【同步讲义】（人教版2019）高中物理选修第一册-第三章-机械波--第03讲 波的反射、折射和衍射 讲义

第03讲 波的反射、折射和衍射

知识点01  波的反射

1．反射现象：波遇到介质界面会返回来继续传播的现象．

2．反射角与入射角

(1)入射角：入射波的波线与法线的夹角，如图中的α.

(2)反射角：反射波的波线与法线的夹角，如图中的β.

3．反射定律：反射波线、法线、入射波线在同一平面内，且反射角等于入射角．

【即学即练1】某物体发出的声音在空气中的波长为1 m，波速为340 m/s，在海水中的波长为4.5 m.

（1）该波的频率为________Hz，在海水中的波速为________ m/s.

（2）若物体在海面上发出的声音经过0.5 s听到回声，则海水深为多少？

（3）若物体以5 m/s的速度由海面向海底运动，则经过多长时间听到回声？

知识点02  波的折射

1．波在传播过程中，从一种介质进入另一种介质时，波传播的方向发生偏折的现象叫作波的折射．

2．一切波都会发生折射现象．

3．波的折射

 (1)折射角(γ)：折射波的波线与两介质界面法线的夹角γ叫做折射角．如图所示．

(2)折射定律：入射波线、法线、折射波线在同一平面内，入射波线与折射波线分居在法线两侧．入射角的正弦跟折射角的正弦之比等于波在第一种介质中的速度跟波在第二种介质中的速度之比，即＝.

4．波的反射与折射的对比

(1)频率f由波源决定，故无论是反射波还是折射波都与入射波的频率，即波源的振动频率相同．

(2)波速v由介质决定，因反射波与入射波在同一介质中传播，故波速不变；而折射波与入射波在不同介质中传播，所以波速变化．

(3)据v＝λf知，波长λ与v及f有关，即与介质及波源有关，反射波与入射波在同一介质中传播、频率相同，故波长相同．折射波与入射波在不同介质中传播，f相同，v不同，故λ不同．

【即学即练2】下列说法正确的是(　　)

A．入射波的波长和反射波的波长相等

B．入射波的波长大于折射波的波长

C．入射波的波长小于折射波的波长

D．入射角与折射角之比等于两波速之比

知识点03  波的衍射及其特点

1．定义：波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫作波的衍射。

2．发生明显衍射的条件：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。

3．一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象。

4．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。

5．关于衍射的条件：应该说衍射是没有条件的，衍射是波特有的现象，一切波都可以发生衍射。衍射只有“明显”与“不明显”之分，障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多，或比波长小是产生明显衍射的条件。

6．波的衍射实质分析：波传到小孔(障碍物)时，小孔(障碍物)仿佛是一个新波源，由它发出的与原来同频率的波在小孔(障碍物)后传播，就偏离了直线方向。波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况。

7．衍射现象与观察的矛盾：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。

【即学即练3】(多选)下列说法中正确的是(　　)

A．孔的尺寸比波长大得多时不会发生衍射现象

B．孔的尺寸比波长小才发生衍射现象

C．只有孔的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象

D．只有波才有衍射现象

考法01  波的反射

【典例1】甲、乙两人站在一堵墙前面，两人相距2a，距墙均为a.当甲开了一枪后，乙在t时间后听到第一声枪响，则乙在什么时候能听到第二声枪响(　　)

A．听不到　　　　　 B．甲开枪后3t时间

C．甲开枪后2t时间 D．甲开枪后t时间

考法02  波的衍射

【典例2】如图所示，正中O是水面上一波源，实、虚线分别表示该时刻的波峰、波谷，A是挡板，B是小孔，经过一段时间，水面上的波形将分布于(　　)

A．整个区域

B．阴影Ⅰ以外区域

C．阴影Ⅱ以外区域

D．阴影Ⅲ以外区域

考法03  发生明显衍射的条件

【典例3】一列波在传播过程中通过一个障碍物，发生了一定程度的衍射，以下哪种情况一定能使衍射现象更明显(　　)

A．增大障碍物的尺寸，同时增大波的频率

B．增大障碍物的尺寸，同时减小波的频率

C．缩小障碍物的尺寸，同时增大波的频率

D．缩小障碍物的尺寸，同时减小波的频率

题组A  基础过关练

1．关于波的衍射现象，下列说法中正确的是(　　)

A．某些波在一定条件下才有衍射现象

B．不是所有的波在任何情况下都有衍射现象

C．一切波在一定条件下才有衍射现象

D．一切波在任何情况下都有衍射现象

2．(多选)下列现象或事实属于衍射现象的是(　　)

A．风从窗户吹进来

B．雪堆积在背风的屋后

C．听到墙外人的说话声

D．水波前进方向上遇到凸出在水面上的小石头，小石头对波的传播没有影响

3．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

4．一列波在第一种均匀介质中的波长为λ1，在第二种均匀介质中的波长为λ2，且λ1＝3λ2，那么波在这两种介质中的频率之比和波速之比分别为(　　)

A．3∶1　1∶1　 B．1∶3　1∶4

C．1∶1　3∶1　 D．1∶1　1∶3

5．(多选)如图所示是声波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ的折射情况，由图判断下列说法正确的是(　　)

A．折射角小于入射角，声波在介质Ⅰ中的波速大于它在介质Ⅱ中的波速

B．折射角小于入射角，介质Ⅰ可能是空气，介质Ⅱ可能是水

C．折射角大于入射角，介质Ⅰ可能是钢铁，介质Ⅱ可能是空气

D．介质Ⅰ中波速v1与介质Ⅱ中波速v2满足＝

6．(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

7．下列关于波的衍射的说法正确的是(　　)

A．波要发生衍射现象必须满足一定的条件

B．与光波相比声波容易发生衍射是由于声波波长较大

C．对同一列波，缝、孔或障碍物越大衍射现象越明显

D．只有横波才能发生衍射现象，纵波不能发生衍射现象

8．(多选)一列水波通过某孔的实际情况如图所示，现把孔的尺寸变小，或者把水波的波长变大，对水波通过孔后的假想情况的四幅图中，其假想正确的图示有(　　)

9．在水波槽的衍射实验中，若打击水面的振子振动的频率是5 Hz，水波在水波槽中的传播速度是0.05 m/s，为观察到显著的衍射现象，小孔直径d应为(　　)

A．10 cm　　　　　　　　 B．5 m

C．d≥1 cm  D．d≤1 cm

10．(多选)如图所示，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处水面没有振动，为使A处水面也能发生振动，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

11．如图所示，一小型渔港的防波堤两端MN相距约60m，在防波堤后A、B两处有两个小船进港躲避风浪。某次海啸引起的波浪沿垂直于防波堤的方向向防波堤传播，下列说法中正确的是（　　）

A．假设波浪的波长约为10m，则A、B两处小船完全不受波浪影响

B．假设波浪的波长约为10m，则A、B两处小船明显受到波浪影响

C．假设波浪的波长约为50m，则A、B两处小船基本上不受波浪影响

D．假设波浪的波长约为50m，则A、B两处小船明显受到波浪影响

12．甲、乙两人分乘两只小船在湖中钓鱼，两船相距24 m。有一列水波在湖面上传播，使每只船每分钟上下浮动20次，当甲船位于波峰时，乙船位于波谷，这时两船之间还有5个波峰。求：

(1)此水波的波长为多少？波速为多少？

(2)若此波在传播过程中遇到一根竖立的电线杆，是否会发生明显的衍射现象？

(3)若该波经过一跨度为30 m的桥洞，桥墩直径为3 m，桥墩处能否看到明显衍射现象？

(4)若该桥为一3 m宽的涵洞，洞后能否发生明显衍射现象？

题组B  能力提升练

1．在空旷的广场上有一堵较高大的墙MN，墙的一侧O点有一个正在播放男女声合唱歌曲的声源。某人从图中A点走到墙后的B点，在此过程中，如果从声波的衍射来考虑，则会听到(　　)

A．声音变响，男声比女声更响

B．声音变响，女声比男声更响

C．声音变弱，男声比女声更弱

D．声音变弱，女声比男声更弱

2．(多选)观察水面波衍射的实验装置如图所示，AC和BD是两块挡板，AB是一个孔，O是波源，图中已画出波源所在区域波的传播情况，每两条相邻波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长，则波经过孔之后的传播情况，下列描述正确的是

A．此时能明显观察到波的衍射现象

B．挡板前后波纹间距离相等

C．如果将孔AB扩大，有可能观察不到明显的衍射现象

D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，能更明显地观察到衍射现象

3．(2020-2021学年鹤岗市第一中学高二(下)期中)(多选)如图甲所示，波源S从平衡位置开始上、下(沿y轴方向)振动，产生的简谐横波向右传播，经过0.2s后，沿波的传播方向上距S为3m的P点开始振动，若以P点开始振动的时刻作为计时的起点，P点的振动图像如图乙所示，则下列说法中正确的是(　　)

A．波源S最初是向下振动的

B．该简谐波的波速为1.5 m/s

C．该波的波长为0.6m

D．该波通过宽度约为1 m的缝隙时，能产生明显的衍射现象

4．(2020-2021学年河南省实验中学高二(下)期中)(多选)有一列沿轴传播的简谐横波，在某一时刻它的波形图如图甲所示，和是这列简谐横波上的两个质点，从该时刻起某同学记录下了质点在一段时间内的振动图像，如图乙所示。则下列说法正确的是(　　)

A．该列简谐横波正以的速度沿轴负方向传播

B．图甲所示时刻和两质点的速度都为零

C．时质点距离平衡位置最远，其加速度最大，加速度方向且沿轴负方向

D．该波在传播过程中若遇到直径d=7m的圆形障碍物，能发生明显衍射现象

5．如图所示，圆形实线是波源O在水槽里产生的水波的波峰，下列说法正确的是(　　)

A．水波只要进入∠CAE和∠DBF区域就叫波的衍射

B．水波只要进入∠CAA′和∠DBB′区域就叫波的衍射

C．水波必须充满∠CAE和∠DBF区域才叫波的衍射

D．水波必须充满∠CAA′和∠DBB′区域才叫波的衍射

6．有一辆汽车以15 m/s的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛2 s后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离有多远？(v声＝340 m/s)

7．情境：“B超”可用于探测人体内脏的病变状况．如图是超声波从肝脏表面入射，经折射与反射，最后从肝脏表面射出的示意图．超声波在进入肝脏发生折射时遵循的规律与光的折射规律类似，可表述为＝(式中θ1是入射角，θ2是折射角，v1、v2分别是超声波在肝外和肝内的传播速度)，超声波在肿瘤表面发生反射时遵循的规律与光的反射规律相同．已知v2＝0.9v1，入射点与出射点之间的距离是d，入射角是i，肿瘤的反射面恰好与肝脏表面平行．

问题：肿瘤离肝表面的深度h为多少？

题组C  培优拔尖练

1．海浪从远海传向海岸．已知海浪的传播速度与海水的深度有关，海水越深，速度越大．一艘大船停泊在离岸较远处，振动的周期为8 s，则(　　)

A．海浪拍打海岸的周期大于8 s

B．海浪从远海传向海岸，相邻波峰之间的距离变大

C．悬挂在船上摆长为1 m的单摆的振动周期为8 s

D．让船停泊在离海岸更近处，海浪通过船体的衍射现象更明显

2．(多选)一列简谐横波，在t＝0.6 s时刻的图像如图甲所示，此时，P、Q两质点的位移均为－1 cm，波上A质点的振动图像如图乙所示，则以下说法正确的是(　　)

A．这列波的波速是 m/s

B．从t＝0.6 s开始，紧接着的Δt＝0.6 s时间内，A质点通过的路程是10 m

C．从t＝0.6 s开始，质点P比质点Q早0.4 s回到平衡位置

D．若该波在传播过程中遇到一个尺寸为21 m的障碍物不能发生明显的衍射现象

3．(多选)蝙蝠在洞穴中飞来飞去时；它利用超声脉冲导航非常有效，这种超声脉冲的频率高于20000Hz，能持续1ms或不到1ms的短促发射，且每秒重复发射数次。已知蝙蝠在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑捕食的过程中，发出的超声波频率为35000Hz，下列说法正确的是(    )

A．蝙蝠发出的超声波属于电磁波

B．结合题图可知超声波频率比微波频率要高

C．超声波反射前后波速大小相等

D．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于墙壁接收到的频率

4．天空有近似等高的浓云层．为了测量云层的高度，在水平地面上与观测者的距离为d＝3.0 km处进行一次爆炸，观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差Δt＝6.0 s．试估算云层下表面的高度．已知空气中的声速v＝ km/s.