人教版 (2019)选择性必修 第一册4 波的干涉精品教学设计

第三章　机械波

第4节　波的干涉

【教材分析】

本节课程是在学习了波的反射、折射以及衍射的基础上更进一步的了解波的特征，教材通过波的叠加这种普遍的物理现象，引起学生探究波的叠加规律的兴趣，从而引出波的干涉这种特殊叠加现象，学生要清楚波的干涉是一种特殊的叠加形式，发生波的干涉现象需要满足一定的条件，并要知道波的干涉规律。

【教学目标与核心素养】

【物理观念】了解波的叠加原理，波的干涉条件及干涉规律。

【科学思维】通过对波的叠加及波的干涉现象的学习，培养学生空间想象的思维能力。

【科学探究】通过观看视频，观察演示实验，体会波的叠加规律及干涉规律，引导学生养生多观察、多思考乐于探究事物本质的学习习惯。

【科学态度与责任】提升观察能力，养成透过事物的宏观现象，探索其本质的学习习惯。

【教学重点与难点】

【教学重点】知道波的叠加原理，了解波的干涉条件及干涉现象，并学会利用干涉定律解释生活中的的相关现象。

【教学难点】波的叠加现象，波的干涉规律。

【教学过程】

一、【引入新课】

想一想：

在平静的水面上，下落的雨滴激起层层涟漪，形成了复杂而美丽的图案。这种图案是怎样产生的？

二、【进行新课】

探究点一、波的叠加

想一想：

在介质中常常有几列波同时传播。两列波相遇时，会不会像两个小球相碰时那样，改变各自的运动特征呢？

观察波的叠加现象（观看视频）

在一根水平长绳的两端分别向上抖动一下，在绳上分别产生相向传播的两列波。观察两列波的传播情况。

波的叠加

波传播的独立性原理或波的叠加原理：各列波在相遇前和相遇后都保持原来的特性(频率、波长、振动方向、传播方向等)不变，与各波单独传播时一样；而在相遇处各质点的振动则是各列波在该处激起的振动的合成。

生活中波的独立传播和叠加

开会时，大家讨论的面红耳赤，会议室内声音特响，但还是能区分出每一个人的说话声音。

几列波相遇时能够保持各自的运动状态，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。

探究点二、波的干涉

想一想：

两列周期相同的波相遇时，在它们重叠的区域里会发生什么现象？我们先观察，然后再作解释。

观察水波的干涉

水槽中，波源是固定在同一个振动片上的两根细杆，当振动片振动时，两根细杆周期性地触动水面，形成两个波源。这两个波源发出的是频率相同的波。两列波的振动方向也相同，水面质点的振动都沿上下方向。由于两根细杆是同步振动的，所以它们振动的相位差保持不变（总是0）。

水波干涉图样                           水波干涉俯视图样

由观察可知：

这两列波相遇后，在振动着的水面上，出现了一条条从两个波源中间伸展出来的相对平静的区域和激烈振动的区域，这两种区域在水面上的位置是固定的，而且相互隔开。

水波的干涉图样

1.定义：频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强和振动减弱的区域相互隔开的现象叫做波的干涉。

2.干涉图样：由波的干涉所形成的图样。

把相应的振动最激烈的质点连起来，为振动加强区；相应的振动最不激烈或静止的质点连起来，为振动减弱区。振动加强区和振动减弱区是相互隔开的。

注意：

（1）振动加强的区域振动始终加强，振动减弱的区域振动始终减弱。

（2）振动加强（减弱）的区域是指质点的振幅大（小），而不是指振动的位移大（小），因为位移是在时刻变化的。

波的干涉的示意图

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，质点的位移最大，等于两列波的振幅之和；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。

如果在某一时刻，在水面上的某一点是两列波的波峰和波谷相遇，经过半个周期，就变成波谷和波峰相遇，在这一点，两列波引起的振动始终是减弱的，质点振动的振幅等于两列波的振幅之差，如果两列波的振幅相同，质点振动的振幅就等于零，水面保持平静。

产生干涉的条件：

两列波相遇叠加不一定能得到稳定的干涉图样，而要产生稳定的干涉现象形成稳定的干涉图样，则需要满足一定的条件。

产生干涉的条件：两列波的频率必须相同。

注意：一切波（只要满足条件）都能发生干涉现象，干涉和衍射一样都是波特有的现象。

波的干涉和衍射现象区别

做一做：

声音的干涉

安装两个相同的扬声器，并且使它们由同一个信号源带动，发出相同频率的声音。同学们分成两组，手持不同颜色的标志（如A组持白，B组持黑），分散在两个扬声器之间，注意听扬声器发出的声音，并且小范围地移动。A组同学移动到声音最大位置停住，B组同学移动到声音最小（或听不到声音）位置停住。找到位置后都把标志举起，看看A组和B组同学所在位置的分布有什么规律。

主动降噪技术

噪声会影响我们的日常生活，人们通常在声源处、传播过程中以及人耳处采取措施，以控制噪声。声音是一种波，通过波的干涉能够起到消音的作用。这一原理使我们可以主动出击，通过发出与噪声振幅、频率相同，相位相反的声波来消灭噪声具有主动降噪功能的耳机就是根据这一原理制成的。简单来说，在耳机内设有麦克风，用来收集周围环境中的噪声信号在此基础上，耳机的处理器能够预测下一时刻噪声的情况，并产生相应的抵消声波。为了保降噪质量，耳机内还设有另一个麦克风来检测合成后的噪声是否变小。这时，处理器会根据这个麦克风的测量结果，对处理过程不断优化，进一步降低合成后的噪声音量，达到最佳的降噪效果，使人们更好地欣赏音乐或是进行通信等活动。主动降噪技术使我们摆脱噪声的困扰，它不仅能够营造安静的生活氛围，而且能够在机场等强噪声场景下保护人们的健康。

消声原理

课堂重点知识小结

波的叠加

波的叠加原理：几列波相遇时能够保持各自的运动状态，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。

波的干涉

1.波的干涉：频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强和振动减弱的区域相互隔开的现象叫做波的干涉。

2.干涉的解释

3.产生干涉的条件：两列波的频率必须相同。

4.一切波（只要满足条件）都能发生干涉现象，干涉和衍射一样都是波特有的现象。

随堂练习

例1：(多选)如图所示，S1、S2为两个振动情况完全一样的波源，两列波的波长都为λ，它们在介质中产生干涉现象，S1、S2在空间共形成6个振动减弱的区域(图中虚线处)，P是振动减弱区域中的一点，从图中可看出　(　　)

A.P点到两波源的距离差等于1.5λ

B.P点始终不振动

C.P点此时刻振动最弱，过半个周期后，振动变为最强

D.当一列波的波峰传到P点时，另一列波的波谷也一定传到P点

【答案】ABD

【解析】振动减弱点到两波源距离差等于半波长的奇数倍，根据P点所处虚线的位置可知，P点到S1、S2的距离之差为1.5λ，选项A正确；两波源振动情况相同，故P点振幅为零，选项B正确，选项C错误；在P点合位移为零，故其中一列波的波峰传播到P点时，另一列波的波谷一定传播到P点，选项D正确。

例2：(单选)两列振幅和波长都相同而传播方向相反的波(如图甲所示)，在相遇的某一时刻，两列波“消失”(如图乙所示)。此时介质中x、y两质点的运动方向是(　　)

A.x向下，y向上  B.x向上，y向下

C.x、y都向上  D.x、y都向下

【答案】A

【解析】由题图看出，两列波的波峰与波谷叠加，振动减弱，两波的振幅相等，所以题图乙所示的时刻两列波“消失”。根据波形平移法判断可知，向右传播的波单独引起x的振动方向向下，y的振动方向向上，向左传播的波单独引起x的振动方向向下，y的振动方向向上，根据叠加原理可知，此时x质点的振动方向向下，y质点的振动方向向上，故A正确。

例3：(单选)关于波的叠加和干涉，下列说法中正确的是(　　)

A.两列频率不相同的波相遇时，因为没有稳定的干涉图样，所以波没有叠加

B.两列频率相同的波相遇时，振动加强的点只是波峰与波峰相遇的点

C.两列频率相同的波相遇时，如果介质中的某点振动是加强的，某时刻该质点的位移x可能是零

D.两列频率相同的波相遇时，振动加强的点的位移总是比振动减弱的点的位移大

【答案】C

【解析】根据波的叠加原理，只要两列波相遇就会叠加，所以A错；两列频率相同的波相遇时，振动加强的点是波峰与波峰、波谷与波谷相遇的点，所以B错；振动加强的点仅是振幅增大，但仍在平衡位置附近振动，也可能有位移为零的时刻，所以C正确，D错误。

例4：(单选)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三质点，下列说法中正确的是(　　)

A.a质点振动减弱，b、c质点振动加强

B.a质点振动加强，b、c质点振动减弱

C.再过T/4后，b、c两质点都将处于各自的平衡位置，振动将减弱

D.a质点一直在平衡位置，b质点一直在波峰，c质点一直在波谷

【答案】A

【解析】a质点处是两列波波峰与波谷叠加的地方，振动始终减弱，而b、c质点处是两列波波峰与波峰、波谷与波谷叠加的地方，振动始终加强，故A对，B、C错；因为两个波源的振动方向相同、振幅相同，所以a质点静止不动，一直在平衡位置，b、c两质点的振动始终是加强的，位移随时间周期性变化，不是静止不动的，故D错误。故选A。