí)】
1.如圖所示,訓(xùn)練者跨步蹲,雙手各自正握同一材質(zhì)的兩繩一端,在豎直方向上下甩動(dòng),在繩子上交替做出不同的波動(dòng),其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可視為簡諧運(yùn)動(dòng)。由于初練者雙手肌肉力量不一致,左手每秒抖動(dòng)4下,右手每秒抖動(dòng)5下,則在左、右兩繩上傳播的波( ?。?br />
A.周期之比為 B.速度之比為
C.振幅之比為 D.波長之比為
2.波源按照的規(guī)律振動(dòng),時(shí)刻在介質(zhì)中形成的波形圖如圖,由此可知該波在5s時(shí)間內(nèi)傳播的距離為( ?。?br />
A.10m B.8m
C.5m D.2m
考點(diǎn)三:振動(dòng)圖像與波形圖的結(jié)合
【例3】圖甲為某一列沿x軸正方向傳播的簡諧橫波在t=0.5s 時(shí)的波形圖,圖乙為波上某一質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像,則下列說法正確的是( ?。?br />
A.該簡諧橫波的傳播速度為2m/s
B.圖乙可能是圖甲中P質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像
C.從此時(shí)刻起,P質(zhì)點(diǎn)比Q質(zhì)點(diǎn)先回到平衡位置
D.從此時(shí)刻起,經(jīng)過4s,P質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)了1.6m 的路程
【變式練習(xí)】
1.如圖甲為一列簡諧橫波在t=2s時(shí)的波形圖,圖乙為這列波上質(zhì)點(diǎn)P的振動(dòng)圖像,則下列說法正確的是( ?。?br />
A.該橫波向右傳播,波速為0.8m/s
B.t=2s時(shí),質(zhì)點(diǎn)Q的振動(dòng)方向?yàn)閥軸負(fù)方向
C.在2~4s時(shí)間內(nèi),質(zhì)點(diǎn)P沿x軸向右平移2.0m
D.在2~4s時(shí)間內(nèi),質(zhì)點(diǎn)Q通過的路程為10cm
2.一列簡諧波沿x軸傳播,t=0.4s時(shí)刻的波形如圖甲所示,質(zhì)點(diǎn)P的振動(dòng)圖像如圖乙所示,則該波的傳播方向和波速分別是( )
A.沿x軸正方向,25m/s B.沿x軸負(fù)方向,25m/s
C.沿x軸負(fù)方向,12.5m/s D.沿x軸正方向,12.5m/s
方法探究
一、波的圖象
1.對波的圖象的理解
(1)波的圖象是某一時(shí)刻介質(zhì)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況的“定格”.可以將波的圖象比喻為某一時(shí)刻對所有質(zhì)點(diǎn)拍攝下的“集體照”.
(2)簡諧波的圖象是正(余)弦曲線,介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動(dòng).
2.由波的圖象獲得的三點(diǎn)信息
(1)可以直接看出在該時(shí)刻沿傳播方向上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位移.
(2)可以直接看出在波的傳播過程中各質(zhì)點(diǎn)的振幅A及波長.
(3)若已知該波的傳播方向,可以確定各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向;或已知某質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向,可以確定該波的傳播方向.
3.波的圖象的周期性
質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移做周期性變化,即波的圖象也做周期性變化,經(jīng)過一個(gè)周期,波的圖象復(fù)原一次.
4.波傳播方向的雙向性
如果只知道波沿x軸傳播,則有可能沿x軸正向或x軸負(fù)向傳播.
二、已知波的傳播方向判斷質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向的方法
1.質(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)法
由波的形成原理可知,后振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)總是重復(fù)先振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),已知波的傳播方向判斷質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向時(shí),可在波源一側(cè)找與該質(zhì)點(diǎn)距離較近的前一質(zhì)點(diǎn),如果前一質(zhì)點(diǎn)在該質(zhì)點(diǎn)下方,則該質(zhì)點(diǎn)將向下運(yùn)動(dòng),反之該質(zhì)點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng).
2.上下坡法
如圖所示,沿波的傳播方向,“上坡”的質(zhì)點(diǎn)向下振動(dòng),如D、E、F;“下坡”的質(zhì)點(diǎn)向上振動(dòng),如A、B、C.
3.微平移法
原理:波向前傳播,波形也向前平移.
方法:作出經(jīng)微小時(shí)間Δt后的波形,就知道了各質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過Δt時(shí)間到達(dá)的位置,此刻質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向也就知道了.
三、振動(dòng)圖象和波的圖象的比較
1.振動(dòng)圖象和波的圖象的比較
振動(dòng)圖象
波的圖象
圖象
坐
標(biāo)
橫坐標(biāo)
時(shí)間
各質(zhì)點(diǎn)的平衡位置
縱坐標(biāo)
某一質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的振動(dòng)位移
各質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻的振動(dòng)位移
研究對象
一個(gè)質(zhì)點(diǎn)
沿波傳播方向上的各質(zhì)點(diǎn)
物理意義
一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻的振動(dòng)位移
介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)在同一時(shí)刻的振動(dòng)位移
2.說明:(1)簡諧波中的所有質(zhì)點(diǎn)都做簡諧運(yùn)動(dòng),它們的振幅、周期均相同.
(2)判斷波的圖象中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向可根據(jù)帶動(dòng)法、上下坡法、微平移法;判斷振動(dòng)圖象中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向根據(jù)質(zhì)點(diǎn)下一時(shí)刻的位置.
四、波長的三種確定方法
1.根據(jù)定義確定:在波動(dòng)中,振動(dòng)相位總是相同的兩個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn)間的距離等于一個(gè)波長.
注意 兩個(gè)關(guān)鍵詞:“振動(dòng)相位總是相同”“兩個(gè)相鄰兩質(zhì)點(diǎn)”.振動(dòng)相位相同的兩質(zhì)點(diǎn),在波的圖象上振動(dòng)位移總是相同,振動(dòng)速度總是相同.
2.由波的圖象確定
(1)在波的圖象上,振動(dòng)位移總是相同的兩個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn)間的距離為一個(gè)波長.
(2)在波的圖象上,無論從什么位置開始,一個(gè)完整的正(余)弦曲線對應(yīng)的水平距離為一個(gè)波長.
3.根據(jù)公式λ=vT來確定.
五、波速與波長、周期、頻率的關(guān)系
1.在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi),振動(dòng)在介質(zhì)中傳播的距離等于一個(gè)波長.波速與波長、周期、頻率的關(guān)系為:v==λf.
2.波的周期和頻率由波源決定,與v、λ無關(guān),當(dāng)波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí),周期和頻率不發(fā)生改變.
3.波速由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定,在同一種均勻介質(zhì)中波速不變.
六、波的多解性
1.波的傳播方向的雙向性形成多解
凡是沒有指明機(jī)械波沿哪個(gè)方向傳播,就要討論兩個(gè)方向的可能性.
2.波的時(shí)間的周期性形成多解
機(jī)械波在介質(zhì)中傳播過程,t時(shí)刻與t+nT(n=1,2,…)時(shí)刻的波形完全重合,即同一波形圖可能是不同時(shí)刻形成的.
3.波的空間的周期性形成多解
將某一波形沿波的傳播方向平移波長的整數(shù)倍的距離,平移后的波形與原波形完全重合,這就是波的空間周期性.
4.質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況不明形成多解
在波動(dòng)問題中,如講到某質(zhì)點(diǎn)在某時(shí)刻處于最大位移處,就包含有處于正向最大位移處與負(fù)向最大位移處兩種可能;講到質(zhì)點(diǎn)從平衡位置開始振動(dòng),就可能是沿y軸正向或負(fù)向兩個(gè)方向振動(dòng).
課后小練
一、單選題
1.簡諧橫波某時(shí)刻的波形圖如圖所示,由圖可知( )
A.若質(zhì)點(diǎn)a向下運(yùn)動(dòng),則波是從左向右傳播的
B.若質(zhì)點(diǎn)b向上運(yùn)動(dòng),則波是從左向右傳播的
C.若波從右向左傳播,則質(zhì)點(diǎn)c向下運(yùn)動(dòng)
D.若波從右向左傳播,則質(zhì)點(diǎn)d向左運(yùn)動(dòng)
2.已知真空中的電磁波波速是3×108 m/s.在真空中波長是5 m的無線電波,它的頻率是 ( ?。?br />
A.6×107 Hz B.1.5×109 Hz
C.8×108 Hz D.1.7×108 Hz
3.一質(zhì)點(diǎn)以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心位置在y軸上做簡諧運(yùn)動(dòng),其振動(dòng)圖象如圖所示,振動(dòng)在介質(zhì)中產(chǎn)生的簡諧橫波沿x軸正方向傳播,波速為1m/s,從t=0時(shí)刻開始經(jīng)過0.2s后此質(zhì)點(diǎn)立即停止運(yùn)動(dòng),則再經(jīng)過0.3s時(shí)的波形圖是下圖中的(??)
A. B.
C. D.
4.一列簡諧橫波在t=1s時(shí)的波形圖如圖所示,a、b、c分別為介質(zhì)中的三個(gè)質(zhì)點(diǎn),其平衡位置分別為xa=0.5m、xb=2.0m、xc=3.5m。此時(shí)質(zhì)點(diǎn)b正沿y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng),且在t=1.5s時(shí)第一次運(yùn)動(dòng)到波谷。則下列說法正確的是( ?。?br />
A.該波沿x軸正方向傳播
B.該波的傳播速度大小為2m/s
C.每經(jīng)過2s,質(zhì)點(diǎn)a通過的路程都為1.6m
D.質(zhì)點(diǎn)c的振動(dòng)方程為
5.如圖所示為某一時(shí)刻某簡諧波的圖像,波的傳播方向沿x軸正方向,下列說法正確的是( ?。?br />
A.質(zhì)點(diǎn)a的振幅比b的大
B.該時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)b、e的速度相同
C.該時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)c、d的加速度為零
D.該時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)d正在向下運(yùn)動(dòng)
6.一列簡諧橫波在t=0.6s時(shí)刻的圖像如圖甲所示,此時(shí)P、Q兩質(zhì)點(diǎn)的位移均為-1cm,波上質(zhì)點(diǎn)A的振動(dòng)圖像如圖乙所示,則以下說法正確的是( )
A.這列波沿x軸負(fù)方向傳播
B.這列波的波速是50m/s
C.從t=0.6s開始,緊接著的Δt=0.9s時(shí)間內(nèi),質(zhì)點(diǎn)A通過的路程是6cm
D.從t=0.6s開始,質(zhì)點(diǎn)P比質(zhì)點(diǎn)Q早0.2s回到平衡位置
7.一列簡諧橫波沿x軸正方向傳播,周期為T。在t=0時(shí)的波形如圖所示,波上有P、Q兩點(diǎn),其縱坐標(biāo)分別為yP=2 cm,yQ=-2 cm,下列說法錯(cuò)誤的是( ?。?br />
A.P點(diǎn)的振動(dòng)形式傳到Q點(diǎn)需要
B.P、Q在振動(dòng)過程中,位移的大小總相等
C.在相等時(shí)間內(nèi),P、Q兩點(diǎn)通過的路程相等
D.經(jīng)過,Q點(diǎn)回到平衡位置
8.一列波的波源S在O點(diǎn)做豎直方向、頻率為10Hz的簡諧運(yùn)動(dòng),t0時(shí)刻,向右傳播的波形如圖所示,向左傳播的波形未畫出。下列說法正確的是( ?。?br />
A.t0時(shí)刻,x=1m處的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向向下
B.t0時(shí)刻,x=-2m處的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向向上
C.t0+0.175s時(shí)刻,x=-1m處的質(zhì)點(diǎn)處在波谷位置
D.t0-0.025s時(shí)刻,x=1m處的質(zhì)點(diǎn)處在波峰位置
二、多選題
9.北京時(shí)間2022年1月15日湯加發(fā)生了火山爆發(fā),火山爆發(fā)引起了巨大的海嘯。假設(shè)圖甲是這次火山爆發(fā)在某地引起的海嘯的一列水面波在時(shí)刻的波形圖,該水面波正在海面上傳播,其傳播方向沿x軸的正方向,圖乙是質(zhì)點(diǎn)N的振動(dòng)圖像,則下列說法正確的是( ?。?br />
A.該列波的傳播速度為10 m/s
B.水面波傳播過程中也能傳遞能量
C.質(zhì)點(diǎn)N經(jīng)過0.8 s的時(shí)間將傳播到距離原點(diǎn)10 m處
D.在時(shí),質(zhì)點(diǎn)N具有向下的最大加速度
10.如圖所示一簡諧橫波在同一均勻介質(zhì)中沿x軸正方向傳播,A、B是介質(zhì)中的兩質(zhì)點(diǎn),原點(diǎn)O是波源,以的規(guī)律做簡諧運(yùn)動(dòng)。某時(shí)刻波剛傳到A點(diǎn),波形如圖所示。已知OA的距離為0.5m,OB的距離為1.0m。下列說法正確的是( )
A.A質(zhì)點(diǎn)將沿x軸的正方向振動(dòng) B.O點(diǎn)開始振動(dòng)方向沿y軸正方向
C.這列波的周期為2.5s D.這列波的傳播速度為2.5m/s
11.一列簡諧橫波在介質(zhì)中沿x軸傳播。其中x=12 cm和x=18 cm處的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像分別如圖a、圖b所示。根據(jù)這兩條振動(dòng)圖線,可獲得關(guān)于這列簡諧橫波的確定和可能的信息是( ?。????
A.此波的振幅是8 cm B.此波的周期是12 s
C.此波的波長可能是4.8 cm D.此波的波長可能是6 cm
12.如圖所示,手持軟長繩的一端O點(diǎn),在豎直平面內(nèi)連續(xù)向上、向下抖動(dòng)軟繩(可視為簡諧運(yùn)動(dòng)),帶動(dòng)繩上的其他質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)形成沿繩水平傳播的簡諧波,P、Q為繩上的兩點(diǎn)。時(shí)O點(diǎn)由平衡位置開始振動(dòng),至t1時(shí)刻恰好完成次全振動(dòng),繩上OQ間形成如圖所示的波形(Q點(diǎn)之后未畫出),已知,則( )
A.時(shí)O點(diǎn)起振方向向上 B.波的傳播速度為
C.t1時(shí)刻Q點(diǎn)的加速度最大 D.t1時(shí)刻P點(diǎn)剛好完成一次全振動(dòng)
三、填空題
13.一列沿x軸傳播的簡諧橫波,在t=0時(shí)刻的波形如圖(甲)所示,平衡位置在處的質(zhì)點(diǎn)P的振動(dòng)圖像如圖(乙)所示。該波的波速大小為___________m/s,該時(shí)刻平衡位置在處的質(zhì)點(diǎn)Q向___________(選填“上”或“下”)方向振動(dòng)。
14.一列簡諧橫波沿軸正方向傳播,傳播的速度大小為,時(shí)刻的波形圖如圖所示。則時(shí)刻,處的質(zhì)點(diǎn)沿軸________(填“正方向”或“負(fù)方向”)振動(dòng),處的質(zhì)點(diǎn)比處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)滯后________,處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方程為________。
15.如圖,波源在的P點(diǎn),其振動(dòng)引起的簡諧橫波沿x軸正方向傳播,振幅,實(shí)線是時(shí)刻的波形曲線,此時(shí)波剛好傳播到處;虛線是時(shí)刻的波形曲線,此時(shí)波剛好傳播到處。則:①該列波的波速為___________,周期為___________;②波源的起振方向沿軸___________(填“正”或“負(fù)”)方向;③從波源起振到時(shí)刻,原點(diǎn)O處的質(zhì)點(diǎn)通過的路程為___________。
16.將一彈性繩沿x軸放置,左端位于坐標(biāo)原點(diǎn),用手握住繩的左端,當(dāng)t=0時(shí),使其開始沿y軸作簡諧振動(dòng),在t=0.75s時(shí)形成如圖所示的波形,M點(diǎn)是位于x=10cm處的質(zhì)點(diǎn),N點(diǎn)是位于x=50cm處的質(zhì)點(diǎn)。
(1)繩波的傳播速度__________。
(2)從t=0時(shí)刻開始到N點(diǎn)第一次到達(dá)波峰時(shí),M點(diǎn)經(jīng)過的路程__________。
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