,第2單元 機械波,一、機械波 1機械波 機械振動在介質(zhì)中的傳播形成機械波簡諧振動在介質(zhì)中的傳播叫簡諧波 2振動傳播的原因 介質(zhì)可以看成是由大量質(zhì)點構(gòu)成的物質(zhì)，相鄰質(zhì)點間都有相互作用力當(dāng)介質(zhì)中的某一點發(fā)生振動時，就會帶動它周圍的質(zhì)點振動起來，形成機械波,3產(chǎn)生條件 振源(波源)；介質(zhì) 【名師點撥】 機械波必須在介質(zhì)中才能傳播，在真空中機械波是無法傳播的，而光波、電磁波的傳播不需要介質(zhì)這是機械波與電磁波的本質(zhì)區(qū)別 4特征 (1)機械波傳播的是振動的形式，質(zhì)點本身并不“隨波逐流”，介質(zhì)中各質(zhì)點在其平衡位置兩側(cè)做往復(fù)振動,【例1】 在平靜的水面上，投入一石塊，激起頻率為5 Hz的水波，已知水波的波長為10 cm(設(shè)水波為理想橫波)，經(jīng)3 s后，水波能將浮在水平面上的落葉在水面上推動的距離是( ) A1.5 m B0.6 m C0.3 m D0 【答案】 D,(2)波是傳播能量的一種方式： 機械波是以振動形式向外傳播，質(zhì)點獲得能量，這個能量是由波源傳來的，所以，波是能量傳遞的一種形式，波相當(dāng)于載體，這一點在機械波的傳播中特別重要 5波的分類 按質(zhì)點的振動的方向和波的傳播方向間的關(guān)系，可分為橫波和縱波 (1)橫波： 質(zhì)點的振動方向和波的傳播方向垂直的波稱為橫波橫波有波峰和波谷,(2)縱波： 質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向在同一直線上質(zhì)點分布密的部分叫密部，分布疏的部分叫疏部,【例2】 某地區(qū)地震波中的橫波和縱波傳播速率分別約為4 km/s和9 km/s，一種簡易地震儀由豎直彈簧振子P和水平彈簧振子H組成(如圖所示)，在一次地震中，震源在地震儀下方，觀察到兩振子相差5 s開始振動，則( ),AP先開始振動，震源距地震儀約36 km BP先開始振動，震源距地震儀約25 km CH先開始振動，震源距地震儀約36 km DH先開始振動，震源距地震儀約25 km,【答案】 A 【學(xué)法指導(dǎo)】 本題考查縱橫波的理解，質(zhì)點概念的應(yīng)用因為儀器本身與震源和地震儀距離相比較，可以看做點,6描述波動的幾個物理量 (1)波長： 定義1：兩個相鄰的在振動過程中對平衡位置的位移總是相等的質(zhì)點間的距離叫波長 定義2：振動在一個周期內(nèi)所傳播的距離叫一個波長 定義3：兩個相鄰的同相質(zhì)點間的距離,【例3】 (2012·浙江)用手握住較長軟繩的一端連續(xù)上下抖動，形成一列簡諧橫波，某一時刻的波形如圖所示，繩上a、b兩質(zhì)點均處于波峰位置下列說法正確的是( ) Aa、b兩點之間的距離為半個波長 Ba、b兩點振動開始時刻相差半個周期 Cb點完成全振動次數(shù)比a點多一次 Db點完成全振動次數(shù)比a點少一次,【解析】 a、b兩點之間的距離為一個波長，故A項錯誤；根據(jù)簡諧橫波傳播過程中，振動在一個周期內(nèi)傳播一個波長的距離，可知a、b兩點振動開始時刻相差一個周期，故B項錯誤；簡諧橫波向右傳播，b點完成全振動次數(shù)比a點少一次，故C項錯誤，D項正確 【答案】 D,(2)波速v： 波速由介質(zhì)決定，介質(zhì)不變，波速不變，介質(zhì)變化，波速變化，一般規(guī)律是v固v液v氣簡諧波的波速是波整體波形的傳播速度，不是介質(zhì)中振動質(zhì)點的簡諧振動速度波在同一種均勻介質(zhì)中傳播是勻速的，而質(zhì)點做變速運動 (3)頻率f： 機械波的頻率由波源的振動頻率決定，與介質(zhì)、波速、波長無關(guān)即同一列波在不同介質(zhì)中傳播時，f不變，不能通過提高波速來提高頻率 (4)關(guān)系v·f，波長既與v有關(guān)，又與f有關(guān)，并由v、f共同決定,【例4】 下列關(guān)于簡諧振動和簡諧機械波的說法正確的是( ) A彈簧振子的周期與振幅有關(guān) B橫波在介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定 C在波傳播方向上的某個質(zhì)點的振動速度就是波的傳播速度 D單位時間內(nèi)經(jīng)過媒質(zhì)中一點的完全波的個數(shù)就是這列簡諧波的頻率,【解析】 簡諧振動具有等時性，則可知彈簧振子的周期與振幅無關(guān)故A項錯誤；橫波在介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，與頻率無關(guān)，故B項正確；在波傳播方向上的某個質(zhì)點做簡諧運動，速度是周期性變化的，而在同一均勻介質(zhì)傳播的波，傳播過程中速度不變，故C項錯誤；波在一個周期內(nèi)傳播的距離等于一個波長，即傳播一個完全波，則單位時間內(nèi)經(jīng)過媒質(zhì)中一點的完全波的個數(shù)就是這列簡諧波的頻率，故D項正確 【答案】 BD,二、波的衍射 1波的衍射 波在傳播過程中能繞過障礙物或小孔，繼續(xù)向前傳播的現(xiàn)象，叫波的衍射 2發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件 障礙物或小孔的尺寸比波長小，或者跟波長相差不多,【例5】 如圖所示是觀察水面波衍射的實驗裝置，AC和BD是兩塊擋板，AB是一個孔，O是波源，圖中已畫出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每兩條相鄰波紋(圖中曲線)之間距離表示一個波長，則波經(jīng)過孔之后的傳播情況，下列描述正確的是( ),A此時能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象 B擋板前后波紋間距離相等 C如果將孔AB擴大，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象 D如果孔的大小不變，使波源頻率增大，能更明顯觀察到衍射現(xiàn)象 【解析】 本題重點考查了機械波產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，即小孔或障礙物的尺寸同波長差不多相等或小于波長時，才能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象由圖可見兩波紋間距與AB孔的大小接近，所以水波通過AB孔會發(fā)生明顯的衍射,由于衍射后水波的頻率不變，波速不變，因此水波的波長也不變，A、B選項正確AB孔擴大后若破壞了明顯衍射的條件時就不會看到明顯的衍射現(xiàn)象，故C選項正確，D選項錯誤此題重在理解：障礙物尺寸和波長的相對大小關(guān)系，并以此作為判斷明顯衍射的條件 【答案】 ABC,【學(xué)法指導(dǎo)】 產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象條件屬模糊說法，不太明確，“障礙物或小孔的尺寸比波長小”還比較易于把握及應(yīng)用，但是“差不多”，這一條件不好把握本題展示的小孔的尺寸為波長的23倍(根據(jù)高考題目測量的結(jié)果)此種情況仍可稱為“差不多”，可以產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象,三、波的干涉 1波的獨立傳播原理 幾列波相遇時，互不干擾，仍保持原有的波形，繼續(xù)向前傳播，這就是波的獨立傳播性原理“各自保持原有的波形”指：保持原有的波速、頻率、波長、振動方向等不變,【例6】 如右圖所示，為在一條繩的兩端相向傳播的兩列波，在它們相遇直到穿過的過程中可能出現(xiàn)下圖所示的哪種波形(波長、振幅均相同)( ),【答案】 B,2波的疊加原理 以兩列波為例，在兩列波重疊的區(qū)域里，任何一個質(zhì)點的總位移都等于兩列波分別引起的位移的矢量和 3波的干涉 (1)條件：頻率相同的兩列同性質(zhì)的波相遇 (2)現(xiàn)象：某些地方的振動加強，某些地方的振動減弱，并且加強和減弱的區(qū)域間隔出現(xiàn)，加強的地方始終加強，減弱的地方始終減弱，形成的圖樣是穩(wěn)定的干涉圖樣,【例7】 (2010·上海)利用發(fā)波水槽得到的水面波形如圖a、b所示，則( ),A圖a、b均顯示了波的干涉現(xiàn)象 B圖a、b均顯示了波的衍射現(xiàn)象 C圖a顯示了波的干涉現(xiàn)象，圖b顯示了波的衍射現(xiàn)象 D圖a顯示了波的衍射現(xiàn)象，圖b顯示了波的干涉現(xiàn)象 【解析】 波繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象就是波的衍射現(xiàn)象，故圖a說明發(fā)生了明顯的衍射現(xiàn)象；頻率相同的兩列波相遇，當(dāng)波程差為波長的整數(shù)倍時，振動加強，當(dāng)波程差為半個波長的奇數(shù)倍時，振動減弱，使有的地方振動加強有的地方振動減弱，且加強和減弱的區(qū)域交替出現(xiàn)，故圖b是發(fā)生了干涉現(xiàn)象，故D項正確 【答案】 D,四、多譜勒效應(yīng) 1定義 由于波源和觀察者之間有相對運動，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象 2實質(zhì) 波源的頻率沒有變化，而觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化,3相對運動與頻率的關(guān)系 (1)波源與觀察者相對靜止： 觀察者接收到的頻率等于波源的頻率 (2)波源與觀察者相互接近： 觀察者接收到的頻率增大 (3)波源與觀察者相互遠離： 觀察者接收到的頻率減小,【例8】 有一種用細繩操縱沿圓周飛行的模型飛機，裝有內(nèi)燃發(fā)動機作為動力，下列說法中正確的是( ) A站在中心的操縱者聽到發(fā)動機工作時發(fā)出的聲音的音調(diào)忽高忽低地做周期性變化 B站在中心的操縱者聽到發(fā)動機工作時發(fā)出的聲音的音調(diào)是不變的 C站在場邊的觀察者聽到發(fā)動機工作時發(fā)出的聲音的音調(diào)忽高忽低地做周期性變化 D站在場邊的觀察者聽到發(fā)動機工作時發(fā)出的聲音的音調(diào)是不變的,【解析】 “發(fā)動機”做圓周運動，相對操縱者距離不變，故B項正確，A項錯“發(fā)動機”做圓周運動，離觀察者的距離是周期性變化的，因此C項正確，D項錯 【答案】 BC,五、次聲波和超聲波 1聲波 (1)聲波是縱波 (2)人耳聽到聲波的頻率范圍：20 Hz20 000 Hz. (3)能夠把回聲和原聲區(qū)分開來的最小時間間隔為0.1 s. (4)聲波亦能發(fā)生反射、折射、干涉和衍射等現(xiàn)象，聲波的共振稱為聲波的共鳴,小資料 鳴沙洲 聲音的共鳴會在沙丘引起“鳴沙”沙粒從沙丘上傾瀉下來沙層間摩擦產(chǎn)生的聲音頻率同沙丘里的固有頻率相同，引起沙丘共鳴寧夏黃河邊的鳴沙洲就因那里的沙丘會發(fā)出各種奇異聲音而得名 2次聲波 頻率低于20 Hz的聲波 3超聲波 頻率高于20 000 Hz的聲波，應(yīng)用：聲吶、探傷、打碎、診斷等,【例9】 如圖所示圖A是在高速公路上用超聲波測速儀測量車速的示意圖，測速儀發(fā)出并接收超聲波脈沖信號，根據(jù)發(fā)出和接收到的信號間的時間差，測出被測物體的速度圖B中P1、P2是測速儀發(fā)出的超聲波信號，n1、n2分別是P1、P2由汽車反射回來的信號,設(shè)測速儀勻速掃描，P1、P2之間的時間間隔t1.0 s，超聲波在空氣中傳播的速度是v340 m/s，若汽車是勻速行駛的，則根據(jù)圖B可知，汽車在接收到P1、P2兩個信號之間的時間內(nèi)前進的距離是_m，汽車的速度是_m/s.,【答案】 17 17.0,對振動加強和振動減弱的理解 1從矢量合成角度理解 振動加強或振動減弱應(yīng)從位移矢量合成的角度理解：兩列波在某處振動位移總是同向，則振動相互加強，即xx1x2；若兩列波在某處振動位移總是相反，即相互削弱，有xx1x2.特例：波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇，振動加強波峰與波谷相遇，為振幅減弱,【例1】 兩列簡諧橫波均沿x軸傳播，傳播速度大小相等，其中一列沿x正方向傳播，如圖中實線所示；一列沿x負方向傳播，如圖中虛線所示這兩列波的頻率相等，振動方向均沿y軸，則圖中x1、2、3、4、5、6、7、8各點中振幅最大的是x_的點，振幅最小的是x_的點,x2、6兩點，均在平衡位置，勢能為零，單獨一列波的速度均為零，故動能為零，以后也振動不起來，振幅為零；x1、3、5、7各點均在平衡位置，勢能為零，如1的各波單獨引起的振動方向均向下，此時各波單獨引起的振動既不在最大位移處(速度為零)，也不在平衡位置(速度最大)處，說明此時有速度，但不是最大，因此對應(yīng)的能量0EEmax，因此以后振動起來，振幅0AAmax，其他各點同理分析能量情況相同 【答案】 4、8 2、6,【名師點撥】 我們在理解波的疊加原理時，要注意，各質(zhì)點振動的疊加，不僅包括位移疊加， 還包括振動速度的疊加因此判斷波的疊加區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點的合振動情況時， 綜合位移，速度、加速度的情況，才能準確判定,【例2】 如圖所示為聲波干涉演示儀的原理圖兩個U形管A和B套在一起，A管兩側(cè)各有一小孔聲波從左側(cè)小孔傳入管內(nèi)，被分成兩列頻率_的波當(dāng)聲波分別通過A、B傳播到右側(cè)小孔時，若兩列波傳播的路程相差半個波長，則此處聲波的振幅_；若傳播的路程相差一個波長，則此處聲波的振幅_,【解析】 聲波從左側(cè)小孔傳入管內(nèi)向上向下分別形成兩列頻率相同的波，若兩列波傳播的路程相差半個波長，則振動相消，所以此處振幅為零，若傳播的路程相差一個波長，振動加強，則此處聲波的振幅為原振幅的二倍 【答案】 相等 等于零 等于原振幅的二倍,【觸類旁通】 如圖所示，在直線PQ的垂線OM上有A、B兩個聲源，A、B分別距O點6 m和1 m，兩個聲源同時不斷向外發(fā)出波長都為2 m的完全相同的聲波，在直線PQ上從到的范圍內(nèi)聽不到聲音的小區(qū)域共有( ) A無窮多個 B5個 C4個 D3個,【答案】 B 【學(xué)法指導(dǎo)】 本題考查了數(shù)學(xué)知識在波動問題中的應(yīng)用，特別是利用三角形兩邊之差小于第三邊的結(jié)論，將到的大范圍縮小到5 m內(nèi)，這是解題的一個大飛躍再利用極限法推出離O點越遠，s越小，從而將復(fù)雜問題簡化，從本題要學(xué)會如何對物理問題難點的突破,一、周期性引起的波動的多解 【例1】 如圖所示，實線和虛線分別為某種波在t時刻和tt時刻的波形曲線B和C是橫坐標(biāo)分別為d和3d的兩個質(zhì)點，下列說法中正確的是( ),【答案】 C,【例2】 兩列火車以20 m/s的速度迎面開來又錯車離去，甲汽車笛聲為2 500 Hz，問乙車中乘客聽到的汽笛聲有什么變化？,因此，錯車前后，乙車中乘客聽到的汽笛聲頻率由2 813 Hz變成2 222 Hz，這樣乘客在錯車瞬間明顯感覺到汽笛的音調(diào)降低很多 【答案】 頻率由2 813 Hz變成2 222 Hz，音調(diào)降低,