2019-2020年高中物理 第十二章 機(jī)械波教案 新人教版選修3.doc

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2019-2020年高中物理 第十二章 機(jī)械波教案 新人教版選修3 一、教學(xué)目標(biāo) 1．通過本節(jié)習(xí)題課的復(fù)習(xí)，進(jìn)一步熟悉全章的基本內(nèi)容，提高解決問題的能力。 2．本章要求同學(xué)們： ①理解機(jī)械波的產(chǎn)生，知道機(jī)械波傳播的物理實(shí)質(zhì)。 ②理解波的圖象的物理意義，能夠利用波的圖象解決實(shí)際問題。 ③知道什么是波的波長、周期（頻率）和頻率，以及波長、周期（頻率）和波速的關(guān)系，理解它們的決定因素。 ④知道什么是波的衍射和干涉，知道產(chǎn)生衍射和干涉的條件。 ⑤知道什么是多普勒效應(yīng)，并能利用多普勒效應(yīng)解釋簡單的生活現(xiàn)象。 二、復(fù)習(xí)重點(diǎn)： 波的三大關(guān)系的綜合應(yīng)用: ①波的圖象、質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和波的傳播方向之間的關(guān)系； ②波長、周期（頻率）和波速的關(guān)系v=λ/T或v=λf； ③空間距離和時(shí)間的關(guān)系s=vt. 三、教學(xué)方法： 復(fù)習(xí)提問，講練結(jié)合，課件演示 四、教具 學(xué)案，計(jì)算機(jī)，大屏幕，課件 五、教學(xué)過程 （一）知識(shí)回顧 Ⅰ 機(jī)械波的形成 機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播叫機(jī)械波，形成機(jī)械波要有機(jī)械振動(dòng)做為波源，還要有傳播機(jī)械波的介質(zhì)，機(jī)械波是通過介質(zhì)將振動(dòng)的形式和能量傳播出去，波源和介質(zhì)是形成機(jī)械波的必要條件。 機(jī)械波傳播的是波源的運(yùn)動(dòng)形式和波源提供的能量，介質(zhì)中的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)并沒有隨波遷移。從局部看，介質(zhì)中的各個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在各自的平衡位置附近振動(dòng)，從整體看，介質(zhì)中距波源較近的質(zhì)點(diǎn)先振動(dòng)，并且?guī)?dòng)距波源較遠(yuǎn)的質(zhì)點(diǎn)隨之振動(dòng)，向外傳播波源的運(yùn)動(dòng)形式和波源提供的能量。介質(zhì)中的各質(zhì)點(diǎn)都做受迫振動(dòng)，所以介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的周期和頻率都與波源的振動(dòng)周期和頻率相同，這個(gè)周期和頻率就叫做機(jī)械波的周期和頻率，波的傳播是需要時(shí)間的，在波傳播過程中，介質(zhì)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的周期和頻率是相同的，但它們振動(dòng)的步調(diào)不同，在波傳播方向上后面的質(zhì)點(diǎn)總是追隨前面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，其步調(diào)總比前面質(zhì)點(diǎn)滯后一些。 機(jī)械波分橫波和縱波兩種，介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直的波叫橫波，介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向在同一直線上的波叫縱波Ⅱ 描述波的物理量──波長，周期（頻率）和波速 波長的意義可從兩個(gè)角度去理解，反映了研究波的兩種方法，從振動(dòng)的角度來講，兩個(gè)相鄰的，在振動(dòng)過程中對(duì)平衡位置的位移總是相等的質(zhì)點(diǎn)間的距離叫波長，如相鄰的兩個(gè)波峰或波谷間的距離就是一個(gè)波長，從波傳播的角度來講，振動(dòng)在一個(gè)周期里在介質(zhì)中傳播的距離等于一個(gè)波長。 波的周期和頻率就是介質(zhì)中各個(gè)點(diǎn)振動(dòng)的周期和頻率，它等于波源的周期和頻率，波的周期和頻率與波傳播的介質(zhì)無關(guān)并在波傳播過程中保持不變。 波傳播振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)形式，某一時(shí)刻，介質(zhì)中的A點(diǎn)處在波峰（或振動(dòng)的某一位置），隨著波的傳播，可以看到波峰沿著波的傳播方向移動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間介質(zhì)B點(diǎn)達(dá)到波峰，即振動(dòng)由A傳到B點(diǎn)，波傳播的距離和所有時(shí)間的比叫波速。 由波長意義可以得出波的公式：，它是表示波傳播規(guī)律的一個(gè)基本公式，在機(jī)械波中，波的周期和頻率由波源的周期和頻率決定，在波傳播過程中是不變的，波速是由介質(zhì)的性質(zhì)決定的，不同介質(zhì)波速不同。波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，周期和頻率不變，波長與波在介質(zhì)中的波速成正比 Ⅲ 波的圖象 波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)中不同質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化的情況是不同的，介質(zhì)中某一點(diǎn)的振動(dòng)位移既跟時(shí)間有關(guān)，又跟它距波源的距離有關(guān)，為了表示波在介質(zhì)中的傳播情況，通常選定某一時(shí)刻，用縱坐標(biāo)表示該時(shí)刻各個(gè)質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的位移，橫坐標(biāo)表示介質(zhì)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的平衡位置，用平滑的曲線連接此時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)位移矢量的末端，這就是該時(shí)刻波的圖象。波的圖象是一條正弦或余弦曲線，從波的圖象中可以看出：在波的傳播方向上的介質(zhì)中各點(diǎn)在某時(shí)刻離開平衡位置的位移；波的波長；介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅，若知道波的傳播速度，則可由波的公式，求出波的周期和頻率。 波的傳播具有時(shí)間的周期性和空間的周期性，時(shí)間的周期性是指每隔一個(gè)周期或一個(gè)周期整數(shù)倍的時(shí)間，波形總是重復(fù)出現(xiàn)的，這是因?yàn)槊扛粢粋€(gè)周期整數(shù)倍的時(shí)間，介質(zhì)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況總是重復(fù)的；空間的周期性是指沿波的傳播方向上每隔一個(gè)波長整數(shù)倍的距離的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況總是相同的，因此如果將波的圖象沿著波的傳播方向平行移動(dòng)一個(gè)波長的整數(shù)倍距離，波形也是相同的。 Ⅳ 波的干涉和衍射，波的干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象 波的干涉是頻率相同的兩列波疊加，使介質(zhì)中某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，并且振動(dòng)加強(qiáng)的減弱的區(qū)域互相間隔，形成穩(wěn)定分布的現(xiàn)象。 波的衍射是波繞過障礙物偏離直線傳播的現(xiàn)象，障礙物或孔的尺寸比波長小，或跟波長差不多時(shí)，才有比較明顯的衍射現(xiàn)象。 Ⅴ 多普勒效應(yīng) 由于波源或觀察者相對(duì)于介質(zhì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的波頻率有所變化的現(xiàn)象就叫做多普勒效應(yīng)．多普勒效應(yīng)是波動(dòng)過程所具有的共同特性，不僅聲波（機(jī)械波）有多普勒效應(yīng)，光波也具有多普勒效應(yīng)。 （二）例題精講 【例1】如圖1所示，一列沿x軸正方向傳播的機(jī)械橫波在某一時(shí)刻的圖象，從圖中可看出這列橫波的振幅是______米，波長是_______米，P點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)在此時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向是________。 0.04 -0.04 圖1 分析解答：從波的圖象可直接讀出振幅0.04m，波長2m，判斷P處質(zhì)點(diǎn)此時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向有兩種方法：其一是前質(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)后質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)法，離波源較遠(yuǎn)的后質(zhì)點(diǎn)總要追隨，模仿離波源較近的前質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)，只是其振動(dòng)步調(diào)比前質(zhì)點(diǎn)滯后一些，從圖1中看出，波沿x軸正方向傳播，介質(zhì)中的A點(diǎn)與P點(diǎn)相比，A是前質(zhì)點(diǎn)，P是后質(zhì)點(diǎn)，相差λ/4距離，P質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過T/4時(shí)間將到達(dá)A質(zhì)點(diǎn)現(xiàn)在的位置處，由此判斷出P質(zhì)點(diǎn)是向y軸正方向運(yùn)動(dòng)的。其二是波形平移法，如圖1所示，將原波形（實(shí)線）沿波的傳播方向推進(jìn)一段很小距離得到推進(jìn)后的波形（虛線），比較質(zhì)點(diǎn)在原波形上的位置P和在推后波形上的位置P’，顯然原在P處的質(zhì)點(diǎn)到達(dá)了P’處，同樣得出此時(shí)刻在P處的質(zhì)點(diǎn)是沿正方向運(yùn)動(dòng)的。 點(diǎn)評(píng)：根據(jù)波的圖象可直接讀出該時(shí)刻介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)對(duì)平衡位置的位移，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅和波長，要熟練掌握根據(jù)波傳播方向，判斷質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向可有兩種基本方法、即前質(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)后質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)法和波形平移法，根據(jù)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向判斷波傳播方向，可采取上述相反的方法判斷。 【例2】如圖2所示，a、b是水平繩上的兩點(diǎn)，相距42厘米，一列正弦波沿繩傳播，方向從a到b，每當(dāng)a點(diǎn)經(jīng)過平衡位置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，b點(diǎn)正好到達(dá)上方最大位移處，則此波的波長可能是（ ） A.168厘米 B.184厘米 C.56厘米 D.24厘米 分析解答：題中給出，每當(dāng)a點(diǎn)經(jīng)過平衡位置向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，b點(diǎn)正好到達(dá)上方最大位移處，則ab間距離為3λ/4或或……，如圖2所示，寫出通式，(k=0,1,2……)，由此可得到波長的可能值：當(dāng)k=0時(shí)，42=，λ=56厘米，此為波長最大值，k=1時(shí)，λ=24厘米，故本題選項(xiàng)C、D都正確。 圖2 點(diǎn)評(píng)：由質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的周期性和波速、波長、頻率的關(guān)系v=lf，將導(dǎo)致求解波的問題中，波速、波長、頻率（周期）的多解問題，本題是在已知波傳播方向的情況下討論波長的多解問題，若不知傳播方向，還要討論波沿反方向傳播時(shí)波長的可能值，將兩個(gè)方向傳播時(shí)，波長的可能值含在一起才是完整的，否則，將漏解。 【例3】如圖3所示，實(shí)線是一列簡諧波在某一時(shí)刻的波形圖，虛線是0.2S后它的波形圖，這列波可能的傳播速度是_________。 分析解答：從圖中先讀出λ=4m，由于本題沒有給出波傳播方向，所以波向x軸正方向和波向x軸反方向傳播兩種情況都要考慮。 ⑴設(shè)波沿x軸正方向傳播，則由圖可知，在Δt=0.2S時(shí)間內(nèi)，圖中實(shí)線波形向右移動(dòng),,……，可得到虛線波形圖，則波傳播的距離可能值為，（n=0,1,2……），波傳播速度的可能值為，n=0,1,2……。 本題還可以通過分析介質(zhì)中各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況，求出波的可能周期或頻率，利用波長、波速、頻率（周期）的關(guān)系得到波的傳播速度，圖中實(shí)線波形變成虛線波形需經(jīng)過(n+)T時(shí)間，則(n+)T=Δt=0.2S，可能的周期值為T=Δt/(n+)，可能的波速值為v=λ/T=λ(n+)/Δt=20(n+) (m/S)，n=0,1,2……。 ⑵設(shè)波沿x軸負(fù)方向傳播，圖中實(shí)線波形向左移動(dòng),,……可得到虛線波形，則波傳播距離可能值為S=(n+)λ，(n=0,1,2……)，波傳播速度的可能值為 n=0,1,2……。 圖中實(shí)線波形變成虛線波形，可能的周期值為T=Δt/(n+)，可能波速值為v=λ/T=λ(n+)/Δt=20(n+) (m/S)，n=0,1,2……。 點(diǎn)評(píng)：從本題分析解答可以看出，在波傳播過程中，如果沒有條件限制，其波速有多解性，解題時(shí)一定要認(rèn)真分析，不要發(fā)生漏解。 第2課時(shí) 【例4】如圖4所示，是一列簡諧橫波在t=0時(shí)刻的波形圖，并且此時(shí)波沿x軸正方向傳播到x=2.5cm處，已知從t=0到t=1.1s時(shí)間內(nèi)，P點(diǎn)第三次出現(xiàn)在波峰位置，則P點(diǎn)的振動(dòng)周期是_____S，經(jīng)過______S另一質(zhì)點(diǎn)Q第一次到達(dá)波峰 圖4 分析解答：由于波沿x軸正方向傳播，媒質(zhì)中前質(zhì)點(diǎn)帶動(dòng)后面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)P將在T/4后到達(dá)零位置質(zhì)點(diǎn)現(xiàn)在的位置，所以質(zhì)點(diǎn)P運(yùn)動(dòng)方向向下，經(jīng)過3T/4將出現(xiàn)在第一次波峰處，故P質(zhì)點(diǎn)第三次到達(dá)波峰經(jīng)歷時(shí)間為(2+)T=1.1S，所以T=0.4S，波速v=l/T=2/0.4=5(m/s)，由圖可知此時(shí)位置1的質(zhì)點(diǎn)在波峰，它要傳到位置6的Q質(zhì)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間t=S/v=6－1/5=1S，所以經(jīng)過1S質(zhì)點(diǎn)Q第一次到達(dá)波峰。 【例5】如圖5所示，S1、S2是兩個(gè)相干波源，它們振動(dòng)同步且振幅相同。實(shí)線和虛線分別表示在某一時(shí)刻它們所發(fā)出的波的波峰和波谷。關(guān)于圖中所標(biāo)的a、b、c、d四點(diǎn)，下列說法中正確的有 圖5 A.該時(shí)刻a質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最弱，b、c質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最強(qiáng)，d質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)既不是最強(qiáng)也不是最弱 B.該時(shí)刻a質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最弱，b、c、d質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)都最強(qiáng) C. a質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)始終是最弱的， b、c、d質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)始終是最強(qiáng)的 D.再過T/4后的時(shí)刻a、b、c三個(gè)質(zhì)點(diǎn)都將處于各自的平衡位置，因此振動(dòng)最弱 解：該時(shí)刻a質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最弱，b、c質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最強(qiáng)，這不難理解。但是d既不是波峰和波峰疊加，又不是波谷和波谷疊加，如何判定其振動(dòng)強(qiáng)弱？這就要用到充要條件：“到兩波源的路程之差是波長的整數(shù)倍”時(shí)振動(dòng)最強(qiáng)，從圖中可以看出，d是S1、S2連線的中垂線上的一點(diǎn)，到S1、S2的距離相等，所以必然為振動(dòng)最強(qiáng)點(diǎn)。 　 描述振動(dòng)強(qiáng)弱的物理量是振幅，而振幅不是位移。每個(gè)質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng)過程中的位移是在不斷改變的，但振幅是保持不變的，所以振動(dòng)最強(qiáng)的點(diǎn)無論處于波峰還是波谷，振動(dòng)始終是最強(qiáng)的。 　 本題答案應(yīng)選B、C 圖6 【例6】如圖6兩個(gè)正弦波沿同一條直線向相反方向傳播，在相遇階段，波形將怎樣變化？ 解：根據(jù)波的獨(dú)立傳播原理和疊加原理可作出如右圖形。 點(diǎn)評(píng)： 獨(dú)立傳播原理：幾列波相遇時(shí)，能夠保持各自的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)繼續(xù)傳播，不互相影響。 疊加原理：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、加速度都等于幾列波單獨(dú)轉(zhuǎn)播時(shí)引起的位移、速度、加速度的矢量和。 （三）同步練習(xí) 1．關(guān)于機(jī)械波和機(jī)械振動(dòng)的關(guān)系，下列說法中正確的是（ ） A.有機(jī)械振動(dòng)就有機(jī)械波 B.有機(jī)械波就一定有機(jī)械振動(dòng) C.機(jī)械波中各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率相同 D.機(jī)械波在傳播過程中介質(zhì)中的各質(zhì)點(diǎn)是同時(shí)開始振動(dòng)的 2．聲波在鋼軌中傳播的速度大于在空氣中傳播的速度，則當(dāng)聲音由空氣傳到鋼軌中時(shí)（ ） A．頻率變小，波長變大 B．波長變小，頻率變大 C．頻率不變，波長變大 D．頻率不變，波長變小 圖7 3．一列簡諧波在x軸上傳播，在某時(shí)刻波形圖如圖7所示，已知此時(shí)質(zhì)點(diǎn)E的運(yùn)動(dòng)方向向下，則（ ） A．此波沿x軸正方向傳播 B．質(zhì)點(diǎn)C此時(shí)向下運(yùn)動(dòng) C．質(zhì)點(diǎn)A將比質(zhì)點(diǎn)B先回到平衡位置 D．質(zhì)點(diǎn)D的振幅為零 ．均勻介質(zhì)中沿波的傳播方向上A、B兩點(diǎn)相距L，振動(dòng)從A傳到B所用時(shí)間小于兩個(gè)周期，某時(shí)刻A處于負(fù)的最大位移處，而B恰在平衡位置向正方向運(yùn)動(dòng)，則這列波的波長是_____。 （四）能力訓(xùn)練 圖8 5．在圖8所示的坐標(biāo)中，有一列橫波沿x軸的負(fù)方向傳播速度為6m/s，當(dāng)位于x1=3cm的A質(zhì)點(diǎn)恰在平衡位置，且振動(dòng)方向向上，位于x2=6cm的質(zhì)點(diǎn)B正處于x軸下方最大位移處，求： （1）這列波的最小頻率。畫出最小頻率所對(duì)應(yīng)的波形。 （2）若不受最小頻率的限制寫出波長的表達(dá)式。 6．一列簡諧橫波，在波傳播方向上有相距為S=1m的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)a和b，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)a在正的最大位移處時(shí)，b質(zhì)點(diǎn)剛好通過平衡位置向位移負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。 （1）試確定這列波的波長可能值。 （2）這列波的波長最大值是多少？此種情況下波向什么方向傳播？ 【參考答案】 ⒈B、C；⒉C；⒊B；⒋4L/3，4L/7 5、（1）波形略。（2）λ=cm（n=0，1，2……） 6、（1）波由a→b傳，λ=m（n=0，1，2……）；波由b→a傳，λ=m（n=0，1，2……）；（2）4m,由b→a 【章節(jié)點(diǎn)評(píng)】 由于波的傳播具有時(shí)間的周期性和空間的周期性，在傳播方向上具有雙向性，在求解波的問題上，如果沒有條件限制，波速，波長，頻率（周期）將出現(xiàn)多解問題，要研究題意，避免漏解。