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2.1 波长(λ)

机械波及其传播规律 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 在波动中,振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离,用符号 $\lambda$ 表示。

从哪来 本知识点建立在 2.1 定义(波的基本概念)与 2.3 简谐运动的图像(波形图的几何特征)之上。通过简谐运动图像中相邻同相点(如相邻波峰或波谷)的水平间距,直观定义了波长。

为什么 波是振动在介质中的传播。介质中各质点做简谐运动,但起振时刻不同,导致相位不同。 1. 周期性本质:简谐运动具有时间周期性(周期 $T$),当波在空间传播时,这种时间上的重复性转化为空间上的重复性。 2. 相位同步:相位相同的质点意味着它们的振动状态(位移、速度方向)完全一致。 3. 空间间隔:由于波源持续振动,介质中必然存在一系列状态完全相同的质点。相邻两个这样的质点之间的距离,就是波在一个周期内传播的距离,即波长。它反映了波在空间上的“步长”。

适合类型:形象思维强、对抽象公式不敏感的学生** **讲法:排队类比法** 想象一队人做“左右摇摆”的广播体操。 1. 每个人都是质点,动作是简谐运动。 2. 如果第1个人向右摆,第5个人也向右摆,且动作完全同步(相位相同),那么第1人和第5人之间隔了3个人。 3. 这3个人的总长度,就是“波长”。 4. **关键点
不是任意两个人,必须是“动作完全一样”且“挨得最近”的两个人。就像海浪,一个浪尖到下一个浪尖的距离,就是波长。
适合类型:逻辑推理强、喜欢数学推导的学生** **讲法:相位差推导法** 1. 回顾简谐运动方程 $y = A \sin(\omega t + \phi)$。 2. 波函数描述空间分布:$y(x, t) = A \sin(\omega t - kx + \phi_0)$,其中 $k$ 是波数。 3. 相位 $\Phi = \omega t - kx + \phi_0$。 4. 若两点 $x_1, x_2$ 相位相同,则 $\Delta \Phi = -k(x_2 - x_1) = 2n\pi$ ($n$为整数)。 5. 相邻质点取 $n=1$,则 $k \Delta x = 2\pi$。 6. 因为 $k = \frac{2\pi}{\lambda}$,代入得 $\frac{2\pi}{\lambda} \Delta x = 2\pi$,解得 $\Delta x = \lambda$。 7. **结论
波长 $\lambda$ 是相位变化 $2\pi$ 所对应的空间距离。
适合类型:动手能力强、喜欢实验观察的学生** **讲法:水波槽观察法** 1. 在水波槽中产生稳定的水波。 2. 在波面上撒入轻质泡沫颗粒作为标记质点。 3. 观察泡沫颗粒的上下振动。 4. 用尺子测量两个**同时到达最高点**(波峰)的泡沫颗粒之间的水平距离。 5. 改变频率(振动快慢),再次测量。 6. **发现
频率越高,相邻波峰距离越短;频率越低,距离越长。这个距离就是波长。
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练一道
基础题
一列简谐横波沿 $x$ 轴正方向传播,波长为 $4\text{m}$。在 $t=0$ 时刻,波形如图所示(假设 $x=0$ 处质点在平衡位置向上运动)。求 $x=10\text{m}$ 处质点在 $t=0$ 时刻的振动状态。
变式
一列波在介质中传播,已知波速 $v = 20\text{m/s}$,频率 $f = 5\text{Hz}$。求该波的波长。若该波从 $A$ 点传到 $B$ 点用时 $0.3\text{s}$,且 $A$、$B$ 两点间距离小于一个波长,求 $A$、$B$ 两点间的距离。
试试手自己判
检测题
一列简谐横波沿 $x$ 轴正方向传播,波长为 $2\text{m}$。在 $t=0$ 时刻,$x=0$ 处的质点位于波峰。请问 $x=5\text{m}$ 处的质点在 $t=0$ 时刻位于何处?
看答案和判分标准
答案:波谷。
判对标准:
1. 学生能正确计算 $\Delta x = 5\text{m}$。
2. 能算出 $\Delta x / \lambda = 5/2 = 2.5$。
3. 能识别出 $2.5$ 个波长意味着相位差为 $2.5 \times 2\pi = 5\pi$,即反相(奇数个半波长)。
4. 能得出 $x=0$ 在波峰,则反相点 $x=5$ 在波谷的结论。
5. 若学生回答“平衡位置”或“波峰”,判错。
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