人教版(新教材)高中物理選擇性必修1學案：3 3-3 4 波的反射、折射和衍射 波的干涉

人教版（新教材）高中物理選擇性必修第一冊PAGEPAGE1第3節(jié)波的反射、折射和衍射第4節(jié)波的干涉學習目標要求核心素養(yǎng)和關鍵能力1.知道波傳播到兩種介質交界面時會發(fā)生反射、折射現象。2.了解波的衍射現象和衍射圖樣，知道波發(fā)生明顯衍射現象的條件。3.知道衍射是波特有的現象。4.了解波的疊加原理。5.知道波的干涉現象和干涉圖樣。6.知道干涉現象是波特有的現象。1.核心素養(yǎng)利用矢量合成法分析波的疊加。2.關鍵能力利用波傳播的獨立性分析問題的能力。一、波的反射和折射1.波的反射(1)波的反射：波傳播過程中遇到介質界面會返回原介質繼續(xù)傳播的現象。(2)反射波的波長、波速、頻率跟入射波的相同。(3)波的反射定律：反射線、入射線和法線在同一平面內，反射線和入射線分別位于法線兩側，反射角等于入射角。如圖所示。2.波的折射(1)波的折射：波從一種介質進入另一種介質時，波的傳播方向發(fā)生改變的現象。(2)波的折射中，波的頻率不變，波速和波長發(fā)生改變。〖判一判〗(1)波向前傳播在兩介質的界面上要么發(fā)生反射，要么發(fā)生折射，二者不會同時發(fā)生。(×)(2)波發(fā)生反射時波的頻率不變，波速變小，波長變短。(×)(3)波發(fā)生折射時波的頻率不變，但波長、波速發(fā)生變化。(√)二、波的衍射1.定義：波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播的現象。2.實驗現象(1)實驗器材：在水槽里放兩塊擋板，中間留一個狹縫。(2)現象：狹縫寬度比波長大得多，波的傳播如同光沿直線傳播一樣，在擋板后面產生“陰影區(qū)”；在狹縫寬度與波長相差不多或者狹縫寬度比波長更小時，水波可以繞到擋板后面繼續(xù)傳播。3.發(fā)生明顯衍射現象的條件縫、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?！寂幸慌小?1)一切波遇到障礙物都會發(fā)生衍射現象。(√)(2)只有當障礙物的尺寸與波長差不多或比波長小時，才會發(fā)生衍射現象。(×)(3)當小孔大小一定時，波的頻率越大，衍射現象越明顯。(×)(4)當障礙物大小一定時，波的頻率越小，衍射現象越明顯。(√)三、波的干涉1.波的疊加原理：幾列波相遇時能夠保持各自的運動特征，繼續(xù)傳播，在它們重疊的區(qū)域里，介質的質點同時參與這幾列波引起的振動，質點的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的矢量和。2.定義：頻率相同、相位差恒定、振動方向相同的兩列波疊加時，某些區(qū)域的振動總是加強、某些區(qū)域的振動總是減弱，這種現象叫作波的干涉，形成的穩(wěn)定圖樣叫作干涉圖樣。3.產生干涉的條件：(1)兩列波的頻率必須相同；(2)兩個波源的相位差必須保持不變；(3)兩列波在相遇區(qū)域各質點引起的振動方向相同，干涉是波所特有的現象?！寂幸慌小?1)發(fā)生穩(wěn)定干涉現象的兩列波，它們的頻率一定相同。(√)(2)在振動加強的區(qū)域，有時質點的位移等于零。(√)(3)能產生穩(wěn)定干涉圖樣的兩列波疊加時，振動加強的位置和減弱的位置是不變的。(√)探究1波的反射和折射1.波的反射和折射的比較波現象比較項波的反射波的折射傳播方向改變i＝i′改變r≠i頻率f不變不變波速v不變改變波長λ不變改變2.說明(1)頻率f由波源決定。(2)波速v由介質決定。因折射波與入射波在不同的介質中傳播，所以波速變化。(3)據v＝fλ知，波長λ與v及f有關，即與介質和波源有關?！祭?〗圖中1、2、3分別代表入射波、反射波、折射波的波線，則()A.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〖答案〗D〖解析〗波發(fā)生反射時，在同一種介質中傳播，因此波長、波速和頻率不變，A、B錯誤；波發(fā)生折射時，頻率不變，波速變，波長變，故C錯誤，D正確。探究2波的衍射1.衍射是波特有的現象(1)一切波都能發(fā)生衍射現象，只是有的明顯，有的不明顯。(2)波的直線傳播只是在衍射不明顯時的近似。(3)波長較長的波容易產生明顯的衍射現象。2.產生明顯衍射現象的條件只有當縫、孔的寬度或障礙物尺寸跟波長相差不大，或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現象。(1)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，而是衍射現象是否明顯的條件。一般情況下，波長較長的波容易產生明顯的衍射現象。(2)波傳到孔或障礙物時，孔或障礙物仿佛是一個新的波源，由它發(fā)出的與原來同頻率的波(稱為子波)在孔或障礙物后傳播，于是，就出現了偏離直線傳播的衍射現象。(3)當孔的尺寸遠小于波長時盡管衍射十分突出，但由于衍射波的能量很弱，衍射現象不容易觀察到。〖例2〗(2021·河北玉田縣一中高二月考)如圖所示是利用水波槽觀察到的水波衍射圖樣，從圖樣可知()A.B側波是衍射波B.A側波速與B側波速相等C.增大水波波源的頻率，衍射現象將更明顯D.增大擋板之間的距離，衍射現象將更明顯〖答案〗B〖解析〗擋板左邊是衍射波的波源，故A錯誤；在同一種介質水中，機械波的波速相等，故B正確；波速不變，增大水波波源的頻率，水波的波長將減小，而擋板間距沒變，所以衍射現象將沒有原來的明顯，故C錯誤；在波長沒改變的情況下，增大擋板間距，衍射現象將沒有原來的明顯，故D錯誤?！坚槍τ柧?〗(多選)(2020·吉林高二期末)圖中S為在水面上振動的波源，M、N是水面上的兩塊擋板，其中N板可以上下移動，兩板中間有一狹縫，此時測得A處水沒有振動，為使A處水也能發(fā)生振動，可采用的方法是()A.使波源的頻率增大B.使波源的頻率減小C.移動N使狹縫的間距增大D.移動N使狹縫的間距減小〖答案〗BD〖解析〗A處質點沒有振動，說明波源S振動形成的波沒有衍射過去，原因是MN間的縫太寬或波長太小，因此若使A處質點振動，可采用N板上移減小狹縫間距或增大波的波長，即減小波源的頻率，故B、D正確，A、C錯誤。探究3波的干涉1.發(fā)生干涉的條件：(1)兩列波的頻率相同；(2)相位差恒定。2.干涉圖樣的特點(1)加強區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變。(2)加強區(qū)始終加強，減弱區(qū)始終減弱(加強區(qū)與減弱區(qū)不隨時間變化)。(3)加強區(qū)與減弱區(qū)互相間隔。3.振動加強點和振動減弱點(1)振動加強點：振動的振幅等于兩列波振幅之和，即A＝A1＋A2。(2)振動減弱點：振動的振幅等于兩列波振幅之差，即A＝|A1－A2|。(3)振動加強點和振動減弱點的判斷①條件判斷法：振動頻率相同、振動情況完全相同的兩波疊加時，設點到兩波源的路程差為Δx，當Δx＝|x2－x1|＝kλ(k＝0，1，2，…)時為振動加強點；當Δx＝|x2－x1|＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0，1，2，…)時為振動減弱點。若兩波源振動步調相反，則上述結論相反。②現象判斷法：若某點總是波峰與波峰或波谷與波谷相遇，該點為振動加強點，若某點總是波峰與波谷相遇，則為振動減弱點?！祭?〗(多選)如圖所示為兩個相干波源S1、S2產生的波在同一種均勻介質中相遇時產生的干涉圖樣。圖中實線表示某時刻的波峰，虛線表示波谷。下列說法正確的是()A.a、c兩點的振動加強，b、d兩點的振動減弱B.e、f兩點的振動介于加強點和減弱點之間C.經適當的時間后，加強點和減弱點的位置互換D.經半個周期后，原來位于波峰的點將位于波谷，原來位于波谷的點將位于波峰〖答案〗AD〖解析〗波的干涉圖樣所示的僅是某一時刻兩列相干波疊加的情況，形成干涉圖樣的所有介質質點都在不停地振動著，其位移的大小和方向都在不停地變化著。但要注意，對穩(wěn)定的干涉，振動加強和減弱的區(qū)域的空間位置是不變的。a點是波谷和波谷相遇的點，c點是波峰和波峰相遇的點，都是振動加強的點；而b、d兩點都是波峰和波谷相遇的點，是振動減弱的點，A正確；e位于加強點的連線上，為加強點，f位于減弱點的連線上，為減弱點，B錯誤；相干波疊加產生的干涉是穩(wěn)定的，不會隨時間變化，C錯誤；因形成干涉圖樣的介質質點也不停地做周期性振動，經半個周期步調相反，D正確。〖例4〗(2021·應城市一中高二月考)如圖所示，在均勻介質中S1和S2是同時起振(起振方向相同)、頻率相同的兩個機械波源，它們發(fā)出的簡諧波相向傳播。在介質中S1和S2平衡位置的連線上有a、b、c三點，已知S1a＝ab＝bc＝cS2＝eq\f(λ,2)(λ為波長)，則下列說法中正確的是()A.b點的振動總是最強，a、c兩點的振動總是最弱B.b點的振動總是最弱，a、c兩點的振動總是最強C.a、b、c三點的振動都總是最強D.a、b、c三點的振動都是有時最強有時最弱〖答案〗C〖解析〗已知S1a＝ab＝bc＝cS2＝eq\f(λ,2)(λ為波長)，則兩波源到b點的路程相等，則該點是振動加強點；而兩波源到a點的路程差為一個波長，則a點也是振動加強點；兩波源到c點的路程差也為一個波長，則此點也是振動加強點.因此a、b、c三點的振動都總是最強；故選項C正確?！坚槍τ柧?〗(多選)振源S1和S2在做簡諧運動，向四周分別發(fā)出振幅為A1、A2的兩列橫波，形成如圖所示的干涉圖樣，圖中實線表示波峰，虛線表示波谷，N點為波峰與波谷相遇點，M點為波峰與波峰相遇點，下列說法正確的是()A.兩個振源S1和S2的振動頻率一定相同B.N點為振動減弱點，M點為振動加強點C.從圖示時刻經過一個周期，N點通過的路程一定為0D.從圖示時刻經過半個周期，M點通過的路程為A1＋A2〖答案〗AB〖解析〗只有頻率相同的兩列同性質的波相遇，才能產生穩(wěn)定的干涉圖樣，故A正確；M點是波峰與波峰疊加，是振動加強點；N點是波峰與波谷疊加，為振動減弱點，故B正確；從圖示時刻經過一個周期，N點通過的路程是振幅的4倍，而位移卻不一定為0，故C錯誤；從圖示時刻經過半個周期，M點通過的路程為2(A1＋A2)，故D錯誤。1.(波的反射)(多選)下列哪些現象是由聲音的反射形成的()A.夏天下雨時，我們總是先看到閃電，后聽到雷聲B.北京天壇的回音壁的回音現象C.同樣的聲音在房間里比在曠野里聽起來響亮些D.在火車站候車大廳中，我們有時聽不清播音員的聲音〖答案〗BCD〖解析〗先看到閃電，后聽到雷聲是由于光比聲音傳播得快，不是聲音的反射，故A錯誤；聲音可以同光一樣，具有反射現象，選項B、C、D中描述的都是聲音的反射現象。2.(波的衍射)(多選)(2020·古浪縣二中高二期中)如圖，下列各圖分別表示一列水波在傳播過程中遇到了小孔(A、B圖)或障礙物(C、D圖)，其中能發(fā)生明顯衍射現象的有()〖答案〗BD〖解析〗發(fā)生明顯衍射的條件是：障礙物(或孔)的尺寸跟波長差不多甚至比波長還小。圖A中孔的尺寸比水波的波長差不多大兩倍，衍射不明顯，故A錯誤；圖B中孔的尺寸比水波的波長還小，能發(fā)生明顯衍射，故B正確；圖C中障礙物的尺寸比水波的波長大好幾倍，衍射不明顯，故C錯誤；圖D中障礙物的尺寸比水波的波長還小，能發(fā)生明顯衍射，故D正確。3.(波的疊加)(多選)(2020·海南海口高二期中)如圖所示，S1、S2是兩個相干波源，它們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，下列說法中正確的有()A.該時刻a質點振動最弱，b、c質點振動最強，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eq\f(T,4)后的時刻b、c兩個質點都將處于各自的平衡位置，將變成減弱點〖答案〗BC〖解析〗質點a處是兩列波波峰與波谷疊加的地方，振動始終是最弱的，而b、c質點處是兩列波波峰與波峰或波谷與波谷疊加的地方，由于兩波源振動同步，且d在兩波源連線的中垂線上，故d處于振動加強區(qū)域，所以b、c、d振動始終是最強的，A錯誤，B、C正確；圖示時刻b在波峰，c在波谷，再過eq\f(T,4)后的時刻b、c質點都將處于各自的平衡位置，但b、c兩點的振動始終是加強的，D錯誤。4.(波的干涉)(2020·保定容大中學開學考)甲、乙兩列波振幅分別為A、eq\f(A,2)，在同一介質中相向傳播，某時刻的波形圖如圖所示，x＝4m處的質點再過1s將第一次到達波谷，以下說法正確的是()A.這兩列波不能產生干涉現象B.經過4s兩波會相遇C.x＝7m處的質點振幅為AD.x＝6m處的質點振動加強〖答案〗D〖解析〗因甲波沿x軸正方向傳播，且x＝4m處的質點再過1s將第一次到達波谷，所以eq