高中物理沪科技版(2020)选修第一册第四节 机械波的干涉和衍射一等奖课件ppt
展开1.理解波的衍射现象,知道波发生明显衍射现象的条件.2.理解波的叠加原理,知道干涉是波叠加的结果.3.知道形成稳定干涉图样的条件.
在水塘里,微风激起的水波遇到小石、芦苇等细小的障碍物,会绕过它们继续传播。在波的前进方向上放一个有孔的屏,可以看到波通过小孔而在屏的后面向各个方向传播。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?
如图所示是一个可观察水波衍射的发波水槽,振源的频率是可以调节的,槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔,观察水波的传播,也可以在水槽中放置宽度不同的挡板,观察水波的传播.思考下列问题:
(1)水波遇到小孔时,会观察到什么现象?依次减小小孔尺寸,观察到的现象有什么变化?
答案 水波遇到小孔时,水波能穿过小孔,并能到达挡板后面的“阴影区”,小孔的尺寸减小时,水波到达“阴影区”的现象更加明显
(2)当水波遇到较大的障碍物时,会观察到什么现象?当障碍物较小时,会观察到什么现象?
答案 当水波遇到较大的障碍物时,将会返回,当障碍物较小时,波能继续向前传播
1.波的衍射:波绕过 继续传播的现象.2.发生明显衍射现象的条件:只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长 ,或者比波长 时,才能观察到明显的衍射现象.3.波的衍射的普遍性:一切波都能发生 , 是波特有的现象.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.4.声波波长较长,一般在1.7 cm~17 m.5.波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况.
例1 如图所示是观察水波衍射的实验装置.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)之间的距离表示一个波长,则关于波经过孔之后的传播情况,下列描述正确的是
A.此时不能观察到波明显的衍射现象B.挡板前后波纹间距离不相等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,能观察到更明显 的衍射现象
解析 观察题图可知孔的尺寸与波长差不多,能观察到波明显的衍射现象,故A错误;因波的传播速度不变,频率不变,故波长不变,即挡板前后波纹间距离应相等,故B错误;若将孔AB扩大,且孔的尺寸远大于波长,则可能观察不到明显的衍射现象,故C正确;
若f 增大,由λ= ,知λ变小,衍射现象变得不明显了,故D错误.
针对训练 如图所示为观察水面波衍射的实验示意图,CA、BD是挡板,它们之间有一窄缝,A、B分别为窄缝边缘的两点.S点表示波源,相邻两波纹之间的距离表示一个波长,已知A、B间的距离与波长相差不多,则波穿过窄缝之后
A.波纹之间距离变大B.波的振幅变大C.波仅在SA与SB两直线之间的扇形区域内传播D.波能传播到SA、SB两直线外侧的区域
解析 穿过窄缝之后,波的频率不变,波速不变,所以波长不变,即波纹间距不变,振幅不变,故选项A、B错误;波衍射后偏离直线传播路径,故C错误,D正确.
(1)两个同学分别抓住绳子的两端,各自抖动一下,绳上产生两列凸起且相向传播的波,两列波相遇后是否还保持原来的运动状态继续传播?答案 两列波相遇后仍然保持原来各自的运动状态继续传播,并没有受到另一列波的影响(2)当教室内乐队合奏时,我们听到的某种乐器的声音与这种乐器独奏时发出的声音是否相同?这种声音是否受到了其他乐器的影响?答案 相同,没有受到其他乐器的影响
1.波的独立传播特性:几列波相遇时各自的波长、频率等运动特征,不受其他波的影响.2.波的叠加原理:几列波相遇时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 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 .
例2 如图所示,波源S1在绳的左端发出频率为f1、振幅为A1的半个波形a,同时另一个波源S2在绳的右端发出频率为f2、振幅为A2的半个波形b,且f1
解析 因两列波波速相等,故两列波能同时到达P点,A错误;
因f1
针对训练2 如图甲,两列振幅和波长相同而传播方向相反的波,在相遇的某一时刻(如图乙),两列波“消失”,此时介质中M、N两质点的运动方向是
A.M、N都静止B.M、N都向上C.M向下,N向上D.M向上,N向下
解析 由题图可知,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M的运动方向向下,N的运动方向向上,向左传播的波单独引起M的运动方向向下,N的运动方向向上,根据波的叠加原理可知,此时M质点的运动方向向下,N质点的运动方向向上,故C正确,A、B、D错误.
如图所示,与振动发生器相连的两个小球,在振动发生器的带动下上下振动,形成两个振动频率和振动步调相同的波源,在水面上形成两列步调、频率相同的波,两列波在水面上相遇时,能观察到什么现象?如果改变其中一个小球振动的快慢,还会形成这种现象吗?
答案 在水面上出现一条条从两个波源中间伸展开的相对平静的区域和剧烈振动的区域.改变其中一个小球振动的快慢,这种现象将消失
1.定义 相同、 恒定、 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,这种现象叫波的干涉.2.干涉条件(1)两列波的 必须相同.(2)两个波源的 必须保持不变;(3)振动方向相同.3.干涉的普遍性一切波在一定条件下都能够发生干涉,干涉是 现象.
4.产生稳定干涉图样的两列波的振幅越接近,干涉图样越明显.5.干涉图样及其特点(1)干涉图样:如图所示.(2)特点①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).②加强区和减弱区的位置固定不变,加强区与减弱区互相间隔.③加强点的振幅为A1+A2;减弱点的振幅为|A1-A2|,每个质点都在各自的平衡位置附近做简谐运动.
例3 如图所示,S1、S2是两个步调完全相同的相干波源,其中实线表示波峰,虚线表示波谷.若两列波的振幅均保持5 cm不变,关于图中所标的b、c、d三点,下列说法正确的是A.d点始终保持静止不动B.图示时刻c点的位移为零C.b点振动始终加强,c点振动始终减弱D.图示时刻,b、c两点的竖直高度差为10 cm
解析 d点是波峰与波谷相遇,振动减弱,振幅为零,故保持静止,故A正确;b点是波峰与波峰相遇,c点是波谷与波谷相遇,它们均属于振动加强点,由于振幅是5 cm,则b点相对平衡位置高10 cm,c点相对平衡位置低10 cm,所以b、c两点的竖直高度差为20 cm,故B、C、D错误.
针对训练3 两列完全相同的机械波于某时刻的叠加情况如图7所示,图中的实线和虚线分别表示波峰和波谷,此时A.a、b连线中点振动减弱B.a、b、c、d四点速度均为零C.再经过 周期,c、d两点振动加强D.再经过 周期,c、d两点振动加强
解析 题图中a点处波谷与波谷相遇,b点处波峰与波峰相遇,两点速度均为零,a、b连线上的点均为振动加强点,振动始终加强;c、d两点振动始终减弱,振幅为0,即质点静止,B正确.
例4 如图(a),在xy平面内有两个沿z方向做简谐振动的点波源S1(0,4)和S2(0,-2).两波源的振动图线分别如图(b)和图(c)所示.两列波的波速均为1.00 m/s.两列波从波源传播到点A(8,-2)的路程差为____m,两列波引起的点B(4,1)处质点的振动相互_____(填“加强”或“减弱”),点C(0,0.5)处质点的振动相互_____(填“加强”或“减弱”).
解析 由几何关系可知两波源到A点的距离为AS1=10 m,AS2=8 m,所以两波源到A点的路程差为2 m;同理可得,BS1-BS2=0,为波长的整数倍,由振动图像知两振源振动方向相反,故B点振动减弱;两波源到C点的路程差为Δx=CS1-CS2=1 m,波长λ=vT=2 m,所以C点振动加强.
振动加强点和减弱点的判断方法1.条件判断法:频率相同、振动情况完全相同的两波源产生的波叠加时,加强、减弱条件如下:设点到两波源的距离差为Δr,则当Δr=kλ时为加强点,当Δr=(2k+1) 时为减弱点,其中k=0,1,2….若两波源振动步调相反,则上述结论相反.2.现象判断法:若某点处总是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇,该点为加强点;若总是波峰与波谷相遇,则为减弱点;若某点处是平衡位置和平衡位置相遇,则让两列波再传播 T,看该点是波峰和波峰(波谷和波谷)相遇,还是波峰和波谷相遇,从而判断该点是加强点还是减弱点.
SUITANGYANLIAN ZHUDIANLUOSHI
1.(波的衍射)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
解析 波衍射后不影响波的特性,即波长不变,A错误;波的衍射是波特有的性质,所有波都会发生衍射现象,B错误;由题图可知图甲衍射现象比较明显,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,无法比较缝宽一定时不同波长的波的衍射情况,C正确,D错误.
2.(波的衍射)如图所示,图中S为水面上振动的波源,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①使波源的频率增大②使波源的频率减小③移动N使狭缝的间距增大④移动N使狭缝的间距减小A.①③ B.①④C.②③ D.②④
解析 要发生明显的衍射现象,狭缝的宽度要比波长小或与波长相差不多,要使狭缝满足发生明显衍射现象的条件,可移动N使狭缝间距变小,或将波源的波长变长,即使波源的频率减小,②④正确,故选D.
3.(波的叠加)如图所示为两列相向传播的、振幅和波长都相同的横波,它们在O点相遇,此后可能出现的状态是
4.(波的干涉)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三点,下列说法正确的是
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 后,b、c两质点都将处于各自的平衡 位置,振动将减弱D.a点一直在平衡位置,b点一直在波峰,c点一直在波谷
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点静止不动,一直在平衡位置,b、c两点的振动始终是加强的,但它们仍在振动,位移随时间周期性变化,不是静止不动的,故D错.
5.(波的干涉)如图所示为甲、乙两列简谐横波在同一绳上传播时某时刻的波形图,甲波向右传播,乙波向左传播.质点M位于x=0.2 m处,则下列说法正确的是
A.这两列波不会发生干涉现象B.质点M的振动总是加强C.质点M将做振幅为10 cm的简谐振动D.由图示时刻开始,再经过 甲波周期,质点 M将位于波峰
解析 两列简谐横波在同一均匀介质内传播,波速相等,由题图可知两列波的波长相等,由v=λf可知,频率相等,所以两列波能发生干涉现象,故A错误;
x=0.2 m处是振动加强点,振动总是加强,振幅等于两列波振幅之和,为A=20 cm+10 cm=30 cm,则质点M将做振幅为30 cm的简谐振动,故B正确,C错误;
从题图所示时刻开始,再经过 甲波周期,质点M将位于波谷,故D错误.
6.(波的干涉)如图所示,在直线PQ的垂线OM上有A、B两个声源,A、B分别距O点6 m和1 m,两个声源同时不断向外发出波长都为2 m的完全相同的声波,在直线PQ上从-∞到+∞的范围内听不到声音的区域共有多少个?
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