人教版選修3-4高中物理選修12.4波的衍射和干涉

物理選修3-4·人教版新課標導學第十二章機械波第四節(jié)波的衍射和干預※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1課前預習2課內探究3素養(yǎng)提升4課堂達標5課時作業(yè)課前預習1．定義波可以繞過_________繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。2．實驗及現(xiàn)象(1)實驗裝置：在水槽里放兩塊擋板，中間留一個_________。(2)現(xiàn)象：①狹縫寬度比波長大得多時：波的傳播如同光沿_________傳播一樣，擋板后面產(chǎn)生“_________〞。②狹縫寬度與波長相差不多或狹縫寬度比波長更小時：水波_________擋板后面繼續(xù)傳播。3．發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長__________，或者比波長______時，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。波的衍射障礙物狹縫直線陰影區(qū)繞到相差不多更小1．波的獨立傳播特性兩列波相遇后，每列波仍象相遇前一樣，保持各自____________，繼續(xù)向前傳播。(如下圖)波的疊加原來的波形2．波的疊加原理在兩列波重疊的區(qū)域里，任何一個質點同時參與____________，其振動位移等于這兩列波分別引起的位移的_________，當兩列波振動方向在同一直線上時，這兩個位移的矢量和在選定正方向后可簡化為_________。兩個振動矢量和代數(shù)和1．干預現(xiàn)象頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的____________，使某些區(qū)域的____________，并且振動加強和振動減弱的區(qū)域____________，這種現(xiàn)象叫波的干預，形成的圖樣叫波的干預圖樣。2．兩列波產(chǎn)生穩(wěn)定干預的條件①兩列波的______必須相同。②兩個波源的_________必須保持不變。3．波的干預和衍射都是波所特有的現(xiàn)象一切波都能夠發(fā)生________和________現(xiàn)象；反之能夠發(fā)生_______和_________現(xiàn)象的，一定是波。波的干預振動加強振動減弱互相間隔頻率相位差干預衍射干預衍射『判一判』(1)“隔墻有耳〞指的是聲波的衍射現(xiàn)象。()(2)敲擊音叉使其發(fā)聲，然后轉動音叉，聽到聲音忽強忽弱是聲波的干預現(xiàn)象。()(3)只有頻率相同的兩列波才可以疊加。()(4)在兩列波重疊的區(qū)域里，任何一個質點的位移都等于原來位移的2倍。()(5)一切波都能發(fā)生衍射現(xiàn)象。()(6)產(chǎn)生干預的一個必要條件是，兩列波的頻率必須相同。()√√××√√『選一選』蟋蟀是利用了a發(fā)出聲音，某同學圍繞蟋蟀走了一圈，聽到忽高忽低的蟋蟀聲，這是由于聲波的b現(xiàn)象，請選擇a、b組合正確的選項是()A．蟋蟀的嘴衍射 B．蟋蟀的翅膀干預C．蟋蟀的翅膀共振 D．蟋蟀的嘴共振解析：蟋蟀是依靠一雙翅膀的振動發(fā)聲，兩翅膀的振動頻率、振幅相同，形成相干波源，在周圍出現(xiàn)振動加強與減弱的區(qū)域。B『想一想』如下圖，日常生活中“聞其聲不見其人〞的物理現(xiàn)象的原因是什么？答案：聲波在空氣中的波長較長，可以跟一般障礙物的尺寸相比較，很容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，繞過障礙物傳入人耳。而光波由于波長很短，障礙物或孔的尺寸遠大于光的波長，不能繞過障礙物發(fā)生衍射，所以只能聽到聲音而看不到說話的人。課內探究我們在家中經(jīng)常聽到優(yōu)美的聲樂從窗外飄來，(如圖)，聲音為什么沒被障礙物所擋?。刻骄恳粚Σǖ难苌洮F(xiàn)象的理解提示：這是聲波的衍射現(xiàn)象。聲波在傳播過程中遇到障礙物時，可以繞過障礙物繼續(xù)傳播。1．生活中常見的波的衍射現(xiàn)象(1)聲波：聲波的波長在1.7cm～17m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)水波：水面上傳播的波能夠越過水面上的蘆葦、小石塊等障礙物，都是典型的水波的衍射現(xiàn)象。(3)無線電波：在房間中可以接收到收音機和電視信號，是電磁波的衍射現(xiàn)象。2．對明顯衍射發(fā)生條件的理解(1)波的衍射是波在傳播過程中所具有的特征之一，衍射是否明顯，通常的衡量就是孔或縫的寬度d與波長λ的比值，比值越小，衍射現(xiàn)象相對越明顯。(2)孔、縫的寬度或障礙物的尺寸與波長的關系僅是衍射能否明顯發(fā)生的條件，波的衍射沒有條件。(3)明顯衍射發(fā)生時，并不一定能清楚地感受到，如當孔遠遠小于水波波長時，衍射應當非常明顯，但因孔很小，單位時間內通過的能量很小，又分布到很大的區(qū)域上，水波非常弱，將看不清楚。特別提醒：(1)衍射是波所特有的現(xiàn)象，一切波都會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，只有明顯和不明顯的差異。(2)凡能發(fā)生衍射現(xiàn)象的就是波。 把M、N兩塊擋板中間的空隙當做一個“小孔〞做水波的衍射實驗，出現(xiàn)了如下圖的圖樣，位置P處的水沒有振動起來，現(xiàn)要使擋板左邊的振動傳到P處，在不改變擋板M和P點位置的情況下，可以采用哪些方法？解題指導：波能發(fā)生明顯衍射的條件是孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多或者比波長更小。在同種介質中，波速確定，當改變波的頻率時，也改變了波長的大小。解析：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相差不多，或者比波長更小，所以要使P點振動起來，有兩種方法：一是減小孔的尺寸；二是增大波的波長。由v＝λf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。故使擋板左邊的振動傳到P處可以采用的方法是N板上移，或減小波源振動的頻率。答案：N板上移或減小波源振動頻率?！矊c訓練1〕以下現(xiàn)象或事實屬于衍射現(xiàn)象的是()A．風從窗戶吹進來B．雪堆積在背風的屋后C．水波前進方向上遇到凸出在水面上的小石塊，小石塊對波的傳播沒有影響D．晚上看到水中月亮的倒影解析：波在傳播過程中偏離直線傳播繞過障礙物的現(xiàn)象稱為波的衍射。C與衍射現(xiàn)象相符。C如下圖，操場中兩根電線桿上各有一只揚聲器，接在同一個擴音機上，一位同學沿著MN方向走來。他聽到的聲音會有什么變化？為什么？提示：聲音忽強忽弱，因為聲波發(fā)生了干預現(xiàn)象。探究二對波的疊加與波的干預現(xiàn)象的理解1．波的獨立傳播幾列波相遇時能夠保持各自的運動特征，繼續(xù)傳播。即各自的波長、頻率等保持不變。2．波的疊加波的疊加原理是波具有獨立傳播性的必然結果，由于總位移是兩個位移的矢量和，所以疊加區(qū)域的質點的位移可能增大，也可能減小。兩列同相波的疊加，振動加強，振幅增大(如圖甲所示)。兩列反相波的疊加，振動減弱，振幅減小(如圖乙所示)。3．干預條件(1)波的疊加是無條件的，任何頻率的兩列波在空間相遇都會疊加。(2)穩(wěn)定干預圖樣的產(chǎn)生是有條件的，必須是兩列同類的波，并且波的頻率相同、振動方向在同一直線上、相位差恒定。如果兩列波的頻率不相等，在同一種介質中傳播時其波長就不相等，這樣不能形成穩(wěn)定的振動加強點和減弱點。因此我們就看不到穩(wěn)定的干預圖樣，只能是一般的振動疊加現(xiàn)象。(3)明顯的干預圖樣和穩(wěn)定的干預圖樣意義是不同的，明顯的干預圖樣除了滿足相干條件外，還必須滿足兩列波振幅差異不大。振幅越是接近，干預圖樣越明顯。4．關于加強點(區(qū))和減弱點(區(qū))(1)加強點：在某些點兩列波引起的振動始終加強，質點的振動最劇烈，振動的振幅等于兩列波的振幅之和，A＝A1＋A2。(2)減弱點：在某些點兩列波引起的振動始終相互削弱，質點振動的振幅等于兩列波的振幅之差，A＝|A1－A2|，假設兩列波振幅相同，質點振動的合振幅就等于零，水面保持平靜。特別提醒：(1)振動加強的點的振動總是加強，但并不是始終處于波峰或波谷，它們都在平衡位置附近振動，有的時刻位移也為零。只是振幅為兩列波振幅之和，顯得振動劇烈。(2)振動減弱點的振動始終減弱，位移的大小始終等于兩列波分別引起位移的大小之差，振幅為兩列波振幅之差。如果兩列波的振幅相同，那么振動減弱點將會總是處于靜止。 (多項選擇)(河南鄭州一中2021年高二下學期期中)如下圖，S1、S2是兩個相干波源，它們的振動同步且振幅相同。實線和虛線分別表示在某一時刻它們所發(fā)出的波的波峰和波谷，關于圖中所標的a、b、c、d四點，以下說法中正確的有()BCA．該時刻a質點振動最弱，b、c質點振動都最強，d質點振動既不是最強也不是最弱B．該時刻a質點振動最弱，b、c、d質點振動都最強C．a(chǎn)質點的振動始終是最弱的，b、c、d質點的振動始終是最強的D．再過T/4后的時刻，a、b、c三個質點都將處于各自的平衡位置，因此振動最弱解題指導：除了波峰與波峰相遇，波谷與波谷相遇是振動加強點，同樣只要在振動加強區(qū)域的點都是振動加強點，對于振動減弱點也一樣，振動加強點(或振動減弱點)在任何時刻振動都是加強(或減弱)。解析：該時刻a質點振動最弱，b、c質點振動最強，這不難理解。但是d既不是波峰和波峰疊加，又不是波谷和波谷疊加，如何判定其振動強弱？這就要用到充要條件：“到兩波源的路程之差是波長的整數(shù)倍〞時振動最強，從圖中可以看出，d是S1、S2連線的中垂線上的一點，到S1、S2的距離相等，所以必然為振動最強點。C解析：根據(jù)干預特點知，兩相干波源的距離差為波長的整數(shù)倍時，此點為振動增強點，而消除噪聲不能加強，故A、B錯誤；距離差為半波長的奇數(shù)倍時，此點為振動減弱點，此題為消除噪音，要減弱振動，所以C正確D錯誤。素養(yǎng)提升干預與衍射的研究對象不同，從形式上看，衍射是波繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，而波的干預是兩列波的疊加；干預圖樣與衍射圖樣不同，干預圖樣中有間隔均勻的加強、減弱區(qū)，而衍射圖樣相當于從衍射孔處有一個新的波源。波的衍射與干預現(xiàn)象的比較 利用發(fā)波水槽得到的水面波形如