高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第3节 波的干涉和衍射课文ppt课件

这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第3节 波的干涉和衍射课文ppt课件，共51页。PPT课件主要包含了矢量和，重要特征，障碍物，观察者，奥地利等内容，欢迎下载使用。

1．了解波的叠加原理、掌握波的干涉现象及产生干涉的条件。2．掌握波的衍射现象和发生明显衍射的条件，会分析波的干涉中振动加强点和减弱点的振动情况。3．探究发生明显的衍射现象的条件。4．会应用多普勒效应解释相关的现象。
知识点一　波的叠加原理与干涉现象1．波的叠加原理两列波相遇时，波形会发生变化；相遇后，这两列波又保持原来各自的____继续传播。大量研究表明，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)____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______，这在物理学中称为波的叠加原理。
必备知识·自主预习储备
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____、稳定分布的现象。(2)干涉图样：波的____中所形成的图样，如图所示。
(3)干涉条件：____相同和振动方向相同的波。(4)一切波都能产生干涉现象，干涉现象是波的________之一。
提醒　任何频率的波都能够相互叠加，但是只有频率相同和振动方向相同的波才能够发生干涉。
体验1．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)在振动减弱的区域，各质点都处于波谷。(　　)(2)波的干涉现象中，振动加强区域，介质质点的位移随时间做周期性变化。(　　)(3)波的干涉现象中，振动加强区域，介质质点的振幅随时间做周期性变化。(　　)
知识点二　波的衍射现象及多普勒效应1．波的衍射现象(1)定义波绕过______或通过____继续传播的现象，叫作波的衍射。(2)发生明显的衍射现象的条件障碍物或狭缝的尺寸跟____相差不大，或者比波长更小。(3)一切波都能产生衍射现象，衍射是波特有的现象。
2．多普勒效应及其应用(1)多普勒效应由于____和______之间有相对运动而使观察者接收到的波的____发生____的现象。它是______科学家多普勒发现的。(2)多普勒效应产生的原因①波源与观察者相对静止时，单位时间内通过观察者的完整的波的个数是一定的，观察者接收到的波的频率____波源的频率。
②波源与观察者相互靠近时，单位时间内通过观察者的完整的波的个数____，观察者接收到的波的频率____波源的频率，即接收到的波的频率____。③波源与观察者相互远离时，观察者接收到的波的频率____波源的频率，即接收到的波的频率____。④发生多普勒效应时，波源的频率没有变化，是观察者接收到的波的____发生了变化。(3)多普勒效应的应用测量车辆速度；测量天体运动情况；检查病变，跟踪目的物(如导弹、云层)等等。
体验2．思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)狭缝的宽度远大于水波的波长时，有明显的衍射现象。(　　)(2)当障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差不大时，有明显的衍射现象。(　　)(3)能否发生多普勒效应与观察者跟波源的远近有关。(　　)
(1)有人说在波的干涉现象中，加强点就是位移始终最大的点，减弱点就是位移始终为零的点，这种说法对吗？(2)有经验的铁路工人怎样从火车的汽笛声中判断出火车的运动方向？
关键能力·情境探究达成
提示：(1)这种说法不正确。在干涉图样中的加强点是以两列波的振幅之和为振幅做振动的点，某一瞬时振动位移可能是零。同理，减弱点是以两列波的振幅之差为振幅做振动的点，它的位移不一定始终为零。(2)由于多普勒效应，火车驶向工人时，他听到的汽笛声声调较高，感觉到尖锐刺耳，而火车远离工人时，他听到的汽笛声声调较低，听起来较为低沉，所以工人可以根据汽笛声调的不同，确定火车的运动方向。
考点1　波的叠加波的叠加与波的干涉(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)稳定干涉图样的产生是有条件的，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。
【典例1】　两列振幅相等、波长均为λ、周期均为T的简谐横波沿同一绳子相向传播，若两列波均由一次全振动产生，t＝0时刻的波形如图1所示，此时两列波相距λ，则(　　)
[跟进训练]1．(多选)一条绳子的两端跟两个波源S1、S2相连，两个波源同时开始振动，一段时间后形成如图所示的绳波。S1振动时长为t1，形成振幅为A1的a波，S2振动时长为t2，形成振幅为A2的b波。已知t1＞t2，P点为两波源连线的中点，下列选项正确的是(　　)
考点2　波的干涉1．干涉图样：如图所示。
2．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．加强点(区)和减弱点(区)的理解(1)加强点：在某些点两列波引起的振动始终加强，质点的振动最剧烈，振动的振幅等于两列波的振幅之和，即A＝A1＋A2。(2)减弱点：在某些点两列波引起的振动始终相互削弱，质点振动的振幅等于两列波的振幅之差，即A＝|A1－A2|，若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于零，即不振动。
【典例2】　(多选)如图所示，S1、S2是振幅均为A的两个水波波源，某时刻它们形成的波峰和波谷分别由实线和虚线表示。则下列说法正确的是(　　)A．两列波在相遇区域发生干涉B．两列波在相遇区域内发生叠加C．此时各点的位移是：xA＝0，xB＝－2A，xC＝2AD．A处振动始终减弱，B、C处振动始终加强
[思路点拨]　(1)从图中可以看出，两列水波波长不同，频率不同，不能发生干涉现象。(2)两列波叠加，任何一个质点的总位移等于两列波在该点上的位移的矢量和。
规律方法　确定振动加强点和减弱点的技巧(1)波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇的点为振动加强点，波峰与波谷相遇的点为振动减弱点。(2)在波的传播方向上，加强点的连线为加强区，减弱点的连线为减弱区。(3)不管波如何叠加，介质中的各质点均在各自的平衡位置附近振动。
[跟进训练]2．(2023·浙江6月选考)如图所示，置于管口T前的声源发出一列单一频率声波，分成两列强度不同的声波分别沿A、B两管传播到出口O。先调节A、B两管等长，O处探测到声波强度为400个单位，然后将A管拉长d＝15 cm，在O处第一次探测到声波强度最小，其强度为100个单位。已知声波强度与声波振幅的平方成正比，不计声波在管道中传播的能量损失，则(　　)
A．声波的波长λ＝15 cmB．声波的波长λ＝30 cmC．两声波的振幅之比为3∶1D．两声波的振幅之比为2∶1
考点3　波的衍射1．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的衍射的条件。2．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。
3．衍射图样(1)图甲为水波遇到较宽的缝。(2)图乙为水波遇到较窄的缝。
【典例3】　如图所示，O是水面上一波源，实线和虚线分别表示某时刻的波峰和波谷，A是挡板，B是小孔。若不考虑波的反射因素，则经过足够长的时间后，水面上的波将分布于(　　)
A．整个区域B．阴影Ⅰ以外区域C．阴影Ⅱ以外区域D．阴影Ⅱ和Ⅲ以外的区域
B　[从题图中可以看出A挡板宽度比波长大，所以不能发生明显的衍射，而B小孔与波长相差不多，能发生明显的衍射，所以经过足够长的时间后，水面上的波将分布于阴影Ⅰ以外区域，故B正确。]
规律方法　衍射是波所特有的现象(1)衍射是波所特有的现象，一切波都会产生衍射现象。(2)衍射现象总是存在的，只有明显和不明显的差异。(3)一般情况下，波长越大的波越容易产生明显的衍射现象。
[跟进训练]3．某同学观察到波长相同的水波通过两个宽度不同的狭缝时的现象，如图所示，下列说法正确的是(　　)
A．水波通过狭缝后波长变短B．这是水波的衍射现象，有些波不能发生衍射现象C．此现象可以说明，波长一定，缝越窄衍射现象越明显D．此现象可以说明，缝宽一定，波长越长衍射现象越明显
C　[波衍射后不影响波的特性，即波长和频率不变，A错误；波的衍射是波特有的性质，故所有波都会发生衍射现象，B错误；从题图中可知第1幅图衍射现象比较明显，所以波长一定，缝越窄衍射现象越明显，由于题中给出的是波长一定的情况，无法得出缝宽一定时衍射情况，故C正确，D错误。]
考点4　多普勒效应1．发生多普勒效应时几种情况的比较
2．当波源与观察者相互接近，观察者接收到的频率f观察者变大，反之观察者接收到的频率f观察者变小。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的变化，波源的真实频率并不会发生任何变化。4．音调由频率决定：频率高则音调高，频率低则音调低。观察者听到的声音的音调，是由观察者接收到的波的频率，即由单位时间内接收到的完整的波的个数决定的。
【典例4】(多选)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，听到喇叭声音的频率大于300 HzB．当汽车向你驶来时，听到喇叭声音的频率小于300 HzC．当汽车和你擦身而过后，听到喇叭声音的频率大于300 HzD．当汽车和你擦身而过后，听到喇叭声音的频率小于 300 Hz
[思路点拨]　解答本题时应把握以下两点：(1)当观察者与波源的距离减小时，观察者接收到的频率变大。(2)当观察者与波源的距离增大时，观察者接收到的频率变小。
AD　[当汽车向你驶来时，两者距离减小，你单位时间内接收到的声波个数增多，频率升高，将大于300 Hz，故A选项正确；当汽车和你擦身而过后，两者距离变大，你单位时间内接收到的声波个数减少，频率降低，将小于300 Hz，故D选项正确。]
规律方法　多普勒效应的分析方法(1)确定研究对象。(波源与观察者)(2)确定波源与观察者是否有相对运动。若有相对运动，能发生多普勒效应，否则不发生。(3)判断：当两者远离时，观察者接收到的波的频率变小，靠近时观察者接收到的波的频率变大，但波源的频率不变。
[跟进训练]4．波源的振动频率为f，当波源向前运动时，波源前方的静止观察者接收到的频率为f1，波源后方的静止观察者接收到的频率为f2，则有(　　)A．f >f1　　　B．ff2
D　[f由波源每秒钟所振动的次数决定，介质振动的频率由波源频率及波源相对介质是否移动来决定，当波源远离观察者过程中，观察者接收到的机械波频率比波源静止时接收到的频率小；当波源靠近观察者过程中，观察者接收到的机械波频率比波源静止时接收到的频率大，所以f >f2，f1>f，由上可知f1>f2，故D正确，A、B、C错误。]
1．关于波的干涉和衍射现象，下列说法正确的是(　　)A．一切种类的波只要满足一定条件都能产生干涉和明显的衍射现象B．波只要遇到障碍物就能够发生明显的衍射现象C．只要是两列波叠加，都能产生稳定的干涉图样D．对于发生干涉现象的两列波，它们的振幅一定相同
学习效果·随堂评估自测
A　[干涉和衍射是波特有的现象，一切种类的波只要满足一定条件都能产生干涉和明显的衍射现象，故A正确；明显的衍射现象必须是波的波长比障碍物的尺寸大得多或相差不大，故B错误；要产生干涉现象的必要条件之一，就是两列波的频率相等，故C错误；产生干涉的条件之一是两列波的频率相等，与振幅无关，故D错误。]
2．有一障碍物的尺寸为10 m，下列哪列波在遇到它时衍射现象最明显(　　)A．波长为4 m的机械波B．波长为10 m的机械波C．频率为40 Hz的声波D．频率为5 000 MHz的电磁波(波速为3×108 m/s)
3．如图所示，甲、乙两相互垂直传播的振动情况完全相同的波，实线表示波峰，虚线表示波谷，箭头表示波的传播方向，则图中P点(小正方形的中央一点)所处位置应在(　　)
A．振动增强点B．振动减弱点C．可能是增强点又可能是减弱点D．既不是增强点又不是减弱点
B　[波峰与波峰叠加，波谷与波谷叠加，为振动加强点；波峰与波谷叠加，为振动减弱点。P点处于减弱点的连线上，即在减弱区内，所以P点为振动减弱点，故B正确，A、C、D错误。]
4．(新情境题，以超声波为背景，考查多普勒效应)公路巡警开车在高速公路上以 100 km/h 的恒定速度巡查，在同一车道上巡警车向前方的一辆轿车发出一个已知频率的超声波，如果该超声波被那辆轿车反射回来时：(1)巡警车接收到的超声波频率比发出的低；(2)巡警车接收到的超声波频率比发出的高。问题：以上两种情况说明了什么问题？
[解析]　(1)如果巡警车接收到的超声波频率比发出时低，由多普勒效应可知，巡警车与轿车在相互远离。又由于巡警车在后且车速恒定，所以轿车的速度大于100 km/h。(2)如果巡警车接收到的超声波频率比发出时高，由多普勒效应可知，巡警车与轿车在相互靠近，同理可知，轿车的速度小于100 km/h。
[答案]　(1)轿车的速度大于100 km/h(2)轿车的速度小于100 km/h
回归本节知识，自我完成以下问题：1．两列波叠加形成稳定的干涉现象的条件是什么？
提示：频率相同、振动方向相同。
2．发生稳定的干涉现象时，各质点的振动频率与什么有关？
提示：与波源的振动频率相同。
3．能够发生明显的衍射现象的条件是什么？
提示：障碍物或狭缝的尺寸与波长相差不大或比波长还小。
超声波人耳最高只能感觉到大约20 000 Hz的声波，频率更高的声波就是超声波了。超声波广泛地应用在多种技术中。与可闻声相比，超声波有两个特点：一个是可以比较容易地产生大功率的超声波，一个是它几乎沿直线传播。超声波的应用就是按照这两个特点展开的。
阅读材料·拓展物理视野
理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量与振动频率的二次方成正比。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气的湿度。这就是超声波加湿器的原理。对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难通过血流达到患病的部位。利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够增进疗效。利用超声波的巨大能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。
金属零件、玻璃和陶瓷制品的除垢是件麻烦事。如果把这些物品放入清洗液中，再通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物品上的污垢，能够很快清洗干净。有人在墙的一侧说话，另一侧的人也能听到，这是波的衍射现象。我们已经知道，与障碍物的尺寸相比，波长越短，衍射现象越不明显。超声波的频率很高，波长很短，所以它基本上是沿直线传播的，可以定向发射。如果渔船载有水下超声波发生器，它旋转着向各个方向发射超声波，超声波遇到鱼群会反射回来，渔船探测到反射波就知道鱼群的位置了。这种仪器叫作声呐。声呐也可以用来探测水中的暗礁、潜艇，测量海水的深度。