第三章  机械波

课程标准的要求

1.2.4  通过观察，认识波的特征。能区别横波和纵波。能用图像描述横波。理解波速、波长和频率的关系。

1.2.5  知道波的反射和折射现象。通过实验，厂解波的干涉与衍射现象。

1.2.6  通过实验，认识多普勒效应。能解释多普勒效应产生的原因。能列举多普勒效应的应用实例。

一、本章教材概述

本章是学生第一次学习多质点运动的特征与规律。从内容特点上看，机械波既是上一章机械振动的延续，又是后续学习光与电磁波的基础。波动是物质运动的一种特殊形式，其基本的运动特征与规律既适用于机械波也适用于光波、电磁波及其他波，因此，学习机械波有十分重要的意义。从研究方法上看，这一章以实验为基础，更加突出物理学科特点，同时注重与生产生活和现代科学技术的联系。在学习本章教材的过程中，教师要引导学生认真观察、分析实验现象，推理得出物理规律，进而运用得出的物理规律去分析、解决问题。

本章共 5 节，可以分为两个单元。第一单元包括第 1 节和第 2 节，主要讲述波的基本概念、波的产生与波的描述。教材首先分析说明弹性介质中某处发生振动时，由于介质相邻部分间存在相互作用，振动的介质要带动邻近的介质振动，使振动沿介质传播出去。在深入细致地分析横波和纵波形成过程的基础上，明确指出介质传播的是振动这种运动形式，介质本身并不随波一起传播，并进一步指出波可以传递能量和信息。接着介绍描述波的两种方法。一是图像法，介绍横波的图像，说明横波波形图的意义，强调波的图像与振动图像的区别。二是解析法，根据对振动传播过程、横波波形图的空间周期性的分析，简单、准确地给出了波长 λ 的定义，说明介质中的质点的振动周期或频率也叫波的周期或频率，得出波的传播的重要公式 v = ，并举例说明两种描述方法的具体应用。第二单元包括第 3 节至第 5 节，讲述波的传播特性。教材根据课程标准的要求，增加了波的反射与折射，删去了惠更斯原理。在节的划分上，把波的反射、折射与衍射合并为第 3 节，把波的干涉单独作为第 4 节。第 5 节介绍了多普勒效应，说明波源与观察者相对运动时观察者接收到的波的频率发生变化的现象，多普勒效应在现代科技中有重要的应用。

具体来说，在编写本章内容时有以下思考。

1．注重物理学科核心素养的渗透

一是渗透物理观念。本章教材从波的传播入手，介绍了波是运动的一种形式，分析了这种运动是介质中的质点间楣互作用的结果，同样，波的反射、折射、衍射与干涉也都是波与介质相互作用的结果，而多普勒效应是运动的相对性的结果，充分渗透了运动与相互作用观念。同时，教材介绍了波是能量传递的一种方式，也为学生进一步建立能量观念提供了支撑。

二是强化科学思维。教材以实际问题引发学生思考，在提出横波与纵波两种理想模型、介绍描述波的两种方法（图像法与解析法）、推导波动衍射条件和干涉条件、建立多普勒效应模型的过程中，都渗透了模型建构、推理论证和质疑创新的思想。

三是体现科学探究。教材在探究波发生明显衍射的条件时，首先从现象（绕射）引出问题（为什么会绕射），然后通过水波进行实验（尝试各种缝宽），最后得出结论（缝宽或障碍物尺寸与水波波长相当或更小），这是一个科学探究的过程。另外，对波的干涉现象的分析，分别用反证法明确两列波的频率要相同、相位差要恒定、振动方向要一致，这样的两列波才会产生稳定的干涉现象，这是基于证据得出结论的过程。

四是落实科学态度与责任。教材介绍机械波在介质中的传播速度时，强调波速是由介质本身的性质决定的，不同介质中的波速不同，又强调声速还与温度有关，给出了 0 ℃ 时几种介质中的声速数值。这样的安排有利于学生埋解物理学的本质。同时，教材在分析了多普勒效应的产生原理后，介绍了利用超声波的多普勒测速仪、“彩超”等具体应用，有利于培养学生对物理学的兴趣。

2．适当降低学习难度

本章教材的编写，根据课程标准的要求，在介绍波的反射、折射、干涉和衍射的时候，一改以往教材对本章内容的安排方法，叙述的逻辑是从实验到结论，不再介绍惠更斯原理，也不用惠更斯原理去分析各种现象，降低学生学习难度。

3．重视物理实验与学生实践活动

本章教材共采用了 7 个演示实验，它们分别涉及沿绳传播的波、弹簧形成的波、水波的反射、水波的衍射、波的叠加、水波的干涉、蜂呜器音调的变化，充分说明物理学科要以实验为基础，也表明教学中要重视物理实验的作用，要真做实验，通过实验来引导学生认识物理现象，通过实验得出物理规律。教材还安排了观察水波的传播、声音的干涉两个“做一做”，以及关于不同时刻波形图和水波多普勒效应两个“思考与讨论”，强调学生的实践活动在物理学习中的重要性。

4．重视与生产生活及现代技术的联系

教材在选取素材时重视与生产生活及现代技术相联系。从运动场上波浪翻滚的彩带、变化起伏的团体操，到降噪技术、超声波测速仪、医用“彩超”，再到多普勒效应在天文学上的应用，教材从多个方面说明机械波知识是生产生活与现代技术的重要基础，也反映出物理学是有用的，需要学生认真学习。

课时安排建议

第 1 节  波的形成                                               1 课时

第 2 节  波的描述                                               2 课时

第 3 节  波的反射、折射和衍射                          2 课时

第 4 节  波的干涉                                               1 课时

第 5 节  多普勒效应                                            1 课时

第 1 节  波的形成  教学建议

1．教学目标

（1）通过观察和分析，认识波是振动的传播，知道波在传播振动形式的同时也传播能量和信息。

（2）能对波动现象进行分析和推理，认识波的形成过程。

（3）能区别横波和纵波，知道什么是波峰和波谷、密部和疏部。

（4）知道机械波的概念和形成机械波的条件。

2．教材分析与教学建议

本节主要研究机械波的形成过程，定性认识波的一些基本特征。教材首先引导学生观察和分析绳波是如何产生与传播的，让学生了解绳波在整体上看是一列凹凸相间的波形在传播，而在个体上看是绳中各质点随时间上下振动，各质点在同一时刻位移不同，同一质点在不同时刻位移不同，从而帮助学生初步建立波动的观念。然后根据波的传播方向与振动方向的关系给出横波和纵波的定义，建立波的传播的两种模型。最后给出机械波的概念，通过一定的分析和推理让学生得到形成机械波的条件，从而知道机械波具有哪些主要的物理特征。机械波的形成过程是本节课的重点和难点，对波的形成的分析和推理凸显对学生科学思维的培育。

波动是一种特殊的运动，通过对波的学习可以深化学生的运动观念，但学生对波的认识和理解需要一个过程，教学中不可急于求成，应该注意选择怡当的教学方式。教师可通过播放录像、动画，组织小组实验或体验活动等方法为学生提供丰富的感性材料。然后重点分析波的形成过程，在学生亲身体验和实验观察的基础上对波动现象进行分析和推理，从而建立对机械波的认识。注意运用学生已有的运动学和动力学知识来分析和研究波的基本特征和规律。

（1）问题引入

学生在学习前已经知道了水波、声波等名词，但从未思考过这些波是如何形成的。教材一开始引入艺术体操表演中运动员手中彩带形成的波，并提问彩带上的每个点是否都在往前运动，引发学生的思考。教师还可以播放水波和麦田里的麦浪等视频，让学生了解波存在的普遍性。学生在思考讨论中会发现形成波的质点并没有随波往前运动，而是在平衡位置附近振动，这与学生的前概念形成了认知冲突，能够激发学生对波的形成的学习兴趣。

（2）波的形成

实验是科学探究的重要手段，也是学习物理知识的基础，教材通过引导学生对绳波形成的观察与分析，帮助他们理解波的形成过程。

 

教学片段

波的形成

教师演示绳波的产生与传播时，应选用细而长、质量适当偏大且均匀分布的细绳，并在绳上相隔一段距离的两点系上彩色小布条，让学生认真观察，并回答以下问题。

问题 1．绳上的小布条开始运动时的方向与手开始运动时的方向有什么关系？

问题 2．手和绳上两个小布条运动的先后顺序是怎样的？

问题 3．在绳波上的小布条有没有随波前进？

问题 4．手停止振动后，绳上两个小布条又是如何运动的？

在回答以上问题的基础上，教师带领学生进一步分析和推理绳波形成的详细过程。建立理想模型是物理学中对客观事物进行研究的一种科学方法。设想把绳子分成很多小段，这些小段可以看作一个个相连的质点，这些质点间存在着弹性力的作用，具体如图 3–1 所示。

 

图 3–1

然后播放模拟动画，其中第一个质点受到外力作用将开始在垂直方向上做简谐运动。若在 t = T 时第一个质点运动到最高点（图 3–2），请问第几个质点即将开始运动？

 

图 3–1

在 t = T 时，第一个质点回到平衡位置（图 3–3），质点 4 运动到哪里？第几个质点也即将运动？

 

图 3–1

以此类推，请画出 t = T 和 t = T 时的波形图。

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在学生解决以上问题后，教师引导学生结合教材图 3.1–2 进一步分析绳中质点的运动与波的传播的关系，在此基础上让学生体会得到以下结论。

①波源通过绳上各点间的相互作用带动后续质点振动。

②一个质点的振动带动了相邻质点的振动，而这些质点的振动又会引起更远质点的振动，这样由近及远的传播形成了波。

③后续质点开始振动的方向与波源的起振方向相同。

④类似于绳波这样的机械波的传播需要介质，但介质中的质点并未沿着波的传播方向随波迁移。

为了让学生体验机械波的形成，增强学生的参与意识，进一步认识波动这一“群体运动形式”和振动这一“个体运动形式”的联系和区别，可在课堂上安排学生完成“做一做”栏目中的活动。此活动能让学生体验机械波的形成过程，认识机械波的传播是振动形式的传播，介质中的质点并没有随波迁移。也能让学生认识到波离不开振动，振动是波形成的原因，波是振动在介质中传播的结果。

（3）横波和纵波

按照事物的特征进行分类，是人们认识事物的重要方法。在波动中，按照质点的振动方向与波的传播方向的关系，可以将波动分为横波和纵波两种模型。质点振动方向与波的传播方向互相垂直的波叫横波。例加课堂上演示的绳波，“做一做”中的“人浪”均是横波，这是本章主要讨论的内容。质点振动方向与波的传播方向在一条直线上的波叫纵波。

学生对于纵波普遍缺乏感性认知，教师可通过演示实验“观察弹簧形成的波”展现给学生，增强学生对纵波的认识。同时指出质点分布最密的位置叫作密部，质点分布最疏的位置叫作疏部。教师可利用音叉做演示实验，然后播放声波在空气中传播的模拟动画，指出声波是一种纵波。

（4）机械波

通过对绳波形成的分析、“人浪”的体验和弹簧纵波的演示等，教材总结得到机械波的概念：机械振动在介质中传播，形成了机械波。明确形成机械波需要波源和介质。同时在观察和分析中让学生明确波动与振动的联系与区别。它们的联系与区别如表 3–1 所示。

表 3–1  波动、振动的联系与区别

联系与区别		波动	振动
联系	1．因果关系	振动是波动的原因，波动是振动在介质中传播的结果。有波动一定有振动，有振动不一定有波动。
	2．频率关系	波动的频率与振动的频率相同
区别	1．研究对象	介质中参与波动的大量质点	单个质点
	2．力的来源	介质中各质点间的弹力	质点所受的回复力
	3．运动性质	同一介质中传播速度不变	质点做变加速运动

总之，振动从个体角度反映了质点的运动形式，而波动从整体角度使我们看到了诸多质点形成的群体的行为，即机械波。

3．“练习与应用”参考答案与提示

本节共 3 道习题，分别从不同角度强化了学生对机械波的初步认识。第 1 题联系生活实际，加强对振动与波动的关联的认识。第 2 题对学生的空间想象能力要求较高．帮助学生建立起机械波的空间动态情景，为后面的学习奠定了基础。第 3 题具有一定的引导性，让学生通过观察认识波源起振的特点。

 

1．将石子投入平静的湖面，会激起一圈起伏不平的水面波向四周传播，而漂浮在水面的小木块上下振动却没有随波迁移。

 

2．（1）t = \(\frac{1}{2}\) 时，质点 8 向上运动，质点 12、16 还没运动。

（2）t = \(\frac{3}{4}\)T 时，质点 8 向下运动，质点 12 向上运动，质点 16 没有运动。

（3）t = T 时，质点 8 向下运动，质点 12 向下运动，质点 16 向上运动。

 

3．（1）横波；（2）朝上