第三章 第一节 机械波的形成和传播

 

 

人与人之间的交往、人与外部世界之间的交流，都和我们周围无处不在的各种波密切相关，例如，人们依靠声波来交谈。波动现象在自然界中普遍存在，有我们熟悉的水波、声波、地震波、无线电波；也有来自宇宙深处的电磁波、引力波；甚至微观粒子如电子、质子、中子也具有波动的性质。目前，波的应用已深入到生产、生活的方方面面。我们用光波照明，用无线电波通信，用超声波与 X 射线探测物体（包括人体）内部，用电磁波探寻宇宙的奥秘，用微观粒子的波动性研究物质的结构，等等。

---

在初中阶段我们已经学习过声波的知识，上一章又学习了机械振动。在本章中，将认识波的特征，理解波长、频率和波速的关系；知道波的反射、折射，了解波的干涉、衍射现象；认识多普勒效应；运用图像来描述横波。在学习中，基于事实建构机械波模型；用叠加的思想解释波的干涉现象。本章的学习有助于提升相互作用和能量的观念、发展科学思维能力。本章也是学习光的波动性和电磁波的基础。

 

 

 

我们的耳朵能听到各种声音是声波作用于耳膜的结果；医疗检查中的“B 超”利用了超声波的特性；石子投入平静的水面后漾起的阵阵涟漪（图 3–1）和艺术体操运动员舞动丝带产生的一个个美丽螺旋也都是特殊的波。这些波都是振动在介质中的传播。

物理学中，把机械振动在介质中的传播称为机械波（mechanical wave）。能够传播机械波的物质（如空气和水等）称为介质。

如图 3–2 所示，弹性绳的一端固定，手持另一端连续上下振动。可以看到振动状态沿绳传播，形成了一列波。

这列波由左向右沿绳传播，系在绳上的小铃铛也随之上下振动，但却没有随波移动。这说明，波传播了振动的运动形式和能量，而介质本身并没有随波迁移。

实验发现，当水波到达软木塞时，软木塞大致在上下运动，但并没有随水波在水平方向的传播而随波迁移。

把绳波实验中的弹性绳分成一个个小段来分析，每一小段都简化为一个质点。这些质点间具有相互作用。当外力使第一个质点以一定规律开始运动时，它相对相邻的第二个质点发生了运动，第二个质点将也在弹性力的作用下开始运动；同样，第二个质点的运动又将依次引起第三、第四等较远质点的运动，从而形成了机械波。

由此可见，形成机械波必须要有两个条件：一要有做机械振动的物体——波源，二要有能够传播机械振动的介质。

 

由活动可知，远处的质点总比近处的质点迟一些开始振动。振动的形式和能量沿着绳传递出去，形成了绳上由近及远、凹凸相间的波。绳子在某一时刻的形状称为波形。绳子上每一个质点的运动情况都与波源相同，只是时间上由近及远相应滞后。

当波沿绳子传播时，绳子中各质点的振动方向和波的传播方向互相垂直。我们把介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波（transverse wave）。横波中，凸起部分的最高点称为波峰，下凹部分的最低点称为波谷。

质点的振动方向和波的传播方向是否也可能在同一直线上呢？

把轻弹簧用细线水平悬挂起来，如图 3–5（a）所示。用手左右有规律地拉动、挤压弹簧的一端，弹簧与手接触的相邻部分受到周期性的拉伸与压缩，一会变疏，一会变密，这种疏密相间的状态沿弹簧自左向右传播，形成了一列疏密相间的波，如图 3–5（b）所示。此时，弹簧就成为波传播的介质。介质中的质点左右振动，疏密波由左向右传播，介质中质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上。这样的波称为纵波（longitudinal wave）。质点分布最密的位置称为密部，质点分布最疏的位置称为疏部。

在空气中传播的声波就是纵波，声波也能在液体、固体中传播。

 

本节编写思路

本节按特殊到一般的思路，以弹性绳和轻弹簧为例，讨论了机械波的产生、传播和分类。本节内容按以下思路展开：

1．观察波在弹性绳和水面上的传播，分析绳中质点通过相互作用传递振动和能量的过程，认识机械波的产生条件，形成机械波的概念。

2．观察轻弹簧中疏密波的传播，认识机械波的分类。

学习本节内容，将经历观察、分析机械波的产生，形成机械波的概念，描绘机械波的波形等过程，拓宽对运动形态的认识，丰富对运动与相互作用及能量观念的认识，促进科学推理能力的发展，感悟物理规律与社会生活之间的关系。

正文解读

这是一个需要动手操作和观察现象的“自主活动”，目的是丰富对机械波的传播与质点振动关系的直观体验，认识到在波的传播过程中，质点并不随波迁移。

 

本段为“自主活动”做准备。本段内容的讨论体现了整体与个体结合的研究思路。

 

本活动需按以下步骤进行：

（1）分析每个质点在不同时刻的位置。

（2）观察同一时刻各质点的空间分布。

（3）根据教材图 3 – 4 中的波形示范，用平滑的曲线将同一时刻各质点的位置连接起来，得到该时刻的波形图。

（4）归纳波的传播规律。

 

这里还需要指出的是，教材将介质质点的振动称为“简谐运动”，是基于学生高中阶段学习的层次而作的简化处理，其涵义仅指质点位移随时间按余弦或正弦规律变化。实际上，介质中的质点是在上、下游质点的弹性相互作用下做受迫振动。

 

设置这个“大家谈”的目的是让学生在上述“自主活动”的基础上，进一步认识波源的振动与波形及波形移动情况之间的联系。为建立波的图像做准备。

 

横波和纵波是两种最基本的机械波，现实世界中的机械波往往更为复杂，可以分解为振动沿传播方向的纵波和垂直于传播方向的横波。

 

发生地震时，从震源发出的地震波中有两种形式：纵波（P 波）和横波（S 波）。当 P 波和 S 波传到地表时发生反射形成沿地表传播的表面波（简称面波）。面波又包含两种形式：一种是扭曲波，使地表发生扭曲，另一种使地表上下波动，就像在大洋面上传播的水波那样。因此，实际上地震发生时，会形成 P 波、S 波和面波三种形式的波。虽然地震在什么时候发生不可预测，但一旦发生地震，卸可以通过地震监测系统提前发出预警。

问题与思考解读

1．参考解答：以小石子落水处为中心漾起圈圈涟漪，由近及远传播开去。传到树叶处，树叶上下振动，并不随波迁移。

命题意图：用简洁的语言进行表述；由情境知道波的产生条件；能用恰当、合理的语言表述波的传播与介质质点之间的关系；知道湖面上的树叶可简化为波传播中的某一质点——建立物理模型。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

 

2．参考解答：手停止运动后，靠近波源的地方先停止运动，原有的波形由近及远向前传播。

命题意图：知道绳上的横波波形特点；理解波传播与振动的关系。

主要素养与水平：科学推理（Ⅱ）；科学本质（Ⅰ）。

 

3．参考解答：能。要使小环从水平横杆上脱落，小环必须运动到横杆最左端 A 之外。当手握链条下端平行于横杆来回抖动，在链条上产生波。波由下向上传播，带动小环平行于横杆来回滑动，小环可能从 A 端脱落。

命题意图：知道波通过一定的弹性介质，把波源的振动通过介质得以传播。希望学生通过可实现的操作体验波的传播。

主要素养与水平：模型建构（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

 

4．参考解答：（1）向下。此时 P 点处于即将振动的状态，P 点向下振动，而 P 点的起始振动情况反映振源 O 的起始振动情况，所以振源 O 刚开始时也是向下振动的。

（2）横波。因绳上的各点上下振动，波由左向右传播，介质中质点的振动方向与波的传播方向垂直。

命题意图：知道横波的特征；通过波形知道某质点的振动方向；理解波源的起始振动方向与已有波形中某些质点的运动相同，仅时序不同。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅱ）；科学推理（Ⅱ）。

 

5．参考解答：

（1）A、B、C、D、E 各点的振动速度方向如图 1（a）所示，A、B 和 E 三点的速度将越来越大

（2）如图 1（b）所示

命题意图：知道介质振动方向与波传播方向的相互关系。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅲ）；科学推理（Ⅱ）。