3.3波的反射、折射和衍射-3.4波的干涉 学案(含答案)-2021年高中物理人教版(新教材)选择性必修第一册

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1、第第 3 3 节节 波的反射、折射和衍射波的反射、折射和衍射 第第 4 4 节节 波的干涉波的干涉 学习目标要求 核心素养和关键能力 1.知道波传播到两种介质交界面时会发生反射、 折射现象。 2.了解波的衍射现象和衍射图样,知道波发生明显衍射现 象的条件。 3.知道衍射是波特有的现象。 4.了解波的叠加原理。 5.知道波的干涉现象和干涉图样。 6.知道干涉现象是波特有的现象。 1.核心素养 利用矢量合成法分析 波的叠加。 2.关键能力 利用波传播的独立性 分析问题的能力。 一、波的反射和折射 1.波的反射 (1)波的反射:波传播过程中遇到介质界面会返回原介质继续传播的现象。 (2)反射波的波长

2、、波速、频率跟入射波的相同。 (3)波的反射定律:反射线、入射线和法线在同一平面内,反射线和入射线分别 位于法线两侧,反射角等于入射角。如图所示。 2.波的折射 (1)波的折射: 波从一种介质进入另一种介质时, 波的传播方向发生改变的现象。 (2)波的折射中,波的频率不变,波速和波长发生改变。 【判一判】 (1)波向前传播在两介质的界面上要么发生反射,要么发生折射,二者不会同时 发生。() (2)波发生反射时波的频率不变,波速变小,波长变短。() (3)波发生折射时波的频率不变,但波长、波速发生变化。() 二、波的衍射 1.定义:波可以绕过障碍物继续传播的现象。 2.实验现象 (1)实验器材:

3、在水槽里放两块挡板,中间留一个狭缝。 (2)现象:狭缝宽度比波长大得多,波的传播如同光沿直线传播一样,在挡板后 面产生“阴影区”;在狭缝宽度与波长相差不多或者狭缝宽度比波长更小时,水 波可以绕到挡板后面继续传播。 3.发生明显衍射现象的条件 缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多,或者比波长更小。 【判一判】 (1)一切波遇到障碍物都会发生衍射现象。() (2)只有当障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时,才会发生衍射现象。() (3)当小孔大小一定时,波的频率越大,衍射现象越明显。() (4)当障碍物大小一定时,波的频率越小,衍射现象越明显。() 三、波的干涉 1.波的叠加原理:几列波相遇时

4、能够保持各自的运动特征,继续传播,在它们重 叠的区域里,介质的质点同时参与这几列波引起的振动,质点的位移等于这几列 波单独传播时引起的位移的矢量和。 2.定义:频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时,某些区域的振 动总是加强、某些区域的振动总是减弱,这种现象叫作波的干涉,形成的稳定图 样叫作干涉图样。 3.产生干涉的条件: (1)两列波的频率必须相同; (2)两个波源的相位差必须保持不变; (3)两列波在相遇区域各质点引起的振动方向相同,干涉是波所特有的现象。 【判一判】 (1)发生稳定干涉现象的两列波,它们的频率一定相同。() (2)在振动加强的区域,有时质点的位移等于零。() (

5、3)能产生稳定干涉图样的两列波叠加时,振动加强的位置和减弱的位置是不变 的。() 探究 1 波的反射和折射 1.波的反射和折射的比较 波现象 比较项 波的反射 波的折射 传播方向 改变 ii 改变 ri 频率 f 不变 不变 波速 v 不变 改变 波长 不变 改变 2.说明 (1)频率 f 由波源决定。 (2)波速 v 由介质决定。 因折射波与入射波在不同的介质中传播, 所以波速变化。 (3)据 vf 知,波长 与 v 及 f 有关,即与介质和波源有关。 【例 1】 图中 1、2、3 分别代表入射波、反射波、折射波的波线,则( ) A.2 与 1 的波长、频率相等,波速不等 B.2 与 1 的

6、波速、频率相等,波长不等 C.3 与 1 的波速、频率、波长均相等 D.3 与 1 的频率相等,波速、波长均不等 答案 D 解析 波发生反射时,在同一种介质中传播,因此波长、波速和频率不变,A、 B 错误;波发生折射时,频率不变,波速变,波长变,故 C 错误,D 正确。 探究 2 波的衍射 1.衍射是波特有的现象 (1)一切波都能发生衍射现象,只是有的明显,有的不明显。 (2)波的直线传播只是在衍射不明显时的近似。 (3)波长较长的波容易产生明显的衍射现象。 2.产生明显衍射现象的条件 只有当缝、孔的宽度或障碍物尺寸跟波长相差不大,或者比波长更小时,才能观 察到明显的衍射现象。 (1)障碍物或

7、孔的尺寸大小,并不是决定衍射能否发生的条件,而是衍射现象是 否明显的条件。一般情况下,波长较长的波容易产生明显的衍射现象。 (2)波传到孔或障碍物时,孔或障碍物仿佛是一个新的波源,由它发出的与原来 同频率的波(称为子波)在孔或障碍物后传播,于是,就出现了偏离直线传播的衍 射现象。 (3)当孔的尺寸远小于波长时尽管衍射十分突出,但由于衍射波的能量很弱,衍 射现象不容易观察到。 【例 2】 (2021 河北玉田县一中高二月考)如图所示是利用水波槽观察到的水波 衍射图样,从图样可知( ) A.B 侧波是衍射波 B.A 侧波速与 B 侧波速相等 C.增大水波波源的频率,衍射现象将更明显 D.增大挡板之

8、间的距离,衍射现象将更明显 答案 B 解析 挡板左边是衍射波的波源,故 A 错误;在同一种介质水中,机械波的波 速相等,故 B 正确;波速不变,增大水波波源的频率,水波的波长将减小,而 挡板间距没变,所以衍射现象将没有原来的明显,故 C 错误;在波长没改变的 情况下,增大挡板间距,衍射现象将没有原来的明显,故 D 错误。 【针对训练 1】 (多选)(2020 吉林高二期末)图中 S 为在水面上振动的波源,M、 N 是水面上的两块挡板,其中 N 板可以上下移动,两板中间有一狭缝,此时测得 A 处水没有振动,为使 A 处水也能发生振动,可采用的方法是( ) A.使波源的频率增大 B.使波源的频率减

9、小 C.移动 N 使狭缝的间距增大 D.移动 N 使狭缝的间距减小 答案 BD 解析 A 处质点没有振动,说明波源 S 振动形成的波没有衍射过去,原因是 MN 间的缝太宽或波长太小,因此若使 A 处质点振动,可采用 N 板上移减小狭缝间 距或增大波的波长,即减小波源的频率,故 B、D 正确,A、C 错误。 探究 3 波的干涉 1.发生干涉的条件:(1)两列波的频率相同;(2)相位差恒定。 2.干涉图样的特点 (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 (1)振动加强点:振

10、动的振幅等于两列波振幅之和,即 AA1A2。 (2)振动减弱点:振动的振幅等于两列波振幅之差,即 A|A1A2|。 (3)振动加强点和振动减弱点的判断 条件判断法:振动频率相同、振动情况完全相同的两波叠加时,设点到两波源 的路程差为x,当 x|x2x1|k(k0,1,2,)时为振动加强点;当 x |x2x1|(2k1) 2(k0,1,2,)时为振动减弱点。若两波源振动步调相反, 则上述结论相反。 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, 若某点总是波峰与波谷相遇,则为振动减弱点。 【例 3】 (多选)如图所示为两个相干波源 S1、 S2产生的波在同一种均匀介质中相

11、遇时产生的干涉图样。图中实线表示某时刻的波峰,虚线表示波谷。下列说法正 确的是( ) A.a、c 两点的振动加强,b、d 两点的振动减弱 B.e、f 两点的振动介于加强点和减弱点之间 C.经适当的时间后,加强点和减弱点的位置互换 D.经半个周期后,原来位于波峰的点将位于波谷,原来位于波谷的点将位于波峰 答案 AD 解析 波的干涉图样所示的仅是某一时刻两列相干波叠加的情况, 形成干涉图样 的所有介质质点都在不停地振动着,其位移的大小和方向都在不停地变化着。但 要注意,对稳定的干涉,振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的。a 点是波 谷和波谷相遇的点,c 点是波峰和波峰相遇的点,都是振动加强的点;

12、而 b、d 两点都是波峰和波谷相遇的点,是振动减弱的点,A 正确;e 位于加强点的连线 上,为加强点,f 位于减弱点的连线上,为减弱点,B 错误;相干波叠加产生的 干涉是稳定的,不会随时间变化,C 错误;因形成干涉图样的介质质点也不停地 做周期性振动,经半个周期步调相反,D 正确。 【例 4】 (2021 应城市一中高二月考)如图所示, 在均匀介质中 S1和 S2是同时起 振(起振方向相同)、频率相同的两个机械波源,它们发出的简谐波相向传播。在 介质中 S1和 S2平衡位置的连线上有 a、b、c 三点,已知 S1aabbccS2 2( 为波长),则下列说法中正确的是( ) A.b 点的振动总是

13、最强,a、c 两点的振动总是最弱 B.b 点的振动总是最弱,a、c 两点的振动总是最强 C.a、b、c 三点的振动都总是最强 D.a、b、c 三点的振动都是有时最强有时最弱 答案 C 解析 已知 S1aabbccS2 2( 为波长),则两波源到 b 点的路程相等,则该 点是振动加强点; 而两波源到a点的路程差为一个波长, 则a点也是振动加强点; 两波源到 c 点的路程差也为一个波长,则此点也是振动加强点.因此 a、b、c 三 点的振动都总是最强;故选项 C 正确。 【针对训练 2】 (多选)振源 S1和 S2在做简谐运动,向四周分别发出振幅为 A1、 A2的两列横波,形成如图所示的干涉图样,图

14、中实线表示波峰,虚线表示波谷, N 点为波峰与波谷相遇点,M 点为波峰与波峰相遇点,下列说法正确的是( ) A.两个振源 S1和 S2的振动频率一定相同 B.N 点为振动减弱点,M 点为振动加强点 C.从图示时刻经过一个周期,N 点通过的路程一定为 0 D.从图示时刻经过半个周期,M 点通过的路程为 A1A2 答案 AB 解析 只有频率相同的两列同性质的波相遇,才能产生稳定的干涉图样,故 A 正确;M 点是波峰与波峰叠加,是振动加强点;N 点是波峰与波谷叠加,为振动 减弱点,故 B 正确;从图示时刻经过一个周期,N 点通过的路程是振幅的 4 倍, 而位移却不一定为 0,故 C 错误;从图示时刻

15、经过半个周期,M 点通过的路程为 2(A1A2),故 D 错误。 1.(波的反射)(多选)下列哪些现象是由声音的反射形成的( ) A.夏天下雨时,我们总是先看到闪电,后听到雷声 B.北京天坛的回音壁的回音现象 C.同样的声音在房间里比在旷野里听起来响亮些 D.在火车站候车大厅中,我们有时听不清播音员的声音 答案 BCD 解析 先看到闪电,后听到雷声是由于光比声音传播得快,不是声音的反射,故 A 错误;声音可以同光一样,具有反射现象,选项 B、C、D 中描述的都是声音 的反射现象。 2.(波的衍射)(多选)(2020 古浪县二中高二期中)如图,下列各图分别表示一列水 波在传播过程中遇到了小孔(A

16、、B 图)或障碍物(C、D 图),其中能发生明显衍射 现象的有( ) 答案 BD 解析 发生明显衍射的条件是:障碍物(或孔)的尺寸跟波长差不多甚至比波长还 小。图 A 中孔的尺寸比水波的波长差不多大两倍,衍射不明显,故 A 错误;图 B 中孔的尺寸比水波的波长还小,能发生明显衍射,故 B 正确;图 C 中障碍物 的尺寸比水波的波长大好几倍,衍射不明显,故 C 错误;图 D 中障碍物的尺寸 比水波的波长还小,能发生明显衍射,故 D 正确。 3.(波的叠加)(多选)(2020 海南海口高二期中)如图所示, S1、 S2是两个相干波源, 它们振动同步且振幅相同。 实线和虚线分别表示在某一时刻它们所发

17、出的波的波 峰和波谷。关于图中所标的 a、b、c、d 四点,下列说法中正确的有( ) A.该时刻 a 质点振动最弱,b、c 质点振动最强,d 质点振动既不是最强也不是 最弱 B.该时刻 a 质点振动最弱,b、c、d 质点振动都最强 C.a 质点的振动始终是最弱的,b、c、d 质点的振动始终是最强的 D.再过T 4后的时刻 b、c 两个质点都将处于各自的平衡位置,将变成减弱点 答案 BC 解析 质点 a 处是两列波波峰与波谷叠加的地方,振动始终是最弱的,而 b、c 质点处是两列波波峰与波峰或波谷与波谷叠加的地方,由于两波源振动同步,且 d 在两波源连线的中垂线上,故 d 处于振动加强区域,所以

18、b、c、d 振动始终是 最强的,A 错误,B、C 正确;图示时刻 b 在波峰,c 在波谷,再过T 4后的时刻 b、 c 质点都将处于各自的平衡位置,但 b、c 两点的振动始终是加强的,D 错误。 4.(波的干涉)(2020 保定容大中学开学考)甲、乙两列波振幅分别为 A、A 2,在同 一介质中相向传播,某时刻的波形图如图所示,x4 m 处的质点再过 1 s 将第一 次到达波谷,以下说法正确的是( ) A.这两列波不能产生干涉现象 B.经过 4 s 两波会相遇 C.x7 m 处的质点振幅为 A D.x6 m 处的质点振动加强 答案 D 解析 因甲波沿x轴正方向传播, 且x4 m处的质点再过1 s将第一次到达波谷, 所以T 41 s,则 T4 s,再由题图知波长 4 m,则波速 v T1 m/s,两波相 遇所需时间 tx 2v,解得 t2 s,故选项 B 错误;因为两列波周期和波长相同, 故两列波会发生干涉现象,故选项 A 错误;x3 m 和 x11 m 的质点到 x7 m 处的距离相等,两质点振动情况相反,两列波在 x7 m 处相互减弱,因此在 x 7 m 处的质点振幅为A 2,故选项 C 错误; x2 m 和 x10 m 的质点到 x6 m 处的距离相等,两质点振动情况相同,因此在 x6 m 处振动加强,故选项 D 正 确。

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