波的反射折射和衍射高二物理素養(yǎng)提升學(xué)案人教版2019選擇性必修第一

高中物理選擇性必修一素養(yǎng)提升學(xué)案第三章機(jī)械波

波的反射、折射和衍射【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念知道波的反射、折射和衍射現(xiàn)象，知道明顯衍射的條件?？茖W(xué)思維理解波的反射定律和折射定律，能進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算。科學(xué)探究經(jīng)歷探究波的明顯衍射現(xiàn)象條件的過(guò)程?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任利用波的幾種現(xiàn)象實(shí)例培養(yǎng)觀察、分析和歸納的習(xí)慣?！局R(shí)點(diǎn)探究】知識(shí)點(diǎn)一波的反射1.反射現(xiàn)象：波遇到介質(zhì)界面（如水波遇到擋板）時(shí)會(huì)返回原介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。2.反射規(guī)律：反射線(xiàn)、法線(xiàn)與入射線(xiàn)在同一平面內(nèi)，反射線(xiàn)與入射線(xiàn)分居法線(xiàn)兩側(cè)，反射角等于入射角?！咎貏e提醒】反射波的波長(zhǎng)、頻率、波速與入射波的相關(guān)量相同。知識(shí)點(diǎn)二波的折射1.波的折射：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射，同樣，一切波都會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象。2.水波的折射：水波在深度不同的水域傳播時(shí)，在交界處將發(fā)生折射?！咎貏e提醒】波的折射現(xiàn)象中，波在兩種介質(zhì)中的頻率相同，波長(zhǎng)、波速發(fā)生變化。知識(shí)點(diǎn)三波的衍射1.波繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。2.發(fā)生明顯衍射的條件：障礙物或狹縫的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多，或者比波長(zhǎng)更小。3.一切波都能發(fā)生衍射。衍射是波特有的現(xiàn)象。【溫馨提示】在水波的衍射現(xiàn)象中，波在通過(guò)障礙物（或小孔）前后的頻率、波速、波長(zhǎng)相同?！咎貏e提醒】（1）“隔墻有耳”指的是聲波的衍射現(xiàn)象。

（2）狹縫的寬度遠(yuǎn)小于水波的波長(zhǎng)時(shí)，有明顯的衍射現(xiàn)象。

（3）一切波遇到障礙物都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。

【考點(diǎn)探究】考點(diǎn)1波的反射和折射我們?cè)谏街?、在大的空房間里大聲說(shuō)話(huà)時(shí)，都會(huì)聽(tīng)到回聲，這屬于波的什么現(xiàn)象？提示：波的反射現(xiàn)象。1.波的反射和折射中物理量變化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(zhǎng)λ不變改變2.對(duì)波的三點(diǎn)說(shuō)明（1）頻率（f）由波源決定：故無(wú)論是反射波還是折射波都與入射波的頻率相等，即都與波源的振動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)不同?！镜淅?】1．甲、乙兩人平行站在一堵墻前面，二人相距，距離墻均為，當(dāng)甲開(kāi)了一槍后，乙在時(shí)間后聽(tīng)到第一聲槍響，則乙聽(tīng)到第二聲槍響的時(shí)間為（）A．聽(tīng)不到 B．甲開(kāi)槍后 C．甲開(kāi)槍后 D．甲開(kāi)槍后【答案】C【詳解】乙聽(tīng)到的第一聲槍響必然是甲放槍的聲音直接傳到乙的耳中，故甲、乙二人及墻的位置如圖所示乙聽(tīng)到的第二聲槍響必然是墻反射的槍聲，由反射定律可知，波線(xiàn)如圖中和，由幾何關(guān)系可得故第二聲槍響傳到乙的耳中的時(shí)間為故選C?！舅悸伏c(diǎn)撥】根據(jù)反射定律畫(huà)出聲波傳播的示意圖，再用速度公式求時(shí)間?！局R(shí)拓展】波的反射應(yīng)用技巧——回聲測(cè)距利用回聲測(cè)距是波的反射的一個(gè)重要應(yīng)用，它的特點(diǎn)是聲源正對(duì)障礙物，聲源發(fā)出的聲波與回聲在同一條直線(xiàn)上傳播。（1）若是一般情況下的反射，反射波和入射波是遵從反射定律的，可用反射定律作圖后再求解。（2）利用回聲測(cè)距時(shí)，要特別注意聲源是否運(yùn)動(dòng)，若聲源運(yùn)動(dòng)，聲源發(fā)出的原聲至障礙物再返回至聲源的這段時(shí)間與聲源的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同。（3）解決波的反射問(wèn)題，關(guān)鍵是根據(jù)物理情景規(guī)范作出幾何圖形，然后利用幾何知識(shí)結(jié)合物理規(guī)律進(jìn)行解題。考點(diǎn)2波的衍射聲波能繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播，衍射聲波有什么特點(diǎn)？水波能到達(dá)擋板的后面，衍射水波有什么特點(diǎn)？提示：衍射波與原波具有相同的頻率，傳播過(guò)程中波形沒(méi)變。1.波的衍射的條件：應(yīng)該說(shuō)衍射是沒(méi)有條件的，衍射是波特有的現(xiàn)象，一切波都可以發(fā)生衍射。衍射只有“明顯”與“不明顯”之分，障礙物或小孔的尺寸跟波長(zhǎng)差不多，或比波長(zhǎng)小是產(chǎn)生明顯衍射的條件。2.波的衍射的實(shí)質(zhì)：波傳到小孔（障礙物）時(shí)，小孔（障礙物）仿佛是一個(gè)新波源，由它發(fā)出的與原來(lái)同頻率的波在小孔（障礙物）后傳播，就偏離了直線(xiàn)方向。波的直線(xiàn)傳播只是在衍射不明顯時(shí)的近似情況。3.衍射現(xiàn)象與觀察的矛盾：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?！镜淅?】2．如圖所示，是觀察水面波衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，和是兩塊擋板，是一個(gè)孔，是波源，圖中已畫(huà)出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每?jī)上噜彶y（圖中曲線(xiàn)）之間距離表示一個(gè)波長(zhǎng)，則關(guān)于波經(jīng)過(guò)孔之后的傳播情況，下列描述中錯(cuò)誤的是（）A．此時(shí)能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象B．擋板前后波紋間距離相等C．如果將孔擴(kuò)大，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，能更明顯觀察到衍射現(xiàn)象【答案】D【詳解】A．因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)與孔的尺寸差不多，所以能夠觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，故A正確，不符合題意；B．波通過(guò)孔后，波速、頻率、波長(zhǎng)不變，則擋板前后波紋間的距離相等，故B正確，不符合題意；C．如果將孔AB擴(kuò)大，孔的尺寸大于波的波長(zhǎng)，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故C正確，不符合題意；D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，因?yàn)椴ㄋ俨蛔?，根?jù)知，波長(zhǎng)減小，可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故D錯(cuò)誤，符合題意。故選D?！咎貏e提醒】衍射現(xiàn)象的兩點(diǎn)提醒（1）障礙物的尺寸與波長(zhǎng)大小的關(guān)系不是發(fā)生衍射的條件，而是發(fā)生明顯衍射的條件，波長(zhǎng)越大越易發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象。（2）當(dāng)孔的尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，盡管衍射十分突出，但衍射波的能量很弱，也很難觀察到波的衍射?！就接?xùn)練】3．關(guān)于波的反射與折射，下列說(shuō)法正確的是（

）A．入射波的波長(zhǎng)一定等于反射波的波長(zhǎng)，其頻率不變B．入射波的波長(zhǎng)一定小于反射波的波長(zhǎng)，其頻率不變C．入射波的波長(zhǎng)一定大于折射波的波長(zhǎng)，其頻率不變D．入射波的波長(zhǎng)一定小于折射波的波長(zhǎng)，其頻率不變【答案】A【詳解】AB.入射波與反射波在同種介質(zhì)中波速相同，頻率由波源決定，頻率相同，由知波長(zhǎng)相同，選項(xiàng)A符合題意，B不符合題意．CD.因不知介質(zhì)情況，入射波與折射波波長(zhǎng)無(wú)法比較，選項(xiàng)CD不符合題意．4．關(guān)于波的衍射現(xiàn)象，下列說(shuō)法正確的是（）A．當(dāng)孔的尺寸比波長(zhǎng)大時(shí)，一定不會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象B．只有孔的尺寸與波長(zhǎng)相差不多時(shí)，或者比波長(zhǎng)還小時(shí)才會(huì)觀察到明顯的衍射現(xiàn)象C．只有波才有衍射現(xiàn)象D．衍射是波特有的現(xiàn)象【答案】BCD【詳解】A．當(dāng)孔的尺寸比波長(zhǎng)大時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，只不過(guò)不明顯，故A錯(cuò)誤；B．只有當(dāng)孔、縫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)，才會(huì)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，故B正確；C．只有波才有衍射現(xiàn)象，故C正確；D．衍射是波特有的現(xiàn)象，故D正確。故選BCD。5．一塊小石子投入河水中激起一列水波，遇到障礙物后能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，障礙物是（）A．靜止在河面的漁船 B．靜止在河面的貨船C．豎立在河中的竹竿 D．豎立在河中的橋墩【答案】C【分析】根據(jù)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件是障礙物的尺寸與波長(zhǎng)相差不大或者比波長(zhǎng)小，從而即可求解．【詳解】河水中激起一列水波，遇到障礙物后能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，依據(jù)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件是障礙物的尺寸與波長(zhǎng)相差不大或者比波長(zhǎng)小，故水波遇到豎立在河中的竹竿時(shí)能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象，故C正確，ABD錯(cuò)誤．故選C．6．如圖所示是觀察水面波衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，AC和BD是兩塊擋板，AB是一個(gè)孔，O是波源，圖中已畫(huà)出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每?jī)蓷l相鄰波紋（圖中曲線(xiàn)）之間距離表示一個(gè)波長(zhǎng)，則波經(jīng)過(guò)孔之后的傳播情況，下列描述正確的是（）A．此時(shí)能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象B．擋板前后波紋間距離相等C．如果將孔AB擴(kuò)大，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，能更明顯地觀察到衍射現(xiàn)象E．擋板前后波紋間距離不等【答案】ABC【詳解】A．因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)與孔的尺寸差不多，所以能夠觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，故A正確；BE．波通過(guò)孔后，波速、頻率、波長(zhǎng)不變，則擋板前后波紋間的距離相等，故B正確，E錯(cuò)誤；C．如果將孔AB擴(kuò)大，孔的尺寸大于波的波長(zhǎng)，可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故C正確；D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，因?yàn)椴ㄋ俨蛔?，根?jù)知，波長(zhǎng)減小，可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故D錯(cuò)誤。故選ABC。7．一列簡(jiǎn)諧橫波，在t=0.6s時(shí)刻的圖像如下圖甲所示，此時(shí)，P、Q兩質(zhì)點(diǎn)的位移均為1cm，波上A質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)圖像如圖乙所示，則以下說(shuō)法正確的是（）A．這列波沿x軸正方向傳播B．這列波的波速是m/sC．從t=0.6s開(kāi)始，緊接著的時(shí)間內(nèi)，A質(zhì)點(diǎn)通過(guò)的路程是10mD．從t=0.6s開(kāi)始，質(zhì)點(diǎn)P比質(zhì)點(diǎn)QE．若該波在傳播過(guò)程中遇到一個(gè)尺寸為30m的障礙物不能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象【答案】ABDE【詳解】A．由乙圖讀出tA質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)平衡位置向下振動(dòng)，故這列波沿x軸正方向傳播，選項(xiàng)A正確；B．由甲圖讀出該波的波長(zhǎng)為λ=20m，由乙圖周期為T(mén)=1.2s。則波速為故B正確。C．，質(zhì)點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)在半個(gè)周期內(nèi)質(zhì)點(diǎn)A通過(guò)的路程是2倍振幅，即A質(zhì)點(diǎn)通過(guò)的路程是故C錯(cuò)誤。D．圖示時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)P沿y軸正方向，質(zhì)點(diǎn)Q沿y軸負(fù)方向，所以質(zhì)點(diǎn)P將比質(zhì)點(diǎn)Q先回到平衡位置。P從直接回到平衡位置需時(shí)Q從先運(yùn)動(dòng)到振幅處，再回到平衡位置需時(shí)由此可知質(zhì)點(diǎn)P比質(zhì)點(diǎn)Q先回到平衡位置的時(shí)間為故D正確。E．發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是障礙物的尺寸比波長(zhǎng)小或跟波長(zhǎng)差不多，該波的波長(zhǎng)為20m，根據(jù)這個(gè)條件可知該波在傳播過(guò)程中遇到一個(gè)尺寸為30m的障礙物，不能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，故E正確。故選ABDE8．某物體發(fā)出的聲音在空氣中的波長(zhǎng)為1m，波速為340m/s，在海水中的波長(zhǎng)為4.5m。(1)該波的頻率為Hz，在海水中的波速為m/s。(2)若物體在海面上發(fā)出的聲音經(jīng)0.5s聽(tīng)到回聲，則海水深為多少？(3)若物體以5m/s的速度由海面向海底運(yùn)動(dòng)，則經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間聽(tīng)到回聲？【答案】3401530382.5m0.498s【詳解】(1)[1]波的頻率為[2]因波的頻率不變，則在海水中的波速為v海=λf=1530m/s(2)[3]若物體在海面上發(fā)出的聲音經(jīng)0.5s聽(tīng)到回聲，則海水深為(3)[4]若物體以5m/s的速度由海面向海底運(yùn)動(dòng)，則聽(tīng)到回聲的時(shí)間9．“B超”可用于探測(cè)人體內(nèi)臟的病變狀況，如圖是超聲波從肝臟表面入射，經(jīng)折射與反射，最后從肝臟表面射出的示意圖，超聲波在進(jìn)入肝臟發(fā)生折射時(shí)遵循的規(guī)律與光的折射規(guī)律類(lèi)似，可表述為=(式中θ1是入射角，θ2是折射角，、分別是超聲波在肝外和肝內(nèi)的傳播速度)，超聲波在腫瘤表面發(fā)生反射時(shí)遵循的規(guī)律與光的反射規(guī)律相同，已知，入射點(diǎn)與出射點(diǎn)之間的距離是d，入射角為i，腫瘤的反射面恰好與肝臟表面平行，則腫瘤離肝臟表面的深度h為多少？【答案】【分析】根據(jù)光的折射、反射的規(guī)律，正確畫(huà)出超聲波折射的線(xiàn)路圖，依據(jù)幾何關(guān)系以及折射定律即可求解?！驹斀狻抗饴啡鐖D所示入射角為i，設(shè)折射角為r，根據(jù)題意，由幾何關(guān)系得=根據(jù)折射定律n=n=而v2v1解得h=【點(diǎn)睛】本題主要考查了光的折射定律，作出光路圖結(jié)合幾何知識(shí)即可解題?！菊n堂小結(jié)】回歸本節(jié)知識(shí)，自我完成以下問(wèn)題：1.波在兩種介質(zhì)的界面處能否同時(shí)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象？提示：能。2.在波的反射和折射現(xiàn)象中頻率是否發(fā)生變化？提示：不變。3.明顯衍射現(xiàn)象的條件是什么？提示：波長(zhǎng)大于障礙物或小孔的尺寸（或相差不多）。【知識(shí)拓展】回聲、混響和建筑聲學(xué)各種波在傳播過(guò)程中如果遇到大的障礙物，都會(huì)發(fā)生反射，聲波也是這樣。聲波遇到普通房間的墻壁、地面、天花板也會(huì)反射，但是由于回聲和原聲幾乎同時(shí)到達(dá)，而人耳只能分辨相差0.1s以上的兩個(gè)聲音，所以在房間里不能聽(tīng)到回聲，只會(huì)感到聲音比在野外時(shí)大些；同時(shí)由于墻壁、地面、天花板對(duì)聲波的多次反射，當(dāng)聲源停止發(fā)聲后，聲音要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才會(huì)消失，這種現(xiàn)象叫作混響，這段時(shí)間叫作混響時(shí)間。混響時(shí)間的長(zhǎng)短是音樂(lè)廳、劇院、禮堂等建筑物的重要聲學(xué)特性。對(duì)講演廳來(lái)說(shuō)，混響時(shí)間不能太長(zhǎng)。我們平時(shí)講話(huà)，每秒大約發(fā)出2至3個(gè)音節(jié)，如果混響時(shí)間太長(zhǎng)，發(fā)出下一個(gè)音節(jié)的時(shí)候上一個(gè)音節(jié)的聲音還很強(qiáng)，那就不容易聽(tīng)清楚?；祉憰r(shí)間也不能太短，太短了聽(tīng)起來(lái)聲音太小，就像在曠野里說(shuō)話(huà)，同樣聽(tīng)不清。處理各種建筑物的聲學(xué)特性，取得好的聲音效果，這門(mén)學(xué)問(wèn)叫作建筑聲學(xué)。北京回音壁是皇穹宇的圍墻，墻高米，厚米，直