教科版 (2019)选择性必修 第一册4 波的反射与折射导学案

这是一份教科版 (2019)选择性必修 第一册4 波的反射与折射导学案，共14页。

知识点一 波的反射
1．反射现象：波遇到介质界面(如水波遇到挡板)时会返回原介质继续传播的现象。
2．反射规律：反射线、法线与入射线在同一平面内，反射线与入射线分居法线两侧，反射角等于入射角。
思考 反射波的波长、频率、波速与入射波的相关量相同吗？
提示：相同。
体验 1：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)入射波的入射线与界面的夹角叫入射角。( × )
(2)入射波的波长和反射波的波长相等。( √ )
知识点二 波的折射
1．波的折射：光从一种介质进入另一种介质时会发生折射，同样，一切波都会发生折射现象。
2．水波的折射：水波在深度不同的水域传播时，在交界处将发生折射。
思考 波的折射现象中，波在两种介质中的波长、频率、波速相同吗？
提示：频率相同，波长、波速发生变化。
体验 2：思考辨析(正确的打√，错误的打×)
(1)波在同一种介质中也能发生折射现象。( √ )
(2)一切波都能发生反射，但不一定发生折射。( × )
(3)在波的折射现象中波速是不变的。( × )
我们在山中、在大的空房间里大声说话时，都会听到回声，这属于波的什么现象？
提示：波的反射现象。
考点1 波的反射
1．反射定律
(1)反射波的波线、法线和入射波的波线在同一平面内，反射波的波线和入射波的波线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。
(2)反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同。
2．能量变化
反射波与入射波的波长、频率、波速都相等，但由于反射面吸收一部分能量，反射波传播的能量将减少。
【典例1】 (2021·四川省遂宁市第二中学校高二期中)甲、乙两人站在一堵墙前面，两人相距2a，距墙均为eq \r(3)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．甲开枪后4t时间B．甲开枪后3t时间
C．甲开枪后2t时间D．甲开枪后eq \f(\r(3)＋\r(7),2)t时间
思路点拨：根据反射定律画出声波传播的示意图，再用速度公式求时间。
C [乙听到的第一声枪响是甲开枪的声音直接传到乙的耳中，故t＝eq \f(2a,v)。甲、乙二人及墙的位置如图所示，乙听到的第二声枪响是经墙反射传来的枪声，由反射定律可知，波线如图中AC和CB，由几何关系可得eq \(AC,\s\up6(－))＝eq \(CB,\s\up6(－))＝2a，故第二声枪响传到乙耳中的时间为t′＝eq \f(\x\t(AC)+\x\t(CB),v)＝eq \f(4a,v)＝2t。]
波的反射应用技巧——回声测距
利用回声测距是波的反射的一个重要应用，它的特点是声源正对障碍物，声源发出的声波与回声在同一条直线上传播。
(1)若是一般情况下的反射，反射波和入射波是遵从反射定律的，可用反射定律作图后再求解。
(2)利用回声测距时，要特别注意声源是否运动，若声源运动，声源发出的原声至障碍物再返回至声源的这段时间与声源的运动时间相同。
(3)解决波的反射问题，关键是根据物理情景规范作出几何图形，然后利用几何知识结合物理规律进行解题。
[跟进训练]
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？
[解析] (1)由f＝eq \f(v,λ)得f＝eq \f(340,1) Hz＝340 Hz，
因波的频率不变，则在海水中的波速为
v海＝λ′f＝4.5×340 m/s＝1 530 m/s。
(2)入射声波和反射声波用时相同，则海水深为
h＝v海eq \f(t,2)＝1 530×eq \f(0.5,2) m＝382.5 m。
(3)物体与声音运动的过程示意图如图所示，设听到回声的时间为t′，则v物t′＋v海t′＝2h
代入数据解得t′≈0.498 s。
[答案] (1)340 1 530 (2)382.5 m (3)0.498 s
考点2 波的折射
1．折射定律
内容：如图所示，波在介质中发生折射时，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别位于法线两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于波在介质Ⅰ中的传播速度跟波在介质Ⅱ中的传播速度之比，即eq \f(sin i,sin r)＝eq \f(v1,v2)。
可见：①当v1>v2时，i>r，折射波线偏向法线。
②当v1③当垂直界面入射(i＝0)时，r＝0，波的传播方向不改变，是波的折射中的特殊情况。
2．说明：(1)在波的折射中，波的频率不改变，波速和波长都发生变化。
(2)波在两种介质的界面上发生折射的原因是波在不同介质中的传播速度不同。
(3)由于波在均匀介质中的波速是一定的，所以eq \f(v1,v2)是一个只与两种均匀介质的性质有关，与入射角度无关的常数，叫作第二种介质对第一种介质的折射率，以n12表示，则n12＝eq \f(v1,v2)。
【典例2】 一列声波在介质Ⅰ中的波长为0.2 m，当该声波从介质 Ⅰ 中以某一角度射入介质 Ⅱ 中时，波长变为0.6 m，如图所示，若介质 Ⅰ 中的声速是340 m/s。
(1)求该声波在介质Ⅱ中传播时的频率；
(2)求该声波在介质Ⅱ中传播的速度；
(3)若另一种波在介质 Ⅱ 中的传播速度为1 400 m/s，按图中的方向从介质 Ⅰ 射入介质 Ⅱ 中，求它在介质 Ⅰ 和介质 Ⅱ 中的频率之比。
[解析] (1)设声波在介质Ⅰ中传播时，频率为f1，由v＝λf得f1＝eq \f(v1,λ1)＝eq \f(340,0.2) Hz＝1 700 Hz，由于声波在不同介质中传播时，频率不变，所以声波在介质Ⅱ中传播时的频率f2为1 700 Hz。
(2)由v＝λf得声波在介质Ⅱ中的传播速度为v2＝λ2f2＝0.6×1 700 m/s＝1 020 m/s。
(3)该波由介质Ⅰ中传播到介质Ⅱ中的过程中，频率不变，故该波在介质Ⅰ中和介质Ⅱ中的频率之比为1∶1。
[答案] (1)1 700 Hz (2)1 020 m/s (3)1∶1
[跟进训练]
2．一列波以60°的入射角射到两种介质的界面上，反射波刚好跟折射波垂直，若入射波的波长为0.6 m，那么折射波的波长为________m，反射波的波长为________m。
[解析] 根据题意，反射波跟折射波垂直，得折射角为30°，由公式eq \f(sin 60°,sin 30°)＝eq \f(v1,v2)，再由公式v＝λf代入得eq \f(λ1,λ2)＝eq \r(3)，λ1＝0.6 m，λ2＝eq \f(λ1,\r(3))≈0.35 m。反射波的波长等于入射波的波长。
[答案] 0.35 0.6
1．机械波在传播过程中遇到障碍物时会发生反射，如果用射线表示波的传播方向，下列说法正确的是( )
A．入射线与反射线一定在同一平面内，法线与这一平面垂直
B．入射线与反射线可能在法线同侧
C．“回声”是声波的反射现象
D．“回声”是声波的折射现象
C [波的反射遵守波的反射定律，即反射线在入射线和法线所决定的平面内，且入射线与反射线分居法线两侧，故A、B错误；声波遇到障碍物时可发生反射，形成回声，因此 “回声”是声波的反射现象，故C正确，D错误。故选C。]
2．一列声波从空气传入水中，已知水中声速较大，则( )
A．声波频率不变，波长变小
B．声波频率不变，波长变大
C．声波频率变小，波长变大
D．声波频率变大，波长不变
B [声波在水中的传播速度比空气中的传播速度大。在波的折射中，波的频率不改变，波速和波长发生改变，由v＝λf可知，声波的波长变大。]
3．关于波的反射与折射，下列说法正确的是( )
A．入射波的波长一定等于反射波的波长，其频率不变
B．入射波的波长一定小于反射波的波长，其频率不变
C．入射波的波长一定大于折射波的波长，其频率不变
D．入射波的波长一定小于折射波的波长，其频率不变
A [入射波与反射波在同种介质中波速相同，频率由波源决定，频率相同，由v＝λf知波长相同，A正确，B错误；因不知介质情况，入射波与折射波波长无法比较，C、D错误。]
4．(新情境题，以医学“B超”检测为背景考查反射和折射现象)“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eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \f(v1,v2)(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？
[解析] 超声波沿如图所示的路线传播，根据eq \f(sin i,sin θ)＝eq \f(v1,v2)，又因为v2＝0.9v1，所以sin θ＝0.9sin i。又因为在直角三角形中，sin θ＝eq \f(\f(d,2),\r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,2)))\s\up12(2)＋h2))，
所以h＝eq \f(d\r(100－81sin2i),18sin i)。
[答案] eq \f(d\r(100－81sin2i),18sin i)
回归本节知识，自我完成以下问题：
1．波在两种介质的界面处能否同时发生折射和反射现象？
提示：能。
2．在波的反射和折射现象中频率是否发生变化？
提示：不变。
3．波的反射和波的折射分别遵守什么规律？
提示：波的反射遵守反射定律，波的折射遵守折射定律。
回声、混响和建筑声学
各种波在传播过程中如果遇到大的障碍物，都会发生反射，声波也是这样。声波遇到普通房间的墙壁、地面、天花板也会反射，但是由于回声和原声几乎同时到达，而人耳只能分辨相差0.1 s以上的两个声音，所以在房间里不能听到回声，只会感到声音比在野外时大些；同时由于墙壁、地面、天花板对声波的多次反射，当声源停止发声后，声音要经过一段时间才会消失，这种现象叫作混响，这段时间叫作混响时间。混响时间的长短是音乐厅、剧院、礼堂等建筑物的重要声学特性。对讲演厅来说，混响时间不能太长。我们平时讲话，每秒大约发出2至3个音节，如果混响时间太长，发出下一个音节的时候上一个音节的声音还很强，那就不容易听清楚。混响时间也不能太短，太短了听起来声音太小，就像在旷野里说话，同样听不清。处理各种建筑物的声学特性，取得好的声音效果，这门学问叫作建筑声学。北京回音壁是皇穹宇的围墙，墙高3.72米，厚0.9米，直径61.5米，周长193.2米。墙壁是用磨砖对缝砌成的，墙头覆着蓝色琉璃瓦。围墙的弧度十分规则，墙面极其光滑整齐，对声波的反射是十分规则的。只要两个人分别站在东、西配殿后，贴墙而立，一个人靠墙向北说话，声波就会沿着墙壁连续折射前进，传到一、二百米的另一端，无论说话声音多小，也可以使对方听得清清楚楚，而且声音悠长，堪称奇趣，给人造成一种“天人感应”的神秘气氛。所以称之为“回音壁”。
1．声波在传播过程中遇到障碍物能发生反射现象吗？
提示：能。
2．北京回音壁有回音效果的原因是什么？
提示：围墙由磨砖对缝砌成，光滑平整，圆周率精确，有利于声波的规则反射。
课时分层作业(十三) 波的反射与折射
1．根据波的反射和折射原理，以下说法正确的是( )
A．声波从空气传到平静的湖面上，声波只在水面处发生反射
B．声波从空气传到平静的湖面上，声波只在水面处发生折射
C．声波从空气传到平静的湖面上时既发生反射又发生折射
D．声波从空气传到平静的湖面上时既不发生反射又不发生折射
C [根据波的反射和折射原理，声波从空气传到平静的湖面上时既发生反射又发生折射，故C正确，A、B、D错误。故选C。]
2．对于波的折射现象，下列说法正确的是( )
A．当入射速度小于折射速度时，折射光线偏离法线
B．当波垂直界面入射时，传播方向不改变，波速和波长都不改变
C．在波的折射中，波的频率不改变，波速和波长都发生改变
D．波发生折射时一定不会发生反射现象
C [当入射速度小于折射速度时，折射光线不一定偏离法线，当入射角为零度时，折射光线与法线重合，故A错误；当波垂直界面入射时，传播方向不改变，但波速和波长都发生改变，故B错误；波的频率由波源决定，与介质无关，在波的折射中，波的频率不改变，波速和波长都改变，故C正确；波发生折射时在同一个界面也可发生反射现象，故D错误。故选C。]
3．关于波的折射现象，下列说法正确的是( )
A．一切波都能发生折射现象
B．发生折射时，波的传播方向一定会发生改变
C．不是所有的波都能发生折射
D．波发生折射时，波长、频率和波速都会发生变化
A [当波从一种介质传播到另一种介质时，一切波都能发生折射，故A正确，C错误；波传播方向跟两种介质界面垂直时，传播方向不变，故B错误；波从一种介质传播进入另一种介质时，频率不变，波速发生变化，而波长λ＝eq \f(v,f)，随着波速变化而变化，故D错误。]
4．(多选)以下关于波的认识，正确的是( )
A．潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，用的是波的反射原理
B．隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的
C．超声波雷达的工作原理是利用波的折射
D．水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象，是波的折射现象
ABD [潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，声呐采用的是超声波，超声波的方向性好，遇到障碍物容易反射，故A正确；隐形飞机的原理是：通过降低飞机的声、光、电等可探测特征量，使雷达等防空探测器无法早期发现，所以隐形飞机可能在机身表面涂有高效吸收电磁波的物质，使用吸收雷达电磁波材料，在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，很难被发现，故B正确；雷达的工作原理是利用波的反射，故C不正确；水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象，是波的折射现象，故D正确。故选A、B、D。]
5.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
D [波发生反射时，在同一种介质中运动，因此波长、波速和频率不变，故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。]
6．一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
C [同一列波频率不变，由v＝λf知，eq \f(v1,v2)＝eq \f(λ1,λ2)＝eq \f(3,1)。故C正确。]
7．已知声波在空气中传播速度为340 m/s。在两悬崖A、B之间距A为85 m处的P点鸣枪，听到最初两声回音时间间隔Δt＝0.5 s，则两悬崖间距离为( )
A．85 mB．170 m
C．255 mD．340 m
C [设两悬崖A、B间距离为L，P点距A为x1＝85 m。声音由P点经A反射回到P点所用时间t1＝eq \f(2x1,v)＝0.5 s。声音由P点经B反射回到P所用时间t2＝eq \f(2x2,v)，而且有t2－t1＝0.5 s，故t2＝1 s，则x2＝eq \f(1,2)vt2＝170 m。两悬崖间距离为L＝x1＋x2＝255 m。故C正确。]
8．人们听不清对方说话时，除了让一只耳朵转向对方，还习惯性地把同侧的手附在耳旁，这样做是利用声波的什么特点来提高耳朵的接收能力？
[解析] 在耳廓原有形状、面积的基础上增加一个手的面积是为了增加波的反射来提高耳朵的接收能力。
[答案] 反射
9．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＝eq \f(1,3) km/s。
[解析] 如图所示，设A表示爆炸处，O表示观测者所在处，B表示云层反射点，用h表示云层下表面的高度，用t1表示爆炸声直接经地面传到观测处所用的时间，则有d＝vt1①
用t2表示爆炸声经云层反射后到达O处所经时间，因为入射角等于反射角，故有2eq \r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,2)))\s\up12(2)＋h2)＝vt2，②
已知t2－t1＝Δt，③
联立①②③式，可得h＝eq \f(1,2)eq \r(（vΔt）2＋2dvΔt)，
代入数值得h＝2.0×103 m。
[答案] 2.0×103 m
学习任务
1．知道波的反射、折射现象。
2．理解波的反射定律和折射定律，能进行简单计算。
3．利用波的几种现象实例培养观察、分析和归纳的习惯。