高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册波的形成优质课ppt课件

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知识三 波的反射、折射和衍射
第1节 波的形成
一、 机械波的形成、特点及传播
1．机械波的形成与传播
2．机械波的特点(1)振幅：像绳波这种一维(只在某个方向上传播)机械波，若不计能量损失，各质点的振幅相同．(2)周期(频率)：各质点都在做受迫振动，所以各质点振动的周期(频率)均与波源的振动周期(频率)相同．(3)步调：同一介质中，离波源越远，质点振动越滞后．(4)运动：除波源外，介质中各质点只在各自的平衡位置附近做往复的受迫振动，并不随波迁移．各质点的起振方向都与波源开始振动的方向相同．(5)实质：机械波向前传播的是振动这种运动形式，同时也可以传递能量和信息．
3．振动和波的区别与联系
例1.在一条软绳上选18个等间距的质点，质点1在外力作用下首先向上振动，其余质点在相互作用力的带动下依次振动，从而形成简谐波，由波的形成及图示可知，下列说法中正确的是(　　)
A．每个质点均在其平衡位置附近自由振动B．每个质点开始运动后，均在水平方向做匀速运动，在竖直方向做简谐运动C．绳上的每一个质点开始振动时，方向都向上，振动周期都相同D．绳上波的传播过程也是能量的传递过程，每个质点均做等幅振动，故每个质点的机械能守恒
解析 质点1带动质点2是利用绳子上质点间的弹力实现的，因此每个质点均做受迫振动，A错误；每个质点开始振动后，只在竖直方向做简谐运动，水平方向上不随波迁移，B错误；绳子上每一个质点的起振方向都相同，振动周期等于波源振动周期，C正确；波的传播过程也是能量的传递过程，所受合力不为零，虽然每个质点均做等幅振动，但是每个质点的机械能并不守恒，D错误．
2．由“带动法”确定质点的振动方向(1)原理：先振动的质点带动邻近的后振动的质点．(2)方法：在质点P靠近波源一方附近的图像上另找一点P′，若P′在P上方，则P向上运动，若P′在P下方，则P向下运动．如图所示．
特别提醒：(1)绳波和声波分别是典型的横波和纵波，水波是比较复杂的机械波，不是横波．(2)在纵波中各质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上，而不是方向相同．
例3.(多选)地壳深处的岩层活动产生强烈震动而引发地震．地震波的纵波传播速度较快，约为6 km/s；横波传播速度较慢，约为4 km/s.2022年3月26日在青海某无人区发生6.0级地震，震源深度10 km.地震发生后距震源163 km的嘉峪关市震感强烈．则以下说法正确的是(　　)A．震源的正上方，地震波的纵波会引起地面物体上下跳动，横波会引起地面上物体水平晃动B．地震波的横波在介质中传播时，介质中的质点会沿波的传播方向运动，从而导致房屋倒塌
C．嘉峪关市的防震减灾机构有约13.6秒的时间提前预警更具破坏性的横波何时到达D．建筑物的固有周期与地震波的振动周期越接近，建筑物受到的损伤就越小
例4. 下列说法中不正确的有(　A　)A．声波在空气中传播时是纵波，在水中传播时是横波B．波不但能传递能量，还能传递信息C．发生地震时，由震源传出的波中既有横波又有纵波D．一切机械波的传播都需要介质
解析　声波无论在什么介质中传播都是纵波，故A错误；波不仅能传递能量，还能传递信息，地震波既有横波又有纵波，一切机械波的传播都需要介质，故B、C、D正确．本题选说法不正确的，故选A.
第2节 波的描述
1．对波的图像的理解(1)波的图像描述了某一时刻介质中各个质点偏离平衡位置的位移的情况．可以将波的图像比喻为某一时刻对所有质点拍摄下的“集体照”．(2)简谐波的图像是正(余)弦曲线，是最简单的一种波，各个质点振动的最大位移都相等．介质中有正弦波传播时，介质中的质点做简谐运动．2．简谐波的图像的周期性在波的传播过程中，各质点都在各自的平衡位置附近振动，不同时刻质点的位移不同，所以不同时刻波的图像不同．由于质点的振动位移随时间做周期性变化，所以简谐波的图像也随时间做周期性变化，经过一个周期，波的图像复原一次．
3．简谐波的振动图像与波的图像的比较
质点振动方向与波传播方向的关系已知质点的运动方向来判断波的传播方向或已知波的传播方向来判断质点的运动方向时，依据的基本规律是横波的形成与传播的特点，常用方法有：(1)质点带动法
质点带动法是判断质点的振动方向的最直接的方法．波形成的过程中，靠近波源的质点带动离波源较远的质点振动，后振动的质点总是重复相邻的先振动的质点的运动．故在波形图上靠近波源的一侧临近的位置找一点(P′)，若这点在所研究点上方则研究点(P)向上运动，反之研究点向下运动，如图所示．
(2)微平移法波向前传播，波形也向前平移．作出经微小时间Δt后的波形，就知道了各质点经过Δt时间到达的位置，运动方向也就知道了，如图所示．
(3)上下坡法如图所示，沿波的传播方向看，“上坡”的质点向下振动，如D、E、F；“下坡”的质点向上振动，如A、B、C.
(4)同侧法如图所示，质点的振动方向与波的传播方向在波的图像的同一侧．
例5　(多选)如图所示，下列说法中正确的是(　　)A．此列波的振幅是0.1 mB．x＝15 cm处质点的位移是0.1 mC．若A的速度沿y轴正方向，则B的速度亦沿y轴正方向D．A的加速度沿y轴的负方向，而B、C的加速度沿y轴的正方向
解析 从波的图像上可以直接读出振幅是0.1 m，x＝15 cm处质点的位移是－0.1 m，故A正确，B错误；若波沿x轴正方向传播，此时A、B两质点的速度都沿y轴正方向，故C正确；根据加速度与位移的关系可判断D正确．
例6.一列简谐横波沿x轴负方向传播，图甲是t＝1 s时的波形图，图乙是波的某振动质点位移随时间变化的振动图像(两图用同一时间起点)，则图乙可能是图甲中哪个质点的振动图像(　　)A．x＝0处的质点B．x＝1 m处的质点C．x＝2 m处的质点D．x＝3 m处的质点
解析　当t＝1 s时，由图乙振动图像可知，此质点在平衡位置，沿y轴负方向运动，由图甲波的图像及波沿x轴负方向传播，可判断出x＝0处的质点处在平衡位置且正沿y轴负方向运动，所以A正确；同理可知B、C、D错误．
四、 波长、波速、频率
1．波长λ(1)定义：在波动中，对平衡位置的位移总是相同的两个相邻质点间的距离．(2)定义解读①“相邻”是为了保证相同步调的两个质点间再无同步调的点，如果不相邻，那么两质点间的距离就是波长的整数倍．②“对平衡位置的位移总是相同”，意味着“振动相位总是相同”，其含义是“振动步调每时每刻都相同”．③振动相位总是相同的两个质点，速度、加速度等也总是相同的．
(3)波长反映了波的空间的周期性．(4)波形图中各质点的相位关系①平衡位置相距整数倍波长的两个质点的振动情况在任意时刻都相同．②平衡位置相距半波长奇数倍的两个质点的振动情况在任意时刻都相反．2．频率f与周期T(1)波在介质中传播一个波长所用的时间是一个周期．(2)波的频率也是介质中各质点的振动频率，等于波源的频率．波的周期、频率只由波源决定，与介质无关．即机械波从一种介质进入另一种介质时，周期和频率不变．这是解决机械波问题的一个重要结论．(3)周期反映了波的时间的周期性．
例7.(多选)一列简谐横波沿x轴正方向传播，t＝0时刻波形图像如图所示，此时波刚好传到P点，t＝0.3 s时质点P第一次到达负方向最大位移处，则(　　)A．此波波源的起振方向沿y轴负方向B．该简谐横波的波速为10 m/sC．0～0.5 s时间内，质点M的路程为12 cmD．0～0.2 s时间内，质点Q沿x轴正方向移动2 m
例8.如图所示，位于介质Ⅰ和Ⅱ分界面上的波源S，产生两列分别沿x轴负方向与正方向传播的机械波．若在两种介质中波的频率及传播速度分别为f1、f2和v1、v2，则( 　)A．f1＝2f2，v1＝v2　　　　B．f1＝f2，v1＝0.5v2C．f1＝f2，v1＝2v2　　　　D．f1＝0.5f2，v1＝v2
第3节 波的反射、折射和衍射
1．波的反射和折射的比较波向前传播在两介质的界面上同时发生了反射和折射现象，一些物理量发生了相应变化，比较如下：
2．说明(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．
例9. (多选)关于波的反射和折射，下列说法正确的是(　　)A．在空旷的山谷里叫喊，可以听到回音，这是声波的反射现象B．地震波在向上传播的过程中，传播速度发生了改变，则同时发生了折射C．波的传播方向发生了改变，一定是发生了折射D．波的传播方向发生了改变，一定是发生了反射
解析　在空旷的山谷里叫喊，可以听到回音，这是声波的反射现象，A正确；地震波在向上传播的过程中，传播速度发生了改变，则传播的介质发生了变化，一定同时伴随波的折射现象，B正确；波的传播方向发生了改变，可能是发生了折射，也可能是发生了反射，C、D错误．
A．甲开枪t后　B．甲开枪3t后C．甲开枪2t后　D．甲开枪t后　
1．衍射是波特有的现象，一切波都可以发生衍射．凡能发生衍射现象的都有波的存在．2．波的衍射总是存在的，只有“明显”与“不明显”的差异，波长较长的波容易发生明显的衍射现象．3．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．因此，波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况．
例11. 如图所示，O是水面上一波源，实、虚线分别表示该时刻相邻的波峰、波谷组成的波面，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、Ⅲ以外区域D．上述选项均不对
解析　从图中可以看出挡板A的尺寸比该波的波长大得多，因此波不会绕过挡板A，而小孔B的大小与该波的波长相差不多，能发生明显的衍射现象，故波能够传播到阴影Ⅰ以外的区域，B正确．
例12　(多选)如图所示分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(A、B图)或障碍物(C、D图)，其中能发生明显衍射现象的有(　　)
A　　　　　　　　 　B
C　　　　　　　　 　D
解析 图B中小孔与波长相差不多，能发生明显衍射．图D中障碍物与波长相差不多，能发生明显衍射．故B、D正确．
第4节 波的干涉
七、波的叠加与波的干涉
1．干涉条件(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．(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、振动方向在同一直线上、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．(3)明显的干涉图样和稳定的干涉图样意义是不同的，明显的干涉图样除了满足相干条件外，还必须满足两列波振幅差别不大．振幅越是接近，干涉图样越明显．
2．关于加强点(区)和减弱点(区)(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，A＝A1＋A2.(2)减弱点：在某些点两列波引起的振动始终削弱，质点振动的振幅等于两列波的振幅之差，A＝|A1－A2|，若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于零，水面保持平静．
特别提醒：(1)振动加强的点的振动总是加强，但并不是始终处于波峰或波谷，它们都在平衡位置附近振动，有的时刻位移也为零．只是振幅为两列波振幅之和，显得振动剧烈．(2)振动减弱点的振动始终减弱，位移的大小始终等于两列波分别引起位移的大小之差，振幅为两列波振幅之差．如果两列波的振幅相同，则振动减弱点将会总是处于静止．
例13.干涉是波特有的性质，但是在日常生活中很难观察到稳定的干涉现象．在某次物理教学中老师使用如图甲的发波水槽，老师先打开电动机电源，再调节两小球击水深度和频率，得到频率和初相位相同，振幅不同的两列水波的稳定干涉图样，如图乙．其中S1、S2代表波源，实线代表水波波峰(OM连线除外)，虚线代表水波波谷．M、N、O、P是波线与波线的交点，下列说法正确的是(　　)
A．N点的位移总比M点的位移小B．OM连线上所有的点都是振动加强点C．M点到S1、S2的距离差等于水波半波长的奇数倍D．N点、P点是振动减弱点，所以N点、P点不振动，此处水面平静
解析 波峰与波峰、波谷与波谷叠加振动加强，波峰与波谷叠加振动减弱．两波源振幅不同，加强点、减弱点仍会振动，位移仍会随着时间变化，所以减弱点的位移有可能大于加强点的位移，A、D错误；根据图乙稳定的干涉图样，振动加强点始终加强，振动减弱点始终减弱，加强点连线上的点也是加强点，B正确；M点是加强点，M点到两波源的路程差才等于半波长的偶数倍，C错误．
例14．如图甲所示，在某一均匀介质中，A、B是振动情况完全相同的两个波源，其简谐运动的图像如图乙所示．介质中P点与A、B两波源间距离分别为3 m和5 m，两波源形成的简谐横波分别沿AP、BP方向传播，波速都是20 m/s.则下列说法正确的是(　　)
A．这两列简谐横波的波长为4 m，P点的振动加强B．这两列简谐横波的波长为4 m，P点的振动减弱C．P点在该时刻振动减弱，再过半个周期其振动加强D．随着时间的推移，质点P将远离A、B两波源，无法判断是加强还是减弱
第五节 多普勒效应
1．波源频率、接收频率和音调(1)波源频率：波源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，称为一个完全波．频率表示单位时间内完成的全振动的次数．因此波源的频率又等于单位时间内波源发出的完全波的个数．(2)接收频率①波源和观察者相对静止时，观察者接收到的波的频率等于波源的频率．
②波源和观察者相互靠近或者相互远离时，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数发生变化，即接收到的波的频率发生变化．波源与观察者如果相互靠近，观察者接收到的波的频率增大；二者如果相互远离，观察者接收到的波的频率减小．(3)音调：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声波的频率，即单位时间内接收到的声波的完全波个数决定的．
2．多普勒效应成因分析(1)相对位置变化与频率的关系(规律)
(2)成因归纳：根据以上分析可以知道，发生多普勒效应时，一定是由于波源与观察者之间发生了相互靠近或相互远离．3．多普勒效应的应用(1)测车辆速度：交通警察向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度．类似地，还可以测量水在海底的流速，为养殖场寻找适合贝类生长的场所．(2)医用“彩超”：医生向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收．测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度，据此诊断疾病．
(3)测天体速度：根据光波的多普勒效应，测量在地球上接收到的遥远天体上某些元素发出的光波的频率，与地球上这些元素静止时发光的频率对照，可以判断遥远天体相对地球的运动速度．(4)听音辨向：可根据火车汽笛的音调变化判断火车是进站还是出站；根据炮弹飞行的尖叫声的音调变化判断炮弹飞行的方向等．
例15.中国空间站持续发出频率为f的监测电波，地面监测站先后接收到空间站通过A、B位置时的信号频率分别为fA、fB，则(　A　)A．fA>f>fB　　B．fAv3>v2，可知所测声音的频率f1>f3>f2，故A正确，B、C、D错误．
九、波的图像与振动图像的综合问题
在机械波和机械振动的问题中常会出现波的图像不是零时刻的或振动图像不是从波的图像所对应时刻开始计时的情形，这就需要我们根据机械振动和机械波传播的规律将波的图像还原成零时刻的情形，或在振动图像中找出波形图所示时刻的运动情况．解决这类问题必须抓住一个特点：机械振动的图像和机械波的图像对应的同一质点在同一时刻的振动情况相同．
例17.(多选)图a为一列简谐横波在t＝0.10 s时刻的波形图，P是平衡位置在x＝1.0 m处的质点，Q是平衡位置在x＝4.0 m处的质点；图b为质点Q的振动图像，下列说法正确的是(　　)A．在t＝0.10 s时，质点Q向y轴正方向运动B．从t＝0.10 s到t＝0.25 s，该波沿x轴负方向传播了6 mC．从t＝0.10 s到t＝0.25 s，质点P通过的路程为30 cmD．质点Q简谐运动的表达式为y＝0.10sin10πt(m)
1．造成波动问题多解的主要因素(1)周期性①时间周期性：相隔周期整数倍时间的两个时刻的波形图像完全相同，时间间隔Δt与周期T的关系不明确会导致多解．②空间周期性：沿传播方向上，相隔波长整数倍距离的两质点的振动情况完全相同，质点间距离Δx与波长λ的关系不明确会导致多解．
(2)双向性对给定的波形图像，波的传播方向不同，质点的振动方向也不同，反之亦然．①传播方向双向性：波的传播方向不确定．②振动方向双向性：质点振动方向不确定．2．解决波的多解问题的方法(1)解决周期性多解问题时，往往采用从特殊到一般的思维方法，即找到一个周期内满足条件的特例，在此基础上，再加上时间nT；或找到一个波长内满足条件的特例，在此基础上再加上距离nλ.(2)解决双向性多解问题时，养成全面思考的习惯，熟知波有向x轴正、负(或右、左)两方向传播的可能，质点有向y轴正、负(或上、下)两方向振动的可能．
解决波的多解问题的一般思路(1)首先考虑双向性，若题目未告知波的传播方向或没有其他相关的隐含条件，应首先按波传播方向的不同可能性分别进行讨论．(2)对设定的传播方向，确定Δt和T(或确定Δx和λ)的关系，一般先确定最简单的情况，即一个周期内的情况，然后在此基础上加nT(或nλ)．(3)应注意题目是否有限制条件，如有的题目限制波的传播方向，或限制时间Δt大于或小于一个周期等，所以解题时应综合考虑，加强多解意识，认真分析题意．(4)空间的周期性与时间的周期性是一致的，实质上是波形平移规律的应用，所以解答时我们可以针对不同题目任选其中一种方法求解．
例19.一列在x轴上传播的简谐波，在x1＝10 cm和x2＝110 cm处的两个质点的振动图像如图所示，则质点振动的周期为____ s，这列简谐波的波长为________________________________ cm.
解析 由两质点振动图像直接读出质点振动的周期为4 s．由于没有说明波的传播方向，所以有沿x轴正方向传播和沿x轴负方向传播两种可能性：①波沿x轴的正方向传播．