魯科版 (2019)選擇性必修 第一冊(cè)第1節(jié) 波的形成和描述背景圖課件ppt

這是一份魯科版 (2019)選擇性必修 第一冊(cè)第1節(jié) 波的形成和描述背景圖課件ppt，共60頁。PPT課件主要包含了波的形成與傳播，于是在繩上形成波，波的分類，稱為縱波，波的描述等內(nèi)容，歡迎下載使用。
隨著一滴滴晶瑩剔透的水珠落向平靜的水面水面上出現(xiàn)了一圈圈的波紋，逐漸向遠(yuǎn)處擴(kuò)散開來。
波是怎樣形成與傳播的?
波是怎樣形成的?讓我們先觀察下面的實(shí)驗(yàn)
波的形成如圖3-2所示，把軟繩的一端系在墻上，用手抓住繩子的另一端上下振動(dòng)，可看見沿繩傳播的波。
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)繩的一端在手的作用下振動(dòng)時(shí)，繩上的各點(diǎn)都會(huì)受到影響并隨之振動(dòng)起來
水面上某點(diǎn)的連續(xù)振動(dòng)沿水面?zhèn)鞑?，就形成了水?br/>聲帶振動(dòng)在空氣中傳播形成聲波
地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)在地殼中傳播形成地震波
機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中是怎樣傳播的?我們以繩波為例來說明。設(shè)想把繩分成許多小的部分，每一小部分可視為質(zhì)點(diǎn)，相鄰兩質(zhì)點(diǎn)間有相互作用:
如圖3-3所示，質(zhì)點(diǎn)1在外力作用下振動(dòng)后，會(huì)帶動(dòng)質(zhì)點(diǎn)2振動(dòng)，只是質(zhì)點(diǎn) 2的振動(dòng)要比質(zhì)點(diǎn)1滯后一些。
這樣，前一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)總是帶動(dòng)后一個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，依次帶動(dòng)下去，振動(dòng)也就由發(fā)生區(qū)域向遠(yuǎn)處傳播。
各質(zhì)點(diǎn)依次振動(dòng)，在同一時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)的空間位置不同，因此從整條繩看就形成了凸凹相間的波形，波形隨時(shí)間沿傳播方向傳播出去，從而形成了波。
在前面的實(shí)驗(yàn)探究中，若在繩上系一根紅絲帶，紅絲帶只上下振動(dòng)，并不隨波前進(jìn)。由此可見，機(jī)械波向外傳遞的是機(jī)械振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)形式，介質(zhì)中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)僅在平衡位置附近振動(dòng)，并不隨波向前移動(dòng)。
這有些像球場看臺(tái)上的精彩人浪，人浪不斷移動(dòng)，但每個(gè)觀眾只需擇時(shí)站立舉手即可。舞臺(tái)表演的波動(dòng)，每個(gè)舞者也只需做上下動(dòng)作即可。
介質(zhì)中本來靜止的質(zhì)點(diǎn)，隨著波的傳播而發(fā)生振動(dòng)，表明這些振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)獲得了能量這個(gè)能量是從波源通過前面的質(zhì)點(diǎn)依次傳來的。
所以，波在傳遞振動(dòng)的同時(shí)，也將波源的能量傳遞出去。若持續(xù)給波源提供能量，就能持續(xù)以波的形式把波源的能量傳遞出去。因此，波也是傳遞能量的一種方式。
根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向之間的關(guān)系，可把機(jī)械波分為橫波和縱波兩類。當(dāng)波在繩上沿水平方向傳播時(shí)，繩上各質(zhì)點(diǎn)做上下振動(dòng)，二者的方向相互垂直。
物理學(xué)中，把質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波稱為橫波。
橫波凸起的最高處稱為波峰，凹下的最低處稱為波谷
如果我們?cè)陂L彈簧的一端沿著其軸線方向來回推拉就會(huì)在彈簧中看到波動(dòng)現(xiàn)象，這個(gè)波動(dòng)情景與繩波的波動(dòng)不同。
彈簧會(huì)形成密集的部分和稀疏的部分，彈簧分布最密的地方稱為密部，分布最疏的地方稱為疏部，
密部和疏部相間地從一端傳到另一端形成波，彈簧內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)在波的傳播方向上來回振動(dòng)物理學(xué)中，
質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向在同一直線上的波
在空氣中傳播的聲波就是縱波。在空氣中，發(fā)聲物體的振動(dòng)會(huì)使它周圍的空氣發(fā)生疏密變化，
這種疏密相間的狀態(tài)向外傳播便形成了聲波(圖3-7)。
會(huì)跳舞的火焰如圖 3-8所示，將一支燃燒的蠟燭放在音響喇叭的紙盆前，讓音響播放音樂，開大音量，蠟燭的火焰會(huì)隨著音樂來回?cái)[動(dòng)，就像在跳舞一樣。
請(qǐng)思考蠟燭火焰的擺動(dòng)與縱波有什么聯(lián)系。聲波能傳遞能量,可以使蠟燭的火焰擺動(dòng)。
有的波，既包含橫波，又包含縱波，如地震波。在震中附近，橫波引起地面水平晃動(dòng)縱波引起地面上下顛簸。
橫波傳播速度略慢，但比較強(qiáng)，能造成巨大的搖晃，給地表建筑帶來嚴(yán)重破壞
因?yàn)榭v波在地球內(nèi)部的傳播速度大于橫波，所以地震時(shí)，人們般先感覺到上下顛簸，然后才感覺到有很強(qiáng)的水平晃動(dòng)。橫波是地震造成破壞的主要原因
縱波傳播速度快，但比較弱，使人有上下顛簸的感覺
波在介質(zhì)中傳播時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)都在平衡位置附近振動(dòng)，而整個(gè)波形不斷地向前傳播。如何描述一列波的運(yùn)動(dòng)情況呢?
(1)波的圖像若在繩波傳播的某個(gè)時(shí)刻拍下照片得到該時(shí)刻的波形
這個(gè)波形是由同一時(shí)刻具有不同位移的繩上各質(zhì)點(diǎn)組成的。用橫坐標(biāo)x表示沿波傳播方向上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的平衡位置，用縱坐標(biāo)，表示各個(gè)質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的位移，規(guī)定位移方向向上為正值。
在坐標(biāo)平面內(nèi)，以某一時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的x、y值描出各對(duì)應(yīng)點(diǎn)，再把這些點(diǎn)用平滑曲線連接起來，就得到該時(shí)刻波的圖像，也稱波形曲線或波形。
對(duì)于橫波，波的圖像與波的形狀相似。波的圖像反映了介質(zhì)中的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)在某一時(shí)刻的位移情況。通過某一時(shí)刻波的圖像，可直接得到各個(gè)質(zhì)點(diǎn)在該時(shí)刻的位移。
波源做簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，在各個(gè)時(shí)刻波的圖像是一條正弦(或余弦)曲線，這種波稱為簡諧波。它是一種最基本、最簡單的波，其他復(fù)雜的波可視為由若干個(gè)簡諧波合成。
簡諧運(yùn)動(dòng)的圖像是一條正弦(或余弦)曲線;橫波中的各質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動(dòng)時(shí)，其圖像也是一條正弦(或余弦)曲線。
如圖3-10所示的兩圖像中，一個(gè)是振動(dòng)圖像，另一個(gè)是波的圖像，你能將它們區(qū)分開來嗎?它們的物理意義分別是什么?請(qǐng)說出理由，并與同學(xué)討論交流。
在研究波動(dòng)時(shí)，我們常關(guān)注的是波的傳播快慢、相鄰波峰或相鄰波谷的距離以及波傳播這段距離所需的時(shí)間。因此，我們需要引入一些新的物理量來描述這些特征。
在觀察一列橫波沿繩傳播時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)都在自己的平衡位置附近做周期性的振動(dòng)，如圖3-3所示。
各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)周期相同，都等于波源的振動(dòng)周期，這個(gè)周期就是波的周期，用T表示。介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率就是波的頻率，用表示。波的周期和頻率互為倒數(shù)，即
進(jìn)一步觀察可知，圖3-3中的質(zhì)點(diǎn)1和質(zhì)點(diǎn) 13之間正好出現(xiàn)一個(gè)完整的波形。隨著振動(dòng)的繼續(xù)傳播，這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)步調(diào)完全一致;在振動(dòng)過程中的任意時(shí)刻，它們相對(duì)平衡位置的位移總是相同。兩個(gè)相鄰的、相對(duì)平衡位置的位移和振動(dòng)方向總是相同的質(zhì)點(diǎn)間的距離，稱為波長，用λ表示。
在橫波中，兩個(gè)相鄰波峰(或波谷)之間的距離等于波長
在縱波中兩個(gè)相鄰密部(或疏部)中央的距離等于波長
在圖3-13 中，有同學(xué)認(rèn)為點(diǎn)M和點(diǎn)N是位移相同的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)，它們之間的距離就等于該波的波長;
另有同學(xué)認(rèn)為，位移總是相同的點(diǎn) M和點(diǎn)P之間的距離才等于波長。這兩位同學(xué)的觀點(diǎn)對(duì)嗎?請(qǐng)說出理由，并與同學(xué)討論交流。
由圖 3-3 可見物理學(xué)中，將振動(dòng)傳播的距離與傳播時(shí)間之比稱為波速。經(jīng)過一個(gè)周期，振動(dòng)在介質(zhì)中傳播的距離等于一個(gè)波長。由此，可得到波速
通常，機(jī)械波在介質(zhì)中的波速是由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定的。在不同的介質(zhì)中，波速是不同的。下表列出了0℃時(shí)聲波在幾種介質(zhì)中的波速。
波速與波長、頻率的關(guān)系式雖然是從機(jī)械波得到的，但對(duì)于我們今后要學(xué)習(xí)的電磁波同樣適用。
停在水面上的兩艘船相距 24 m。一列水波在湖面上傳播開來，使船每分鐘上下振動(dòng)20次。當(dāng)甲船位于波峰時(shí)，乙船位于波谷，這時(shí)兩船之間還有另一個(gè)波峰，如圖3-14所示。若將水波視為橫波，求這列水波的波長和波速。
分析根據(jù)甲、乙兩船之間的水波波形圖，可求出水波的波長;再根據(jù)船的振動(dòng)情況可求出水波的頻率;利用波長和頻率，便可根據(jù)公式u=λf求出波速。
解：由題意可知，甲、乙兩船之間的距離等于1.5 個(gè)波長。
討論質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播形成波。解決波的傳播問題，通常需要將局部質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況與波傳播的情況相結(jié)合
從生活情境出發(fā)構(gòu)建物理模型，是解決物理問題的重要方法。本題中首先要根據(jù)實(shí)際情境將水波簡化為簡諧波模型，畫出波形圖，再由甲、乙兩船在波形圖中對(duì)應(yīng)的位置確定二者間的波形，求出波長。將船的振動(dòng)簡化為簡諧運(yùn)動(dòng)，據(jù)此求出波的頻率。由波速與波長、頻率的關(guān)系式求出波速。
機(jī)械波的波長與波源的頻率及波速有關(guān)。一般情況下，機(jī)械波在介質(zhì)中的波速僅由介質(zhì)決定。敲擊頻率為 256 Hz的音叉產(chǎn)生的聲波，在空氣中傳播時(shí)波長為1.32m。若換成頻率為2048Hz的音叉，波長變?yōu)槎嗌?
圖 3-15(a)是一列簡諧橫波在t=2s時(shí)的圖像，圖3-15(b)是這列波中質(zhì)點(diǎn)P的振動(dòng)圖像，求該波的傳播速度和傳播方向。
結(jié)合波的圖像可知，經(jīng)短暫時(shí)間，質(zhì)點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)到P'位置，如圖3-16所示。
因簡諧橫波在傳播時(shí)波形沿傳播方向平移，此時(shí)的波形過點(diǎn)P’(圖中藍(lán)線)。比較波形變化，可判斷該波沿x軸負(fù)方向傳播.
解 由圖 3-15(a)可知，這列波的波長λ=100cm;由圖 3-15(b)可知，這列波的周期T=2s.
通過介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)與波形傳播的關(guān)系，可由質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況確定波的傳播情況，也可由波的傳播情況確定質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況。
討論由波的形成過程理解質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)與波形傳播之間的關(guān)系是解決問題的關(guān)鍵。圖 3-16 中若還知道該波沿x軸負(fù)方向傳播的距離，你能否確定該過程中質(zhì)點(diǎn)P振動(dòng)所經(jīng)歷的時(shí)間?
如圖 3-17 所示，一列簡諧波沿x軸正方向傳播，藍(lán)線為t1=0時(shí)波的圖像，紅線為t2=0.01s時(shí)波的圖像。
已知周期T>0.01s，請(qǐng)判斷0.01s時(shí)質(zhì)點(diǎn)P振動(dòng)的方向，并求出波速.
能在熟悉的問題情境中運(yùn)用簡諧波模型解釋機(jī)械波的問題;能分析與機(jī)械波相關(guān)的問題，通過推理得到結(jié)論并能解釋;能從相互作用和能量等不同角度認(rèn)識(shí)機(jī)械波，能質(zhì)疑他人的觀點(diǎn)--科學(xué)思維
引力波在愛因斯坦的廣義相對(duì)論中，引力被認(rèn)為是時(shí)空彎曲的一種效應(yīng)。這種彎曲時(shí)空是由質(zhì)量的存在而導(dǎo)致的。
通常而言，在一個(gè)給定的體積內(nèi)，包含的質(zhì)量越大，在這個(gè)體積邊界處所導(dǎo)致的時(shí)空曲率越大(圖3-18)。當(dāng)一個(gè)有質(zhì)量的物體在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，曲率變化反映了這個(gè)物體的位置變化。
在某些特定環(huán)境之下，加速物體能使曲率產(chǎn)生變化，并且能以波的形式向外以光速傳播。這種傳播現(xiàn)象稱為引力波，它以引力輻射的形式傳輸能量。同學(xué)們可舉辦一個(gè)關(guān)于引力波的討論會(huì)，通過查閱資料和討論交流了解更多有關(guān)引力波的知識(shí)。
1.某同學(xué)跟朋友們打籃球時(shí)，籃球掉進(jìn)了球場旁邊的湖水里。該同學(xué)想向湖中丟一石塊激起水波，讓籃球隨水波漂回岸邊。該同學(xué)的想法能實(shí)現(xiàn)嗎?為什么?
2.一列簡諧橫波沿x軸傳播，在某時(shí)刻波的圖像如圖所示已知此時(shí)質(zhì)點(diǎn)e的運(yùn)動(dòng)方向向下，則A.此波沿x軸正方向傳播B.質(zhì)點(diǎn)c此時(shí)向下運(yùn)動(dòng)C.質(zhì)點(diǎn)a將比質(zhì)點(diǎn)b先回到平衡位置D.質(zhì)點(diǎn)d振幅為 0
3.用手握住較長軟繩的一端連續(xù)上下抖動(dòng)，形成一列簡諧橫波。某一時(shí)刻的波形如圖所示，繩上a、b 兩質(zhì)點(diǎn)均處于波峰位置。下列說法正確的是A.a、b 兩質(zhì)點(diǎn)之間的距離為半個(gè)波長B.a、b兩質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)開始時(shí)刻相差半個(gè)周期C.質(zhì)點(diǎn)b完成的全振動(dòng)次數(shù)比質(zhì)點(diǎn)a多一次D.質(zhì)點(diǎn)b完成的全振動(dòng)次數(shù)比質(zhì)點(diǎn)a少一次
4.抖動(dòng)繩子的一端，繩子每秒鐘做兩次全振動(dòng)，產(chǎn)生如圖所示的橫波。求繩上橫波的頻率、波長和波速，并畫出 1.25s后的波形圖。若要增大繩波的波長，抖動(dòng)繩子的頻率該如何改變?
5.有人用下列方法測(cè)量聲音的傳播速率。如圖所示，兩只船相距 14 km，一只船上的實(shí)驗(yàn)員向水里放一口鐘，當(dāng)她敲鐘時(shí)，船上的火藥同時(shí)發(fā)光;另一只船上的實(shí)驗(yàn)員向水里放一個(gè)聽音器，他看到火藥發(fā)光后 10s，聽到了水下的鐘聲。請(qǐng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算水中的聲速。
6.如圖所示，藍(lán)線是一列正弦波在某一時(shí)刻的圖像，經(jīng)過 05s后，其圖像如圖中紅線所示已知該波的周期 T大于 0.5 s。
(1)若波向x軸正方向傳播，求該波的波速和周期;(2)若波向x軸負(fù)方向傳播，求該波的波速和周期
7.圖(a)為一列簡諧橫波在t=2s時(shí)的波形圖，圖(b)為介質(zhì)中平衡位置在x=1.5m處質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像，P是平衡位置為x=2m的質(zhì)點(diǎn)。
求:(1)波的傳播方向及波速(2)前2s內(nèi)質(zhì)點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)的路程
8.如圖所示，一列水平向右傳播的簡諧橫波，波速大小v=0.6 m/s，質(zhì)點(diǎn)P的平衡位置坐標(biāo)x=0.96 m。某時(shí)刻該波剛好傳到距點(diǎn)O 0.24m的位置，從該時(shí)刻開始計(jì)時(shí)
(1)經(jīng)過多長時(shí)間，質(zhì)點(diǎn)P第一次到達(dá)波峰?(2)經(jīng)過多長時(shí)間，質(zhì)點(diǎn)P第二次到達(dá)波谷?當(dāng)質(zhì)點(diǎn)P第二次到達(dá)波谷時(shí)，質(zhì)點(diǎn)P通過的路程及在該時(shí)刻的位移為多少?