粤教版 (2019)选择性必修 第一册第三节 机械波的传播现象备课ppt课件

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1.知道什么是波的衍射现象,知道发生明显衍射现象的条件;知道什么是波的反射、折射;知道波的叠加原理,知道什么是波的干涉和波的干涉图样,知道干涉也是波特有的现象.(物理观念)2.知道波发生反射现象时,反射角等于入射角;掌握入射角与折射角关系;会分析波的叠加与波的干涉.(科学思维)3.了解波的衍射在生活中的应用;了解波的干涉在生活中的应用,感受物理与生活之间的联系.(科学态度与责任)
一、机械波的衍射与惠更斯原理1.波的衍射:水波在遇到小障碍物或者小孔时,能绕过障碍物或穿过小孔继续向前传播,我们把这种现象叫作波的衍射.2.发生明显衍射的条件:当缝、孔的宽度或者障碍物的尺寸跟波长相近或者比波长更小时,能观察到明显的衍射现象.3.惠更斯原理:介质中波动传到的各点都可以看作是发射子波的波源,在其后的任一时刻,这些子波的包络就形成新的波面,这就是惠更斯原理.
想一想只有当障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差不多时,才能发生波的衍射现象吗?提示 障碍物或狭缝的尺寸大小,并不是决定衍射能否发生的条件,仅是能否发生明显衍射的条件.衍射是波特有的现象,一切波都能发生衍射现象.
二、机械波的反射和折射1.发生:当机械波在传播过程中从一种介质进入另一种不同介质时,机械波会同时发生反射和折射现象.2.特点:在波的反射中,波的频率、波速和波长都不变.在波的折射中,频率不变,波速和波长发生改变.
想一想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,如图所示,这样做是利用声波的什么特点提高耳朵的接收能力?
提示 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面积来提高耳朵的接收能力.
三、机械波的干涉1.波的叠加原理(1)波的独立传播:两列波在彼此相遇以后,仍像相遇前那样,各自保持原有的波形继续前行;两列波在相遇叠加时,每列波都是独立地保持自己原有的特性,如同在各自的传播路径中并没有遇到其他波一样.(2)波的叠加:相遇区域中各点的位移,就是这两列波引起的位移的合成.
2.波的干涉(1)定义:对于频率相同的两列波,在相遇的区域水面上,会出现稳定的相对平静的区域和剧烈振动的区域.这两个区域在水面上的位置是固定的,且互相隔开.这种现象称为波的干涉.(2)波的干涉图样:在频率相同的波相遇的区域,某些地方的振动始终加强,某些地方的振动始终减弱,波产生干涉会形成一种加强和减弱相间的图样,这样的图样叫作波的干涉图样.(3)干涉条件:两列波的频率相同,相位差恒定,振动方向相同.
1.正误判断,判断结果为错误的小题请说明原因.(1)孔的尺寸比波长大得多时就不会发生衍射现象.(　　)答案 ×解析 波遇到障碍物或小孔就会发生衍射,只是有时不明显.(2)孔的尺寸比波长小时能观察到明显的衍射现象.(　　)答案 √
(3)在波的反射和折射中,波的频率、波速和波长都不变.(　　)答案 ×解析 波的反射中波的频率、波速和波长都不变,但折射中波的波速和波长变化.(4)两列波相叠加就能形成稳定的干涉图样.(　　)答案 ×解析 频率相同的两列波叠加才能发生干涉.
2.(多选)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,以下哪种情况可以使衍射现象更明显(　　)A.增大障碍物的尺寸B.减小波的频率C.缩小障碍物的尺寸D.增大波的频率
答案 BC解析 波在介质中传播时波速是由介质决定的,与波的频率无关,所以改变波的频率不会改变波速,由v=λf可知,当波速一定时,减小频率则波长增大.发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔、缝的尺寸比波长小或相差不多,要使衍射现象变得明显,可以通过缩小障碍物的尺寸,增大波长即减小波的频率来实现,B、C选项正确,A、D选项错误.
3.(多选)关于波的叠加和干涉,下列说法中正确的是(　　)A.两列频率不相同的波相遇时,因为没有形成稳定的干涉图样,所以波没有叠加B.任何两列波相遇都会叠加C.两列频率相同的波相遇时,振动加强的点只是波峰与波峰相遇的点D.两列频率相同的波相遇时,介质中的某质点振动是加强的,某时刻该质点的位移可能是零
答案 BD解析 根据波的叠加和干涉的概念可知,只要两列波相遇就会叠加,所以A错误,B正确;发生干涉时振动加强的点还有波谷与波谷相遇的点,所以C错误;某质点振动加强仅是振幅加大,只要仍在振动就一定有位移为零的时刻,所以D正确.
向平静的水面投一块小石子,水面会形成一圈圈美丽的波纹.这些波纹遇到露出水面的较小的石块会产生怎样的现象呢?要点提示 水波会绕过石块继续向前传播.
1.发生明显衍射现象的条件(1)水波遇到障碍物的情况当障碍物较小时发现波绕过障碍物继续前进,如同障碍物不存在一样.如图甲所示.
(2)水波遇到小孔的情况当孔较小时发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波.如图乙所示.(3)产生明显衍射的条件产生明显衍射现象,必须具备一定的条件:障碍物或孔的尺寸比波长小,或者跟波长相差不多.
2.波的衍射现象分析波传到小孔时,小孔仿佛是一个新的波源,由它发出与原来同频率的波(称为子波)在孔后传播,于是就出现了偏离直线传播的衍射现象.波的直线传播是衍射现象不明显时的近似情形.要点笔记障碍物或孔的尺寸大小并不是决定衍射现象能否发生的条件,仅是衍射现象是否明显的条件,一般情况下,波长较大的波容易发生明显衍射现象.
例1(2021江苏苏州第一中学高二期中)小河中有一个实心桥墩P,A为靠近桥墩浮在水面上的一片树叶,俯视如图所示,小河水面平静.现在S处以某一频率拍打水面,树叶A未发生明显振动.要使树叶A发生明显振动,可以采用的方法是(　　)A.提高拍打水面的频率B.降低拍打水面的频率C.提高拍打水面的力度D.无论怎样拍打,A都不会振动起来
解析 拍打水面时,水波中的质点上下振动,形成的波向前传播,提高拍打水面的频率,则质点振动的频率增加,波的频率与振动的频率相等,根据λ= 可知,波速不变,频率增大,则波长减小,衍射现象更不明显,反之降低频率,波长增大,衍射现象更明显,故A、C、D错误,B正确.
规律方法衍射现象的两点提醒(1)障碍物的尺寸的大小不是发生衍射的条件,而是发生明显衍射的条件,波长越大越易发生明显衍射现象.(2)当孔的尺寸远小于波长时,尽管衍射十分突出,但衍射波的能量很弱,也很难观察到波的衍射.
变式训练1(2021上海嘉定第二中学高三期中)如图所示是水波遇到小孔后的图像,图中每两条实线间的距离表示一个波长,其中正确的图像是(　　)
答案 D解析 根据发生明显衍射的条件,当波长与小孔的尺寸相当或大于小孔的尺寸时会发生明显的衍射现象,波遇到小孔发生明显的衍射现象时,小孔相当于新的波源,故选D.
如图甲所示,在水槽中,点波源所发出的圆形水波遇直线界面反射后的波形仍为同心圆形.图乙为圆形波反射的示意图.请举例说明生活中波的反射现象.
要点提示 回声是声波的反射现象,对着山崖或高墙说话,声波传到山崖或高墙时,会被反射回来继续传播.
波向前传播在两种介质的界面上可以同时发生反射和折射现象,一些物理量也会相应发生变化,比较如下:
要点笔记(1)频率f由波源决定.无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等,即波源的振动频率相同.(2)波速v由介质决定,反射波与入射波在同一介质中传播,波速不变,折射波与入射波在不同介质中传播,波速变化.(3)据v=λf知,波长λ与波速和频率有关.反射波与入射波,频率相同、波速相同,故波长相同,折射波与入射波在不同介质中传播,频率相同,波速不同,故波长不同.
例2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)
解析 汽车匀速行驶,速度为v车=15 m/s,声音在空气中传播速度不变.汽车从发出笛声到接收到笛声,二者运动时间相同.如图所示.
设汽车在A点发出笛声,A点到山崖B的距离为x1,汽车运动到C点接收到笛声,设AC距离为x2,CB距离为x,因二者运动时间相同,则有x1=x2+x①x1+x=v声t=340 m/s·t②x2=v车t=15 m/s·t③联立①②③得x=325 m.
规律方法波的反射应用技巧(1)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,声源发出的声波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)解决波的反射问题的关键是根据物理情境规范作出几何图形,然后利用几何知识结合物理规律进行解题.
变式训练2甲、乙两人平行站在一堵墙前面,二人相距2a,距离墙均为 a,当甲开了一枪后,乙在时间t后听到第一声枪响,则乙听到第二声枪响的时间为(　　)A.听不到B.甲开枪3t后C.甲开枪2t后
两个运动的小球相遇后会发生碰撞而各自改变运动状态,那么在空间传播的两列波相遇后是否也会像两个小球那样各自改变原来的运动状态呢?要点提示 两列波相遇后不会像两个小球碰撞那样改变原来的运动状态,它们都保持各自的运动状态,彼此都没有受到影响.
1.波叠加时的特点(1)位移是几列波分别产生的位移的矢量和.(2)各列波独立传播.
2.波的叠加原理理解波的叠加原理是波具有独立传播性的必然结果,由于总位移是几个位移的矢量和,所以叠加区域的质点的位移可能增大,也可能减小,如图所示.
例3波源甲、乙分别在一根水平放置的绳的左右两端,两波源发出的波在绳中的传播速度均是1 m/s.在t=0时刻绳上的波形如图(a)所示.则根据波的叠加原理,以下叙述正确的是(　　)
A.当t=2 s时,波形如图①所示;当t=4 s时,波形如图②所示B.当t=2 s时,波形如图①所示;当t=4 s时,波形如图③所示
C.当t=2 s时,波形如图②所示;当t=4 s时,波形如图①所示D.当t=2 s时,波形如图②所示;当t=4 s时,波形如图③所示
答案 D解析 当t=2 s时,根据传播速度可知,它们相互重叠,由于振动方向相反,故振动减弱,波形如图②所示;当t=4 s时,各自传播了4 m,由于互不干扰,所以波形如图③所示,故选项D正确.
变式训练3两列简谐波沿x轴相向而行,波速均为v=0.4 m/s,两波源分别位于A、B处,t=0时的波形如图所示.当t=2.5 s时,M点的位移为　　　　　 cm,N点的位移为　　　　　 cm. 
解析 在t=2.5 s时两列波传播的距离均为Δx=vΔt=1 m,如图所示.对A波而言,M点的位移为0,对B波而言,M点的位移为2.0 cm,根据波的叠加原理可知,此时M点位移为2.0 cm.分别对A、B波而言,N点的位移均为0,故叠加后N点的位移为0.
如图所示,操场中两根竖直杆上各有一个扬声器,接在同一扩音机上,一位同学沿着AB方向走来,他听到的声音会有什么变化?为什么?
要点提示 声音忽强忽弱,因为声波发生了干涉现象.
1.对波的干涉现象的理解(1)波的叠加是无需条件的,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,必须是两列波的频率相同、相位差恒定,如果两列波的频率不相等,在相遇的区域里不同时刻各质点叠加的结果都不相同,得不到稳定的干涉图样.(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.
(4)振动加强的点和振动减弱的点始终以振源的频率振动,其振幅不变(若是振动减弱点,振幅可为0),但其位移随时间发生变化.(5)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,有的时刻位移为零.(6)振动减弱的点的振动始终减弱,位移的大小始终等于两列波分别引起位移的大小之差,振幅为两列波的振幅之差.如果两列波的振幅相同,则振动减弱点总是处于静止状态,并不振动.
2.干涉图样及其特征(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.
例4波源S1和S2的振动方向相同,频率均为4 Hz,分别置于均匀介质中x轴上的O、A两点处,OA=2 m,如图所示.两波源产生的简谐横波沿x轴相向传播,波速为4 m/s.已知两波源振动的初始相位相同.求:(1)简谐横波的波长;(2)O、A间合振动振幅最小的点的位置.
答案 (1)1 m　(2)x=0.25 m、0.75 m、1.25 m、1.75 m
解析 (1)设简谐横波波长为λ,频率为f,则v=λf,代入已知数据,得λ=1 m.(2)以O为坐标原点,设P为OA间的任意一点,其坐标为x,则两波源到P点的波程差Δl=x-(2-x),0≤x≤2,其中x、Δl以m为单位.
规律方法判断振动加强和减弱的常用方法(1)条件判断法振动频率相同、振动步调完全相同的两波源的波叠加时,设某点到两波源的距离差为Δr.①当Δr=k·λ(k=0,1,2,…)时为加强点.②当Δr=(2k+1)· 时为减弱点(k=0,1,2,…).若两波源振动步调相反,则上述结论相反.
(2)现象判断法若某点总是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇,该点为加强点;若某点总是波峰与波谷相遇,则为减弱点.若某点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(波谷与波谷)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.
变式训练4(多选)(2021江苏沭阳高二期中)如图所示为两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇.图中实线表示某时刻的波峰,虚线表示某时刻的波谷,下列说法正确的是(　　)
A.a、e两点的振动加强,b、d两点的振动减弱B.a点始终在波谷,e点始终在波峰C.介质中加强点和减弱点的位置可以互换D.经半个周期后,原来位于波峰的点将位于波谷,原来位于波谷的点将位于波峰
答案 AD解析 a点是谷谷相遇,振动加强;e点是峰峰相遇,振动加强;b、d两点都是峰谷相遇,振动减弱,选项A正确.a点只是此时刻在波谷,经过半个周期会到达波峰;同理e点此时刻在波峰,经过半个周期会到达波谷,选项B错误.介质中加强点和减弱点的位置是固定不变的,不可以互换,选项C错误.经半个周期后,原来位于波峰的点将位于波谷,原来位于波谷的点将位于波峰,选项D正确.
1.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.入射波的波长和反射波的波长不相等C.入射波的波长大于折射波的波长D.入射波的波长小于折射波的波长答案 A解析 在同一介质中波长、波速是一定的,故选项A正确,选项B错误;介质不确定时,入射波和折射波的波长大小关系无法确定,选项C、D错误.
2.(2021浙江绍兴诸暨中学高二期中)下列说法不符合波相遇时的情形的是(　　)A.相遇之后,振幅小的一列波将减弱,振幅大的一列波将加强B.相遇之后,两列波的振动情况与相遇前完全相同C.在相遇区域,任一点的总位移等于两列波分别引起的位移的矢量和D.几个人在同一房间说话,相互间能分辨出来,是因为声波在相遇时互不干扰
答案 A解析 两列波相遇时,每一列波引起的振动情况都保持不变,而质点的振动则是两列波共同作用的结果,选项A错误,选项B、C正确;几个人在同一房间说话,声音振动发出的声波在空间中相互叠加后,并不改变每列波的振幅、频率,所以声波传到人的耳朵后,仍能分辨出不同的人所说的话,故选项D正确.
3.如图所示是观察水面波衍射现象的实验装置.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,下列描述中正确的是(　　)A.能明显观察到波的衍射现象B.波源频率不变,则AB孔越大,挡板后面的相邻波纹的间距越大C.波源频率不变,将孔扩大,可观察到更明显的衍射现象D.孔的大小不变,使波源频率增大,可观察到更明显的衍射现象
解析 当孔、缝的宽度与波长相差不多或者比波长还小时,就能够发生明显的衍射现象,A正确;由于波源频率不变,而衍射前后波速相同,所以衍射前后波长相同,即挡板前后的相邻波纹之间的距离相等,B错误;频率不变,波速不变,波长不变,将孔扩大,衍射现象变得不明显,C错误;如果孔的大小不变,使波源频率增大,因为波速不变,由λ= 可知,波长减小,有可能使孔的宽度大于波的波长,衍射现象变得不明显,D错误.