《波的形成與描述 第1課時(shí)》示范課教學(xué)設(shè)計(jì)【物理魯科版高中選擇性必修第一冊(cè)（新課標(biāo)）】

8/81波的形成和描述第1課時(shí)教學(xué)目標(biāo)能對(duì)波動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析和推理，認(rèn)識(shí)波的形成過(guò)程。知道機(jī)械波的概念和形成機(jī)械波的條件。能用描點(diǎn)法作橫波的圖像，理解波的圖像的物理意義。知道波長(zhǎng)、頻率和波速的概念和物理意義。掌握波長(zhǎng)、頻率和波速的關(guān)系，能解答有關(guān)問(wèn)題。教學(xué)重難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)機(jī)械波的形成過(guò)程。橫波、縱波的區(qū)分，機(jī)械波的概念。波的圖像的理解。理解波長(zhǎng)、頻率和波速的意義及其關(guān)系。教學(xué)難點(diǎn)機(jī)械波的形成過(guò)程及波動(dòng)形式的理解。正確建立波形圖的物理圖景。知道波長(zhǎng)、頻率、波速的決定因素。教學(xué)準(zhǔn)備軟繩、軟彈簧、多媒體課件教學(xué)過(guò)程新課引入教師設(shè)問(wèn)：日常生活中，我們總能見(jiàn)到水波，如果一片樹(shù)葉落在水波上，它會(huì)怎樣運(yùn)動(dòng)呢？播放PPT中水波圖片，生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們樹(shù)葉會(huì)上下振動(dòng)，但不會(huì)隨波由近及遠(yuǎn)的傳播，如何解釋呢？這就需要我們用到波的形成與傳播的相關(guān)知識(shí)。講授新課波的形成與傳播圖3-2振動(dòng)圖3-2振動(dòng)繩子形成波波的形成如圖3-2，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(jiàn)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)，繩的各點(diǎn)都會(huì)收到影響并隨之振動(dòng)起來(lái)。同樣，水面上某點(diǎn)的連續(xù)振動(dòng)沿水面?zhèn)鞑?，就形成了水波。聲帶振?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。這里振動(dòng)的繩端、水面上的振動(dòng)點(diǎn)、振動(dòng)的聲帶、地震的震源等稱為波源。繩、水、空氣、地殼等都是傳播波的物質(zhì)，稱為介質(zhì)。1．機(jī)械波的定義機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中傳播，形成了機(jī)械波．2．機(jī)械波的產(chǎn)生條件(1)波源：做機(jī)械振動(dòng)的物體．t=0t=t=0t=14t=1t=34圖3-3波的形成機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中是怎樣傳播的？我們以繩波為例來(lái)說(shuō)明。理論分析主要分為三步：設(shè)想把一條繩子分成許多小的部分，每一小部分可視為質(zhì)點(diǎn)，相鄰質(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。圖3-4舞臺(tái)圖3-4舞臺(tái)表演的波動(dòng)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(jiàn)，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(chǎng)看臺(tái)上精彩的人浪，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。（圖3-4）介質(zhì)中本來(lái)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)通過(guò)前面的質(zhì)點(diǎn)依次傳來(lái)。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。機(jī)械波的特點(diǎn)：1.介質(zhì)中有機(jī)械波傳播時(shí)，介質(zhì)本身并不隨波一起傳播。例如繩上或彈簧上有波傳播時(shí)，它們的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生振動(dòng)，但質(zhì)點(diǎn)并不隨波遷移，傳播的只是振動(dòng)這種形式。2.介質(zhì)中本來(lái)靜止的質(zhì)點(diǎn)，隨著波的傳來(lái)而發(fā)生振動(dòng)，這表示它獲得了能量。這個(gè)能量是從波源通過(guò)前面的質(zhì)點(diǎn)依次傳來(lái)的，所以波在傳播“振動(dòng)”這種形式的同時(shí)，也將波源的能量傳遞出去。波是傳遞能量的一種方式。3.質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)重復(fù)波源的振動(dòng)，起振方向與波源的起振方向相同。波的分類根據(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)械波分為橫波與縱波兩類圖3-5圖3-5繩上形成的橫波示意圖定義：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向相互垂直的波，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。圖3-6圖3-6彈簧上形成縱波示意圖定義：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，稱為縱波。在縱波中，質(zhì)點(diǎn)分布最密的地方稱為密部，質(zhì)點(diǎn)分布最疏的地方置稱為疏部。圖3-7鼓面圖3-7鼓面振動(dòng)形成聲波示意圖有的波既包含橫波，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。因?yàn)榭v波在地球內(nèi)部傳播速度大于橫波，所以地震時(shí)，人們一般先感覺(jué)上下顛簸，然后才感覺(jué)到有很強(qiáng)的水平晃動(dòng)。橫波是造成地震遭到破壞的主要原因。三、波的描述波在介質(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）波的圖像圖3-9橫波的波形和圖像若在繩波傳播的某個(gè)時(shí)刻拍下照片，就能得到該時(shí)刻的波形[圖3-9（a）]。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質(zhì)點(diǎn)的平衡位置，用縱坐標(biāo)y表示各個(gè)質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置的位移，規(guī)定位移方向上為正值。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(lái)，就得到該時(shí)刻波的圖象，也稱波形曲線或波形。在波的圖像上，通常用箭頭標(biāo)出波的傳播方向[圖3-9（b）圖3-9橫波的波形和圖像1.定義：波源做簡(jiǎn)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(jiǎn)諧波。它是一種最基本、最簡(jiǎn)單的波，其他復(fù)雜的波可視為由若干個(gè)簡(jiǎn)諧波合成。2.物理意義：反映某一時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置的位移.3.注意：在波的圖像中，每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都只在自己的平衡位置附近振動(dòng)，而不會(huì)隨波的傳播向遠(yuǎn)處遷移。（2）波的特征觀看動(dòng)畫(huà)，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期T，由質(zhì)點(diǎn)1發(fā)出的振動(dòng)傳到質(zhì)點(diǎn)13，使質(zhì)點(diǎn)13開(kāi)始振動(dòng)。這時(shí)質(zhì)點(diǎn)1恰好結(jié)束了一次全振動(dòng)而開(kāi)始下一次全振動(dòng)，此后質(zhì)點(diǎn)1與質(zhì)點(diǎn)13的振動(dòng)步調(diào)完全一致。也就是說(shuō)，這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的相位相同，它們?cè)谌魏螘r(shí)刻對(duì)平衡位置的位移的大小和方向總是相同的。同樣，質(zhì)點(diǎn)2和1、3和15……它們每一對(duì)在振動(dòng)中的相位也總是相同的。1.波長(zhǎng)定義：在波的傳播方向上，振動(dòng)相位總是相同的兩個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn)間的距離，稱為波長(zhǎng)，通常用λ表示。在橫波中，兩個(gè)相鄰波峰或兩個(gè)相鄰波谷之間的距離等于波長(zhǎng)。在縱波中，兩個(gè)相鄰密部或兩個(gè)相鄰疏部之間的距離等于波長(zhǎng)。觀察總結(jié)：在波動(dòng)中，相隔等于波長(zhǎng)的兩個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)特點(diǎn)：（1）這兩點(diǎn)對(duì)平衡位置的位移的大小和方向總保持相同。（2）這兩點(diǎn)速度大小和方向總保持相同。所以：這兩點(diǎn)振動(dòng)步調(diào)總保持相同。引申：相隔λ整數(shù)倍的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的步調(diào)總是相同。相隔λ/2的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的步調(diào)總是相反；相隔λ/2的奇數(shù)倍兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的步調(diào)總是相反。2.周期（頻率）定義：在波動(dòng)中，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)周期（頻率）是相同的，它們都等于波源的振動(dòng)周期（頻率），這個(gè)周期（頻率）也稱為波的周期（頻率）。頻率通常用字母f表示，單位是Hz．周期通常用字母T表示，單位是s．幾點(diǎn)說(shuō)明：波的周期（或頻率）應(yīng)由波源決定，與傳播波的介質(zhì)無(wú)關(guān)。每經(jīng)歷一個(gè)周期，原有的波形圖不改變。每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的時(shí)間波就沿傳播方向傳播一個(gè)波長(zhǎng)的距離。3.波速定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)振動(dòng)所傳播的距離叫做波速。物理意義:反映振動(dòng)在介質(zhì)中傳播的快慢程度。經(jīng)過(guò)一個(gè)周期T，振動(dòng)在介質(zhì)中傳播的距離等于一個(gè)波長(zhǎng)λ，所以機(jī)械波在介質(zhì)中傳播的速度為：v=而f=所以上式也可以寫(xiě)成：v=fλ幾點(diǎn)說(shuō)明：(1)波速的大小由介質(zhì)的性質(zhì)決定，同一列波在不同介質(zhì)中傳播速度不同。(2)一列波在同一均勻介質(zhì)中是勻速傳播的。(3)要區(qū)分波速與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的含義。機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速度由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定，在不同的介質(zhì)中，波速是不同的。例如聲速還與溫度有關(guān)。4.波長(zhǎng)、頻率和波速之間的關(guān)系：v=fλ=決定因素：（1）波的頻率只取決于波源，與波速、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。波在傳播過(guò)程中、從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)頻率不變。如聲波在空氣中和水中傳播時(shí)頻率不變。（2）波速的大小由介質(zhì)的性質(zhì)決定，與波的頻率、質(zhì)點(diǎn)的振幅無(wú)關(guān)。如聲波，在空氣中不管哪種頻率的波傳播速度相同。（3）波長(zhǎng)則決定于波速和頻率。波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)波速發(fā)生變化，頻率不變，波長(zhǎng)發(fā)生變化；波在同一均勻介質(zhì)中傳播，v不變，當(dāng)頻率發(fā)生變化，波長(zhǎng)也發(fā)生變化。典題剖析例1．(多選)關(guān)于機(jī)械波的形成，下列說(shuō)法正確的是()A．物體做機(jī)械振動(dòng)，一定產(chǎn)生機(jī)械波B．后振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)總是跟著先振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)重復(fù)振動(dòng)，只是時(shí)間上落后一步C．參與振動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率都相同D．機(jī)械波可以傳遞能量和信息答案：BCD解析：若只有物體振動(dòng)，而周圍沒(méi)有傳播這種振動(dòng)的介質(zhì)，振動(dòng)不可能由近及遠(yuǎn)傳播出去形成機(jī)械波，A錯(cuò)；機(jī)械波中各振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)都在重復(fù)波源的振動(dòng)，振動(dòng)頻率都等于波源的頻率，只是離波源越遠(yuǎn)，振動(dòng)步調(diào)越落后，B、C正確；機(jī)械波中介質(zhì)各質(zhì)點(diǎn)只在自己平衡位置附近振動(dòng)，不隨波遷移，離波源較遠(yuǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的能量是通過(guò)離波源近的各質(zhì)點(diǎn)的傳遞從波源獲得的，D對(duì)．例2如圖所示為一簡(jiǎn)諧橫波在某一時(shí)刻的波形圖，此時(shí)質(zhì)點(diǎn)A正向上運(yùn)動(dòng)，如圖中箭頭所示．由此可斷定此橫波()A．向右傳播，且此時(shí)質(zhì)點(diǎn)B正向上運(yùn)動(dòng)B．向右傳播，且此時(shí)質(zhì)點(diǎn)C正向下運(yùn)動(dòng)C．向左傳播，且此時(shí)質(zhì)點(diǎn)D正向上運(yùn)動(dòng)D．向左傳播，且此時(shí)質(zhì)點(diǎn)E正向下運(yùn)動(dòng)答案：C解析：根據(jù)質(zhì)點(diǎn)A正向上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)后面的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)總要追隨它前面的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，可判定此列波的波源在右面，故波向左傳播，根據(jù)同一原則可斷定質(zhì)點(diǎn)D和質(zhì)點(diǎn)E都正向上運(yùn)動(dòng)．故選項(xiàng)C正確。例3(多選)下圖所示的是一列簡(jiǎn)諧波在某一時(shí)刻的波形圖象，下列說(shuō)法中正確的是()A．質(zhì)點(diǎn)A、C、E、G、I在振動(dòng)過(guò)程中位移總是相同B．質(zhì)點(diǎn)B、F在振動(dòng)過(guò)程中位移總是相等C．質(zhì)點(diǎn)D、H的平衡位置間的距離是一個(gè)波長(zhǎng)D．質(zhì)點(diǎn)A、I在振動(dòng)過(guò)程中位移總是相同，它們的平衡位置間的距離是一個(gè)波長(zhǎng)答案：BC解析：從圖象中可以看出質(zhì)點(diǎn)A、C、E、G、I在該時(shí)刻的位移都是零，由于波的傳播方向是向右的，容易判斷出質(zhì)點(diǎn)A、E、I的速度方向是向下的，而質(zhì)點(diǎn)C、G的速度方向是向上的，因而這五個(gè)點(diǎn)的位移不總是相同，A項(xiàng)錯(cuò)誤；質(zhì)點(diǎn)B、F是同處在波峰的兩個(gè)點(diǎn)，它們的振動(dòng)步調(diào)完全相同，在振動(dòng)過(guò)程中位移總是相等，B項(xiàng)正確；質(zhì)點(diǎn)D、H是處在相鄰的兩個(gè)波谷的點(diǎn)，它們的平衡位置之間的距離等于一個(gè)波長(zhǎng)，C項(xiàng)正確；雖然質(zhì)點(diǎn)A、I在振動(dòng)過(guò)程中位移總是相同，振動(dòng)步調(diào)也完全相同，但由于它們不是相鄰的振動(dòng)步調(diào)完全相同的兩個(gè)點(diǎn)，它們的平衡位置之間的距離不是一個(gè)波長(zhǎng)(應(yīng)為兩個(gè)波長(zhǎng))，D項(xiàng)錯(cuò)誤．例4.(多選)對(duì)機(jī)械波，關(guān)于公式v＝λf，下列說(shuō)法正確的是()A．v＝λf適用于一切波B．由v＝λf知，f增大，則波速v也增大C．v、λ、f三個(gè)量中，對(duì)同一列波來(lái)說(shuō)，在不同介質(zhì)中傳播時(shí)保持不變的只有fD．由v＝λf知，波長(zhǎng)是4m的聲音為