机械波的形成与传播

机械波的形成与传播

夏同军

“机械波的形成和传播”教学过程设计

一、创设情境、导入新课 —— 天坛回音璧

播放天坛回音壁介绍小视频。回音壁的原理是什么呢？刚才视频里面讲到围墙由磨砖对缝砌成，光滑平整，这基本符合弹性体波动方程在表面的边界条件，砖可以很容易地接受到靠近墙面的声波。声波在墙面中传播，也就是在固体中传播，其速度快于在空气中，同时产生的能量损耗也较小，这解释了小声可闻的现象。声波在传播过程中，频率较小的波渗透深度大，损耗也大，有效过滤了低频杂音，同时造成了声音悠长。回音壁用的砖是山东临清市（县级市）御窑烧制的临清砖，这种砖非常致密且表面光滑，烧结工艺非常复杂，临清砖的烧制则彰显了大国工匠精湛的技艺。回音壁建于明世宗嘉靖九年，是我国古代建筑的精华，这表明我国古代劳动人民已经初步掌握了声波的传播特点。声波是机械波，机械是如何形成和传播的呢？今天我们就来探究这个问题。

【教学策略】讲述天坛回音壁让学生认识到中国古代先进的科技成果，增强学生的民族自豪感，引出本节课的内容。

二、联系实际、探究新知 —— 机械波产生条件

现象：演示“绳波”，可以看到一孤立的向上凸起的波向前传播。

水面振动，可以看到连续完整的水波向前传播．

比较绳波与水波，找出二者共同点；介质各部分均振动、均形成凹凸相间的形状向前传播。得出结论：绳中传播的是机械波。

定义：机械振动在连续介质里的传播

传播：将软绳简化为若干质点连接而成；利用箱式横波演示仪演示机械波是如何形成与传播的。

通过以上教学过程，学生建立如下概念：在介质中，前面质点振动，带动后面质点也跟着振动，但时间上有延迟，大量质点相互“配合”形成机械波；质点只是在各自的平衡位置附近振动，不会随波迁移；

横波和纵波

机械波传播的是“机械振动” 的运动形式。前面所分析的机械波均属于横波，对于一个完整科学的概念而言，还需分析纵波的情况：通过多媒体观看有关横波和纵波动画，

弹簧中传播机械波的情况并分析此现象，让学生明确该现象传播的也是一种振动形式。给出横波与纵波的概念；

横波：振动方向和传播方向垂直的波

纵波：振动方向和传播方向平行的波

不论是横波还是纵波，均有3个特点：机械波的形成是因为前面的质点带动后面的质点，后面的质点重复前面的质点运动 ；介质中的质点并不随波迁移，只是在各自的平衡位置附近振动；机械波是大量质点的集体行为，机械波传播的是振动这种形式，波动是振动状态的传播，相位的传播，波形的传播（平移），能量的传播。

波速、周期、频率、波长

对于几何描述和周期性描述，还是利用动画和绳波实验，得出：

（1） 机械波传播的速度与介质有关，与振源振动的频率无关；

（2） 认识到横波中的波长的意义，知道振源振动一个周期，机械波向前传播一个波长．在引入波速由介质的性质和波的类型决定这一概念时，解释为什么海啸波在开阔的大洋表面的浪高不过１m 左右，不甚显眼，但随着向海岸传播浪头会越集越高达几十米，形成排山倒海巨浪拍岸的壮观场景．

向学生讲解，海啸是由海底地震、火山爆发、海底滑坡或天气变化引起的超级大浪。它们在海里跑得比飞机更快，最快超过每小时九百公里，在近10个小时内就能传遍整个印度洋；波长有时可达150-200公里，长时间奔袭都不会明显衰减。虽然在深海中，海啸的波高看起来平平无奇，仅仅只有0.1-5米左右，但只要靠近岸边浅水区，它们就会变得异常凶猛，波长变短而波高暴涨，形成一道遮天蔽日的“水墙”，并且受到海底地形、海岸线形状和波浪特性的影响，不停地冲击海岸线，甚至越过防波堤，摧毁建筑物，淹没土地。这再一次让学生体会学以致用，物理就在身边，以此激发学生的学习兴趣和信心．

【教学策略】介绍波速、周期、频率、波长的定义，引导学生分析海啸的形成，培养学生主深度思考的科学思维和严谨认真的科学态度。

三、应用举例、学以致用 —— 现代地震仪原理

例：传播过程既有纵波又有横波，两种波速的差异可以用来计算震源的位置，又由于横波只能在固体中传播，而纵波可以在固、液、气中传播的特点，指出人类可以利用地震波实现对地球内部结构的认识了解地壳地层的分布，它是石油和天然气勘探的一种重要手段

由地震仪记录下来的震动是一条具有不同起伏幅度的曲线，称为地震谱。

曲线起伏幅度与地震波引起地面振动的振幅相应，它标志着地震的强烈程度。从地震谱可以清楚地辨别出各类震波的效应。纵波与横波到达同一地震台的时间差，即时差与震中离地震台的距离成正比，离震中越远，时差越大。由此规律即可求出震中离地震台的距离，即震中距。中国第一个地震观测台是1930年由著名地震学家李善邦主持建立的，位置在北京鹫峰。

经过半个多世纪的奋斗，中国地震台由一个发展到几百个，已拥有全国基本台网，大地震速报台网，都可以由地震仪记录下来，并报送到中国地震局分析预报中心，使中国地震观测技术处于世界前列。

【教学策略】①例题的设计与新课导入遥相呼应，将物理思想融入到教学中，促进学生对知识的理解掌握；②介绍我国地震台发展，弘扬民族精神和培养爱国情怀，培养学科交叉创新能力。

四、内容小结、拓展提升

内容小结（1）机械波产生的条件；

（2）描述波动的三个物理量。

思考提升（学习通发布任务）：机械波在工程探测、地质研究等的应用，请同学们课后查阅文献和网络资源进一步了解机械波。

拓展阅读：地震波

【教学策略】地震波按传播方式分为三种类型：纵波、横波和面波。纵波是推进波，地壳中传播速度为5．5-7千米/秒，最先到达震中，又称P波，它使地面发生上下振动，破坏性较弱。横波是剪切波：在地壳中的传播速度为3.2～4.0千米/秒，第二个到达震中，又称S波，它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强。面波又称L波，是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

五、教学总结

本节的教学内容是机械波的产生和传播，其教学重点是掌握多机械波的定义和物理本质，会利用机械波解释一些物理现象。

在知识传授过程中引入思政元素，不仅可以促使学生主动建构知识，加深对物理学科知识的理解，同时，在学习过程中能掌握更多的物理思维与物理技能，在探究过程中，培养学生运用知识解决世界问题的能力，通过讲解张衡地动仪弘扬民族精神，厚植爱国情怀。