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教案名称:5.2机械波
教学目标:
1.了解机械波的产生和传播原理,能区别横波和纵波。了解用波形图描述机械波的一般方法。理解波长、频率和波速等物理量的定义,了解描述机械波相关物理量的关系。理解波的叠加原理,了解波的衍射和干涉现象。
2.理解振动和波的关系,了解降噪耳机的设计原理,了解波动理论、超声波在日常生活、科学探究和医疗健康等职业领域的应用。
3.能够通过视频、演示实验和活动,分析机械波的产生过程,能够识别和分析横波的波形图。能够结合实际,完成探究小实验,发展实验观察、探究设计等学科核心素养。
教学重点:机械波的产生与传播;描述机械波的物理量;波的衍射和干涉。
教学难点:机械波的产生与传播;能运用波长波速和周期的关系,解决实际问题。正确理解振动与波的关系。
教学方法:实验探究法、讲授法、讨论法
教学准备:
实验器材:水盆、金属棒、乒乓球、绳子、长弹簧等。
多媒体材料:PPT课件。
教学过程:
一、导入新课:
机械振动是自然界中常见的运动形式之一,而波是振动在媒质中的传播。
机械振动和机械波的知识是学习各种形式振动和波的基础。
情景创设:俗话说“一石激起千层浪”,当将一颗小石子投入水中,水面就会形成从中心向四周传播出的一圈圈水波。能量也随着水波向外传播。提问,水波的产生与传播是如何发生的?这种波的运动有什么样的特点呢?
二、新课讲解:
1.观察下列课堂小实验,认识机械波,总结机械波的形成和传播条件:
(1)用水盆乒乓球制造水波
(2)抖动长绳制造绳波
结论:
要产生机械波,首先必须有产生机械振动的物体或者质点,即波源。其次,要产生机械波,还必须要有传播介质。水盆中的水和长绳都是介质。
仔细观察我们会发现,乒乓球会随着水波在原地上下浮动,并不会随着水波的传播移动。抖动的绳子也是一样,假设给绳子系上一个红绸,红绸也只会在原地抖动,并不会随绳波的传播而移动到另一端。
机械波在传播振动的时候,介质中的物质并没有随着机械波迁移,机械波只是传递了波源的振动方式和能量。
(3)用长弹簧制造纵波
利用一根长而软的弹簧,挤压弹簧的一小段,然后突然释放。你观察到了什么现象呢?
从实验中我们观察到,弹簧圈密集的部分和稀疏的部分交替着向左右两边传播,这种在弹簧上振动方式和能量的传播也是机械波。
比较分析:比较几次实验,发现前两个实验振动方向和机械波的传播方向垂直,而最后一个实验振动方向和传播方向在一条直线上。前两个叫做横波,弹簧上的机械波叫做纵波。
横波与纵波的区别
2.描述机械波的物理量:波长、频率和波速
(1)波形图
以绳子上传播的横波为例,在波的传播过程中,如果给它拍一张照片,我们就可以得到某个时刻,绳子上各个质点的具体位置。建立直角坐标系,把照片放入到坐标系,就可以得到这一时刻波的图像。波的图像也称为波形图。
(2)波长
振动情况相同的两个相邻质点间的距离就称为波长。波长通常用λ表示,国际单位为米。
在横波中,两个相邻的波峰,两个相邻的波谷或者振动情况相同的任意两个相邻质点间的距离都等于波长。在纵波中,任意两个相邻密部或者两个相邻的疏部之间的距离也等于波长。
(3)周期和频率
在波动中,各个质点的振动周期或者频率都是相同的,都等于波源的振动周期或者频率。这个周期或者频率也称为波的周期(用T表示)或者频率(用f表示)。
(4)波速
波速描述了波在介质中传播的快慢程度,数值上等于单位时间内质点振动向外传播的距离。例如在一个振动周期T内,波向外传播的距离为一个波长λ。那么,这个波的波速就可以表示为
v=λT
又因为T=
v=λ
3.波的衍射
提问:波的传播依赖介质。但如果波在传播的过程中遇到障碍物,会发生什么样的现象呢?
在湖面上,水波遇到石块或者芦苇等细小的障碍物时,水波可以绕过它们继续传播。波绕过障碍物继续传播的现象称为波的衍射。一切波都能发生衍射,衍射是波特有的现象。
课堂讨论:能否列举生活中的实例,证明机械波可以发生衍射现象?
4.波的干涉
提问:在介质中如果出现同时有几列波同时传播的情况,那么当波与波相遇的时候,会发生什么样的现象呢?比如水盆实验中,如果有两个振动源同时振动,水面的机械波会呈现出怎样的情形?
实验表明,两列波在相遇后会互相穿过对方,波的形状和传播情形和相遇之前没有分别,仍然沿着各自原来的方向继续传播。在它们重叠的时候,两列波引起的质点的振动位移,等于这两列波分别作用于该质点时位移的矢量和,这就是波的叠加现象。
在水槽中,同一振动片上固定两根细杆。振动时,细杆连接的小球以相同的周期(频率)触动水面,形成两个波源。两列波相遇,水面上出现了一些特殊的区域,有些地方水面始终保持平静,有些地方则振动激烈,这两类区域间隔排列,形成了一个稳定的图样。
这种周期(频率)相同的两列波叠加,使得某些区域的振动加强,某些区域的
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