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,,第2單元 機(jī)械波,一、機(jī)械波 1．機(jī)械波 機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播形成機(jī)械波．簡(jiǎn)諧振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播叫簡(jiǎn)諧波． 2．振動(dòng)傳播的原因 介質(zhì)可以看成是由大量質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的物質(zhì)，相鄰質(zhì)點(diǎn)間都有相互作用力．當(dāng)介質(zhì)中的某一點(diǎn)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)它周?chē)馁|(zhì)點(diǎn)振動(dòng)起來(lái)，形成機(jī)械波．,3．產(chǎn)生條件 ①振源(波源)；②介質(zhì)． 【名師點(diǎn)撥】 機(jī)械波必須在介質(zhì)中才能傳播，在真空中機(jī)械波是無(wú)法傳播的，而光波、電磁波的傳播不需要介質(zhì)．這是機(jī)械波與電磁波的本質(zhì)區(qū)別． 4．特征 (1)機(jī)械波傳播的是振動(dòng)的形式，質(zhì)點(diǎn)本身并不“隨波逐流”，介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置兩側(cè)做往復(fù)振動(dòng)．,【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(zhǎng)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(dòng)的距離是( ) A．1.5 m B．0.6 m C．0.3 m D．0 【答案】 D,(2)波是傳播能量的一種方式： 機(jī)械波是以振動(dòng)形式向外傳播，質(zhì)點(diǎn)獲得能量，這個(gè)能量是由波源傳來(lái)的，所以，波是能量傳遞的一種形式，波相當(dāng)于載體，這一點(diǎn)在機(jī)械波的傳播中特別重要． 5．波的分類(lèi) 按質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)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(diǎn)的振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直的波稱(chēng)為橫波．橫波有波峰和波谷．,(2)縱波： 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向在同一直線上．質(zhì)點(diǎn)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(jiǎn)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(kāi)始振動(dòng)，則( ),A．P先開(kāi)始振動(dòng)，震源距地震儀約36 km B．P先開(kāi)始振動(dòng)，震源距地震儀約25 km C．H先開(kāi)始振動(dòng)，震源距地震儀約36 km D．H先開(kāi)始振動(dòng)，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(diǎn)概念的應(yīng)用．因?yàn)閮x器本身與震源和地震儀距離相比較，可以看做點(diǎn)．,6．描述波動(dòng)的幾個(gè)物理量 (1)波長(zhǎng)λ： 定義1：兩個(gè)相鄰的在振動(dòng)過(guò)程中對(duì)平衡位置的位移總是相等的質(zhì)點(diǎn)間的距離叫波長(zhǎng)． 定義2：振動(dòng)在一個(gè)周期內(nèi)所傳播的距離叫一個(gè)波長(zhǎng)． 定義3：兩個(gè)相鄰的同相質(zhì)點(diǎn)間的距離．,【例3】 (2012·浙江)用手握住較長(zhǎng)軟繩的一端連續(xù)上下抖動(dòng)，形成一列簡(jiǎn)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(shuō)法正確的是( ) A．a(chǎn)、b兩點(diǎn)之間的距離為半個(gè)波長(zhǎng) B．a(chǎn)、b兩點(diǎn)振動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻相差半個(gè)周期 C．b點(diǎn)完成全振動(dòng)次數(shù)比a點(diǎn)多一次 D．b點(diǎn)完成全振動(dòng)次數(shù)比a點(diǎn)少一次,【解析】 a、b兩點(diǎn)之間的距離為一個(gè)波長(zhǎng)，故A項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)簡(jiǎn)諧橫波傳播過(guò)程中，振動(dòng)在一個(gè)周期內(nèi)傳播一個(gè)波長(zhǎng)的距離，可知a、b兩點(diǎn)振動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻相差一個(gè)周期，故B項(xiàng)錯(cuò)誤；簡(jiǎn)諧橫波向右傳播，b點(diǎn)完成全振動(dòng)次數(shù)比a點(diǎn)少一次，故C項(xiàng)錯(cuò)誤，D項(xiàng)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(jiǎn)諧波的波速是波整體波形的傳播速度，不是介質(zhì)中振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的簡(jiǎn)諧振動(dòng)速度．波在同一種均勻介質(zhì)中傳播是勻速的，而質(zhì)點(diǎn)做變速運(yùn)動(dòng)． (3)頻率f： 機(jī)械波的頻率由波源的振動(dòng)頻率決定，與介質(zhì)、波速、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)．即同一列波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，f不變，不能通過(guò)提高波速來(lái)提高頻率． (4)關(guān)系v＝λ·f，波長(zhǎng)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(jiǎn)諧振動(dòng)和簡(jiǎn)諧機(jī)械波的說(shuō)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(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就是波的傳播速度 D．單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)媒質(zhì)中一點(diǎn)的完全波的個(gè)數(shù)就是這列簡(jiǎn)諧波的頻率,【解析】 簡(jiǎn)諧振動(dòng)具有等時(shí)性，則可知彈簧振子的周期與振幅無(wú)關(guān)．故A項(xiàng)錯(cuò)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(wú)關(guān)，故B項(xiàng)正確；在波傳播方向上的某個(gè)質(zhì)點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，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(guò)程中速度不變，故C項(xiàng)錯(cuò)誤；波在一個(gè)周期內(nèi)傳播的距離等于一個(gè)波長(zhǎng)，即傳播一個(gè)完全波，則單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)媒質(zhì)中一點(diǎn)的完全波的個(gè)數(shù)就是這列簡(jiǎn)諧波的頻率，故D項(xiàng)正確． 【答案】 BD,二、波的衍射 1．波的衍射 波在傳播過(guò)程中能繞過(guò)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(zhǎng)小，或者跟波長(zhǎng)相差不多．,【例5】 如圖所示是觀察水面波衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，AC和BD是兩塊擋板，AB是一個(gè)孔，O是波源，圖中已畫(huà)出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每?jī)蓷l相鄰波紋(圖中曲線)之間距離表示一個(gè)波長(zhǎng)，則波經(jīng)過(guò)孔之后的傳播情況，下列描述正確的是( ),A．此時(shí)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(kuò)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(diǎn)考查了機(jī)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(zhǎng)差不多相等或小于波長(zhǎng)時(shí)，才能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象．由圖可見(jiàn)兩波紋間距λ與AB孔的大小接近，所以水波通過(guò)AB孔會(huì)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(zhǎng)也不變，A、B選項(xiàng)正確．AB孔擴(kuò)大后若破壞了明顯衍射的條件時(shí)就不會(huì)看到明顯的衍射現(xiàn)象，故C選項(xiàng)正確，D選項(xiàng)錯(cuò)誤．此題重在理解：障礙物尺寸和波長(zhǎng)的相對(duì)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(shuō)法，不太明確，“障礙物或小孔的尺寸比波長(zhǎng)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(zhǎng)的2－3倍(根據(jù)高考題目測(cè)量的結(jié)果)．此種情況仍可稱(chēng)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(dú)立傳播原理 幾列波相遇時(shí)，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(dú)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(zhǎng)、振動(dòng)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(guò)的過(guò)程中可能出現(xiàn)下圖所示的哪種波形(波長(zhǎng)、振幅均相同)( ),【答案】 B,2．波的疊加原理 以?xún)闪胁槔?，在兩列波重疊的區(qū)域里，任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)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(dòng)加強(qiáng)，某些地方的振動(dòng)減弱，并且加強(qiáng)和減弱的區(qū)域間隔出現(xiàn)，加強(qiáng)的地方始終加強(qiáng)，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(guò)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(shuō)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(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，振動(dòng)加強(qiáng)，當(dāng)波程差為半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，振動(dòng)減弱，使有的地方振動(dòng)加強(qiáng)有的地方振動(dòng)減弱，且加強(qiáng)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(xiàng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象． 2．實(shí)質(zhì) 波源的頻率沒(méi)有變化，而觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化．,3．相對(duì)運(yùn)動(dòng)與頻率的關(guān)系 (1)波源與觀察者相對(duì)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(yuǎn)離： 觀察者接收到的頻率減小．,【例8】 有一種用細(xì)繩操縱沿圓周飛行的模型飛機(jī)，裝有內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，下列說(shuō)法中正確的是( ) A．站在中心的操縱者聽(tīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)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(tīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)發(fā)出的聲音的音調(diào)是不變的 C．站在場(chǎng)邊的觀察者聽(tīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)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(chǎng)邊的觀察者聽(tīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)發(fā)出的聲音的音調(diào)是不變的,【解析】 “發(fā)動(dòng)機(jī)”做圓周運(yùn)動(dòng)，相對(duì)操縱者距離不變，故B項(xiàng)正確，A項(xiàng)錯(cuò)．“發(fā)動(dòng)機(jī)”做圓周運(yùn)動(dòng)，離觀察者的距離是周期性變化的，因此C項(xiàng)正確，D項(xiàng)錯(cuò)． 【答案】 BC,五、次聲波和超聲波 1．聲波 (1)聲波是縱波． (2)人耳聽(tīng)到聲波的頻率范圍：20 Hz—20 000 Hz. (3)能夠把回聲和原聲區(qū)分開(kāi)來(lái)的最小時(shí)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(chēng)為聲波的共鳴．,小資料 鳴沙洲 聲音的共鳴會(huì)在沙丘引起“鳴沙”．沙粒從沙丘上傾瀉下來(lái)．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(huì)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(cè)速儀測(cè)量車(chē)速的示意圖，測(cè)速儀發(fā)出并接收超聲波脈沖信號(hào)，根據(jù)發(fā)出和接收到的信號(hào)間的時(shí)間差，測(cè)出被測(cè)物體的速度．圖B中P1、P2是測(cè)速儀發(fā)出的超聲波信號(hào)，n1、n2分別是P1、P2由汽車(chē)反射回來(lái)的信號(hào)．,設(shè)測(cè)速儀勻速掃描，P1、P2之間的時(shí)間間隔Δt＝1.0 s，超聲波在空氣中傳播的速度是v＝340 m/s，若汽車(chē)是勻速行駛的，則根據(jù)圖B可知，汽車(chē)在接收到P1、P2兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間內(nèi)前進(jìn)的距離是________m，汽車(chē)的速度是________m/s.,【答案】 17 17.0,對(duì)振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱的理解 1．從矢量合成角度理解 振動(dòng)加強(qiáng)或振動(dòng)減弱應(yīng)從位移矢量合成的角度理解：兩列波在某處振動(dòng)位移總是同向，則振動(dòng)相互加強(qiáng)，即x＝x1＋x2；若兩列波在某處振動(dòng)位移總是相反，即相互削弱，有x＝x1－x2.特例：波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇，振動(dòng)加強(qiáng)．波峰與波谷相遇，為振幅減弱．,【例1】 兩列簡(jiǎn)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(shí)線所示；一列沿x負(fù)方向傳播，如圖中虛線所示．這兩列波的頻率相等，振動(dòng)方向均沿y軸，則圖中x＝1、2、3、4、5、6、7、8各點(diǎn)中振幅最大的是x＝_______的點(diǎn)，振幅最小的是x＝________的點(diǎn)．,x＝2、6兩點(diǎn)，均在平衡位置，勢(shì)能為零，單獨(dú)一列波的速度均為零，故動(dòng)能為零，以后也振動(dòng)不起來(lái)，振幅為零；x＝1、3、5、7各點(diǎn)均在平衡位置，勢(shì)能為零，如1的各波單獨(dú)引起的振動(dòng)方向均向下，此時(shí)各波單獨(dú)引起的振動(dòng)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(shuō)明此時(shí)有速度，但不是最大，因此對(duì)應(yīng)的能量0≤E≤Emax，因此以后振動(dòng)起來(lái)，振幅0≤A≤Amax，其他各點(diǎn)同理分析能量情況相同． 【答案】 4、8 2、6,【名師點(diǎn)撥】 我們?cè)诶斫獠ǖ寞B加原理時(shí)，要注意，各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的疊加，不僅包括位移疊加， 還包括振動(dòng)速度的疊加．因此判斷波的疊加區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的合振動(dòng)情況時(shí)， 綜合位移，速度、加速度的情況，才能準(zhǔn)確判定．,【例2】 如圖所示為聲波干涉演示儀的原理圖．兩個(gè)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(guò)A、B傳播到右側(cè)小孔時(shí)，若兩列波傳播的路程相差半個(gè)波長(zhǎng)，則此處聲波的振幅________；若傳播的路程相差一個(gè)波長(zhǎng)，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(gè)波長(zhǎng)，則振動(dòng)相消，所以此處振幅為零，若傳播的路程相差一個(gè)波長(zhǎng)，振動(dòng)加強(qiáng)，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(lèi)旁通】 如圖所示，在直線PQ的垂線OM上有A、B兩個(gè)聲源，A、B分別距O點(diǎn)6 m和1 m，兩個(gè)聲源同時(shí)不斷向外發(fā)出波長(zhǎng)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(tīng)不到聲音的小區(qū)域共有( ) A．無(wú)窮多個(gè) B．5個(gè) C．4個(gè) D．3個(gè),【答案】 B 【學(xué)法指導(dǎo)】 本題考查了數(shù)學(xué)知識(shí)在波動(dòng)問(wèn)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(gè)大飛躍．再利用極限法推出離O點(diǎn)越遠(yuǎn)，Δs越小，從而將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化，從本題要學(xué)會(huì)如何對(duì)物理問(wèn)題難點(diǎn)的突破．,一、周期性引起的波動(dòng)的多解 【例1】 如圖所示，實(shí)線和虛線分別為某種波在t時(shí)刻和t＋Δt時(shí)刻的波形曲線．B和C是橫坐標(biāo)分別為d和3d的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)，下列說(shuō)法中正確的是( ),【答案】 C,【例2】 兩列火車(chē)以20 m/s的速度迎面開(kāi)來(lái)又錯(cuò)車(chē)離去，甲汽車(chē)笛聲為2 500 Hz，問(wèn)乙車(chē)中乘客聽(tīng)到的汽笛聲有什么變化？,因此，錯(cuò)車(chē)前后，乙車(chē)中乘客聽(tīng)到的汽笛聲頻率由2 813 Hz變成2 222 Hz，這樣乘客在錯(cuò)車(chē)瞬間明顯感覺(jué)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．,