機(jī)械振動機(jī)械波

機(jī)械振動機(jī)械波第五單元 機(jī)械振動 機(jī)械波一、概述本單元基礎(chǔ)型課程的內(nèi)容由機(jī)械振動及描述機(jī)械振動的物理量、機(jī)械波及描述機(jī)械波的物理量等組成；拓展型課程的內(nèi)容由簡諧運(yùn)動及其圖像、單擺及其振動周期、波的相關(guān)特性等組成。機(jī)械振動是一種周期性的運(yùn)動，與圓周運(yùn)動的相關(guān)知識有一定的聯(lián)系。波的干涉、波的衍射的內(nèi)容是今后學(xué)習(xí)光學(xué)的基礎(chǔ)。在本單元學(xué)習(xí)中，通過對機(jī)械振動、周期、頻率等知識的學(xué)習(xí)，要認(rèn)識對周期運(yùn)動的描述方法。要經(jīng)歷單擺模型的建立過程， 感受物理模型在物理研究中的重要作用。要在用單擺測定重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)識累積測量是物理實(shí)驗(yàn)中的重要方法，體會其在減小實(shí)驗(yàn)誤差中的作用。本單元基礎(chǔ)型課程需 7課時(shí)，拓展型課程需課時(shí)。二、學(xué)習(xí)內(nèi)容與要求（一）內(nèi)容與水平編 學(xué)習(xí)水基礎(chǔ)型 拓展型號 平5.1.機(jī)械振動A15.1.振幅周期頻B2率5.1.機(jī)械波的形成A35.1.橫波橫波圖像B45.1.波速和波長、頻B率的關(guān)系5.2.簡諧振動振B1動圖像5.2.單擺及其振B2動周期5.2.用單擺測定B3重力加速度（學(xué)生實(shí)驗(yàn)）5.2.縱波A45.2.波的疊加A55.2.波的干涉B65.2.7

觀察水波的B干涉現(xiàn)象（學(xué)生實(shí)驗(yàn)）5.2.波的衍射A8（二）導(dǎo)圖：橫波描述振動物理量 機(jī)械振動 機(jī)械振動與機(jī)械波 機(jī)械波縱波機(jī)械振動產(chǎn)生原因：機(jī)械波的描述機(jī)械波產(chǎn)生的條件振幅A的特征回復(fù)力周期T波長波速周期、頻率波的圖像頻率f全振動1做簡諧運(yùn)動簡諧運(yùn)動關(guān)系：v，vff的條件TT振動圖像單擺物理模型波的疊加波的衍射單擺是簡諧周期：Tl運(yùn)動的條件2g波的干涉用單擺測重力加速度 觀察水波的干涉現(xiàn)象（三）要求知道機(jī)械振動。①知道機(jī)械振動的概念；②知道機(jī)械振動是一種周期運(yùn)動；③知道機(jī)械振動的產(chǎn)生條件；④知道全振動的概念。理解振幅，理解周期，理解頻率。①知道振幅的概念；②理解振幅是描述振動強(qiáng)弱的物理量。③知道周期、頻率的概念；④理解周期、頻率是描述振動快慢的物理量；⑤能用周期、頻率的關(guān)系式進(jìn)行簡單的計(jì)算。知道機(jī)械波的形成。①知道機(jī)械波的概念；②知道機(jī)械波產(chǎn)生和傳播的條件；③知道描述機(jī)械波的物理量，○4知道機(jī)械波傳遞的是能量和運(yùn)動形式。理解橫波，理解橫波的圖像。①知道橫波的概念；②知道波長的概念；③能根據(jù)波的傳播規(guī)律畫出不同時(shí)刻的波形圖；④能根據(jù)橫波的圖像確定波長、振幅；⑤理解在橫波傳播過程中，質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向間的關(guān)系。理解波速和波長、頻率的關(guān)系。①知道波速的概念；②知道機(jī)械波的波速與介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)；③知道波的周期和頻率的概念；④知道機(jī)械波的周期和頻率由波源決定；⑤能用波速和波長、頻率三者間的關(guān)系式進(jìn)行簡單計(jì)算。理解簡諧運(yùn)動，理解振動圖像。①知道簡諧運(yùn)動的概念；②知道彈簧振子的振動是一種簡諧運(yùn)動；③能分析彈簧振子的振動過程中位移、速度、加速度、回復(fù)力的變化。④知道簡諧運(yùn)動的振動圖像；⑤能根據(jù)振動圖像對簡諧運(yùn)動做出相關(guān)分析和判斷。理解單擺及其振動周期。①知道單擺模型；②知道將單擺看作簡諧運(yùn)動的條件；③理解單擺的振動圖像；④能用單擺的周期公式進(jìn)行簡單計(jì)算。學(xué)會“用單擺測定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)。①知道實(shí)驗(yàn)原理；②會組裝實(shí)驗(yàn)裝置；③會測量單擺的擺長、周期；④能用累積法提高測量精度；⑤能根據(jù)測量數(shù)據(jù)得出重力加速度的值。知道縱波。①知道縱波的概念；②知道縱波是機(jī)械波的一種。知道波的疊加。①知道波的傳播的獨(dú)立性；②知道當(dāng)兩列波相遇時(shí)，某介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移是兩列波分別引起的位移的矢量和。理解波的干涉。①知道波的干涉現(xiàn)象；②知道波的干涉圖樣；③知道波的干涉是波動的特有現(xiàn)象；④理解波的干涉產(chǎn)生的條件；⑤理解干涉圖樣中的加強(qiáng)點(diǎn)、減弱點(diǎn)的振動情況。學(xué)會“觀察水波的干涉現(xiàn)象”的實(shí)驗(yàn)。①知道實(shí)驗(yàn)器材和實(shí)驗(yàn)步驟；②會調(diào)試得到穩(wěn)定的干涉圖樣；③會描述觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。知道波的衍射。①知道波的衍射現(xiàn)象；②知道能夠產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件；③知道波的衍射是波動的特有現(xiàn)象。說明：1）關(guān)于橫波、波的疊加，不涉及用橫波的圖像進(jìn)行復(fù)雜的討論和計(jì)算。2）關(guān)于振動圖像不涉及與橫波圖像間的轉(zhuǎn)換問題。三、學(xué)習(xí)指引（基礎(chǔ)型）（一）實(shí)驗(yàn)指要本單元沒有必做的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，但教材中的“自主活動”和“探索研究”欄目編排了一些要求動手、觀察、測量、探究的小實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)時(shí)要加以關(guān)注。（二）應(yīng)用示例例題1如圖5-1所示，一彈簧振子在B、C兩點(diǎn)間做機(jī)械振動，B、C間距為10cm，O是平衡位置，振子每次從C運(yùn)動到B的時(shí)間均為0.5s，則下列說法中正確的是（ ）A．該彈簧振子的振幅為 10cmB．該彈簧振子的周期為 0.5sC．該彈簧振子的頻率為 1HzD．振子從O點(diǎn)出發(fā)到再次回到 O點(diǎn)的過程就是一次全振動分析：振幅是從平衡位置到最大位移的距離，根據(jù)題意應(yīng)為5cm，選項(xiàng)A錯(cuò)；一次全振動應(yīng)該指振子從C點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過O點(diǎn)運(yùn)動到B，再沿相反方向經(jīng)O回到C點(diǎn)的過程，所以選項(xiàng)B、D錯(cuò)。根據(jù)題中振子從C運(yùn)動到B的時(shí)間為0.5s的條件，得周期T=2×0.5=1s，所以

學(xué)習(xí)內(nèi)容：知道振動；理解振幅，理解周期，理解頻率。學(xué)習(xí)要求：④知道全振動的概念；①知道振幅的概念；③知道周期、頻率的概念；⑤能用周期、頻率的關(guān)系式進(jìn)行簡單的計(jì)算。學(xué)習(xí)水平：f11Hz，選項(xiàng)C正確。理解（B）。T解答：C說明：本題考查振動、全振動的概念，以及振幅、周期、頻率的概念，要求在理解這些概念的基礎(chǔ)上，根據(jù)彈簧振子的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行判斷。學(xué)習(xí)內(nèi)容：因此學(xué)習(xí)水平為：理解（ B）。理解橫波，理解例題2如圖5-2所橫波的圖示為一列沿x軸正像；方向傳播的橫波，理解波速實(shí)線為t=0時(shí)刻的波形圖，虛線為和波長、頻t=0.4s時(shí)的波形圖，波的周期 T＞率的關(guān)系。0.4s，則（ ）學(xué)習(xí)要求：A．波的波長為4m④能B．波的周期為0.8s根據(jù)橫波C．波傳播的速度為 5m/s的圖像確D．經(jīng)0.4s，P點(diǎn)沿x軸經(jīng)過的路程定波長、振為2m幅；⑤理解分析：本題是一道根據(jù)波形圖求未在橫波傳知量的題目，波長可以直接由圖中播過程中，得出，可見選項(xiàng)A是錯(cuò)誤的；求周 質(zhì)點(diǎn)的振期時(shí)要知道一個(gè)周期內(nèi)波形移動 動方向與一個(gè)波長，根據(jù)題意選項(xiàng)B也是錯(cuò)波的傳播誤的；而波傳播的速度要根據(jù)波的方向間的波長和周期計(jì)算得出；根據(jù)形成波 關(guān)系。的質(zhì)點(diǎn)不會隨波遷移，只是在其平 ①知道波衡位置兩側(cè)來回振動，可以確定選 速的概念；項(xiàng)D錯(cuò)誤。 ⑤能用波解答：由圖及題設(shè)已知條件可知： 速和波長、波長λ=8m，經(jīng)過0.4s波形圖移動 頻率三者了1/4波長， 間的關(guān)系得 T=4×0.4s=1.6s ， 所 以式進(jìn)行簡v 8m/s 5m/sT 1.6

單計(jì)算。選項(xiàng)C正確。 學(xué)習(xí)水平：說明：本題考查波的圖像，要求能理解（B）。根據(jù)橫波的圖像確定波長；理解在橫波傳播過程中，質(zhì)點(diǎn)的振動方向與波的傳播方向的區(qū)別，同時(shí)，考查用波長、周期與波速這三者之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。因此學(xué)習(xí)水平為：理解（B）。四、評價(jià)示例（基礎(chǔ)型）（一）評價(jià)建議單元評價(jià)包括日常作業(yè)評價(jià)、實(shí)驗(yàn)評價(jià)、單元測試和活動評價(jià)等幾部分，其中日常作業(yè)評價(jià)和單元測試的方式與方法具體可參考第一單元；活動評價(jià)如課題研究、文獻(xiàn)綜述等可由學(xué)生、家長和教師根據(jù)活動過程中的批判性思考、同伴協(xié)作和團(tuán)隊(duì)合作、演講表現(xiàn)等方面，完成對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)業(yè)成果等維度的評價(jià)。（二）活動示例觀察與歸納——水平彈簧振子通過實(shí)驗(yàn)觀察歸納機(jī)械振動的概念和形成條件。觀察水平彈簧振子的運(yùn)動， 分析振子在一次全振動過程中運(yùn)動狀態(tài)的變化和原因， 形成機(jī)械振動的概念，歸納機(jī)械振動的位移、速度、加速度、回復(fù)力等周期性變化的特點(diǎn)。（三）檢測填空題1．如圖5-3所示，O是彈簧振子的平衡位置，B、C兩點(diǎn)是離平衡位置的最遠(yuǎn)距離。振子從 B→O過程中，位移變_________，速度變_________，加速度變_________(分別選填“大”或“小”)；如振子從B→O 過程中需 0.5s，則其振動頻率為_________Hz。2．圖5-4中所示為一列自右向左傳播的橫波，A、B兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)中，質(zhì)點(diǎn)_______先開始振動，質(zhì)點(diǎn)A剛開始振動時(shí)是_________(選填“向上”或“向下”)運(yùn)動的。3．圖5-5所示為一列向左傳播的橫波在某時(shí)刻的波形圖，該波的波長為________m、振幅為________cm；若波源的振動周期為2s，則波速為_________m/s。4．如圖5-6為一列沿x軸的正方向傳播的橫波在t=0時(shí)刻的波形圖，該波的傳播速度大小為20m/s。則該波的頻率是_________Hz，t=0時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)A__________(選填“向上”或“向下” )運(yùn)動。單選題5．如圖5-7所示，O是彈簧振子的平衡位置，小球在 A、C間做無摩擦的往復(fù)運(yùn)動。則小球（ ）A．在O速度最小 B．在O速度最大C．在A速度最大 D．在C速度最大6．如圖5-8所示的彈簧振子，下列正確的是（ ）A．振子從B點(diǎn)運(yùn)動到C點(diǎn)過程中，速度先增大后減小B．振子從B點(diǎn)運(yùn)動到C點(diǎn)過程中，加速度先增大后減小C．振子從C點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)過程中，加速度方向始終不變D．振子從O點(diǎn)到OB中點(diǎn)和從B點(diǎn)到OB中點(diǎn)時(shí)，速度、加速度均相同7．下列關(guān)于振動和波的說法，正確的是（ ）A．有機(jī)械振動一定會產(chǎn)生機(jī)械波B．有機(jī)械波就一定有機(jī)械振動C．只要有介質(zhì)就一定有機(jī)械波D．在一個(gè)周期內(nèi)，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)向前移動的距離總相等8．能完整地描述一列波的物理量是 （A．周期、頻率、波長 B．周期、振幅、頻率C．周期、波速、振幅 D．周期、頻率、波速

）9．同一音叉發(fā)出的聲波同時(shí)在水和空氣中傳播，某時(shí)刻的波形圖如圖 5-9所示，已知聲波在水中的傳播速度大于在空氣中傳播的速度，下列說法中正確的是（）A．聲波在水中波長較大，a是水中聲波的波形曲線B．聲波在空氣中波長較大， a是空氣中聲波的波形曲線C．水中質(zhì)點(diǎn)振動頻率較高，b是水中聲波的波形曲線D．空氣中質(zhì)點(diǎn)振動頻率較高， b是空氣中聲波的波形曲線計(jì)算題10．設(shè)空氣中某列聲波的周期1×10-3s，它的頻率是多少?它的波長是多少?如果這個(gè)聲波在水中傳播，它的波長是變長還是變短?（已知空氣中的聲速是340m/s，水中的聲速是1500m/s）11．已知某彈簧振子的振幅為 A，問：1）從任意位置開始，一個(gè)周期內(nèi)振子的位移大小和通過的路程各是多少?2）從任意位置開始，半個(gè)周期內(nèi)振子的位移大小和通過的路程各是多少?五、學(xué)習(xí)指引（拓展型）（一）實(shí)驗(yàn)指要學(xué)生實(shí)驗(yàn)：“用單擺測定重力加速度”1．主要器材：單擺（已知直徑的小球）、直尺、鐵架臺、停表、DIS（光電門傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等）。2．實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)：1）實(shí)驗(yàn)過程中，要用鐵夾夾住擺線。不能隨意地把擺線繞在鐵架上，造成擺動中擺長不斷變化。（2）擺線要細(xì)，彈性要小，質(zhì)量要輕，其質(zhì)量要遠(yuǎn)小于擺球質(zhì)量。擺球要用金屬球，做到質(zhì)量大而體積小，以符合單擺的模型，且在擺動中可忽略空氣阻力。3）在實(shí)驗(yàn)中，擺角要小于5o。如擺長為1m，則擺球離開平衡位置的距離應(yīng)小于8.7cm。4）要確保單擺的擺動始終在同一豎直平面內(nèi)，避免出現(xiàn)圓錐擺的狀態(tài)。5）用直尺測量擺長時(shí)，單擺要處于自然下垂?fàn)顟B(tài)，擺長=擺線長+擺球半徑，測量值要精確到1mm。6）在測量單擺周期時(shí)，要采用累積法，即測定30或50次全振動所需的時(shí)間后，再計(jì)算得到周期值。7）本實(shí)驗(yàn)也可以應(yīng)用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，用光電門傳感器接到數(shù)據(jù)采集器，點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)菜單中的“用單擺測重力加速度”。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先兩處擺球的半徑與擺線的長度，輸入計(jì)算機(jī)。讓單擺擺動后，點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”，顯示屏將得出一組單擺的周期與重力加速度的值。（二）應(yīng)用示例例題1同一地點(diǎn)的甲、乙兩單擺，學(xué)習(xí)內(nèi)容：在相同時(shí)間內(nèi)甲振動35次，乙振5.2.2理解動21次。若甲的擺長為45cm，則單擺及其乙的擺長_______cm。振動周期。分析：兩單擺在同一地點(diǎn)，表明在學(xué)習(xí)要求：重力加速度相等的情況下，單擺的5.2.2①知周期與擺長的平方根成正比。本題道單擺模根據(jù)在相同時(shí)間內(nèi)兩單擺振動的型；④能用次數(shù)，可以得到兩者的周期之比，單擺的周從而得到甲、乙兩單擺的擺長關(guān)期公式進(jìn)系。行簡單計(jì)解答：因?yàn)椋篢1T甲213算。f，所以：T乙355，學(xué)習(xí)水平：又因?yàn)椋篢l，2理解（B）。g所以得：l乙l甲T乙22。5T甲3說明：本題考查單擺及其振動周期公式，在重力加速度相等的情況下，運(yùn)用單擺的周期與擺長的平方根成正比的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。因此學(xué)習(xí)水平為：理解（B）。例題2如圖5-10所示是兩列相干波的干涉圖樣， 學(xué)習(xí)內(nèi)容：實(shí)線表示波峰，虛線表示 理解波谷，圖中C點(diǎn)為AB連線的中波的干涉。點(diǎn)．則A、B、C、D、E五個(gè)點(diǎn)其學(xué)習(xí)要求：中振動加強(qiáng)的點(diǎn)是____________，②知振動減弱的點(diǎn)是____________；如道波的干兩列波的振幅都為10cm，則A點(diǎn)涉圖樣；⑤的振幅為____________cm；圖示時(shí)理解干涉刻C點(diǎn)的振動方向____________圖樣中的（選填“向上”或“向下”）。加強(qiáng)點(diǎn)、減分析：本題是一道觀察、分析波的弱點(diǎn)的振干涉圖樣的題目，圖中實(shí)線表示波動情況。峰，虛線表示波谷，波峰與波峰疊學(xué)習(xí)水平：加、波谷與波谷疊加是加強(qiáng)區(qū)，而理解（B）。波峰與波谷疊加是減弱區(qū)。題圖中的C點(diǎn)在加強(qiáng)區(qū)的線上。解答：振動加強(qiáng)點(diǎn)是A、B、C；振動減弱點(diǎn)是D、E；A點(diǎn)的振幅為20cm；根據(jù)波的傳播方向，C點(diǎn)正向波谷方向振動，故C點(diǎn)向下運(yùn)動。說明：本題考查波的干涉圖樣，要求能在干涉圖樣中對加強(qiáng)點(diǎn)、減弱點(diǎn)的振動情況做出正確的分析并進(jìn)行判斷。因此學(xué)習(xí)水平為：理解（B）。六、評價(jià)示例（拓展型）（一）活動示例1.觀察與歸納——波的干涉利用頻閃光源觀察水波干涉的現(xiàn)象，描述干涉圖樣的特點(diǎn)。改變波源的振動頻率，進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，通過觀察比較，得出產(chǎn)生穩(wěn)定干涉圖樣的條件。2.研究與制作——自制消音器以小組合作的形式，開展關(guān)于波的干涉的應(yīng)用研究。如圍繞“如何自制消音器”的課題，查找資料，了解原理，并利用適當(dāng)?shù)钠鞑耐瓿筛缮嫘拖羝鞯闹谱骱徒涣髡故尽＃ǘz測填空題1．當(dāng)兩列波相遇時(shí)，它們保持____________________繼續(xù)傳播。在它們相遇的區(qū)域，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移是兩列波分別引起的_____________________。2．甲、乙兩單擺在同一地點(diǎn)相同時(shí)間內(nèi)，甲擺動5次，乙擺動4次，則兩單擺振動的周期之比為_________，擺長之比為_________。3．一列簡諧波沿x軸正方向傳播，其波速為50m/s，如圖5-11所示為t0=0時(shí)刻的波形，則該波的周期為_________s；試在圖中畫出t=0.5時(shí)的波形圖。單選題4．若單擺的擺長不變，擺球的質(zhì)量增加為原來的4倍，擺球經(jīng)過平衡位置時(shí)的速度減為原來的1/2，則單擺振動的（ ）A．周期不變，振幅不變 B．周期改變，振幅變大C．周期改變，振幅不變 D．周期不變，振幅變小5．作簡諧運(yùn)動的物體，回復(fù)力和位移的關(guān)系圖是下圖所給四個(gè)圖像中的（ ）6．如圖5-12所示是水波遇到小孔或障礙物后的圖像，圖中每兩條實(shí)線間的距離表示一個(gè)波長，其中正確的圖像是（ ）7．如圖5-13所示，S1、S2是兩個(gè)頻率相同的波源，它們發(fā)出的兩列簡諧橫波在空間相遇，圖中虛線和實(shí)線分別表示某時(shí)刻這兩列波的波谷和波峰，則下列正確的是（ ）A．質(zhì)點(diǎn)A、B、C的振動總是加強(qiáng)的B．質(zhì)點(diǎn)C、D的振動總是減弱的C．質(zhì)點(diǎn)B、D的振動