高中物理（人教版）選修3-4（學(xué)案課件）：機(jī)械波 第四節(jié)波的衍射和干涉

1、知道波的衍射現(xiàn)象及衍射條件知道衍射是波特有的現(xiàn)象知道兩列波疊加的位移規(guī)律理解波的干涉現(xiàn)象及產(chǎn)生干涉的條件知道波的干涉現(xiàn)象是波特有的現(xiàn)象我們?cè)谏钪薪?jīng)常遇到“聞其聲不見(jiàn)其人的事(如圖甲)，聲音為什么沒(méi)被障礙物所擋??？圖甲如圖乙所示，操場(chǎng)中兩根電線(xiàn)桿上各有一只揚(yáng)聲器，接在同一個(gè)擴(kuò)音機(jī)上，一位同學(xué)沿著MN方向走來(lái)他聽(tīng)到的聲音會(huì)有什么變化？為什么？圖乙1波繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，叫2都能發(fā)生衍射，衍射是波的現(xiàn)象“聞其聲而不見(jiàn)其人是的衍射現(xiàn)象3波的疊加：兩列波相遇時(shí)，在它們重疊的區(qū)域里，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)這幾列波引起的振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的位移等于這幾列波單獨(dú)傳播時(shí)引起的位移的 4波的干預(yù)：相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域

2、的振動(dòng)、某些區(qū)域的振動(dòng)的現(xiàn)象5產(chǎn)生穩(wěn)定干預(yù)圖樣的條件是，而且恒定波的衍射一切波特有聲波同時(shí)參與矢量和頻率加強(qiáng)減弱頻率必須相同相差波可以繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射例如：我們看到水波通過(guò)兩山之間狹窄的水面時(shí)，形成半圓形的水波向外擴(kuò)散，可以繞過(guò)小山(如圖)特別提醒：(1)衍射是波所特有的現(xiàn)象，一切波都會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象(2)凡能發(fā)生衍射現(xiàn)象的就是波以下現(xiàn)象屬于顯著的衍射現(xiàn)象的是()A水波前進(jìn)方向上遇到一棵蘆葦，蘆葦對(duì)波的傳播沒(méi)有影響B(tài)水波前進(jìn)方向上遇到一個(gè)障礙物，障礙物后面的水并沒(méi)有發(fā)生振動(dòng)C水波前進(jìn)方向上有一靜止的船，船后的區(qū)域沒(méi)有明顯的波浪D水波前進(jìn)方向中上有一個(gè)帶缺口的屏，水波沿缺口

3、直線(xiàn)傳播，屏后“陰影區(qū)的水面沒(méi)有明顯的振動(dòng)答案：A產(chǎn)生明顯衍射的條件是：縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多，或者比波長(zhǎng)更小時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象例如：(1)在水波槽中，在波源的前方放一個(gè)障礙物，使波源振動(dòng)產(chǎn)生水波當(dāng)障礙物較大時(shí)波被阻擋，在靠近障礙物后面沒(méi)有波，只是在離障礙物較遠(yuǎn)處，波才稍微有些繞到“影子區(qū)域里，如圖(1)所示，雖然發(fā)出衍射現(xiàn)象，但不明顯(2)在水波槽中，在波源前方放一個(gè)有孔的屏，使波源振動(dòng)產(chǎn)生水波當(dāng)孔較大時(shí)發(fā)現(xiàn)水波經(jīng)過(guò)孔后在連接波源和孔的兩邊的兩條直線(xiàn)所限制的區(qū)域里傳播較明顯，如圖(1)，當(dāng)孔較小時(shí)發(fā)現(xiàn)孔后的整個(gè)區(qū)域里傳播著以孔為中心的圓形波，如圖(2)所示，衍射現(xiàn)

4、象明顯特別提醒：衍射現(xiàn)象總是存在的，只是明顯和不明顯的差異障礙物或孔的尺寸大小，并不是決定衍射能否發(fā)生的條件，僅是衍射現(xiàn)象是否明顯的條件，一般情況下，波長(zhǎng)較大的波容易產(chǎn)生顯著的衍射現(xiàn)象當(dāng)孔的尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，盡管衍射十分突出，但由于衍射波的能量很弱，衍射現(xiàn)象不容易觀察到一列水波通過(guò)某孔的實(shí)際情況如圖(1)所示，現(xiàn)把孔的尺寸變小，或者把水波的波長(zhǎng)變大，水波通過(guò)孔后的假想情況如圖(2)四幅圖所示，其假想錯(cuò)誤的圖示有()答案：BD解析：衍射現(xiàn)象是普遍存在的波遇到障礙物時(shí)都有繞過(guò)障礙物的特性，即衍射現(xiàn)象，但只有當(dāng)障礙物或孔的尺寸比波長(zhǎng)小或差不多時(shí)才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象.(1)聲波的波長(zhǎng)在1.7 cm

5、17 m之間，與一般障礙物的尺寸相比差不多，或比其大，故聲波的衍射現(xiàn)象極為明顯(2)聞其聲不見(jiàn)其人，說(shuō)明聲波能繞過(guò)障礙物發(fā)生明顯的衍射而光波不易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，使聲音能繞過(guò)障礙物傳入人耳，而光不能繞過(guò)障礙物傳入人眼日常生活中，一般的障礙物(尺寸為1.7 cm17 m)都“擋不住聲音，據(jù)此你是否能估算一下人能聽(tīng)到的聲音的頻率范圍(設(shè)空氣中聲速為340 m/s)答案：20 Hz20 000 Hz(1)波的獨(dú)立傳播特性?xún)闪胁ㄏ嘤龊?，每列波仍像相遇前一樣，保持各自原?lái)的波形，繼續(xù)向前傳播(如下圖)(2)波的疊加原理在兩列波重疊的區(qū)域里，任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與兩個(gè)振動(dòng)，其振動(dòng)位移等于這兩列波分別引起的

6、位移的矢量和，當(dāng)兩列波振動(dòng)方向在同一直線(xiàn)上時(shí)，這兩個(gè)位移的矢量和在選定正方向后可簡(jiǎn)化為代數(shù)和特別提醒：波的疊加原理說(shuō)明了兩方面內(nèi)容，一是波的獨(dú)立傳播，二是相遇時(shí)的疊加波的疊加原理是波具有獨(dú)立傳播性的必然結(jié)果，由于總位移是兩個(gè)位移的矢量和，所以疊加區(qū)域的質(zhì)點(diǎn)的位移可能增大，也可能減小兩列同相波的疊加，振動(dòng)加強(qiáng)，振幅增大(如圖甲所示)以下關(guān)于兩列波相遇時(shí)疊加的說(shuō)法正確的選項(xiàng)是()A相遇后，振幅小的一列波將減弱，振幅大的一列波將加強(qiáng)B相遇后，兩列波的振動(dòng)情況與相遇前完全相同C在相遇區(qū)域，任一點(diǎn)的總位移等于兩列波分別引起的位移的矢量和D幾個(gè)人在同一房間說(shuō)話(huà)，相互間聽(tīng)得清楚，這說(shuō)明聲波在相遇時(shí)互不干擾答

7、案：BCD解析：兩列波相遇時(shí)，每一列引起的振動(dòng)情況都保持不變，而質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)那么是兩列波共同作用的結(jié)果，故A選項(xiàng)錯(cuò)誤，B、C選項(xiàng)正確幾個(gè)人在同一房間說(shuō)話(huà)，聲帶振動(dòng)發(fā)出的聲波在空間中相互疊加后，不改變每列波的振幅、頻率，所以聲波到人的耳朵后，仍能分辨出不同的人所說(shuō)的話(huà)，故D正確.(1)干預(yù)現(xiàn)象頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動(dòng)加強(qiáng)，使某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，并且振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱的區(qū)域互相間隔，這種現(xiàn)象叫波的干預(yù)，形成的圖樣叫波的干預(yù)圖樣如下圖(2)兩列波產(chǎn)生穩(wěn)定干預(yù)的必要條件兩列頻率相同的同類(lèi)波說(shuō)明：干預(yù)現(xiàn)象中那些總是振動(dòng)加強(qiáng)的點(diǎn)或振動(dòng)減弱的點(diǎn)是建立在兩波源產(chǎn)生的機(jī)械波波長(zhǎng)相同，也就是頻率相同的

8、前提下如果兩列頻率不同的波相疊加，得到的圖樣是不穩(wěn)定的，而波的干預(yù)是指波疊加中的一個(gè)特例，即產(chǎn)生穩(wěn)定的疊加圖樣如果兩列波頻率相同，但振幅相差很大，將不會(huì)有明顯的干預(yù)現(xiàn)象，因?yàn)檎駝?dòng)加強(qiáng)區(qū)域與振動(dòng)減弱區(qū)域都在振動(dòng)，振幅差異不大(3)“加強(qiáng)點(diǎn)或“減弱點(diǎn)位置判斷設(shè)S1、S2為兩相干波源，介質(zhì)中某點(diǎn)P到S1、S2的距離分別為PS1、PS2，波程差xPS1PS2.xn(n0，1，2)，即波程差為波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)，P點(diǎn)為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)(4)波的干預(yù)和衍射都是波所特有的現(xiàn)象一切波都能夠發(fā)生干預(yù)和衍射現(xiàn)象；反之能夠發(fā)生干預(yù)和衍射現(xiàn)象的，一定是波特別提醒：(1)干預(yù)現(xiàn)象的特征是振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱有固定的區(qū)域，且相互間隔(

9、2)振動(dòng)加強(qiáng)是指質(zhì)點(diǎn)的能量加大，即振幅增大；振動(dòng)減弱是指質(zhì)點(diǎn)的能量減弱，即振幅減小(3)假設(shè)某點(diǎn)總是波峰與波峰(或波谷與波谷)相遇，該點(diǎn)為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)；假設(shè)總是波峰與波谷相遇，那么該點(diǎn)為振動(dòng)減弱點(diǎn)干預(yù)型消聲器能有效地消除低頻噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)(正常工作期間)周期性排氣噪聲，就是一種典型的低頻噪聲一臺(tái)四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)它以2 000 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其峰值頻率在200 Hz以下的噪聲較大所以常用干預(yù)型消聲器來(lái)消除這類(lèi)低速轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的低頻噪聲，一臺(tái)帶有干預(yù)消聲器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)消聲處理后，其排氣噪聲可以降低10 dB以上，干預(yù)型消聲器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，消聲效果好得到了很好的應(yīng)用，以下圖

10、是其結(jié)構(gòu)原理圖，試分析其工作原理解析：設(shè)一列波長(zhǎng)為的聲波，沿水平管道自左向右傳播當(dāng)入射波到達(dá)a處時(shí)，分成兩束相干波，它們分別通過(guò)r1和r2，再到b處相遇假設(shè)rr1r2恰好等于聲波半波長(zhǎng) 的奇數(shù)倍，即r時(shí)，聲波的振幅A0.這就是說(shuō)該頻率的聲波被消弱利用這一原理，可以到達(dá)控制噪聲的目的以下事實(shí)屬于明顯的衍射現(xiàn)象的是()A池塘里的水波，遇到突出水面的小石塊，小石塊對(duì)波的傳播沒(méi)有影響B(tài)水波前進(jìn)方向上有一障礙物，其后面沒(méi)有水波傳播過(guò)去C水波前進(jìn)方向上有一個(gè)小孔的屏，水波通過(guò)小孔傳播到屏后的區(qū)域D板胡的聲音比弦聲更響解析：波繞過(guò)障礙物(或小孔)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫衍射現(xiàn)象，故A、C選項(xiàng)正確；對(duì)B，因?yàn)樗](méi)有

11、繞過(guò)障礙物，不屬于明顯的衍射現(xiàn)象，所以B選項(xiàng)錯(cuò)誤；聲音的響亮與否不是衍射現(xiàn)象所決定的，故D錯(cuò)答案：AC點(diǎn)評(píng)：明確衍射的現(xiàn)象和特點(diǎn)才能與其他現(xiàn)象區(qū)分開(kāi)來(lái)以下現(xiàn)象屬于波的衍射現(xiàn)象的是()A在空曠的山谷里喊叫，可以聽(tīng)到回聲B“空山不見(jiàn)人，但聞人語(yǔ)響C“余音繞梁，三日而不絕D夏日的雷聲有時(shí)轟鳴不絕答案：B把M、N兩塊擋板中間的空隙當(dāng)做一個(gè)“小孔做水波的衍射實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)了如下圖的圖樣，位置P處的水沒(méi)有振動(dòng)起來(lái)，現(xiàn)要使擋板左邊的振動(dòng)傳到P處，在不改變擋板M和P點(diǎn)位置的情況下，可以采用哪些方法？答案：波發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是障礙物或孔的尺寸與波長(zhǎng)相差不多，或者比波長(zhǎng)更小，所以要使P點(diǎn)振動(dòng)起來(lái)，有兩種方法：一

12、是減小孔的尺寸；二是增大波的波長(zhǎng)。由vf可知，水波的波速一定，減小波源的頻率可以增大水波的波長(zhǎng)故使擋板左邊的振動(dòng)傳到P處可以采用的方法是N板上移，或減小波源振動(dòng)的頻率在水波槽的衍射實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)打擊水面的振子振動(dòng)的頻率是5Hz，水波在水波槽中的傳播速度為，為觀察到顯著的衍射現(xiàn)象，小孔直徑d應(yīng)為()A10cmB5mCd1cm Dd1cm答案：D水槽中步調(diào)相反的波源S1、S2發(fā)出兩列波長(zhǎng)相等的水波，設(shè)某一時(shí)刻P點(diǎn)恰好是兩波谷相遇，那么()A這兩列波能干預(yù)BP點(diǎn)始終就在波谷CP是振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)DP的位移有時(shí)可為零答案：ACD點(diǎn)評(píng)：此題易誤選B.錯(cuò)誤地認(rèn)為：加強(qiáng)點(diǎn)就是波谷與波谷或波峰與波峰相遇的點(diǎn)，因加強(qiáng)點(diǎn)

13、總是加強(qiáng)，故加強(qiáng)點(diǎn)總是處于波谷或總是處于波峰兩列波長(zhǎng)相同的水波發(fā)生干預(yù)現(xiàn)象，假設(shè)在某一時(shí)刻，P點(diǎn)處恰好是兩列波的波峰相遇，Q點(diǎn)處是兩列波的波谷相遇，那么()AP點(diǎn)振動(dòng)加強(qiáng)，Q點(diǎn)振動(dòng)減弱BP、Q兩點(diǎn)振動(dòng)周期相同CP、Q兩點(diǎn)振動(dòng)都加強(qiáng)DP、Q兩點(diǎn)始終處在最大或最小位移處答案：BC解析：產(chǎn)生波的干預(yù)現(xiàn)象時(shí)，波峰與波峰以及波谷與波谷相遇處的振動(dòng)都是加強(qiáng)的，所以C對(duì)、A錯(cuò)；另外，頻率相同是產(chǎn)生波的干預(yù)現(xiàn)象的必要條件，從而各點(diǎn)的振動(dòng)頻率均相同，因而振動(dòng)周期也相同，所以B對(duì)；由于各質(zhì)點(diǎn)圍繞各自的平衡位置都在不斷地振動(dòng)，不可能始終處于最大或最小位移處，所以D錯(cuò).如下圖，兩列簡(jiǎn)諧橫波均沿x軸傳播，傳播速度的大小相等其中一列沿x軸正方向傳播(圖中實(shí)線(xiàn))，另一列沿x軸負(fù)方向傳播(圖中虛線(xiàn))這兩列波的頻率相等，振動(dòng)方向均沿y軸方向那么圖中x1,2,3,4,5,6,7,8各點(diǎn)中振幅最大的是x_處的點(diǎn)，振幅最小的是x_處的點(diǎn)解析：由波的疊加原理x軸上任一點(diǎn)的位移都等于兩列波單獨(dú)引起的位移的矢量和對(duì)x4,8兩點(diǎn)兩列波引起的兩個(gè)分振動(dòng)相位差為0，這兩點(diǎn)加強(qiáng)，對(duì)x2,6兩點(diǎn)兩列波單獨(dú)引起的分振動(dòng)相位差為，故這兩點(diǎn)減弱答案：4,82,6點(diǎn)評(píng)：此題考查疊加原理結(jié)合質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向跟波的傳播方向之間的關(guān)系(2