2025版新教材高中物理主題2機(jī)械振動(dòng)與機(jī)械波9波的反射折射和衍射學(xué)案新人教版必修第一冊(cè)

PAGE7-9波的反射、折射和衍射學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1．了解波面和波線的概念．2．駕馭惠更斯原理，理解用惠更斯原理說明波的反射和折射現(xiàn)象．(難點(diǎn))3．知道波反射和折射的規(guī)律．(重點(diǎn))4．理解什么是波的衍射現(xiàn)象，知道衍射是波特有的現(xiàn)象．5．知道波發(fā)生明顯衍射的條件．(重點(diǎn))學(xué)問點(diǎn)一|波面和波線惠更斯原理eq\a\vs4\al([先填空])1．波面：在波的傳播過程中，任一時(shí)刻振動(dòng)狀態(tài)都相同的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)所組成的面．2．波線：與波面垂直指向傳播方向的直線，如圖所示．3．波的分類(1)球面波：波面是球面的波．(2)平面波：波面是平面的波．4．惠更斯原理(1)內(nèi)容介質(zhì)中任一波面上的各點(diǎn)，都可以看作放射子波的波源，其后隨意時(shí)刻，這些子波在波前進(jìn)方向的包絡(luò)面就是新的波面．(2)現(xiàn)象說明只能說明衍射現(xiàn)象中波的傳播方向，不能說明波的強(qiáng)度．無法說明衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物大小的關(guān)系．eq\a\vs4\al([再推斷])1．波面肯定與波線垂直． (√)2．波面肯定是平面． (×)3．波的傳播方向與波面平行． (×)eq\a\vs4\al([后思索])1．依據(jù)惠更斯原理可得出：波在傳播過程中，一個(gè)波源變成了多數(shù)個(gè)波源，這種說法正確嗎？【提示】不正確．波源只有一個(gè)，而子波的波源有多數(shù)個(gè)．2．波面肯定是平面嗎？依據(jù)圖和圖思索波線與波面的關(guān)系是怎樣的．【提示】波面不肯定是平面．波線與波面相互垂直，肯定條件下由波面可確定波線，由波線可確定波面．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．惠更斯原理的實(shí)質(zhì)：波面上的每一點(diǎn)(面源)都是一個(gè)次級(jí)球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級(jí)波的波速和頻率，此后每一時(shí)刻的子波波面的包絡(luò)面就是該時(shí)刻總的波動(dòng)的波面．其核心思想是介質(zhì)中任一處的波動(dòng)狀態(tài)是由各處的波動(dòng)確定的．2．利用惠更斯原理說明波的傳播：如圖所示，以O(shè)為球心的球面波在時(shí)刻t的波面為γ，依據(jù)惠更斯原理，γ面上每個(gè)點(diǎn)都是子波的波源．設(shè)各個(gè)方向的波速都是v，在Δt時(shí)間之后各子波的波面如圖中一個(gè)個(gè)的小圓所示，它的半徑是vΔt.γ′是這些子波波面的包絡(luò)面，它就是原來球面波的波面γ在時(shí)間Δt后的新位置．可以看出，新的波面仍是一個(gè)球面，它與原來球面的半徑之差為vΔt，表示波向前傳播了vΔt的距離．與此類似，可以用惠更斯原理說明平面波的傳播(如圖所示)．3．惠更斯原理的局限性：光的直線傳播、反射、折射等都能用此來進(jìn)行較好的說明．但是，惠更斯原理是比較粗糙的，用它不能說明衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物大小的關(guān)系，而且由惠更斯原理推知有倒退波的存在，而倒退波明顯是不存在的．1．下列說法中正確的是()A．惠更斯原理能說明波的衍射現(xiàn)象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E．橫波和縱波都能形成球面波答案：ABE2．下列說法中正確的是()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E．子波的波速與頻率等于初級(jí)波的波速和頻率解析：不管是平面波，還是球面波，其波面與波線均垂直，選項(xiàng)A錯(cuò)誤、B正確；只有波線才表示波的傳播方向，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤．波面上的每一點(diǎn)(面源)都是一個(gè)次級(jí)球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級(jí)波的波速和頻率，E對(duì)．答案：BCE利用惠更斯原理說明波的傳播的一般步驟(1)確定一列波某時(shí)刻一個(gè)波面的位置．(2)在波面上取兩點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)作為子波的波源．(3)選一段時(shí)間Δt.(4)依據(jù)波速確定Δt時(shí)間后子波波面的位置．(5)確定子波在波前進(jìn)方向上的包絡(luò)面，即為新的波面．(6)由新的波面可確定波線及其方向．學(xué)問點(diǎn)二|波的反射和折射eq\a\vs4\al([先填空])1．反射現(xiàn)象波遇到介質(zhì)界面會(huì)返回來接著傳播的現(xiàn)象．2．折射現(xiàn)象波從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)，波的傳播方向發(fā)生變更的現(xiàn)象．eq\a\vs4\al([再推斷])1．入射波的波線與界面的夾角叫入射角． (×)2．反射波的波線與法線的夾角叫作反射角． (√)3．反射波的波線，折射波的波線與界面的法線在同一平面內(nèi)． (√)eq\a\vs4\al([后思索])人們聽不清對(duì)方說話時(shí)，除了讓一只耳朵轉(zhuǎn)向?qū)Ψ?，還習(xí)慣性地把同側(cè)的手附在耳旁，如圖這樣做是利用聲波的什么特點(diǎn)提高耳朵的接收實(shí)力？【提示】在耳廓原有形態(tài)、面積的基礎(chǔ)上增加一個(gè)手的面積是為了增加波的反射面積來提高耳朵的接收實(shí)力．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．回聲測(cè)距(1)當(dāng)聲源不動(dòng)時(shí)，聲波遇到了靜止障礙物會(huì)返回來接著傳播，由于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狀況下，用的時(shí)間相等，設(shè)經(jīng)過時(shí)間t聽到回聲，則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(dòng)或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)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)離靜止的聲源時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離s＝(v聲－v)eq\f(t,2).2．超聲波定位蝙蝠、海豚能發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物或捕食目標(biāo)時(shí)會(huì)被反射回來．蝙蝠、海豚就是依據(jù)接收到反射回來的超聲波來確定障礙物或食物的位置，從而確定飛行或游動(dòng)方向．3．波的反射、折射現(xiàn)象中各量的變更(1)頻率(f)由波源確定：故無論是反射波還是折射波都與入射波的頻率相等，即波源的振動(dòng)頻率相同．(2)波速(v)由介質(zhì)確定：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，波速變更．(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．詳細(xì)見下表所示．波現(xiàn)象波的反射波的折射傳播方向變更θ反＝θ入變更θ折≠θ入頻率f不變不變波速v不變變更波長(zhǎng)λ不變變更3．一列聲波從空氣中傳入水中，已知水中聲速較大，則聲波頻率________，波長(zhǎng)________．解析：由于波的頻率由波源確定，因此波無論在空氣中還是在水中頻率都不變．又因波在水中速度較大，由公式v＝λf可得，波在水中的波長(zhǎng)變大．答案：不變變大4．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)過0.5s聽到回聲，則海水深為多少？(3)若物體以5m/s的速度由海面對(duì)海底運(yùn)動(dòng)，解析：(1)由f＝eq\f(v,λ)得f＝eq\f(340,1)Hz＝340Hz，因波的頻率不變，則在海水中的波速為v海＝λ′f＝4.5×340m/s＝1530(2)入射聲波和反射聲波用時(shí)相同，則海水深為h＝v海eq\f(t,2)＝1530×eq\f(0.5,2)m＝382.5m.(3)物體與聲音運(yùn)動(dòng)的過程示意圖如圖所示，設(shè)聽到回聲的時(shí)間為t′，則v物t′＋v海t′＝2h代入數(shù)據(jù)解得t′＝0.498s答案：(1)3401530(2)382.5m(3)0.498回聲測(cè)距的方法技巧利用回聲測(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上傳播．(1)若是一般狀況下的反射，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)，要特殊留意聲源是否運(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)解決波的反射問題，關(guān)鍵是依據(jù)物理情景規(guī)范作出幾何圖形，然后利用幾何學(xué)問結(jié)合物理規(guī)律進(jìn)行解題．學(xué)問點(diǎn)三|波的衍射eq\a\vs4\al([先填空])1．定義波可以繞過障礙物接著傳播，這種現(xiàn)象叫作波的衍射．2．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(zhǎng)相差不多或者比波長(zhǎng)更小時(shí)，才能視察到明顯的衍射現(xiàn)象．3．一切波都能發(fā)生衍射，衍射是波特有的現(xiàn)象．eq\a\vs4\al([再推斷])1．孔的尺寸比波長(zhǎng)大得多時(shí)就不會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象． (×)2．孔的尺寸比波長(zhǎng)小能視察到明顯的衍射現(xiàn)象． (√)3．超聲波比一般聲波的波長(zhǎng)?。? (√)eq\a\vs4\al([后思索])1．只有當(dāng)障礙物或狹縫的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多時(shí)，才能發(fā)生波的衍射現(xiàn)象嗎？【提示】障礙物或狹縫的尺寸大小，并不是確定衍射能否發(fā)生的條件，僅是能否發(fā)生明顯衍射的條件．衍射是波特有的現(xiàn)象，一切波都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象．2．是否孔的尺寸越小，衍射現(xiàn)象越簡(jiǎn)單視察？【提示】不是．當(dāng)孔的尺寸特別小時(shí)，衍射波的能量很弱，事實(shí)上很難視察到波的衍射．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1.衍射是波特有的現(xiàn)象，一切波都可以發(fā)生衍射．凡能發(fā)生衍射現(xiàn)象的都是波．2．波的衍射總是存在的，只有“明顯”與“不明顯”的差異，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波簡(jiǎn)單發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象．3．波傳到小孔(障礙物)時(shí)，小孔(障礙物)仿佛一個(gè)新波源，由它發(fā)出與原來同頻率的波在孔(障礙物)后傳播，就偏離了直線方向．因此，波的直線傳播只是在衍射不明顯時(shí)的近似狀況．5.一列波在傳播過程中通過一個(gè)障礙物，發(fā)生了肯定程度的衍射，以下哪種狀況可以使衍射現(xiàn)象更明顯()A．增大障礙物的尺寸B．減小波的頻率C．縮小障礙物的尺寸D．增大波的頻率E．縮小障礙物的尺寸，同時(shí)減小波的頻率解析：波在介質(zhì)中傳播時(shí)波速是由介質(zhì)確定的，與波的頻率無關(guān)，所以變更波的頻率不會(huì)變更波速，但由v＝λf可知，當(dāng)波速肯定時(shí)，減小頻率則波長(zhǎng)增大．而發(fā)生明顯衍射的條件是障礙物或孔、縫的尺寸比波長(zhǎng)小或相差不多，要使衍射現(xiàn)象變得明顯，可以通過縮小障礙物的尺寸，同時(shí)增大波長(zhǎng)即減小波的頻率來實(shí)現(xiàn)，BCE選項(xiàng)正確．答案：BCE6．如圖