高中物理3-4机械运动机械波部分知识点及习题.pdf

机械运动与机械波机械运动与机械波.基础巩固基础巩固一、机械振动一、机械振动1、机械振动：物体（或物体的一部分）在某一中心位置两侧做的往复运动振动的特点:存在某一中心位置;往复运动,这是判断物体运动是否是机械振动的条件.产生振动的条件:振动物体受到回复力作用;阻尼足够小;2、回复力：振动物体所受到的总是指向平衡位置的合外力回复力时刻指向平衡位置;回复力是按效果命名的,可由任意性质的力提供可以是几个力的合力也可以是一个力的分力;合外力：指振动方向上的合外力，而不一定是物体受到的合外力在平衡位置处：回复力为零，而物体所受合外力不一定为零如单摆运动，当小球在最低点处，回复力为零，而物体所受的合外力不为零3、平衡位置：是振动物体受回复力等于零的位置；也是振动停止后，振动物体所在位置；平衡位置通常在振动轨迹的中点。“平衡位置”不等于“平衡状态”。平衡位置是指回复力为零的位置，物体在该位置所受的合外力不一定为零。（如单摆摆到最低点时，沿振动方向的合力为零，但在指向悬点方向上的合力却不等于零，所以并不处于平衡状态）二、简谐振动及其描述物理量二、简谐振动及其描述物理量1、振动描述的物理量（1）位移：由平衡位置指向振动质点所在位置的有向线段 是矢量，其最大值等于振幅；始点是平衡位置，所以跟回复力方向永远相反；位移随时间的变化图线就是振动图象（2）振幅：离开平衡位置的最大距离是标量；表示振动的强弱；（3）周期和频率：完成一次全变化所用的时间为周期 T，每秒钟完成全变化的次数为频率f二者都表示振动的快慢；二者互为倒数；T=1/f；当 T 和 f 由振动系统本身的性质决定时（非受迫振动），则叫固有频率与固有周期是定值，固有周期和固有频率与物体所处的状态无关2、简谐振动：物体所受的回复力跟位移大小成正比时，物体的振动是简偕振动受力特征：回复力 F=KX。运动特征：加速度 a=一 kxm，方向与位移方向相反，总指向平衡位置。简谐运动是一种变加速运动，在平衡位置时，速度最大，加速度为零；在最大位移处，速度为零，加速度最大。说明：判断一个振动是否为简谐运动的依据是看该振动中是否满足上述受力特征或运动特征。简谐运动中涉及的位移、速率、加速度的参考点，都是平衡位置.三弹簧振子：三弹簧振子：1、一个可作为质点的小球与一根弹性很好且不计质量的弹簧相连组成一个弹簧振子一般来讲，弹簧振子的回复力是弹力（水平的弹簧振子）或弹力和重力的合力（竖直的弹簧振子）提供的弹簧振子与质点一样，是一个理想的物理模型2、弹簧振子振动周期：T=2，只由振子质量和弹簧的劲度决定，与振幅无关，km/也与弹簧振动情况（如水平方向振动或竖直方向振动或在光滑的斜面上振动或在地球上或在月球上或在绕地球运转的人造卫星上）无关。3、可以证明，竖直放置的弹簧振子的振动也是简谐运动，周期公式也是。这kmT2个结论可以直接使用。4、在水平方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧的弹力；在竖直方向上振动的弹簧振子的回复力是弹簧弹力和重力的合力。【例例 2】2】如图所示，在质量为 M 的无下底的木箱顶部用一轻弹簧悬挂质量均为m（Mm）的 D、B 两物体箱子放在水平地面上，平衡后剪断 D、B 间的连线，此后 D 将做简谐运动当 D 运动到最高点时，木箱对地压力为（）A、Mg；B（Mm）g；C、（Mm）g；D、（M2m）g【解析解析】当剪断 D、B 间的连线后，物体 D 与弹簧一起可当作弹簧振子，它们将作简谐运动，其平衡位置就是当弹力与 D 的重力相平衡时的位置初始运动时 D 的速度为零，故剪断 D、B 连线瞬间 D 相对以后的平衡位置的距离就是它的振幅，弹簧在没有剪断 D、B 连线时的伸长量为 x12 mgk，在振动过程中的平衡位置时的伸长量为 x2mgk，故振子振动过程中的振幅为 Ax2x1=mgkD 物在运动过程中，能上升到的最大高度是离其平衡位移为 A 的高度，由于 D 振动过程中的平衡位置在弹簧自由长度以下 mgk 处，刚好弹簧的自由长度处就是物 D 运动的最高点，说明了当 D 运动到最高点时，D 对弹簧无作用力，故木箱对地的压力为木箱的重力 Mg四、振动过程中各物理量的变化情况四、振动过程中各物理量的变化情况位移 X回复力 F加速度 a速度 v振动体位置方向大小方向大小方向大小方向大小势能动能平衡位置 O000最大最小最大最大位移处 A指向 A最大指向O最大指向 O0最大0最大最小平衡位置 O最大位移处 A指向 A0最大指向O0最大指向 O最大OA最大0最小最大最大最小最大位移处A平衡位置O指向 A最大0指向O最大0指向 O最大0AO0最大最大最小最小最大说明说明:简谐运动的位移、回复力、加速度、速度都随时间做周期性变化（正弦或余弦函数），变化周期为 T，振子的动能、势能也做周期性变化，周期为 T2。凡离开平衡位置的过程，v、Ek均减小，x、F、a、EP均增大；凡向平衡位置移动时，v、Ek均增大,x、F、a、EP均减小.振子运动至平衡位置时，x、F、a 为零，EP最小，v、Ek最大；当在最大位移时，x、F、a、EP最大，v、Ek最为零；在平衡位置两侧的对称点上,x、F、a、v、Ek、EP的大小均相同【例例 3】3】如图所示，一弹簧振子在振动过程中，经 a、b 两点的速度相同，若它从 a 到 b 历时 02s，从 b 再回到 a 的最短时间为 04s，则该振子的振动频率为（）。（A）1Hz；（B）1.25Hz （C）2Hz；（D）25Hz 解析解析：振子经 a、b 两点速度相同，根据弹簧振子的运动特点，不难判断 a、b 两点对平衡位置（O 点）一定是对称的，振子由 b 经 O 到 a 所用的时间也是 02s，由于“从 b 再回到 a 的最短时间是 04s，”说明振子运动到 b 后是第一次回到 a 点，且 Ob 不是振子的最大位移。设图中的 c、d 为最大位移处，则振子从 bcb 历时 02s，同理，振子从ada，也历时 02s，故该振子的周期 T08s，根据周期和频率互为倒数的关系，不难确定该振子的振动频率为 125Hz。综上所述，本题应选择（B）。五、简谐运动图象五、简谐运动图象1.物理意义：表示振动物体（或质点）的位移随时间变化的规律2.坐标系：以横轴表示时间，纵轴表示位移，用平滑曲线连接各时刻对应的位移末端即得3.特点：简谐运动的图象是正弦（或余弦）曲线4.应用：可直观地读取振幅 A、周期 T 以及各时刻的位移 x；判定各时刻的回复力、速度、加速度方向；判定某段时间内位移、回复力、加速度、速度、动能、势能、等物理量的变化情况注意：振动图象不是质点的运动轨迹计时点一旦确定，形状不变，仅随时间向后延伸。简谐运动图像的具体形状跟计时起点及正方向的规定有关。六、单摆六、单摆1、单摆：在细线的一端挂上一个小球，另一端固定在悬点上，如果线的伸缩和质量可以忽略，球的直径比线长短得多，这样的装置叫做单摆这是一种理想化的模型，一般情况下细线（杆）下接一个小球的装置都可作为单摆2、单摆振动可看做简谐运动的条件是：在同一竖直面内摆动,摆角 100 3、单摆振动的回复力是重力的切向分力，不能说成是重力和拉力的合力。在平衡位置振子所受回复力是零，但合力是向心力，指向悬点，不为零。4、单摆的周期：当 l、g 一定，则周期为定值 T=2，与小球是否运动无关与gl摆球质量m、振幅A都无关。其中摆长 l 指悬点到小球重心的距离，重力加速度为单摆所在处的测量值。要区分摆长和摆线长。5、小球在光滑圆弧上的往复滚动，和单摆完全等同。只要摆角足够小，这个振动就是简谐运动。这时周期公式中的l应该是圆弧半径R和小球半径r的差。6、秒摆：周期为 2s 的单摆其摆长约为 lm.【例例 4】4】如图为一单摆及其振动图象，回答：（1）单摆的振幅为 ，频率为 ，摆长为 ，一周期内位移 x（F回、a、Ep）最大的时刻为 解析解析：由纵坐标的最大位移可直接读取振幅为 3crn横坐标可直接读取完成一个全振动即一个完整的正弦曲线所占据的时间轴长度就是周期 T=2s，进而算出频率f=1/T=0.5Hz，算出摆长 l=gT2/42=1m 从图中看出纵坐标有最大值的时刻为 05 s 末和 15s 末【例例 5】5】若摆球从 E 指向 G 为正方向，为最大摆角，则图象中 O、A、B、C 点分别对应单摆中的 点一周期内加速度为正且减小，并与速度同方向的时间范围是 。势能增加且速度为正的时间范围是 解析解析：图象中 O 点位移为零，O 到 A 的过程位移为正且增大A 处最大，历时 1/4 周期，显然摆球是从平衡位置 E 起振并向 G 方向运动的，所以 O 对应 E，A 对应 GA 到 B 的过程分析方法相同，因而 O、A、B、C 对应 E、G、E、F 点 摆动中 EF 间加速度为正，且靠近平衡位置过程中加速度逐渐减小，所以是从 F 向 E 的运动过程，在图象中为 C 到 D 的过程，时间范围是 1520s 间 摆球远离平衡位置势能增加，即从 E 向两侧摆动，而速度为正，显然是从 E 向 G 的过程在图象中为从 O 到 A，时间范围是 005 s 间七、振动的能量七、振动的能量1、对于给定的振动系统，振动的动能由振动的速度决定，振动的势能由振动的位移决定，振动的能量就是振动系统在某个状态下的动能和势能的总和2、振动系统的机械能大小由振幅大小决定，同一系统振幅越大，机械能就越大若无能量损失，简谐运动过程中机械能守恒，做等幅振动3、阻尼振动与无阻尼振动（1)振幅逐渐减小的振动叫做阻尼振动（2)振幅不变的振动为等幅振动，也叫做无阻尼振动注意：注意：等幅振动、阻尼振动是从振幅是否变化的角度来区分的，等幅振动不一定不受阻力作用4.受迫振动（1)振动系统在周期性驱动力作用下的振动叫做受迫振动（2)受迫振动稳定时，系统振动的频率等于驱动力的频率，跟系统的固有频率无关5.共振（1)当驱动力的频率等于振动系统的固有频率时，物体的振幅最大的现象叫做共振(2）条件：驱动力的频率等于振动系统的固有频率（3)共振曲线如图所示【例例 6】6】行驶着的火车车轮，每接触到两根钢轨相接处的缝隙时，就受到一次撞击使车厢在支着它的弹簧上面振动起来已知车厢的固有同期是 058s，每根钢轨的长是 126 m，当车厢上、下振动得最厉害时，火车的车速等于 ms解析解析：该题应用共振的条件来求解火车行驶时，每当通过铁轨的接缝处就会受到一次冲击力，该力即为策动力当策动周期 T策和弹簧与车厢的国有周期相等时，即发生共振，即 T策T固 058 s T策=t=L/v 将代入解得 v=L/058=217 ms 答案答案：217ms八、机械波八、机械波1、定义：机械振动在介质中传播就形成机械波2、产生条件:(:(1)有作机械振动的物体作为波源(2)有能传播机械振动的介质3、分类:横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直凸起部分叫波峰，凹下部分叫波谷纵波：质点的振动方向与波的传播方向在一直线上质点分布密的叫密部，疏的部分叫疏部，液体和气体不能传播横波。4.机械波的传播过程(1)机械波传播的是振动形式和能量质点只在各自的平衡位置附近做振动，并不随波迁移后一质点的振动总是落后于带动它的前一质点的振动。(2）介质中各质点的振动周期和频率都与波源的振动周期和频率相同(3)由波源向远处的各质点都依次重复波源的振动【描述机械波的物理量描述机械波的物理量】1波长：两个相邻的，在振动过程中相对平衡位置的位移总是相等的质点间的距离叫波长在横波中，两个相邻的波峰或相邻的波谷之间的距离在纵波中两相邻的的密部（或疏部）中央间的距离，振动在一个周期内在介质中传播的距离等于波长2周期与频率波的频率由振源决定，在任何介质中传播波的频率不变。波从一种介质进入另一种介质时，唯一不变的是频率（或周期），波速与波长都发生变化3波速：单位时间内波向外传播的距离。v=s/t=/T=f，波速的大小由介质决定。【说明说明】波的频率是介质中各质点的振动频率，质点的振动是一种受迫振动，驱动力来源于波源，所以波的频率由波源决定，是波源的频率.波速是介质对波的传播速度介质能传播波是因为介质中各质点间有弹力的作用，弹力越大，相互对运动的反应越灵教，则对波的传播速度越大通常情况下，固体对机械波的传摇速度校大，气体对机械波的传播速度较小对纵波和横波，质点间的相互作用的性质有区别，那么同一物质对纵波和对横波的传播速度不相同所以，介质对波的传播速度由介质决定，与振动频率无关 波长是质点完成一次全振动所传播的距离,所以波长的长度与波速 v 和周期 T 有关即波长由波源和介质共同决定 由以上分析知，波从一种介质进入另一种介质，频率不会发生变化，速度和波长将发生改变 振源的振动在介质中由近及远传播，离振源较远些的质点的振动要滞后一些，这样各质点的振动虽然频率相同，但步调不一致，离振源越远越滞后沿波的传播方向上，离波源一个波长的质点的振动要滞后一个周期，相距一个波长的两质点振动步调是一致的反之，相距 1/2 个波长的两质点的振动步调是相反的所以与波源相距波长的整数倍的质点与波源的振动同步（同相振动）；与波源相距为 1/2 波长的奇数倍的质点与波源派的振动步调相反（反相振动）【例例 7】7】一简谐横波的波源的振动周期为 1s，振幅为 1crn，波速为 1ms，若振源质点从平衡位置开始振动，且从振源质点开始振动计时，当 t05s 时（）A距振源 处的质点的位移处于最大值 B距振源 处的质点的速度处于最大值C距振源 处的质点的位移处于最大值 D距振源 处的质点的速度处于最大值解析：解析：根据题意，在 05s 内波传播的距离 xvt05m即 x=也就是说，振动刚好传播到 处，因此该处的质点刚要开始振动，速度和位移都是零，所以选项C、D 都是不对的，振源的振动传播到距振源 位置需要的时间为 T/4=0。25s，所以在振源开始振动 05 s 后 处的质点，振动了 025 s，即 1/4 个周期，此时该质点应处于最大位移处，速度为零 答案答案：A【波的图象波的图象】（1）波的图象坐标轴：取质点平衡位置的连线作为 x 轴，表示质点分布的顺序；取过波源质点的振动方向作为 Y 轴表示质点位移意义：在波的传播方向上，介质中质点在某一时刻相对各自平衡位置的位移形状：正弦（或余弦）图线因而画波的图象要画出波的图象通常需要知道波长、振幅 A、波的传播方向（或波源的方位）、横轴上某质点在该时刻的振动状态（包括位移和振动方向）这四个要素（2）简谐波图象的应用从图象上直接读出波长和振幅可确定任一质点在该时刻的位移可确定任一质点在该时刻的加速度的方向若已知波的传播方向，可确定各质点在该时刻的振动方向若已知某质点的振动方向，可确定波的传播方向若已知波的传播方向，可画出在 t 前后的波形沿传播方向平移 s=vt.九、机械波解题方法九、机械波解题方法1.1.质点振动方向和波的传播方向的判定质点振动方向和波的传播方向的判定（1）在波形图中，由波的传播方向确定媒质中某个质点（设为质点 A）的振动方向（即振动时的速度方向）：逆着波的传播方向，在质点 A 的附近找一个相邻的质点 B若质点B 的位置在质点 A 的负方向处，则 A 质点应向负方向运动，反之。则向正方向运动如图中所示，图中的质点 A 应向 y 轴的正方向运动（质点 B 先于质点 A 振动A 要跟随 B 振动）（2）在波形图中由质点的振动方向确定波的传播方向，若质点 C 是沿 Y 轴负方向运动，在 C 质点位置的负方向附近找一相邻的质点 D若质点 D 在质点 C 位置 X 轴的正方向，则波由 X 轴的正方向向负方向传播：反之则向 X 轴的正方向传播如图所示，这列波应向X 轴的正方向传播（质点 c 要跟随先振动的质点 D 的振动）具体方法为：带动法带动法：根据波的形成，利用靠近波源的点带动它邻近的离波源稍远的点的道理，在被判定振动方向的点 P 附近（不超过/4）图象上靠近波源一方找另一点 P/，若 P/在 P 上方，则 P/带动 P 向上运动如图，若 P/在 P 的下方，则 P/带动 P 向下运动上下坡法上下坡法：沿着波的传播方向走波形状“山路”，从“谷”到“峰”的上坡阶段上各点都是向下运动的，从“峰”到“谷”的下坡阶段上各点都是向上运动的，即“上坡下，下坡上”微平移法微平移法：将波形沿波的传播方向做微小移动 xvt/4，则可判定 P 点沿 y方向的运动方向了 反过来已知波形和波形上一点 P 的振动方向也可判定波的传播方向【补充补充】单侧法单侧法【例例 8】8】一列波在媒质中向某一方向传播，图所示的为此波在某一时刻的波形图，并且此时振动还只发生在 M、N 之间此列波的周期为 T，Q 质点速度方向在波形图中是向下的，下列判断正确的是 （）A.波源是 M，由波源起振开始计时，P 质点已经振动的时间为 T；B波源是 N，由波源起振开始计时，P 点已经振动的时间为 3 T4C波源是 N，由波源起振开始计时，P 点已经振动的时间为 T4。D波源是 M，由波源起振开始计时，P 点已经振动的时间为 T4解析解析:若波源是 M，则由于 Q 点的速度方向向下，在 Q 点的下向找一相邻的质点，这样的质点在 Q 的右侧，说明了振动是由右向左传播，N 点是波源，图示时刻的振动传到 M 点，P与 M 点相距 4，则 P 点已经振动了 T4故 C C 选项正确。2.2.已知波速已知波速 V V 和波形，画出再经和波形，画出再经 tt 时间波形图的方法时间波形图的方法（1）平移法：先算出经 t 时间波传播的距离上 xVt，再把波形沿波的传播方向平移动 x 即可因为波动图象的重复性，若知波长，则波形平移 n 时波形不变，当 x=n 十 x 时，可采取去整 n 留零 x 的方法，只需平移 x 即可（2）特殊点法：（若知周期 T 则更简单）在波形上找两特殊点，如过平衡位置的点和与它相邻的峰（谷）点，先确定这两点的振动方向，再看 tnTt，由于经 nT 波形不变，所以也采取去整 nT 留零 t 的方法，分别做出两特殊点经 t 后的位置，然后按正弦规律画出新波形【例例 9】9】一质点以坐标原点 0 为中心位置在 y 轴上振动，其振幅为 5m，周期为 0.4s，振动在介质中产生的简谐波沿 x 轴的正向传播，其速度为 1.0m/s，计时开始时该质点在坐标原点 0，速度方向为 y 轴正方向，0.2s 后此质点立即停止运动，则再经过 0.2s后的波形是（）y/m50-50.20.4x/mA50-50.20.4x/mB50-50.20.4x/mC50-50.20.4x/mD答案：答案：B B【例例 10】10】图是某时刻一列横波在空间传播的波形图线。已知波是沿 x 轴正方向传播，波速为 4m/s，试计算并画出经过此时之后 1.25s 的空间波形图。解析解析:由波形图已知=0.08m,由T=/v=0.08/4=0.02s,经过 t=1.25s,即相当于 1.25/0.02=62.5 个周期,而每经过一个周期,波就向前传播一个波长。经过 62.5 个周期，波向前传播了 62.5 个波长。据波的周期性，当经过振动周期的整数倍时，波只是向前传播了整数倍个波长，而原有波形不会发生改变,所以可以先画出经过 1/2 周期后的波形，如图。再将此图向前扩展 62 个波长即为题目要求，波形如图。3 3已知振幅已知振幅 A A 和周期和周期 T T，求振动质点在，求振动质点在 tt 时间内的路程和位移时间内的路程和位移求振动质点在 t 时间内的路程和位移，由于牵涉质点的初始状态，需用正弦函数较复杂但 t 若为半周期 T/2 的整数倍则很容易在半周期内质点的路程为 2A若 t=nT/2，n 1、2、3，则路程 s=2An，其中 n=2/Tt当质点的初始位移（相对平衡位置）为 x1x0时，经 T/2 的奇数倍时 x2=x0，经 T/2的偶数倍时 x2x0【例例 11】11】如图所示,在 xOy 平面内有一沿 x 轴正方向传播的简谐振动横波,波速为 1m/s,PQ振幅为 4cm,频率为 2.5Hz,在 t=0 时刻,P 点位于其平衡位置上方最大位移处,则距 P 点为0.2m 的 Q 点A、在 0.1s 时的位移是 4cm;B、在 0.1s 时的速度最大;C、在 0.1s 时的速度向下;D、在 0 到 0.1s 的时间内路程是 4cm;解析解析:,P 与 Q 相距/2,先画出若干个波长的波形,经过 0.1s 也就是10.42.5vmfT/4 后,Q 点将回到平衡位置,且向上运动,B 项正确;在 0 到 0.1s 时间内通过的路程为振幅,即 4cm,D 项正确拓展:若求经 t=2.5s 时 Q 的路程和 Q 的位移,如何求?十、振动与波的图像多解问题十、振动与波的图像多解问题二者图像对比二者图像对比 振动振动是一个质点随时间的推移而呈现的现象，波动波动是全部质点联合起来共同呈现的现象简谐运动和其引起的简谐波的振幅、频率相同，二者的图象有相同的正弦（余弦）曲线形状，但二图象是有本质区别的见表：波动图象的多解涉及波动图象的多解涉及(1)波的空间的周期性；(2)波的时间的周期性；(3)波的双向性；(4)介质中两质点间距离与波长关系未定；(5)介质中质点的振动方向未定1.1.波的空间的周期性波的空间的周期性 沿波的传播方向，在 x 轴上任取一点 P（x)，如图所示，P 点的振动完全重复波源 O 的振动，只是时间上比 O 点要落后 t，且 t=x/v=xT0/.在同一波线上，凡坐标与 P 点坐标 x 之差为波长整数倍的许多质点，在同一时刻 t 的位移都与坐标为 的质点的振动位移相同，其振动速度、加速度也与之相同，或者说它们的振动“相貌”完全相同因此，在同一波线上，某一振动“相貌”势必会不断重复出现，这就是机械波的空间的周期性 空间周期性说明，相距为波长整数倍的多个质点振动情况完全相同振动图象波动图象研究对象一振动质点沿波传播方向所有质点研究内容一质点的位移随时间的变化规律某时刻所有质点的空间分布规律图线物理意义表示一质点在各时刻的位移表示某时刻各质点的位移图线变化随时间推移图延续，但已有形状不变随时间推移，图象沿传播方向平移一完整曲线占横坐标距离表示一个周期表示一个波长2.2.波的时间的周期性波的时间的周期性 在 x 轴上同一个给定的质点，在 t+nT 时刻的振动情况与它在 t 时刻的振动情况（位移、速度、加速度等）相同因此，在 t 时刻的波形，在 t+nT 时刻会多次重复出现这就是机械波的时间的周期性波的时间的周期性，表明波在传播过程中，经过整数倍周期时，其波的图象相同3.3.波的双向性波的双向性 双向性是指波沿正负方向传播时，若正、负两方向的传播时间之和等于周期的整数倍，则沿正负两方向传播的某一时刻波形相同4.4.介质中两质点间的距离与波长关系未定介质中两质点间的距离与波长关系未定 在波的传播方向上，如果两个质点间的距离不确定，就会形成多解，解题时若不能联想到所有可能情况，易出现漏解5.5.介质中质点的振动方向未定介质中质点的振动方向未定 在波的传播过程中，质点振动方向与传播方向联系，若某一质点振动方向未确定，则波的传播方向有两种，这样形成多解【例例 12】12】一列在 x 轴上传播的简谐波，在 xl=10cm 和 x2=110cm 处的两个质点的振动图象如图所示，则质点振动的周期为 s，这列简谐波的波长为 cm 【解析解析】由两质点振动图象直接读出质点振动周期为 4s由于没有说明波的传播方向，本题就有两种可能性：（1）波沿 x 轴的正方向传播在 t0 时，x1在正最大位移处，x2在平衡位置并向 y 轴的正方向运动，那么这两个质点间的相对位置就有如图所示的可能性，也就 x2一 x1（n 十 1/4），=400/（1 十 4n）cm（2）波沿 x 轴负方向传播在 t0 时x1在正最大位移处，x2在平衡位置并向 y 轴的正方向运动，那么这两个质点间的相对位置就有如图所示的可能性，x2一 x1（n 十 3/4），=400（3 4n）cm 十一、波的现象十一、波的现象1.1.波的反射波的反射:波遇到障碍物会返回来继续传播的现象(1)波面：沿波传播方向的波峰（或波谷）在同一时刻构成的面(2)波线：跟波面垂直的线，表示波的传播方向(3)入射波与反射波的方向关系入射角：入射波的波线与平面法线的夹角 反射角：反射波的波线与平面法线的夹角在波的反射中，反射角等于入射角；反射波的波长、频率和波速都跟入射波的相同(4)特例：夏日轰鸣不绝的雷声；在空房子里说话会听到声音更响(5)人耳能区分相差 0.1 s 以上的两个声音2.2.波的折射波的折射:波从一种介质射入另一种介质时，传播方向发生改变的现象(1)波的折射中，波的频率不变，波速和波长都发生了改变(2)折射角：折射波的波线与界面法线的夹角(3)入射角 i 与折射角 r 的关系12sinsinviv V1和 v2是波在介质 I 和介质中的波速i 为 I 介质中的入射角,r 为介质中的折射角3.3.波的衍射波的衍射:波可以绕过障碍物继续传播的现象衍射是波的特性，一切波都能发生衍射产生明显衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不多。例如：声波的波长一般比院坡大，“隔堵有耳”就是声波衍射的例证说明：衍射是波特有的现象说明：衍射是波特有的现象4.4.波的叠加与波的干涉波的叠加与波的干涉(1)(1)波的叠加原理波的叠加原理：在两列波相遇的区域里，每个质点都将参与两列波引起的振动，其位移是两列波分别引起位移的矢量和相遇后仍保持原来的运动状态波在相遇区域里，互不干扰，有独立性【例例 13】13】一个波源在绳的左端发出半个波，频率为 f1，振幅为 A1；同时另一个波源在绳的右端发出半个波，频率为 f2，振幅为 A2，P 为两波源的中点，由图 618 可知，下述说法错误的是（）A两列波同时到达两波源的中点 PB两列波相遇时，P 点波峰值可达 A1A2 C两列波相遇后，各自仍保持原来的波形独立传播 D、两列波相遇时，绳上的波峰可达 A1A2的点只有一点，此点在 P 点的左侧解析解析：因两列波在同一介质（绳）中传播，所以波速相同，由图可知 12，说明它们的波峰高 P 点距离不等，波同时传至 P 点，波峰不会同时到 P 点，所以 P 点波峰值小于 A1 A2两列波波峰能同时传到的点应在 P 点左侧，所以 A，D 正确，B 错误，又由波具有独立性，互不干扰，所以 C 正确答案答案：B(2)(2)波的干涉波的干涉:条件：频率相同的两列同性质的波相遇现象：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说明：说明：加强、减弱点的位移与振幅加强处和减弱处都是两列波引起的位移的矢量和，质点的位移都随时间变化，各质点仍围烧平衡位置振动，与振源振动周期相同加强处振幅大，等于两列波的振幅之和，即 A=A1+A2,质点的振动能量大，并且始终最大减弱处振幅小，等于两列波的振福之差，即 A=A1A2,质点振动能量小，并且始终最小，若 A1=A2，则减弱处不振动加强点的位移变化范围：一A1+A2A1+A2减弱点位移变化范围：一A1A2A1A2干涉是波特有的现象加强和减弱点的判断波峰与波峰（波谷与波谷）相遇处一定是加强的，并且用一条直线将以上加强点连接起来，这条直线上的点都是加强的；而波峰与波谷相遇处一定是减弱的，把以上减弱点用直线连接起来，直线上的点都是减弱的加强点与减弱点之间各质点的振幅介于加强点与减弱点振幅之间当两相干波源振动步调相同时，到两波源的路程差 s 是波长整数倍处是加强区而路程差是半波长奇数倍处是减弱区【例例 14】14】如图所示，在同一均匀媒质中有 S1、S2两个波源，这个波源的频率、振动方向均相同，且振动的步调完全一致，S1、S2之间相距两个波长，D 点为 S1、S2连线中点，今以 D 点为圆心，以 R=DS1为半径画圆，问在该圆周上（S1、S2两波源除外）共有几个加强点？分析：分析：干涉强、弱区的判断方法有两种：（1）在波峰与波峰相遇或波谷与波谷相遇处是干涉加强区；在波峰与波谷相遇或波谷与波峰相遇处是干涉减弱区。（2）与相同波源的距离差为半波长的偶数倍处是干涉加强区；与相同波源的距离差为半波长的奇数倍处是干涉减弱区。解答：解答：由干涉强、弱的第二种判断方法可知，干涉加强区的集合实际上是以两波源所在处为焦点的双曲线簇。由此不难判断：以波源边线为直径的贺周上分布看，到两波源距离差等于 0 的两个加强是 D D1 1、D D2；到两波源距离差等于的四个加强是 A A1 1、A A2 2、C C1 1、C C2 2。即：除两波源外，圆周上振动加强是共有六个。十二、声波十二、声波(1)空气中的声波是纵波能在空气、液体、固体中传播在通常情况下在空气中为340ms，随介质、温度改变而变(2)人耳听到声波的频率范围：20 Hz-20000 Hz.(3)能够把回声与原声区分开来的最小时间间隔为 0.1s(4)声波亦能发生反射、折射、干涉和衍射等现象声波的共振现象称为声波的共鸣(5)次声波：频率低于 20 Hz 的声波(6)超声波：频率高于 20000 Hz 的声波应用：声呐、探伤、打碎、粉碎、诊断等(7)声音的分类乐音：好听悦耳的声音乐音的三要素：音调（基音的频率的高低）、响度（声源的振幅大小）、音品（泛音的多少，泛音的频率和振幅共同决定的）声强：单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的能量噪声：嘈杂刺耳的声音，是妨碍人的正常生活和工作的声音噪声已列为国际公害【例例 15】15】如果声源、听者和障碍物都在同一直线上，声源位于听者和障碍物之间，离听者12m，离障碍物 34m，已知声音在空气中的传播速度 340m/s，听者是否能把原来的声音和回声区分开来？【解析解析】人耳能分外间隔大小 0.1s 的两个声音，图中 S 为声源，A 为听者，O 为障碍物，当声波直接传到人耳时，经历时间 tlSA/v，当声波传到障碍物反射到人耳时，经历时间，直接传到人耳的声音与回声之间的时间差 t=t2t1，即22SOSAtvt=2SO/v02s。t01s，人耳可以区分x/m图 1Oy/m1 2 3 4 5 6图 2Ot/sy/m1 2 3 4 5 6习题练习习题练习1、一列简谐横波沿x轴负方向传播，图 1 是t=1s 时的波形图，图 2 是波中某振动质元位移随时间变化的振动图线(两图用同同一时间起点)，则图 2 可能是图 1 中哪个质元的振动图线？（）Ax=0 处的质元；Bx=1m 处的质元；Cx=2m 处的质元；Dx=3m 处的质元。2、简谐机械波在给定的媒质中传播时，下列说法中正确的是（）A振幅越大，则波传播的速度越快B振幅越大，则波传播的速度越慢C在一个周期内，振动质元走过的路程等于一个波长D振动的频率越高，则波传播一个波长的距离所用的时间越短3、公路上匀速行驶的货车受一扰动，车上货物随车厢底板上下振动但不脱离底板。一段时间内货物在坚直方向的振动可视为简谐运动，周期为 T。取竖直向上为正方向，以某时刻作为计时起点，即，其振动图象如图所示，则（）0tA 时，货物对车厢底板的压力最大Tt41B 时，货物对车厢底板的压力最小 Tt21C 时，货物对车厢底板的压力最大 Tt43 D 时，货物对车厢底板的压力最小 Tt434、一单摆做小角度摆动，其振动图象如图，以下说法正确的是（）A.时刻摆球速度最大，悬线对它的拉力最小1tB.时刻摆球速度为零，悬线对它的拉力最小2tC.时刻摆球速度为零，悬线对它的拉力最大3tD.时刻摆球速度最大，悬线对它的拉力最大4t5.一列简谐横波沿x轴传播，周期为 T，t=0 时刻的波形如图所示.此时平衡位置位于x=3 m 处的质点正在向上运动，若a、b两质点平衡位置的坐标分别为xa=2.5 m,xb=5.5 m,则A.当a质点处在波峰时，b质点恰在波谷B.t=T/4 时，a质点正在向y轴负方向运动C.t=3T/4 时，b质点正在向y轴负方向运动D.在某一时刻，a、b两质点的位移和速度可能相同6.、一列简谐横波沿x轴正方向传播，振幅为A。t=0 时，平衡位置在x=0 处的质元位于y=0 处，且向y轴负方向运动；此时，平衡位置在x=0.15m 处的质元位于y=A处该波的波长可能等于A0.60m B0.20m C0.12m D0.086m7、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8.声波属于机械波。下列有关声波的描述中正确的是 （）A同一列声波在各种介质中的波长是相同的B声波的频率越高，它在空气中传播的速度越快C声波可以绕过障碍物传播，即它可以发生衍射D人能辨别不同乐器同时发出的声音，证明声波不会发生干涉9一列简谐横波沿直线由a向b传播，相距10.5m的a、b两处的质点振动图象如图中a、b所示，则A该波的振幅可能是20cmB该波的波长可能是8.4mC该波的波速可能是10.5 m/sD该波由口传播到6可能历时7s10.图中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为波源，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：（ABC）OCABDA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，能更明显地观察到衍射现象。11.、a为声源，发出声波；b为接收者，接收a发出的声波。a、b若运动，只限于在沿两者连线方向上，下列说法正确的是Aa静止，b向a运动，则b收到的声频比a发出的高Ba、b向同一方向运动，则b收到的声频一定比a发出的高Ca、b向同一方向运动，则b收到的声频一定比a发出的低Da、b都向相互背离的方向运动，则b收到的声频比a发出的高答案：A【习题训练答案习题训练答案】1.A 2.D 3.C 4.D 5.C 解析：解析：由图可看出波长为 4m，t=0 时刻x=3m 处的质点向上振动，可得该波向左传播。将整个波形图向左平移 1.5m 时，a质点到达波峰，此时b质点正好在平衡位置，与t=0 时刻平衡位置在 7m 处的质点振动状态一样，故a质点到达波峰时，b质点正在平衡位置并向上振动，A 错；将图像整体向左平移 1m，即波传播T/4 时，a的振动状态与与t=0时刻平衡位置在 3.5m 处的质点振动状态一样，即处在平衡位置上方并向y轴正方向运动，B 错；将图像整体向左平移 3m，即波传播 3T/4 时，a的振动状态与与t=0 时刻平衡位置在9.5m 处和 1.5m 的质点振动状态一样，即处在平衡位置下方并向y轴负方向运动，C 对；a、b质点相隔 3m，即相差 3T/4，速度相同的质点应该在半周期内才会出现，故 D 错。6.AC 7.BD 8.C 9.D 10.ABC 11.A