高考物理 波的形成详解

问题1：什么是波？为什么要研究波？答：振动状态的传播被称为波动，简称“波”。波动是自然界普遍存在的一种物质运动的形式。生活中常见的波有水波、声波、地震波、无线电波，在选择性必修2和3中我们还将学习电磁波、物质波，2017年诺贝尔物理学奖则授予了在引力波（爱因斯坦广义相对论中提出）研究中做出了卓越贡献的三位物理学家。波的应用已深入到生产、生活的方方面面：日常生活中我们利用声波进行交流，用光波照明，用无线电波进行通信，科研领域中我们用超声波与

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射线探测物体（包括人体）内部，用电磁波（选择性必修2第4章）探寻宇宙的奥秘，用微观粒子的波动性（选择性必修3第4章）研究物质的结构等等。研究和认识波，将有助于我们更好地利用波，也能预防和减轻波所造成的破坏。问题2：关于“波”，初中我们已经get了哪些知识？

答：如图所示为北师大版（郭玉英老师主编）和人教版初中物理教材中与波（主要是声波）有关的章节内容。初中物理关于声波我们了解如下内容：①发声物体的振动在介质中的传播就形成了声波。②声波不能在真空中传播。③声波能够传递信息和能量，声波在空气中的传播速度为340m/s。④声音的音调取决于发生物体振动的频率，响度取决于发生物体的振幅，音色取决于发生物体的材料等因素。问题3：什么是机械波？答：本章的学习围绕机械波展开。声波就是一种机械波，类比声波的产生原因可知：机械振动在介质传播就会产生机械波。问题4：为什么机械振动会在介质中传播产生机械波？答：当介质中的某个质点开始振动时，由于介质的连续性，该质点周围的质点对该质点有力的作用，这个力的效果是试图将开始振动的质点拉回平衡位置，根据牛顿第三定律，与该质点相邻的质点则会受到一个反方向的作用力，这个反作用力的效果是将相邻的质点拉离平衡位置开始振动。以此类推，开始振动的质点由近及远地带动了介质中的质点开始振动，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，振动这种运动形式通过质点的相互作用在介质中传播就形成了波。因此，机械波的产生需要两个必要条件：①开始振动的质点即波源，②能够传播振动的介质。以上的分析还表明：在机械波的传播过程中，由于波源由近及远地带动了质点依次振动，因此介质中的质点都做受迫振动。根据受迫振动稳定后的频率等于驱动力的频率可知，机械波在传播过程中，介质中各质点的振动频率与波源振动的频率相同。问题5：为什么机械波不能在真空中传播？答：初中物理中用如图所示的实验证明了声波不能在真空中传播。声波是机械波，机械波不能在真空中传播的原因是真空中分子之间距离很大，质点之间的相互作用无法使振动传递到相邻的质点，也就无法产生波。问题6：为什么横波又叫“凹凸波”，而纵波又叫疏密波？答：如图甲所示，波的传播方向与质点的振动方向垂直的波叫做横波。如图乙所示，波的传播方向与质点的振动方向在一条直线上的波叫做纵波。

如图所示为横波和纵波形成过程的示意图。不难看出横波在传播过程中使介质中的质点在垂直波的传播方向上高低错落地分布，有的地方凸起来，有的地方凹下去，凸起来的最高处称为“波峰”，凹下去的最低处称为“波谷”，所以横波又叫“凹凸波”。如图所示，绳波和舞台上的人浪表演都是横波。与横波不同，纵波在传播过程中使得介质中的质点在波的传播方向上疏密不同的分布。有的地方质点分布稀疏，有的地方质点分布紧密。因此纵波又叫做“疏密波”。如图所示，鼓面振动产生的声波和弹簧振动产生的弹簧波都是纵波。

值得提醒的是波的传播是运动形式的传播：不管是横波还是纵波在传播时，介质中的质点都只在自己的平衡位置附近振动，并不随波一起迁移。问题7：如何从能量的角度认识波的传播？答：随着波的传播，介质中的质点从静止到运动就具有了动能；与此同时，振动引起介质的形变也产生了势能。根据能量守恒定律可知，动能和势能不能凭空产生，这些能量均来自波源。因此波的传播过程也是能量的传播过程。波不仅能够传播能量，还能够传递信息。我们交谈时就利用声波交流了信息。选择性必修2《4.3无线电波的发射和接收》中详细介绍了波传递信息的过程。问题8：如何根据波的形成过程示意图判断波源开始振动时的振动方向（又叫起振方向）？答：如图所示是以质点

P

为波源的机械波在绳上传到质点Q

时的波形。判断波源P点从平衡位置刚开始振动时的振动方向应当按照以下步骤进行：①依据题意，在示意图中明确波的传播方向，用红色箭