《机械波的性质》教学设计
江苏省江阴高级中学 杨凤楼
【教学课题】：机械波的性质
【适用年级】：高三年级(第一轮复习)
【教学课时】：1课时
【教材分析】：本节课是《机械振动与机械波》章节的最后一节，通过对机械波的衍射、干涉和多普勒效应的学习，全面理解和掌握机械波的性质，同时，也为学习光的衍射和干涉打下基础，所以本节课起着承前启后的重要作用。衍射和干涉是波动性的体现，但由于内容比较抽象，学生往往感到复杂、难懂，不易理解。为了让抽象问题具体化，符合学生认知规律，本节课按照从问题探究出发、再观察实验现象、后归纳现象特征、最终得出结论的步骤进行教学。为了有助于对实验现象的分析研究，在做实验同时利用多媒体课件进行模拟，这样动静结合，学生就可以解除思维障碍与困惑，理解物理过程，进而能够举一反三。
【学生分析】：通过新课学习，学生对波的衍射、干涉和多普勒效应有所理解，但理解不深，甚至有所偏差。如学生会错误认为障碍物或孔的尺寸与波长相比是产生衍射的条件，而不明白衍射是波的特有现象。如学生会错误认为干涉加强点位移总是最大的，而不明白加强点也是振动的。如学生会错误认为多普勒效应是由于波源频率发生变化产生的，而不明白是由于波源与观察者相对运动造成的。所以本节课，就是要针对学生困惑的知识痛点进行分析、理解，从而达到解决疑惑，掌握内容，达到让学生对机械波有全面、深刻的理解。
【教学目标】：1、知道什么是波的衍射现象，理解发生明显衍射的条件，知道衍射是波特有的现象。
2、掌握两波叠加的位移规律。
3、理解波的干涉现象及产生稳定干涉图样的条件，知道波的干涉是波特有的现象。
4、知道什么是多普勒效应，理解发生多普勒效应的原因。
【教学重点】：发生明显衍射的条件，产生稳定干涉图样的条件。
【教学难点】：加强点永远加强，减弱点永远减弱，并且加强区域与减弱区域是间隔的。
【教学方法】：实验法、讲授法、发现法、讨论法
【教学过程】：
一、创设情境，引入教学
老师：PPT图片展示唐代诗人王维的诗《鹿柴》，其中前二句为“空山不见人，但闻人语响”，透过层层树木为什么还能听到声音，说明声波遇到障碍物如树木，是沿直线传播的吗？
学生：声音可以听到，说明声波遇到障碍物不是沿直线传播的，而是绕过树木，透过森林。
老师：声波绕过绕过障碍物，不沿直线传播的现象叫什么呢？
学生：波的衍射
结论：PPT图片展示
衍射：波绕过障碍物继续传播的现象。衍：延展之意。
老师：声音发生了衍射，透过森林，为什么不见人呢？光波没有发生衍射吗？
二、实验演示，深度探究
(一)实验探究波的衍射
演示：PPT动画演示波发生明显衍射的条件，观察实验时思考以下几个问题
1.缝宽比波长大很多时，有没有发生明显的衍射现象？
2.缝宽与波长差不多时，有没有发生明显的衍射现象？
3.缝宽比波长小时，有没有发生明显的衍射现象？
4.波发生明显衍射的条件是什么？
缝宽比波长大很多 缝宽与波长差不多 缝宽比波长小
结论：波发生明显衍射的条件：障碍物或孔的大小比波长小，或者与波长相差不多。
老师：空山不见人，但闻人语响。我们知道声波发生的明显衍射，绕过了树林，但为什么不见人呢？是不是光波没有发生衍射？
学生：声音波长较长，容易发生明显衍射，而光波波长较短，也发生衍射，但不容易发生明显衍射，所以闻其声，但不见其人。
练习：例1.(多选)下列关于波的衍射的说法正确的是( )
A．衍射是一切波特有的现象
B．对同一列波，缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或比波长更小时，衍射现象明显
C．只有横波才能发生衍射现象，纵波不能发生衍射现象
D．声波容易发生衍射现象是由于声波波长较大
总结：PPT展示衍射的特点
1.衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象。
2.衍射现象总是存在的，只有明显与不明显的差异。
3.障碍物或孔的尺寸大小，并不是决定衍射能否发生的条件，仅是发生明显衍射的条件。
4.一般情况下，波长较大的波容易产生明显的衍射现象。
(二)实验探究波的叠加
老师：操场上装有两个相同的扬声器，当它们同时发声时，若绕操场一周，将会听到某些地方声音加强，某些地方声音减弱。怎么会发生这样的现象呢，如何来解释呢？为了释这个现象，我们先研究波的叠加。
演示：动画演示波的叠加，思考以下几个问题
1.波的叠加位移遵循什么规律？
2.叠加之后波有没有改变？
学生：波的位移叠加遵循位移矢量加减，叠加之后两列波沿原来方向继续传播，没有发生变化。
结论：两列波叠加，如果在某点两列波振动方向相同，则该点振动加强。如果在某点两列波振动方向相反，则该点振动减弱。
(三)实验探究波的干涉
老师：两列频率相同的水波相遇时，在它们重叠的区域会发生什么现象呢？
演示：动画演示波的干涉，思考以下几个问题
1.整体叠加后的波形是怎样的？
2.叠加之后各质点的振动情况怎样？
3.有些点上下振动而且振动幅度加大，而另一些点却几乎不动，为什么？
学生：两列水波叠加后形成明暗相间的条纹，有些区域振动始终加强，有些区域始终减弱，振动较大的是振动加强点，几乎不动是振动减弱点。
结论：波的干涉：频率相同的两列同性质的波相遇，使某些区域的振动始终加强，某些区域的振动始终减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，这种现象叫做波的干涉，形成的图样叫做干涉图样。
老师：波的叠加与波的干涉有哪此联系又有哪些区别呢？
学生：1.波的叠加是无条件的，任何频率的两列波在空间相遇都会叠加。
2.稳定的干涉产生是有条件的，必须是频率相同的两列同性质的波相遇。
3.波的干涉是波的叠加的特殊情形，一切波都能发生干涉，干涉和衍射都是波的特有现象。
老师：为什么两列波相遇时能出现振动始终加强或减弱的区域呢？
学生：如果在某一时刻，在水面上的某一点是两列波的波峰和波峰相遇，经过半个周期，就变成波谷和波谷相遇。波峰和波峰、波谷和波谷相遇时，质点的位移都是最大，等于这两列波的振幅之和，因此在这一点，始终是两列波干涉的加强点，质点的振动最激烈。如果是波峰与波谷相遇，则情况真好相反，则为振动减弱点。
结论：PPT展示干涉图样的特点
1.振动加强点始终加强，振动减弱点始终减弱。
2.振动加强点和振动减弱点是间隔出现。
3.振动加强点是指振幅较大的点，不是位移始终最大。
4.干涉图样中，不只有振动加强的质点和振动减弱的质点。
老师：为什么有些点是振动加强点，而有些点是振动减弱点呢？我们以两列频率相同、起振方向一致的波为例进行分析。
学生：P点到两列波的波源的距离差等于波长的整数倍或半个波长的偶数倍，即若Δr＝nλ(n＝0，1，2，…)，则振动步调永远一致为振动加强点；P点到两列波的波源的距离差等于半个波长的奇数倍，即若Δr＝(2n＋1)2(λ)(n＝0，1，2，…)，则振动步调永远相反为振动减弱点．
练习：例2.(多选)两列振动方向相同、振幅分别为A1和A2的相干简谐横波相遇．下列说法正确的是( )
A．波峰与波谷相遇处质点的振幅为|A1－A2|
B．波峰与波峰相遇处质点离开平衡位置的位移始终为A1＋A2
C．波峰与波谷相遇处质点的位移总是小于波峰与波峰相遇处质点的位移
D．波峰与波峰相遇处质点的振幅一定大于波峰与波谷相遇处质点的振幅
(四)实验探究多普勒效应
老师：当火车向你驶来时，感觉音调变高；当火车离你远去时，感觉音调变低。这是为什么呢？
演示：视频播放火车靠近观察者与远离观察者音调的变化，思考以下几个问题
1.音调由什么决定？
2.火车靠近观察者时，音调如何变化？
3.火车远离观察者时，音调如何变化？
4.音调的变化，是什么原因造成的？是火车鸣笛的频率发生变化了吗？
学生：音调是由声音频率决定的，频率高音调高；频率低音调低。观察者感觉音调的变化，是多普勒效应。
探究：当波源和观察者相对介质都静止不动，即二者没有相对运动时。
波源和观察者都不动。设波源频率为20Hz，则波源每秒发出20个完全波.波速v=λf，所以每秒经过观察者20个完全波，也就是观察者每秒接收到20个完全波。
单位时间内波源发出几个完全波，观察者在单位时间内就接收到几个完全波．观察者接收到的频率等于波源的频率。
探究：波源相对介质不动，观察者朝波源运动时(或观察者不动，波源朝观察者运动时)
波源不动，观察者运动，人耳在1秒内由位置A位移到位置B，虽然波源每秒仍发出20个完全波，但观察者每秒却接收到21个完全波。
观察者在单位时间内接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大。
老师：波源相对介质不动，观察者远离波源运动时(或观察者不动，波源远离观察者运动时)，观察者接受到的频率与波源发出的频率大小比较？
学生：观察者接收到的频率小于波源的频率。
结论：多普勒效应：由于波源和观察者之间互相靠近或远离，使观察者接受到的频率发生变化的现象。奥地利物理学家多普勒在1842年发现。
总结：PPT总结多普勒效应
1.当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小。
2.在多普勒效应中，波源的频率是不改变的，只是由于波源和观察者之间有相对运动，观察者感到频率发生了变化。
3.多普勒效应是波动过程共有的特征，不仅机械波，电磁波和光波也会发生多普勒效应。
练习：例3.关于多普勒效应，下列说法正确的是( )
A．产生多普勒效应的原因是波源频率发生了变化
B．产生多普勒效应的原因是观察者听力出现问题
C．甲、乙两列车相向行驶，两车均鸣笛，且所发出的笛声频率相同，那么乙车中的某旅客听到的甲车笛声频率低于他听到的乙车笛声频率
D．哈勃太空望远镜发现所接收到的来自于遥远星系上的某种原子光谱，与地球上同种原子的光谱相比较，光谱中各条谱线的波长均变长(称为哈勃红移)，这说明该星系正在远离我们而去
【板书设计】：
机械波的性质
一．衍射
1．定义：波绕过障碍物继续传播的现象。
2．发生明显衍射条件：障碍物或孔的大小比波长小，或者与波长相差不多。
二．干涉
1．定义：频率相同的两列同性质的波相遇，使某些区域的振动始终加强，某些区域的振动始终减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，这种现象叫做波的干涉，形成的图样叫做干涉图样。
2．形成稳定干涉图样的条件：频率相同、相位差保持不变的两列波相遇。
3．波的干涉是波的叠加的特殊情形，一切波都能发生干涉，干涉和衍射都是波的特有现象。
三、多普勒效应
1．定义：由于波源和观察者之间互相靠近或远离，使观察者接受到的频率发生变化的现象。
【教学反思】：回顾本节课，有几点值得反思
1.围绕实验展开教学，激发学生学习兴趣
本课从演示实验出发研究衍射、干涉，到视频观察体验多普勒效应，实验贯穿整节课堂。之所以这样设计，是因为坚信实验过程是学生积极观察、思考和探索的过程。通过实验，模拟物理知识发现的过程，让学生受到物理思想方法的教育。通过实验，激发学生好奇心理，从而激发他们的思索的欲望。通过实验，提升和发展学生的知识、能力和情感。
2.巧妙设计连环问题，带动学生思考探索
本课知识点的呈现都是以一问一答的形式展开，在问答之间，学习知识，得出结论。之所以这样设计，一方面是坚信，提问是将知识引向深入的重要渠道，富有创造情境的问题，能极大地点拨和激发学生的求知欲。第二方面是为了充分体现学生的课堂主体地位和教师的课堂主导地位，使知识的呈现符合认识规律，吻合学生的思维习惯。
3.真实开展实验探索，提升学生物理素养
本课贯彻“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念，坚持物理教学不仅传授物理知识，更是提升物理素养，让学生充分思考和实践，在不断尝试和探索中知晓物理知识的由来，明白知物明理的物理含义。教学的“教”是要启发、引导学生的“学”，一旦以自主性、能动性、创造性为基本特征的学生主体性得以激发，那么物理学科“知识的建构、方法意义的找寻、智慧能力的提升”将成为现实。
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