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从机械波到电磁波讲义纲要
从机械波到电磁波讲义纲要
[教学目的]
进一步提高教师对机械波的教学在中学阶段重要性的认识
对物理教学中的形象化方法的理解、运用及其这种方法在提高学生的科学素养方面的作用进行交流和研讨, 进一步提高教师对形象化方法在中学物理教学中重要作用的认识
深入理解机械波和电磁波的共同点及它们的区别
了解麦克斯韦在探索电磁理论过程中的科学思想及科学方法
对教材中新增的内容(多普勒效应)有一个全面的了解
为教师使用新的课程标准提供供研讨的实例
[教学方法]
利用多媒体教学
采用讲授与研讨相结合的方式进行
[教学内容]
为什么要研究波
怎样研究波
机械波的产生及其传播规律
人类对电磁波的认识过程
机械波与电磁波
多普勒效应
在中学中讲授“多普勒效应”的教学研究
[教学时数]
8学时
《从机械波到电磁波》
波动是一种重要而普遍的物质运动形式,例如绳子上传播的波、空气中传播的声波、水面波等,它们都是机械振动在弹性媒质中的传播形成的,这类波称为机械波。波动并不限于机械波,无线电波、光波等也是物质的一种波动形式,这类波是交变电磁场在空间的传播,通称为电磁波。机械波和电磁波的本质是不同的,但它们具有波的共性。在人类认识波动这种物质运动形式的过程中,机械波是首先被人类感知和认识的,进而是电磁波,二十世纪以来,在近代物理的发展中,波的概念取得了更为重要的地位,实验表明,微观粒子也具有波动性。那么,在这一认识过程中,遇到过哪些困难,更新了哪些观念,体现了那些科学方法,是我们在学习和掌握波动的过程中应当认真思考和品味的。
机械波的产生和传播
人类对波的感知可以追朔到远古时代,在那时生活在湖滨河岸附近的人们,经常可以看到石击水面而产生的波纹;从事纺线、织网的人们也常常看到由于抖动绳线、绳线上产生的绳波。根据考古出土的文物发现,在我国,在新石器时代,这些波动现象已被人们艺术地描绘在各种的陶器上了。仰韶文化时期的陶器上画有水波纹饰,殷商时期的青铜器上也有各式各样的波纹。这说明,当时的人们对波已有初步的认识。但对于波是怎样产生、如何传播的,则是在很长时期以后,在人们对声音的研究过程中才逐渐被人们所认识,在我国,东汉时期的王充就指出,空气振动形成声,声音通过空气而传播。对于机械波的定量描述和计算,是在牛顿力学建立以后,近几百年的事情。
机械振动在弹性介质(固体、液体和气体)内的传播就形成了机械波,当振源使弹性介质中某一点离开平衡位置,则这一点附近的介质就发生了形变。由于弹性介质内各质点之间存在弹性力的作用,于是,一方面邻近的质点对它施加弹性恢复力,使它回到平衡位置,使它在平衡位置附近振动起来;另一方面,这个质点也将对邻近的质点施加弹性恢复力,迫使邻近的质点也在自己的平衡位置附近振动起来;这样,当弹性介质中的一部分发生振动时,由于介质内部各部分之间的弹性相互作用,振动就由近及远地传播开去,形成了机械波。波动是一种常见的物质运动形式,例如绳子上的波、空气中的声波和水面波等。
机械振动在弹性介质内传播的过程中,把振源在不同时刻的振动状态(物理上称为位相)由近及远地传播给介质中的各个质点,伴随着位相传播的同时,把振源的能量传递出去。
振动在弹性介质内传播的过程中,介质内部的所有质点只在自己的平衡位置附近振动,并不随波迁移。按质点振动方向和波的传播方向的关系,机械波可分为横波与纵波。如果介质内质点的振动方向与波的传播方向垂直,这类机械波为横波;如果介质内质点的振动方向与波的传播方向平行,这类机械波为纵波。绳子上传播的波,就是横波。在横波中,凸起的最高处叫做波峰、凹下去的最低处叫做波谷,在横波中振动位相的传播,看起来就是波峰波谷在介质中由近及远的传播开来的过程;声波是纵波的例子,声源的振动在空气内部使靠近声源的部分受到压缩(或拉伸),使空气内一部分受到挤压形成较密集的区域(物理上称其为密部),其相邻部分则形成较稀疏的区域(物理上称其为疏部),在纵波中振动位相的传播,是密部和疏部由近及远的传播过程。
机械波在传播的过程中,能量会逐渐损耗,这个现象被称为波的吸收。反应在横波中我们会观察到,在传播的过程中波峰与波谷之间的差别会逐渐减小,最后归于一致,例如石子在水面激起的水波(严格的讲,水波不是横波),在传播的过程中,水波纹逐渐减小的原因之一,是波的能量的损耗,很远处的水面将不会受到影响。反应在纵波中我们会观察到,在传播的过程中介质中的密部与疏部之间的差别会逐渐减小,最终介质的密度趋于一致。在距声源很远处我们听不到声源发出的声音就是这个道理。
机械波的描述
波源在弹性媒质中振动时,振动将向各个方向传播,形成波动。为了定性地讨论波的传播情况引入了波线、波前、波(阵)面这些概念。沿波的传播方向画一些带箭头的直
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