1、第第 3 节节 波的干涉和衍射波的干涉和衍射 第第 4 节节 多普勒效应及其应用多普勒效应及其应用 学习目标要求 核心素养和关键能力 1.理解波的叠加原理，知道波的 干涉是波叠加的结果。 2.知道波的干涉图样的特点及 形成稳定干涉图样的条件、 针对 加强点减弱点形成的原理。 3.知道波的衍射现象和发生明 显衍射的条件。 4.知道什么是多普勒效应。 1.科学态度与责任 会用波的干涉、衍射、多普勒效应分析判断生 活中的实际问题。 2.关键能力 (1)数理分析能力。 (2)推理能力。 一、波的干涉现象 1.波的叠加原理 几列波在介质中传播， 相遇后仍能保持各自原有的运动特征(波长、 频率、 振幅等)
2、 不变并继续传播，就像没有与其他波相遇过一样。在相遇的区域里，介质中的质 点同时参加相遇的波列的振动，质点的位移等于相遇波列单独存在时在该处引起 的位移的矢量和，这在物理学中称为波的叠加原理。 2.波的干涉现象 (1)定义：振动频率和振动方向相同的两列波叠加后，振动加强和振动减弱的区域 互相间隔、稳定分布的现象称为波的干涉。 (2)干涉图样：波的干涉中所形成的图样，如图所示。 (3)干涉条件：波的频率和振动方向相同。 (4)一切波都能发生干涉，干涉现象是波的重要特征之一。 判一判 (1)只有频率相同的两列波才可以叠加。() (2)在振动减弱的区域，各质点都处于波谷。() (3)只有频率和振动方
3、向相同的波才能互相干涉。() 二、波的衍射现象 1.定义 波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象，称为波的衍射。 2.发生明显衍射现象的条件 障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差不大，或者比波长更小。 3.一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象。 做一做 (多选)关于衍射，下列说法正确的是( ) A.发生衍射就是波传到障碍物或孔的后面 B.发生衍射的同时把波源的能量传播到“衍射”区域 C.衍射只有波才能发生 D.只有孔才能发生衍射，一块挡板不可能发生波的衍射 答案 ABC 解析 波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象叫作波的衍射。 波在发生衍射时， 其衍射区域的质点振动，因此具有能量。衍射是波特有的现象之
4、一。小孔或障碍 物只要满足条件都能发生明显的衍射现象，A、B、C 正确，D 错误。 三、多普勒效应 1.多普勒效应 因波源与观察者之间有相对运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象， 称为多普勒效应。 2.多普勒效应产生的原因 (1)波源与观察者没有发生相对运动时，观察者接收到的波的频率不变，等于波源 频率。 (2)波源与观察者相互接近时，观察者接收到的波的频率增大。 (3)波源与观察者相互远离时，观察者接收到的波的频率减小。 3.多普勒效应的应用 测量汽车的行驶速度；检查病变；跟踪目的物(如导弹、云层)等等。 想一想 当你在火车站，根据火车连续鸣笛能否直接判断火车远离你而去还是向你靠近？
5、 答案 如果听到鸣笛声越来越尖， 实际上频率越来越高， 说明火车离你越来越近， 反之越来越远。 探究探究 1 波的干涉波的干涉 情境导入 敲响一个音叉，让音叉固定，你绕音叉转一圈，听到音叉的声音有什么特征？若 你站在原地不动，让另一同学手持音叉绕你转一圈，听到音叉的声音又有什么特 点？ 答案 感觉音叉的声音忽强忽弱。有的位置强有的位置弱。 归纳拓展 1.波的干涉与波的叠加 (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，但干涉必须是 满足一定条件的两列波叠加后形成的现象。 (2)波的干涉是有条件的，必须是两列同类的波，并且波的频率相同、振动方向相 同、相位差恒定。如果两列波的频率
6、不相等，在同一种介质中传播时其波长就不 相等，这样不能形成稳定的振动加强点和减弱点。因此我们就看不到稳定的干涉 图样，只能是一般的振动叠加现象。 2.干涉图样的特征 (1)加强区和减弱区的位置固定不变。 (2)加强区始终加强，减弱区始终减弱(加强区与减弱区不随时间变化)。 (3)加强区与减弱区互相间隔。 3.振动加强点和振动减弱点的判断 (1)条件判断法：振动频率相同、振动情况完全相同的两列波叠加时，设点到两波 源的路程差为 r，当 r|r2r1|n(n0，1，2，)时为振动加强点；当 r |r2r1|(2n1) 2(n0，1，2，)时为振动减弱点。若两波源振动步调相反， 则上述结论相反。 (
7、2)现象判断法：若某点总是波峰与波峰或波谷与波谷相遇，该点为振动加强点， 若总是波峰与波谷相遇，则为振动减弱点。 【例 1】 (2021 江苏省如皋中学月考)如图所示，S1、S2是两个相干波源，它们的 相位及振幅均相同。实线和虚线分别表示在某一时刻它们所发出的波的波峰和波 谷，关于图中所标的 a、b、c 三点，下列说法中正确的是( ) A.a 质点一直在平衡位置 B.b 质点一直在波峰 C.c 质点一直在波谷 D.再过T 4后的时刻，b、c 两质点都将处于各自的平衡位置，振动将减弱 答案 A 解析 a 质点位置是波峰和波谷相遇，振动减弱，且两列波的振幅相同，所以 a 质点一直在平衡位置，A 正
8、确；b 质点所处位置为波峰与波峰相遇，振动加强， 但仍在做周期性运动，并非一直在波峰；而 c 质点是波谷与波谷相遇，仍为振动 加强点，所以并非一直在波谷，B、C 错误；b、c 两点为振动加强点，振动始终 加强，D 错误。 【针对训练 1】 (2021 江苏海安高级中学期中)在学校运动场上 50 m 直跑道的两 端，分别安装了由同一信号发生器带动的两个相同的扬声器。两个扬声器连续发 出波长为 5 m 的声波。一同学从该跑道的中点出发，向某一端点缓慢行进 10 m。 在此过程中，他听到扬声器声音由强变弱的次数为( ) A.2 B.4 C.6 D.8 答案 B 解析 当同学到两个声源的间距为波长整数
9、倍时， 振动加强， 听到声音是加强的， 故该同学从中间向一侧移动 0 m、2.5 m、5.0 m、7.5 m、10 m 时，听到声音变大； 当同学到两个声源的间距为半波长的奇数倍时，振动减弱，听到声音是减弱的， 故该同学从中间向一侧移动 1.25 m、3.75 m、6.25 m、8.75 m 时，声音减弱；该 同学从中间向一侧移动过程听到扬声器声音由强变弱的次数为 4 次。 探究探究 2 波的衍射现象波的衍射现象 情境导入 情境 1 以上两图中，波改变了传播方向继续传播，此为衍射现象，请列举一个波的衍射 的例子。 答案 红楼梦中，有一个关于王煕风“未见其人，先闻其声”的情节，是声 波的衍射。
10、情境 2 如图所示是一个可观察水波衍射的水波发生槽，振源的频率是可以调节的，槽中 放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔，观察水波的传播，也可以在水槽 中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播。思考下列问题： (1)水波遇到小孔时，会观察到什么现象？依次减小小孔尺寸，观察到的现象有什 么变化？ (2)当水波遇到较大的障碍物时，会观察到什么现象？当障碍物较小时，会观察到 什么现象？ 答案 (1)水波遇到小孔时，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”， 小孔的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显。 (2)当水波遇到较大的障碍物时， 将会返回， 当障碍物较小时， 波能继续向前传播。 归纳
11、拓展 1.衍射是波特有的现象，一切波都可以发生衍射。 2.波的衍射总是存在的，只有“明显”与“不明显”的差异，“障碍物或孔的尺 寸比波长小或跟波长相差不多”是发生明显衍射现象的条件。 3.波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)仿佛是一个新波源，由它发出与原来 同频率的波在孔(或障碍物)后传播，就偏离了直线方向。因此，波的直线传播只 是在衍射不明显时的近似情况。 【例 2】 (2021 广西桂林十八中期中)如图所示，甲为波源，M、N 为两块挡板， 其中 M 板固定，N 板可移动，两板中间有一狭缝。此时测得乙处点没有振动。为 了使乙处点能发生振动，可操作的办法是( ) A.增大甲波源的频率 B
12、.减小甲波源的频率 C.将 N 板竖直向下移动一些 D.将 N 板水平向右移动一些 答案 B 解析 乙处点没有振动，说明波没有衍射过去，原因是 MN 间的缝太宽或波长太 小，可采用 N 板上移减小狭缝宽度或减小甲波源的频率来增大波的波长，A、C、 D 错误，B 正确。 【针对训练 2】 (2021 苏州市第一中学期中)小河中有一个实心桥墩 P，A 为靠近 桥墩浮在水面上的一片树叶，俯视如图所示，小河水面平静。现在 S 处以某一频 率拍打水面，树叶 A 未发生明显振动。要使树叶 A 发生明显振动，可以采用的方 法是( ) A.提高拍打水面的频率 B.降低拍打水面的频率 C.提高拍打水面的力度 D
13、.无论怎样拍打，A 都不会振动起来 答案 B 解析 拍打水面时，水波中的质点上下振动，形成的波向前传播，降低拍打水面 的频率，水波的波长增大，衍射现象更明显，A、C、D 错误，B 正确。 探究探究 3 多普勒效应多普勒效应 情境导入 警车鸣笛从你身边飞速驶过，对于警车向你靠近和警车远离的过程，你会听到警 笛的声音在变化。 (1)你听到警笛的音调有何不同？ (2)实际上警笛发出的音调会变化吗？ (3)听到音调发生变化的原因是什么？ 答案 (1)警车驶来时，音调变高；警车远离时，音调变低。(2)实际上警笛发出的 音调不会变化。(3)警车与观察者如果相互靠近，观察者接收到的频率增大；二者 如果相互远
14、离，观察者接收到的频率减小，因此会感觉警笛音调变化。 归纳拓展 1.发生多普勒效应时几种情况的比较 相对位置 图示 结论 波源 S 和观察者 A 相对 介质不动 f波源f观察者，接收频率不变 波源 S 不动，观察者 A 运动，由 AB 或 AC 若靠近波源，由 AB 则 f波 源f观察者，接收频率增大 若远离波源，由 AC 则 f波 源f观察者，接收频率减小 若观察者 A 不动，波源 S 运动，由 S1S2 f波源f观察者，接收频率增大 2.当波源与观察者相互接近，观察者接收到的频率 f观察者增大，反之观察者接收到 的频率 f观察者减小。 3.发生多普勒效应时，不论观察者接收到的频率发生了怎样
15、的变化，波源的真实 频率并不会发生任何变化。 【例 3】 (多选)(2021 永安市第三中学期中)下列关于多普勒效应的说法中，正确 的是( ) A.只要波源在运动，就一定能观察到多普勒效应 B.如果声源静止，就观察不到多普勒效应 C.当声源朝靠近观察者运动时，声源的频率不变 D.当声源远离观察者运动时，观察者接收到的频率减小 答案 CD 解析 若波源和观察者同时运动，两者间相对静止时，是不能观察到多普勒效应 的，A 错误；当观察者与波源相互靠近或远离时发生，B 错误；当声源朝靠近观 察者运动时，即两者间距减小，根据多普勒效应原理，那么观察者接收到的频率 大于声源的频率，但声源的频率不变，C 正
16、确；当声源远离观察者运动时，即两 者间距增大，根据多普勒效应原理，那么观察者接收到的频率小于声源的频率， D 正确。 【针对训练 3】 (多选)(2021 四川省武胜烈面中学期中)假如一辆汽车在静止时喇 叭发出声音的频率是 300 Hz，在汽车向你驶来又擦身而过的过程中，下列说法正 确的是( ) A.当汽车向你驶来时，听到声音的频率大于 300 Hz B.当汽车向你驶来时，听到声音的频率小于 300 Hz C.当汽车和你擦身而过后，听到声音的频率大于 300 Hz D.当汽车和你擦身而过后，听到声音的频率小于 300 Hz 答案 AD 解析 根据多普勒效应规律，当汽车向你驶过来时，听到的喇叭声
17、音的频率大于 300 Hz，A 正确，B 错误；当汽车和你擦身而过后，听到的喇叭声音的频率小于 300 Hz，C 错误，D 正确。 1.(波的干涉现象)(多选)(2021 河北玉田县一中月考)如图所示， 实线和虚线分别表 示振幅、频率均相同的两列波的波峰和波谷。此时，M 是波峰与波峰相遇点。下 列说法中正确的是( ) A.该时刻质点 O 正处在平衡位置 B.P、N 两质点始终处在平衡位置 C.随着时间的推移，质点 M 向 O 点处移动 D.从该时刻起，经过四分之一周期，质点 M 到达平衡位置 答案 BD 解析 图示时刻 O 点处于波谷和波谷叠加后的最低点，A 错误；P、N 两点是波 谷和波峰叠
18、加，位移始终为零，即处于平衡位置，B 正确；振动的质点只是在各 自的平衡位置附近振动，不会“随波逐流”，C 错误；从该时刻起，经过四分之 一周期，质点 M 到达平衡位置，D 正确。 2.(波的衍射现象)(2021 江苏省镇江第一中学月考)下列各图分别表示一列水波在 传播过程中遇到了小孔(、图)或障碍物(、图)，每两条相邻(图中曲线)之 间距离表示一个波长，其中能发生明显衍射现象的有( ) A. B. C. D. 答案 B 解析 一列水波在传播过程中遇到了小孔(图)，相比而言图的孔洞的尺寸 比图小，且的波长与小孔的尺寸差不多，所以图能发生明显的衍射；一列 水波在传播过程中遇到了障碍物(图)，相比
19、而言图的障碍物的尺寸比图 小，且的波长大于障碍物的尺寸，所以图能发生明显的衍射。 3.(波的干涉和衍射)(2021 四川省广元市川师大万达中学月考)下列关于波的干涉 和衍射的说法中，正确的是( ) A.两列波在相遇的区域内，一定能发生干涉现象 B.频率不同的两列波叠加时，也可能发生干涉现象 C.只要是波都能发生衍射，衍射是波特有的现象 D.波长比障碍物或孔的宽度大得多时，衍射不明显 答案 C 解析 任意的两列波相遇，不一定都能产生稳定的干涉现象，只有两列波频率完 全相同，才会出现稳定的干涉现象，A、B 错误；衍射是波特有的现象，一切波 都能发生衍射现象，只有当孔或障碍物的尺寸比波长要小得多或相差不大时才能 产生明显的衍射现象，C 正确，D 错误。 4.(多普勒效应及应用)(多选)(2021 江苏淮安期中)一渔船向鱼群发出超声波， 若鱼 群正向渔船靠近，则被鱼群反射回来的超声波与发出的超声波相比( ) A.波速增大 B.波速不变 C.频率增大 D.频率不变 答案 BC 解析 在同种介质中，超声波的传播速度保持不变，根据多普勒效应可知，当波 源与观察者相互靠近时，观察者接受到的频率大于波源发出的频率，所以 B、C 正确。