一、波的形成过程及特点
①每个质点都以它的平衡位置为中心做简谐运动,后一质点的振动总是落后于带动它的前一质点的振动。
②波传播的只是质点运动形式和振动能量,质点在介质中并不随波发生迁移。
例1、一列横波沿绳子向右传播,某时刻绳子形成如图1所示的凹、凸形状。对此时绳上A、B、C、D、E、F六个质点( )
A. 它们的振幅相同
B. 质点D和F的速度方向相同
C. 质点A和C的速度方向相同
D. 从此时算起,质点B比C先回到平衡位置
图1
分析:波源振动时,绳上各质点通过相互间的弹力跟着做受迫振动,不考虑传播中的能量损耗时,各质点的振幅相同。A项正确。
波传播时,离波源远的质点的振动落后于离波源近的质点的振动,并跟随着近的质点振动。由图可知,波源在左端,因此,D点跟随近波源的质点C正向上运动,F点跟随近波源的质点E正向下运动,两者速度方向相反。B项错误。
同理,此时质点A正向下运动,质点C正向上运动,两者速度方向也相反。C项错误。
由于此时B、C两质点都向上运动,C比B迟到最大位移处,C回到平衡位置也比B较迟,D项正确。
故选AD项。
例2、一列简谐横波沿x轴传播,t=0时的波形如图2所示,质点A与质点B相距1m,A点速度沿y轴正方向;t=0.02s时,质点A第一次到达正向最大位移处。由此可知( )
A. 此波的传播速度为25m/s
B. 此波沿x轴负方向传播
C. 从t=0时起,经过0.04s,质点A沿波传播方向迁移了1m
D. 在t=0.04s时,质点B处在平衡位置,速度沿y轴负方向
图2
分析:由运动t=0.02s时质点A第一次到达波峰知,得T=0.08s;由质点A与质点B相距1m知,得,故由得,A项正确;
由质点A沿y轴正方向振动,可判断波向x轴负方向传播,B项正确;
波传播的只是运动形式和振动能量,质点在介质中并不随波发生迁移,C项错误;
由题知t=0时,质点B沿y轴负方向振动,当t=0.04s时,质点B振动了又回到平衡位置并向y轴正方向振动。D项错误,故选AB项。
二、波动与振动图像综合应用
波动图像与振动图像可从“读、判、求、画”四方面加以应用,两图像可从物理意义、图像的横坐标的含义、图像反映的信息、图形变化的特点等方面加以比较区别。其命题焦点往往集中于波传播方向和质点振动方向的关联分析上。
例3、在如图3所示的两个图像中,图甲是一列简谐波在t=0.2s时刻的波形曲线,图乙是该波所在介质中P点的振动图像,由这两个图像求:
(1)波的传播方向;
(2)波速大小。
甲 乙
图3
分析:(1)由乙图知:在t=0.2s时,P质点正通过平衡位置向下运动。结合波动图像甲可判断,当P质点正通过平衡位置向下运动时,波一定沿x轴负方向传播。
(2)由乙图可读出T=0.4s,从甲图可读出,由公式即可求得波速为。
三、波动所表现的空间和时间的周期性应用
波动问题中经常造成多解的出现,其原因主要有三方面:
①波在空间上的周期性造成。即波的传播方向上相距为波长整数倍的多个质点的振动情况相同;
②波在时间上的周期性造成,即波在传播的过程中,经过整数倍周期时,其波形图像相同;
③波传播方向的双向性造成。
例4、图4中实线为一列简谐波在时刻的图像,虚线是它在时的图像。
(1)求这列波的可能传播速度。
(2)若,求波向右传播的速度。
(3)若该波在介质中传播的波速为74m/s,问这列波向哪个方向传播?
图4
分析:(1)假定向右传播,有:
同理,向左传播有
(2)时n=3,向右传的速度为
(3)
,即传播的距离为4倍波长加5m,所以是向左传播。
四、波动图像的变化应用
1. 由波传播的方向及某时刻的波动图像画出另一时刻的波动图像。
(1)描点法:在原波形图上选取位于峰、谷和平衡位置的一些质点,由此刻起的运动趋势,根据题中条件依次画出它们在新的时刻的位置,连成光滑曲线即得新的波形图。
(2)波形平移法:与判断质点运动方向相同,沿着波的传播方向,根据题中条件向前平移一段距离即得新的波形图。
2. 判断波在某段时间△t内的传播距离,可从△t始、末两时刻的波形图上波峰(或波谷)的间距确定。波的传播是匀速运动,在△t内向前推进的距离△x=v△t。必须注意,介质中的每一质点并没有沿传播方向移动,仅把这种运动形式传播出去。
例5、一列横波沿直线向右传播,某时刻在介质中形成的波动图像如图5所示。试画出当质点a第一次回到负向最大位移时在介质中形成的波动图像。
图5
分析:(描点法):由于此时质点a位于平衡位置,当它第一次到达负向最大位移处时,原来处于峰、谷的质点正好回到平衡位置,原来处于平衡位置的质点分别到达正向或负向最大位移处。这样依次画出它们在新的时刻的位置,连成光滑曲线即得新的波形图。(图略)
(波形平移法):沿着波的传播方向,向右平移即得新的波形图,如图6中的虚线所示。
图6
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