【教案】波的描述+教案-2022-2023學(xué)年高二上學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第一冊

.2波的描述〖教材分析〗波形圖、波長、頻率和波速都是描述波的特性的物理量。書中沒有重點講到波的圖像是各個質(zhì)點在某一時刻偏離平衡位置的位移。該內(nèi)容是個難點，應(yīng)該采用演示加體驗的方式教學(xué)，才能使學(xué)生理解該內(nèi)容。要學(xué)生理解好橫縱坐標(biāo)的含義，能在圖中指出個質(zhì)點的位移等。在學(xué)生認(rèn)識波長、頻率和波速三者關(guān)系后，應(yīng)進一步加強圖像的認(rèn)識。〖教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)〗物理觀念∶知道波形圖，理解波長、頻率和波速的概念?？茖W(xué)思維∶能夠掌握波形圖的畫法，判斷波的傳播方向和各質(zhì)點振動方向?？茖W(xué)探究：通過觀察和分析波長、周期與波速的關(guān)系，理解波的特性。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任∶觀察生活中的波動現(xiàn)象，能夠利用波的知識去描述。〖教學(xué)重難點〗教學(xué)重點：理解波的圖像中的物理量以及波動圖像的意義；能夠根據(jù)波的圖像判斷傳播方向、質(zhì)點振動，分析波的圖像。教學(xué)難點：根據(jù)波的圖像判斷傳播方向、質(zhì)點振動，分析波的圖像?！冀虒W(xué)準(zhǔn)備〗長繩，彈簧和音叉等。〖教學(xué)過程〗一、新課引入觀察水波，可以看出波在空間、時間上具有周期性，我們能否用圖像的方法來描述一列波呢？如果能，坐標(biāo)軸表示的是什么物理量？研究單個質(zhì)點的運動情況，用x-t圖像可以很方便地描述質(zhì)點在任意時刻的位移。而波卻是很多質(zhì)點的運動，在同一時刻各個質(zhì)點的位移都不盡相同，不方便用x-t圖像來描述。思考：能否用其他的圖像來描述波呢？二、新課教學(xué)（一）波的圖像講述：通過繩波動畫，展示波的圖像形成過程。提示學(xué)生：隨著波的傳播可以看到不同時刻各質(zhì)點所處的位置，如果將某一時刻的狀態(tài)拍下來，然后建立一個直角坐標(biāo)系，就可以畫出波的圖像。波的圖像：點的集合就是這一時刻波的圖像。波的圖像有時也稱波形圖。闡述波形圖中橫縱坐標(biāo)的物理意義：①橫坐標(biāo)x表示的各個質(zhì)點在波傳播方向上距離平衡位置的距離。②縱坐標(biāo)y表示此時質(zhì)點偏離平衡位置的位移。舉例子講述波形圖：它的橫坐標(biāo)代表的就是各個質(zhì)點的平衡位置，比如波源的平衡位置在原點處，那這個A點的平衡位置就是距離波1m的位置。而縱坐標(biāo)就是此時質(zhì)點偏離平衡位置的位移，還是看A質(zhì)點，此時他的位移就是0.1m。再比如B質(zhì)點，此時他的位移是這個波的最大位移，同樣被稱作波的振幅。特殊的如果波的圖像是正弦曲線，這樣的波叫作正弦波，也叫簡諧波。1.振動圖像和波動圖像的區(qū)別振動圖像和波動圖像，他們都是正弦函數(shù)，但物理意義截然不同。振動圖像：是一個質(zhì)點在不同時刻的位移。波動圖像：是一個時刻不同點的位移。形象點來說，振動圖像就像是錄像，連續(xù)記錄了他在一段時間內(nèi)的情況。而波的圖像更像是一張照片兒，只記錄了某一個時刻，很多個體的情況。因為物理意義的不同，他們的橫坐標(biāo)自然就不相同。振動圖像的橫坐標(biāo)代表的是時間軸，所以用t表示，一段完整曲線所對應(yīng)的橫坐標(biāo)代表的是一個周期。比如上圖的這個簡諧運動的周期8秒。波動圖像的橫坐標(biāo)代表的是各個質(zhì)點的平衡位置，所以用x表示。一段完整曲線所對應(yīng)的橫坐標(biāo)代表的是一個波長，比如上圖這列波的波長8m。以后在看到圖像的時候，一定要先觀察橫坐標(biāo)的字母，如果t那就是振動圖像，如果是x那就是波動圖像。當(dāng)然除了這些不同點以外，他們也有相同點，首先他們的縱坐標(biāo)代表的都是質(zhì)點相對于平衡位置的位移，最大位移代表的都是振幅。其次，他們代表的質(zhì)點做的都是簡諧運動，都符合簡諧運動的規(guī)律，只是每個圖像都有它的局限性。思考：如圖所示：波源振動后開始向左傳播，如果按甲圖建立直角坐標(biāo)系，他的波源在這個右邊位置波的傳播方向是向左的，與x軸的方向相反。如果按乙圖建立直角坐標(biāo)系，它的波源在原點，波的傳播方向是向右的，與x軸的方向相同。顯然波的傳播方向與x軸的方向無關(guān)。既然波源和傳播方向具有不確定性。波源和傳播方向具有不確定性，那如何在波的圖像中判斷質(zhì)點的運動方向？2.如何在波的圖像中判斷質(zhì)點的運動方向以右圖為例，在任意取一點A，怎么判斷它的運動方向呢？要知道它的運動方向，只要知道下一刻他的位置就可以了，而下一刻波的圖像怎么得到呢？只要把波形圖整體右移就好了。如圖虛線所示。也就是說經(jīng)過一段時間波向右傳播到了虛線位置。對應(yīng)的質(zhì)點A就運動到了黑點處，那它的運動方向就是沿y軸負(fù)方向。這種方法叫做微元法。方法一：微元法。也就是將波沿著傳播方向平移一小段，找到該質(zhì)點對應(yīng)的位置，就可以判斷出質(zhì)點的運動方向。再次任取一點B，將波沿傳播方向向右平移一小段，B將會運動到波峰的位置，B應(yīng)該是沿y軸正方向運動，但是微元法仍然不夠快捷。再看另外一種更便捷的方法，同側(cè)法。還是先看B質(zhì)點，如果把波的傳播方向和質(zhì)點的振動方向都畫在這個質(zhì)點上，就會發(fā)現(xiàn)這兩個代表方向的箭頭都在曲線的同一側(cè)。這也是判斷出現(xiàn)振動方向最常用的方法。再用質(zhì)點A驗證一下，這一波是向右傳播的，將波的傳播方向畫在質(zhì)點上，利用同測法質(zhì)點的振動方向應(yīng)該和波的傳播方向同側(cè)。如果是這樣話，就與傳播方向在曲線的兩側(cè)，所以A的運動方向應(yīng)該是這樣的，與之前的結(jié)論完全相同。方法二：同側(cè)法。波形圖上某點表示傳播方向和振動方向的箭頭在圖線同側(cè)。除了利用波的傳播方向來判斷質(zhì)點振動方向，還可以反過來利用質(zhì)點振動方向來判斷波的傳播方向。微元法便于理解質(zhì)點振動的起因，同側(cè)法便于解題，還有上坡下坡法等，你只要掌握一種最熟悉的方法就好。（二）波長、頻率和波速1.波長動畫展示：一列橫波的波形圖，重點關(guān)注相鄰兩個波峰的質(zhì)點。在波的傳播過程中會發(fā)現(xiàn)他倆的振動步調(diào)完全一致，也就是說這兩個質(zhì)點的振動相位總是相同的。那么我們?nèi)∷麄兤胶馕恢瞄g的距離為λ，以這個長度再去任意找一組質(zhì)點。在播的傳播過程中發(fā)現(xiàn)這組新的質(zhì)點，振動步調(diào)也一致。那么平衡位置距離λ的有著特殊的意義。物理學(xué)生把這個距離待稱作波長。波長：振動相位總是相同的兩個相鄰質(zhì)點平衡位置間的距離，用λ表示，單位是米。這里需要注意振動相位相同的質(zhì)點，他們的位移和速度總是大小相同，方向相同。舉例子說明。在橫波中，兩個相鄰波峰或兩個相鄰波谷之間的距離等于波長。在縱波中，兩個相鄰密部或兩個相鄰疏部之間的距離等于波長。注意：兩個質(zhì)點必須是相鄰的。比如相鄰的兩個波峰或者相鄰的兩個波谷，他們平衡位置的距離都是波長。但如果不是相鄰的，比如這兩個波峰，他們平衡位置的距離就是兩倍的波長，也就是說不相鄰的兩個同步調(diào)的質(zhì)點，他們平衡位置的距離一定是波長的整數(shù)倍。如果平衡位置相距半波長的兩個質(zhì)點，在波的傳播過程中，注意這兩個質(zhì)點的步調(diào)明顯是相反的。那就可以理解為兩個質(zhì)點平衡位置的距離，如果是半個波長或者是半個波長的奇數(shù)倍，他倆的振動步調(diào)，就是相反的。2.頻率和波速我們已經(jīng)知道了簡諧運動的頻率。而正弦波源做的就是簡諧運動，波在傳播過程中傳播的是波源的振動形式和能量，也就是說所有質(zhì)點的振動形式都是與波源一致的，包括他們振動的周期和頻率，這也叫做波的周期和頻率。周期T：波前進一個波長的距離所需要的時間。頻率f：周期的倒數(shù)，即單位時間內(nèi)波動所傳播的完整波的數(shù)目。知道了波的周期和頻率，再來探究一下波的傳播速度。我們熟知的速度公式是路程除以時間（），那怎么找波傳播的路程和對應(yīng)的時間呢？以繩波為例，起初質(zhì)點在平衡位置，波源振動經(jīng)過，1/2周期波傳播的距離恰好是半個波長，再經(jīng)過1/2周期又向前傳了半個波長，這樣波經(jīng)過一個周期，由波源傳到了這里，恰好是一個波長。也就是說波傳播的路程就是波由平衡位置向前傳播的距離，顯然波經(jīng)過一個周期的時間向前傳播了一個波長，所以機械波的傳播速度，稱為波速。波速：同時周期頻率互為倒數(shù)，用頻率替換掉周期，那它就是v=fλ。注意：①波速是勻速的。因為波每經(jīng)過半個周期都向前傳播了半個波長，所以它是勻速的。②波速與質(zhì)點的振動速度不同。簡諧運動的速度是每時每刻都在變化，他們是兩個不同的物理量，千萬不要混淆。知道了波的公式和特點，再來探究一下這三物理量的決定因素。3.三物理量的決定因素。以聲波為例，聲波在蒸餾水中的速度是1450m/s，在鐵棒上的速度是4900m/s，這就說明波速會受到材料的影響。再有聲波在0℃的空氣中速度是332m/s，在15℃的空氣中速度是340m/s。顯然波速還會受到溫度的影響，不管是的材料還是溫度，其實都是介質(zhì)本身的性質(zhì)。所以波速由介質(zhì)本身的性質(zhì)決定的。從這張的數(shù)據(jù)不難看出，如果聲波從空氣進入水中，波速一定會發(fā)生改變，而在游泳時在水中聽到的音樂和在岸上聽到的音樂并沒有什么區(qū)別。這就說明波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)，波速雖然改變了，但是頻率并沒有變化。也就是說波的頻率由波源決定與介質(zhì)等其他因素?zé)o關(guān)。最后剩下的波長，很顯然就是有波速和頻率共同決定的。思考與討論圖中實線為t＝0時刻的波形圖，虛線t＝0.1s時刻的波形圖。據(jù)此能否判定波的傳播方向？不論是同側(cè)法還是微元法，都無法準(zhǔn)確判斷，因為周期不知道。以后遇到這圖像類問題，只要利振動圖像判斷出質(zhì)點的位移和速度情況，再在波動圖像中找到對應(yīng)的質(zhì)點，問題就可以解決了但是你一定要注意波動圖像對應(yīng)的時刻，千萬別搞錯了。課堂練習(xí)課本例題：圖中的實線是一列正弦波在某一時刻的波形圖。經(jīng)過0.5s后，其波形如圖中虛線所示。設(shè)該波的周期T大于0.5s。（1）如果波是向左傳播的，波的速度是多大？波的周期是多大？（2）如果波是向右傳播的，波的速度是多大？波的周期是多大？分析這列波的周期大于0.5s，所以經(jīng)過0.5s的時間，這列波傳播的距離不可能大于一個波長λ。當(dāng)波向左傳播時，圖中的波峰1只能到達波峰2，而不可能向左到達更遠的波峰。當(dāng)波向右傳播時，圖中的波峰1只能到達波峰3，而不可能向右到達更遠的波峰。已知波傳播的時間t＝0.5s，由圖可以知道波的傳播距離?x，由公式就能夠求出波的傳播速度v。由圖又可以知道波長λ，由公式就能夠求出周期T。解：（1）如果波是向左傳播的，從圖看出，虛線所示的波形相當(dāng)于實線所示的波形向左移動了6cm，由此可求出波速的大小波的周期為（2）如果波是向右傳播的，從圖看出，虛線所示的波形相當(dāng)于實線所示的波形向右移動了18cm，由此可以求出波速的大小波的周期為例1：圖是一列波的圖像。（1）如果波沿著x軸的正方向傳播，K、L、M三個質(zhì)點，哪一個最先回到平衡位置？（2）如果波沿著x軸的負(fù)方向傳播，K、L、M三個質(zhì)點，哪一個最先回到平衡位置？解：（1）如果波沿著x軸的正方向傳播，K點最先回到平衡位置。（2）如果波沿著x軸的負(fù)方向傳播M點最先回到平衡位置〖板書設(shè)計〗3.2波的描述一、