高中物理 《波的形成和描述》教案 鲁科版选修3-4

第一节 波的形成和描述 三维教学目标1、知识与技能（1）知道直线上机械波的形成过程；（2）知道什么是横波，波峰和波谷；（3）知道什么是纵波，密部和疏部；（4）知道“机械振动在介质中传播，形成机械波”，知道波在传播运动形式的同时也传递了能量。（5）知道波的图象，知道横、纵坐标各表示什么物理量，知道什么是简谐波；（6）知道什么是波的图象，能在简谐波的图象中读出质点振动的振幅；（7）根据某一时刻的波的图象和波的传播方向，能画出下一时刻和前一时刻的波的图象，并能指出图象中各个质点在该时刻的振动方向；（8）了解波的图象的物理意义，能区别简谐波与简谐运动两者的图象。2、过程与方法：通过实验演示、观察、分析，培养学生进行科学探索的能力。从而，培养学生的空间想象能力和思维能力。3、情感他、态度与价值观：教学重点：机械波的形成过程及传播规律及波的图象认识及画波形图。教学难点：机械波的形成过程及传播规律及波的图象的物理意义教学方法：实验探索和计算机辅助教学。教学教具：丝带、波动演示箱、水平悬挂的长弹簧、音叉、波动演示仪（）引入新课演示：抖动丝带的一端，产生一列凹凸相间的波在丝带上传播，在这个简单的例子中，我们接触到一种广泛存在的运动形式波动，请同学们再举出几个有关波的例子。（水波、声波、无线电波、光波。）水波、声波、地震波都是机械波，无线电波、光波都是电磁波。这一章我们学习机械波的知识，以后还会学习电磁波的知识。（二）进行新课现在学习第一节，波的形成和传播。1、波的形成和传播演示：拨动水平悬挂的柔软长弹簧一端，产生一列疏密相间的波沿弹簧传播；演示：敲击音叉，听到声音，这是声波在空气中传播（指明，虽然眼睛看不到波形，但它客观存在，也是疏密相间的波形）（1）波产生的条件：波源；介质。（为研究波的形成奠定基础）（2）波是怎样形成的呢？为什么会有不同的波形？波传播的是什么呢？（设置疑问，激发学生的探究欲望）实验探索：探索波的形成原因和传播规律：实验1：学生分组实验：每两人一条丝带（60cm左右），观察丝带上凹凸相间的波。实验步骤：（1）将丝带一端用手指按在桌面上，手持另一端沿水平桌面抖动，在丝带上产生一列凹凸相间的波向另一端传播。（2）在丝带上每隔大约23cm用墨水染上一个点，代表丝带上的质点。重复步骤（1），观察丝带上的质点依次被带动着振动起来，振动沿丝带传播开去，在丝带上形成凹凸相间的波。思考：丝带的一端振动后，为什么后面的质点能被带动着运动起来？_如果将丝带剪断，后面的质点还能运动吗？_分析：丝带上凹凸相间的波形是怎样产生的？_（可以参阅课本第3页）观察：丝带上的质点是否随波向远处迁移？_实验2：观察波动演示器上凹凸相间的波：（因器材有限，可以教师操作，引导学生注意观察）实验步骤：（1）逆时针转动摇柄，演示屏上的质点排成一条水平线。（表示各质点都处在平衡位置）（2）顺时针转动摇柄，各个质点依次振动起来。（注意观察各个质点振动的先后顺序）现象：后面的质点总比前面的质点开始振动的时刻_，从总体上看形成凹凸相间的波。各质点的振动沿_方向，波的传播沿_方向，质点振动方向与波的传播方向_。 质点是否沿波的传播方向迁移？_这种波叫做横波，在横波中凸起的最高处叫做波峰，凹下的最低处叫做波谷。实验3：观察弹簧上产生的疏密相间的波。实验步骤：（1）拨动水平悬挂的柔软长弹簧一端，产生一列疏密相间的波沿弹簧传播。（2）在弹簧上某一位置系一根红布条，代表弹簧上的质点，重复步骤（1）。观察：红布条是否随波迁移？_说明了什么？_分析：弹簧上疏密相间的波形是怎样产生的？_（类比丝带上波产生的分析方法，锻炼学生的知识迁移能力）实验4：观察波动演示器上疏密相间的波：实验步骤：（1）逆时针转动摇柄，演示屏上的质点排成一条水平线。（2）顺时针转动摇柄，各个质点依次振动起来。现象：后面的质点总比前面的质点开始振动的时刻_，从总体上看形成疏密相间的波。各质点的振动沿_，波的传播沿_方向，质点振动方向与波的传播方向_。质点是否沿波的传播方向迁移？_这种波叫做纵波，在纵波中最密处叫做密部，最疏处叫做疏部。结论：不论横波还是纵波，介质中各个质点发生振动并不随波迁移。因此，波传播的是_，而不是介质本身。 波传来前，各个质点是静止的，波传来后开始振动，说明他们获得了能量。这个能量是从波源通过前面的质点传来的。因此：波是传递_的一种方式。知识应用：（1）课本中提到地震波既有横波，又有纵波。你能想象在某次地震时，位于震源正上方的建筑物，在纵波和横波分别传来时的振动情况吗？为什么？（从理性认识回到感性认识，实现认识的第二次飞跃）（2）本来是静止的质点，随着波的传来开始振动，有关这一现象的说法正确的有：A、该现象表明质点获得了能量B、质点振动的能量是从波源传来的C、该质点从前面的质点获取能量，同时也将振动的能量向后传递D、波是传递能量的一种方式E、如果振源停止振动，在介质中传播的波也立即停止F、介质质点做的是受迫振动2、什么是波的图象振动质点在某一时刻的位置连成的一条曲线，叫波的图象。这就是质点振动方向和波的传播方向之间的关系问题。3、振动方向和波的传播方向的关系例题1：一列横波在某一时刻的波形图如图10-1所示。若此时刻质点a的振动方向向下，则波向什么方向传播？分析：取和a相邻的两个点b、c。若a点此时刻向下振动，则b点应是带动a点振动的，c点应是在a点带动下振动的。所以b点先振动，其次是a、c两点。因此，波是向左传播的。4、波的图象变化情况确定波的图象变化的情况有两种方法：一是描点作图法，二是图象平移作图法。（这一节课我们重点学习前一种方法）（1）描点作图法例题2：某一简谐波在t=0时刻的波形图如图10-2中的实线所示。若波向右传播，画出T/4后和T/4前两个时刻的波的图象。分析：根据t=o时刻波的图象及传播方向，可知此时刻A、B、C、D、E、F各质点在该时刻的振动方向，由各个质点的振动方向可确定出经T/4后各个质点所在的位置，将这些点所在位置用平滑曲线连接起来，便可得到经T/4后时刻的波的图象。如图10-2中虚线所示。若波向左传播，同样道理可以画出从t=o时刻开始的T/4后和T/4前两个时刻的波的图象。下面请同学们在练习本上画出波向左传播，从t=0时刻开始的T/4后和T/4前两个时刻的波的图象。（可以请两个学生到黑板上练习，及时发现问题，进行针对性讲评）（2）图象平移作图法从波的图象中的波形曲线我们看到，波的图象和振动图象从图线形状看，可以完全相同，但两种图象有着本质的区别。5、波的图象与振动图象的区别（1）两种图象横、纵坐标的意义不同。波的图象横坐标x表示在波的传播方向上各个质点的平衡位置，振动图象横坐标t表示该质点振动的时间。（2）两种图象描述的对象不同波的图象描述的是某一时刻各个质点偏离平衡位置的位移，振动图象描述的是某一质点在不同时刻偏离平衡位置的位移。（3）两种图象相邻两个正向（或负向）位移最大值之间的距离含义不同。波的图象中相邻两个正向（或负向）位移最大值之间的距离表示波在一个周期内传播的距离，振动图象中相邻两个正向（或负向）位移最大值之间的距离表示振动的周期。巩固练习（1）一列横波在某一时刻的波形如图10-4所示，若质点O此时向上运动，则波的传播方向 ；若波向左传播，则此时振动方向向下的质点有 。 （2）如图10-5所示是一列横波在t=o时刻的波形图。若波向左传播，用“描点法”作出3T/4前时刻的波形图。6、波长（）在教材中的图10-5可以看出，由质点1发出的振动传到质点13，使质点13开始振动时，质点1完成一次全振动，因而这两个质点的振动步调完全一致。也就是说，至两个质点在振动中的任何时刻，对平衡位置的位移大小和方向总是相等的。我们就把这样两个质点之间的距离叫做波长。（1）在波动中，对平衡位置的位移总是相等的两个相邻质点间的距离，叫做波的波长。（2）几点说明要理解“位移总相等”的含义。这里要求的是每时每刻都相等。如图10-10所示，如E、F两点在图示的时刻位移是相等的，但过一段时间后，位移就不一定相等，所以E、F两点的距离就不等于一个波长。第一、“位移总相等” 的含义是“每时每刻都相等”。从波的图象中不难看出，位移总相等的两个质点，其速度也总是相等的。第二、位移总相等的两个质点，其速度也总是相等的。在横波中，两个相邻波峰或两个相邻波谷之间的距离等于波长。在纵波中，两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距离也等于波长。结合图10-10，我们可以看到，相距/2的两个质点振动总是相反的。进而可以总结出这样的结论：相距整数倍的质点振动步调总是相同的；相距/2奇数倍的质点振动步调总是相反的。为了描述波的传播过程，还需要引入物理量周期和频率。7、周期（T）、频率（f）波源质点振动的周期（或频率）也就是波传播的周期（频率）。（1）波源质点振动的周期（或频率）就是波的周期（或频率）。（2）几点说明由于波的周期（或频率）就是波源质点振动周期（或频率），所以波的周期（或频率）应由波源决定，与传播波的介质无关。第一、同一种波在同一种介质中传播时周期（或频率）保持不变。第二、每经过一个周期的时间波就沿传播方向传播一个波长的距离。第三、每经历一个周期，原有的波形图不改变。8、波速（v）波速的含义和物体运动速度的含义是相同的。波速描述的是振动在介质中传播的快慢程度。（1）单位时间内振动所传播的距离叫做波速。即v=s/t（2）几点说明。同一振动在不同介质中传播的快慢程度是不同的，也就是说，同一列波在不同介质中传播的速度不同。由此我们还可以想到，在同一均匀介质中，同一列波的波速应是不变的。第一、波速的大小由介质的性质决定，同一列波在不同介质中传播速度不同。第二、一列波在同一均匀介质中是匀速传播的，即s=vt。波速和质点振动的速度有着完全不同的含义。前者在同种均匀介质中具有某一定值，后者的大小和方向都是随时间改变的。第三、要区分波速与质点振动速度的含义。由波长、周期、（或频率）和波速的定义，我们可以看到三者有着一定的联系。9、波长、周期（或频率）和波速的关系。在波动中，每经过一个周期T，振动在介质中传播的距离等于一个波长。由此我们可以找到、T（或f）和v三者之间的关系。V = / T由于周期T和频率f互为倒数（即f=1/T），所以v、与f还应有如下对应关系。V = f由上式我们还可以这样理解波速这个物理量，波速等于波长和频率的乘积。这个关系虽然是从机械波得到的，但是它对于我们以后要学习的电磁波、光波也是适用的。对于式v=/T或 v=f，我们不但要理解，还要能应用他们解决实际问题。为了加深对以上两式的理解和提高应用以上两式分析问题和解决问题的能力。