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,第2单元 机械波,一、机械波 1机械波 机械振动在介质中的传播形成机械波简谐振动在介质中的传播叫简谐波 2振动传播的原因 介质可以看成是由大量质点构成的物质，相邻质点间都有相互作用力当介质中的某一点发生振动时，就会带动它周围的质点振动起来，形成机械波,3产生条件 振源(波源)；介质 【名师点拨】 机械波必须在介质中才能传播，在真空中机械波是无法传播的，而光波、电磁波的传播不需要介质这是机械波与电磁波的本质区别 4特征 (1)机械波传播的是振动的形式，质点本身并不“随波逐流”，介质中各质点在其平衡位置两侧做往复振动,【例1】 在平静的水面上，投入一石块，激起频率为5 Hz的水波，已知水波的波长为10 cm(设水波为理想横波)，经3 s后，水波能将浮在水平面上的落叶在水面上推动的距离是( ) A1.5 m B0.6 m C0.3 m D0 【答案】 D,(2)波是传播能量的一种方式： 机械波是以振动形式向外传播，质点获得能量，这个能量是由波源传来的，所以，波是能量传递的一种形式，波相当于载体，这一点在机械波的传播中特别重要 5波的分类 按质点的振动的方向和波的传播方向间的关系，可分为横波和纵波 (1)横波： 质点的振动方向和波的传播方向垂直的波称为横波横波有波峰和波谷,(2)纵波： 质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上质点分布密的部分叫密部，分布疏的部分叫疏部,【例2】 某地区地震波中的横波和纵波传播速率分别约为4 km/s和9 km/s，一种简易地震仪由竖直弹簧振子P和水平弹簧振子H组成(如图所示)，在一次地震中，震源在地震仪下方，观察到两振子相差5 s开始振动，则( ),AP先开始振动，震源距地震仪约36 km BP先开始振动，震源距地震仪约25 km CH先开始振动，震源距地震仪约36 km DH先开始振动，震源距地震仪约25 km,【答案】 A 【学法指导】 本题考查纵横波的理解，质点概念的应用因为仪器本身与震源和地震仪距离相比较，可以看做点,6描述波动的几个物理量 (1)波长： 定义1：两个相邻的在振动过程中对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离叫波长 定义2：振动在一个周期内所传播的距离叫一个波长 定义3：两个相邻的同相质点间的距离,【例3】 (2012浙江)用手握住较长软绳的一端连续上下抖动，形成一列简谐横波，某一时刻的波形如图所示，绳上a、b两质点均处于波峰位置下列说法正确的是( ) Aa、b两点之间的距离为半个波长 Ba、b两点振动开始时刻相差半个周期 Cb点完成全振动次数比a点多一次 Db点完成全振动次数比a点少一次,【解析】 a、b两点之间的距离为一个波长，故A项错误；根据简谐横波传播过程中，振动在一个周期内传播一个波长的距离，可知a、b两点振动开始时刻相差一个周期，故B项错误；简谐横波向右传播，b点完成全振动次数比a点少一次，故C项错误，D项正确 【答案】 D,(2)波速v： 波速由介质决定，介质不变，波速不变，介质变化，波速变化，一般规律是v固v液v气简谐波的波速是波整体波形的传播速度，不是介质中振动质点的简谐振动速度波在同一种均匀介质中传播是匀速的，而质点做变速运动 (3)频率f： 机械波的频率由波源的振动频率决定，与介质、波速、波长无关即同一列波在不同介质中传播时，f不变，不能通过提高波速来提高频率 (4)关系vf，波长既与v有关，又与f有关，并由v、f共同决定,【例4】 下列关于简谐振动和简谐机械波的说法正确的是( ) A弹簧振子的周期与振幅有关 B横波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定 C在波传播方向上的某个质点的振动速度就是波的传播速度 D单位时间内经过媒质中一点的完全波的个数就是这列简谐波的频率,【解析】 简谐振动具有等时性，则可知弹簧振子的周期与振幅无关故A项错误；横波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定，与频率无关，故B项正确；在波传播方向上的某个质点做简谐运动，速度是周期性变化的，而在同一均匀介质传播的波，传播过程中速度不变，故C项错误；波在一个周期内传播的距离等于一个波长，即传播一个完全波，则单位时间内经过媒质中一点的完全波的个数就是这列简谐波的频率，故D项正确 【答案】 BD,二、波的衍射 1波的衍射 波在传播过程中能绕过障碍物或小孔，继续向前传播的现象，叫波的衍射 2发生明显衍射现象的条件 障碍物或小孔的尺寸比波长小，或者跟波长相差不多,【例5】 如图所示是观察水面波衍射的实验装置，AC和BD是两块挡板，AB是一个孔，O是波源，图中已画出波源所在区域波的传播情况，每两条相邻波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长，则波经过孔之后的传播情况，下列描述正确的是( ),A此时能明显观察到波的衍射现象 B挡板前后波纹间距离相等 C如果将孔AB扩大，有可能观察不到明显的衍射现象 D如果孔的大小不变，使波源频率增大，能更明显观察到衍射现象 【解析】 本题重点考查了机械波产生明显衍射现象的条件，即小孔或障碍物的尺寸同波长差不多相等或小于波长时，才能产生明显的衍射现象由图可见两波纹间距与AB孔的大小接近，所以水波通过AB孔会发生明显的衍射,由于衍射后水波的频率不变，波速不变，因此水波的波长也不变，A、B选项正确AB孔扩大后若破坏了明显衍射的条件时就不会看到明显的衍射现象，故C选项正确，D选项错误此题重在理解：障碍物尺寸和波长的相对大小关系，并以此作为判断明显衍射的条件 【答案】 ABC,【学法指导】 产生明显的衍射现象条件属模糊说法，不太明确，“障碍物或小孔的尺寸比波长小”还比较易于把握及应用，但是“差不多”，这一条件不好把握本题展示的小孔的尺寸为波长的23倍(根据高考题目测量的结果)此种情况仍可称为“差不多”，可以产生明显的衍射现象,三、波的干涉 1波的独立传播原理 几列波相遇时，互不干扰，仍保持原有的波形，继续向前传播，这就是波的独立传播性原理“各自保持原有的波形”指：保持原有的波速、频率、波长、振动方向等不变,【例6】 如右图所示，为在一条绳的两端相向传播的两列波，在它们相遇直到穿过的过程中可能出现下图所示的哪种波形(波长、振幅均相同)( ),【答案】 B,2波的叠加原理 以两列波为例，在两列波重叠的区域里，任何一个质点的总位移都等于两列波分别引起的位移的矢量和 3波的干涉 (1)条件：频率相同的两列同性质的波相遇 (2)现象：某些地方的振动加强，某些地方的振动减弱，并且加强和减弱的区域间隔出现，加强的地方始终加强，减弱的地方始终减弱，形成的图样是稳定的干涉图样,【例7】 (2010上海)利用发波水槽得到的水面波形如图a、b所示，则( ),A图a、b均显示了波的干涉现象 B图a、b均显示了波的衍射现象 C图a显示了波的干涉现象，图b显示了波的衍射现象 D图a显示了波的衍射现象，图b显示了波的干涉现象 【解析】 波绕过障碍物继续传播的现象就是波的衍射现象，故图a说明发生了明显的衍射现象；频率相同的两列波相遇，当波程差为波长的整数倍时，振动加强，当波程差为半个波长的奇数倍时，振动减弱，使有的地方振动加强有的地方振动减弱，且加强和减弱的区域交替出现，故图b是发生了干涉现象，故D项正确 【答案】 D,四、多谱勒效应 1定义 由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象 2实质 波源的频率没有变化，而观察者接收到的频率发生了变化,3相对运动与频率的关系 (1)波源与观察者相对静止： 观察者接收到的频率等于波源的频率 (2)波源与观察者相互接近： 观察者接收到的频率增大 (3)波源与观察者相互远离： 观察者接收到的频率减小,【例8】 有一种用细绳操纵沿圆周飞行的模型飞机，装有内燃发动机作为动力，下列说法中正确的是( ) A站在中心的操纵者听到发动机工作时发出的声音的音调忽高忽低地做周期性变化 B站在中心的操纵者听到发动机工作时发出的声音的音调是不变的 C站在场边的观察者听到发动机工作时发出的声音的音调忽高忽低地做周期性变化 D站在场边的观察者听到发动机工作时发出的声音的音调是不变的,【解析】 “发动机”做圆周运动，相对操纵者距离不变，故B项正确，A项错“发动机”做圆周运动，离观察者的距离是周期性变化的，因此C项正确，D项错 【答案】 BC,五、次声波和超声波 1声波 (1)声波是纵波 (2)人耳听到声波的频率范围：20 Hz20 000 Hz. (3)能够把回声和原声区分开来的最小时间间隔为0.1 s. (4)声波亦能发生反射、折射、干涉和衍射等现象，声波的共振称为声波的共鸣,小资料 鸣沙洲 声音的共鸣会在沙丘引起“鸣沙”沙粒从沙丘上倾泻下来沙层间摩擦产生的声音频率同沙丘里的固有频率相同，引起沙丘共鸣宁夏黄河边的鸣沙洲就因那里的沙丘会发出各种奇异声音而得名 2次声波 频率低于20 Hz的声波 3超声波 频率高于20 000 Hz的声波，应用：声呐、探伤、打碎、诊断等,【例9】 如图所示图A是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度图B中P1、P2是测速仪发出的超声波信号，n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号,设测速仪匀速扫描，P1、P2之间的时间间隔t1.0 s，超声波在空气中传播的速度是v340 m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图B可知，汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离是_m，汽车的速度是_m/s.,【答案】 17 17.0,对振动加强和振动减弱的理解 1从矢量合成角度理解 振动加强或振动减弱应从位移矢量合成的角度理解：两列波在某处振动位移总是同向，则振动相互加强，即xx1x2；若两列波在某处振动位移总是相反，即相互削弱，有xx1x2.特例：波峰与波峰相遇，波谷与波谷相遇，振动加强波峰与波谷相遇，为振幅减弱,【例1】 两列简谐横波均沿x轴传播，传播速度大小相等，其中一列沿x正方向传播，如图中实线所示；一列沿x负方向传播，如图中虚线所示这两列波的频率相等，振动方向均沿y轴，则图中x1、2、3、4、5、6、7、8各点中振幅最大的是x_的点，振幅最小的是x_的点,x2、6两点，均在平衡位置，势能为零，单独一列波的速度均为零，故动能为零，以后也振动不起来，振幅为零；x1、3、5、7各点均在平衡位置，势能为零，如1的各波单独引起的振动方向均向下，此时各波单独引起的振动既不在最大位移处(速度为零)，也不在平衡位置(速度最大)处，说明此时有速度，但不是最大，因此对应的能量0EEmax，因此以后振动起来，振幅0AAmax，其他各点同理分析能量情况相同 【答案】 4、8 2、6,【名师点拨】 我们在理解波的叠加原理时，要注意，各质点振动的叠加，不仅包括位移叠加， 还包括振动速度的叠加因此判断波的叠加区域内各质点的合振动情况时， 综合位移，速度、加速度的情况，才能准确判定,【例2】 如图所示为声波干涉演示仪的原理图两个U形管A和B套在一起，A管两侧各有一小孔声波从左侧小孔传入管内，被分成两列频率_的波当声波分别通过A、B传播到右侧小孔时，若两列波传播的路程相差半个波长，则此处声波的振幅_；若传播的路程相差一个波长，则此处声波的振幅_,【解析】 声波从左侧小孔传入管内向上向下分别形成两列频率相同的波，若两列波传播的路程相差半个波长，则振动相消，所以此处振幅为零，若传播的路程相差一个波长，振动加强，则此处声波的振幅为原振幅的二倍 【答案】 相等 等于零 等于原振幅的二倍,【触类旁通】 如图所示，在直线PQ的垂线OM上有A、B两个声源，A、B分别距O点6 m和1 m，两个声源同时不断向外发出波长都为2 m的完全相同的声波，在直线PQ上从到的范围内听不到声音的小区域共有( ) A无穷多个 B5个 C4个 D3个,【答案】 B 【学法指导】 本题考查了数学知识在波动问题中的应用，特别是利用三角形两边之差小于第三边的结论，将到的大范围缩小到5 m内，这是解题的一个大飞跃再利用极限法推出离O点越远，s越小，从而将复杂问题简化，从本题要学会如何对物理问题难点的突破,一、周期性引起的波动的多解 【例1】 如图所示，实线和虚线分别为某种波在t时刻和tt时刻的波形曲线B和C是横坐标分别为d和3d的两个质点，下列说法中正确的是( ),【答案】 C,【例2】 两列火车以20 m/s的速度迎面开来又错车离去，甲汽车笛声为2 500 Hz，问乙车中乘客听到的汽笛声有什么变化？,因此，错车前后，乙车中乘客听到的汽笛声频率由2 813 Hz变成2 222 Hz，这样乘客在错车瞬间明显感觉到汽笛的音调降低很多 【答案】 频率由2 813 Hz变成2 222 Hz，音调降低,
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