2023-2023學(xué)年高中創(chuàng)新設(shè)計物理教科版選修3-4學(xué)案：第2章 第4講 惠更斯原理　波的反射與折射

第頁第4講惠更斯原理波的反射與折射[目標(biāo)定位]1.知道什么是波面和波線.2.了解惠更斯原理，會用惠更斯原理解釋波的反射與折射現(xiàn)象.3.認(rèn)識波的反射和折射現(xiàn)象，知道反射定律和折射定律．一、惠更斯原理1．內(nèi)容：波在傳播過程中所到達(dá)的每一點(diǎn)都可看做新的波源，從這些點(diǎn)發(fā)出球面形狀的子波，其后任一時刻這些子波波前的包絡(luò)面就是新的波前．2．應(yīng)用：根據(jù)惠更斯原理，可以用幾何作圖的方法，由的某一時刻波前確定下一時刻波前，從而確定波的傳播方向．二、波的反射1．定義：波在傳播的過程中，遇到兩種介質(zhì)的分界面時返回到原介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫波的反射．2．反射定律：當(dāng)波傳播到兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射時，入射線、法線、反射線在同一平面內(nèi)，入射線與反射線分別位于法線兩側(cè)，而且反射角等于入射角；反射波的波長、頻率和波速都與入射波相同．三、波的折射1．定義：波在傳播過程中，從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，波傳播的方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象叫做波的折射．2．折射定律波在介質(zhì)中發(fā)生折射時，入射線、法線、折射線(即折射波線)在同一平面內(nèi)，入射線與折射線分別位于法線兩側(cè)，入射角的正弦值與折射角的正弦值之比等于波在第一種介質(zhì)中的傳播速度跟波在第二種介質(zhì)中的傳播速度之比．對給定的兩種介質(zhì)，該比值為常數(shù)．eq\f(v1,v2)＝eq\f(sini,sinr)3．結(jié)論(1)當(dāng)v1＞v2時，i＞r，折射線偏向法線．(2)當(dāng)v1＜v2時，i＜r，折射線偏離法線．(3)當(dāng)垂直界面入射(i＝0)時，r＝0，傳播方向不變，是折射中的特殊情況.一、對惠更斯原理的理解1．惠更斯原理中，同一波面上的各點(diǎn)都可以看做子波的波源．波源的頻率與子波波源的頻率相等．2．波線的指向表示波的傳播方向．3．在各向同性均勻介質(zhì)中，波線恒與波面垂直．4．球面波的波線是沿半徑方向的直線，平面波的波線是垂直于波面的平行直線．5．利用惠更斯原理可以解釋平面波和球面波的傳播、波的衍射、干預(yù)和折射現(xiàn)象，但無法說明衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物的大小關(guān)系．【例1】(多項選擇)關(guān)于對惠更斯原理的理解，以下說法正確的選項是()A．同一波面上的各質(zhì)點(diǎn)振動情況完全相同B．同一波面上的各質(zhì)點(diǎn)振動情況可能不相同C．球面波的波面是以波源為中心的一個個球面D．無論怎樣的波，波線始終和波面垂直解析按照惠更斯原理：波面是由任意時刻振動情況完全相同的點(diǎn)構(gòu)成的面，故A對，B錯；由波面和波線的概念，不難判定C、D正確．答案ACD二、波在反射、折射現(xiàn)象中的波長、頻率和波速波現(xiàn)象比擬項波的反射波的折射傳播方向改變θ反＝θ入改變θ折≠θ入頻率f不變不變波速v不變改變波長λ不變改變特別提醒(1)頻率(f)由波源決定，故無論是反射波還是折射波都與入射波的頻率相等，即與波源的振動頻率相同．(2)波速(v)由介質(zhì)決定，故反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播，波速不變，折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，波速變化．(3)據(jù)v＝λf知，波長λ與波速和頻率有關(guān)，反射波與入射波，頻率同，波速同，故波長相同，折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，頻率同，波速不同，故波長不同．【例2】如圖1所示，1、2、3分別代表入射波、反射波、折射波的波線，那么()圖1A．2與1的波長、頻率相等，波速不等B．2與1的波速、頻率相等，波長不等C．3與1的波速、頻率、波長均相等D．3與1的頻率相等，波速、波長均不等解析反射波的波長、頻率、波速與入射波都應(yīng)該相等，故A、B錯；折射波的波長、波速與入射波都不等，但頻率相等，故C錯，D正確．答案D針對訓(xùn)練同一音叉發(fā)出的聲波同時在水和空氣中傳播，某時刻的波形曲線如圖2所示．以下說法正確的選項是()圖2A．聲波在水中波長較大，b是水中聲波的波形曲線B．聲波在空氣中波長較大，b是空氣中聲波的波形曲線C．水中質(zhì)點(diǎn)振動頻率較高，a是水中聲波的波形曲線D．空氣中質(zhì)點(diǎn)振動頻率較高，a是空氣中聲波的波形曲線解析波的頻率取決于波源的振動頻率，與介質(zhì)無關(guān)，故同一音叉發(fā)出的聲波在水中與在空氣中傳播時頻率相同．但機(jī)械波在介質(zhì)中傳播的速度只取決于介質(zhì)性質(zhì)，與波的頻率無關(guān)，聲波在水中傳播的速度大于在空氣中傳播的速度．由v＝λf知，聲波在水中的波長應(yīng)較大，對應(yīng)于題圖中波形曲線b，故只有A正確．答案A三、反射現(xiàn)象的應(yīng)用1．回聲測距：(1)當(dāng)聲源不動時，聲波遇到了靜止的障礙物會返回來繼續(xù)傳播，反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，因此，入射波和反射波在傳播距離一樣的情況下，用的時間相等，設(shè)經(jīng)過時間t聽到回聲，那么聲源距障礙物的距離為s＝v聲eq\f(t,2).(2)當(dāng)聲源以速度v向靜止的障礙物運(yùn)動或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動時，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)eq\f(t,2).(3)當(dāng)聲源以速度v遠(yuǎn)離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠(yuǎn)離聲源時，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s＝(v聲－v)eq\f(t,2).2．超聲波定位：蝙蝠能發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物或捕食目標(biāo)時會被反射回來，蝙蝠就依據(jù)接收到的反射回來的超聲波來確定障礙物或目標(biāo)位置，從而確定飛行方向．另外海豚、雷達(dá)也是利用波的反射來定位和測速的．【例3】有一輛汽車以15m/s的速度勻速行駛，在其正前方有一陡峭山崖，汽車鳴笛2s后司機(jī)聽到回聲，司機(jī)聽到回聲時汽車距山崖的距離多遠(yuǎn)？(v聲＝340m/解析假設(shè)汽車靜止問題就簡單了，現(xiàn)汽車運(yùn)動，聲音傳播，如下圖為汽車與聲波的運(yùn)動過程示意圖．設(shè)汽車由A到C路程為x1，C點(diǎn)到山崖B距離為x；聲波由A到B再反射到C路程為x2，因汽車與聲波運(yùn)動時間同為t，那么有x2＝x1＋2x，即v聲t＝v汽t＋2x，所以x＝eq\f(v聲－v汽t,2)＝eq\f(340－15×2,2)m＝325m.答案325對惠更斯原理的理解1．(多項選擇)以下說法中正確的選項是()A．只有平面波的波面才與波線垂直B．任何波的波線與波面都相互垂直C．任何波的波線都表示波的傳播方向D．有些波的波面表示波的傳播方向解析任何波的波線都與波面相互垂直，波線都表示波的傳播方向，故B、C正確，A、D錯誤．答案BC波的反射與折射2．(多項選擇)以下關(guān)于波的認(rèn)識，哪些是正確的()A．潛艇利用聲吶探測周圍物體的分布情況，用的是波的反射原理B．隱形飛機(jī)怪異的外形及外表涂特殊隱形物質(zhì)，是為了減少波的反射，從而到達(dá)隱形的目的C．雷達(dá)的工作原理是利用波的反射D．水波從深水區(qū)傳到淺水區(qū)改變傳播方向的現(xiàn)象，是波的反射現(xiàn)象解析A、B、C選項中應(yīng)用了波的反射現(xiàn)象；D選項應(yīng)用了波的折射現(xiàn)象，深水區(qū)域和淺水區(qū)域視為不同介質(zhì)，故波的傳播方向發(fā)生改變，故D錯誤．答案ABC3．如圖3所示是一列機(jī)械波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)中發(fā)生的現(xiàn)象，波在介質(zhì)Ⅰ中的速度為v1，波在介質(zhì)Ⅱ中的波速為v2，那么v1∶v2為()圖3A．1∶eq\r(2) B．eq\r(2)∶1C．eq\r(3)∶eq\r(2) D．eq\r(2)∶eq\r(3)解析根據(jù)折射定律eq\f(sini,sinr)＝eq\f(v1,v2)，可得eq\f(v1,v2)＝eq\f(sin60°,sin45°)＝eq\r(3)∶eq\r(2)，所以選項C正確．答案C4．如圖4所示，利用超聲波可以探測魚群的位置，在一只裝有超聲波發(fā)射和接受裝置的漁船上，當(dāng)它向選定的方向發(fā)射出頻率為5.8×104Hz的超聲波后，經(jīng)過0.64s收到從魚群反射回來的反射波，頻率為5.8×104Hz的超聲波在水中的波長為2.5圖4解析魚跟漁船的距離為s，根據(jù)波的反射t＝eq\f(2s,v) ①又波速公式v＝λf ②由①②兩式得：s＝464答案464題組一惠更斯原理1．(多項選擇)以下說法正確的選項是()A．波線表示波的傳播方向B．波面表示波的傳播方向C．只有橫波才有波面D．波傳播中某時刻任一波面上各子波波前的包絡(luò)面就是新的波前解析波線表示波的傳播方向，故A正確，B錯誤；所有的波都具有波面，故C錯誤；由惠更斯原理可知，D正確．答案AD2．以下說法中正確的選項是()A．水波是球面波B．聲波是球面波C．只有橫波才能形成球面波D．只有縱波才能形成球面波解析該題考查了波面，根據(jù)球面波的定義可知：假設(shè)波面是球面那么為球面波，與是橫波還是縱波無關(guān)，由此可知B正確，C、D不正確；由于水波不能在空間中傳播，所以它是平面波，A不正確．答案B題組二波的反射與折射3．聲波從聲源發(fā)出，在空中向外傳播的過程中()A．波速在逐漸變小 B．頻率在逐漸變小C．振幅在逐漸變小 D．波長在逐漸變小解析根據(jù)惠更斯原理知，聲波從聲源發(fā)出后，在空中向外傳播的過程中，形成了以波源為中心的波面，面上的每個點(diǎn)都是子波的波源，然后子波波前形成包絡(luò)面，即為新的波前，但聲源提供的能量一定，在形成新的波前后，總能量不變，但每個新波前獲得的能量減少，故在波的傳播過程中振幅逐漸減小，故應(yīng)選C．答案C4．一列聲波從空氣傳入水中，水中聲速較大，那么()A．聲波頻率不變，波長變小B．聲波頻率不變，波長變大C．聲波頻率變小，波長變大D．聲波頻率變大，波長不變解析該題考查波在發(fā)生折射時，波速、波長、頻率是否變化的問題．由于波的頻率由波源決定，因此波無論在空氣中還是在水中頻率都不變，故C、D錯；又因波在水中速度較大，由公式v＝λf可得，波在水中的波長變大，故A錯，B正確．答案B5．(多項選擇)以下現(xiàn)象中屬于聲波反射現(xiàn)象的是()A．隔著墻能聽到房間外面有人講話B．音響設(shè)備制作時要考慮混合效應(yīng)C．夏日的雷聲有時轟鳴不絕D．在水里的人能聽到岸上的聲音解析反射現(xiàn)象是波在同一種介質(zhì)中的傳播，因此B、C正確；波在不同種介質(zhì)中傳播是折射現(xiàn)象，D不正確；A是在同一種介質(zhì)的另一面?zhèn)鞑?，不是反射現(xiàn)象．答案BC6．(多項選擇)一列波由固體傳入液體時，以下說法中正確的選項是()A．入射波的波長大于折射波的波長B．入射波的波速大于折射波的波速C．入射波的頻率大于折射波的頻率D．入射波的入射角大于折射波的折射角解析固體波速大于液體波速，而波的頻率并未變化，所以選項A、B正確，C錯誤；由折射定律可知，選項D正確．答案ABD7．(多項選擇)如圖1所示，一機(jī)械波由介質(zhì)Ⅰ射入介質(zhì)Ⅱ，在界面MN上發(fā)生偏折．以下說法正確的選項是()圖1A．波在介質(zhì)Ⅰ中傳播的速度大B．波在介質(zhì)Ⅱ中傳播的速度大C．波在介質(zhì)Ⅰ中和介質(zhì)Ⅱ中傳播的速度之比為eq\r(3)D．波在介質(zhì)Ⅱ中和介質(zhì)Ⅰ中傳播的速度之比為eq\r(3)解析由波的折射定律eq\f(v1,v2)＝eq\f(sini,sinr)可知v1＜v2，且eq\f(v1,v2)＝eq\f(sin30°,sin60°)＝eq\f(\f(1,2),\f(\r(3),2))＝eq\f(1,\r(3))，故B、D正確．答案BD8．人耳只能區(qū)分相差0.1s以上的兩個聲音，人要能聽到自己講話的回聲，離障礙物的距離至少要大于()A．34mC．100m解析聲波在空氣中傳播的速度約為340m/s，因此2s＝vt，s＝eq\f(vt,2)＝17m，B正確答案B9．人在室內(nèi)講話的聲音比在室外空曠處講話聲音要洪亮，是因為()A．室內(nèi)空氣不流動 B．室內(nèi)聲音屢次反射C．室內(nèi)聲音發(fā)生折射 D．室內(nèi)物體會吸收聲音解析人在室內(nèi)說話，聲波會被室內(nèi)物體、墻壁反射，甚至反射屢次，因而顯得聲音洪亮．答案B10．甲、乙兩人平行站在一堵墻前面，二人相距2am，距墻均為eq\r(3)am，當(dāng)甲開了一槍后，乙在ts后聽到第一聲槍響，那么乙在什么時候才聽到第二聲槍響()A．聽不到 B．甲開槍后3tsC．甲開槍后2ts D．甲開槍后eq\f(\r(3)＋\r(7),2)s解析如下圖，第一聲槍響是從甲直接傳到乙，所需時間t＝eq\f(2a,v) ①第二聲槍響是聲波經(jīng)墻反射后傳到乙，根據(jù)波的反射定律，反射后聲波所走路程s′＝2eq\r(a2＋\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\r(3)a))2)＝4am．所需時間t′＝eq\f(s′,v)＝eq\f(4a,v) ②由①②得t′＝2t，故C項正確．答案C題組三綜合應(yīng)用11．一聲波在空氣中的波長為25cm，速度為340m/s，當(dāng)折射進(jìn)入另一種介質(zhì)時，波長變?yōu)?1)聲波在這種介質(zhì)中的頻率；(2)聲波在這種介質(zhì)中的傳播速度．解析(1)聲波由空氣進(jìn)入另一種介質(zhì)時，頻率不變，由v＝λf得f＝eq\f(v,λ)＝eq\f(340,25×10－2)Hz＝1360Hz.(2)因頻率不變，有eq\f(v,λ)＝eq\f(v′,λ′)，得：v′＝eq\f(λ′,λ)v＝eq\f(80×10－2,25×10－2)×340m/s＝1088m/s.答案(1)1360Hz(2)108812．如圖2所示，一列平面波朝著兩種介質(zhì)的界面?zhèn)鞑?，A1A2是它在介質(zhì)Ⅰ中的一個波面，C1和C2位于兩種介質(zhì)的界面上，B1B2是這列平面波進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ后的一個波面；A1C1和A2C2是它的兩條波線，入射角為θ1，折射角為θ2，波在Ⅰ、Ⅱ介質(zhì)中的傳播速度分別為v1和圖2(1)試根據(jù)惠更斯原理證明：eq\f(sinθ1,sinθ2)＝eq\f(v1,v2)；(2)假設(shè)θ1＝53°(sin53°＝0.8)，A1A2的長度為0.6m，介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ中的波速之比為v1∶v2＝4∶3，那么：A1C1B1與A2C解析(1)證明：如圖，根據(jù)惠更斯原理畫出波面