惠更斯原理 波的反射與折射

1、2.4 2.4 惠更斯原理惠更斯原理 波的反射與折射波的反射與折射一、惠更斯原理一、惠更斯原理觀察思考 從波源發(fā)出的波經(jīng)過同一傳播時間而到達的各點所組成的面，叫做波面波面，最前面的波面叫做波前波前.波面是平面的波稱為平面波平面波；波面是圓（球）形的波稱為圓（球）波形圓（球）波形. 從波源沿著波的傳播方向畫出的帶箭頭的線稱為波線波線，它表示波動的傳播方向.平面波的波線是垂直于波面的平行線，圓形波的波線是沿著以波源為中心的半徑方向向外的射線.波面波線波面波線 從實驗中可以看到：在直線波紋的水波傳播過程中，到達一個寬度與波長相差不多的狹縫時，水波穿過了狹縫，狹縫后面的波紋呈圓形，以狹縫為圓心沿半徑方

2、向向周邊傳去，好像狹縫就是波源一樣，如圖2-4-2所示. 荷蘭物理學家惠更斯惠更斯研究波的現(xiàn)象時，于1690年提出：波在傳播過程中所到達的每一點都可看做新的波源，從這波在傳播過程中所到達的每一點都可看做新的波源，從這些點發(fā)出球面形狀的子波，其后任一時刻這些子波波前的些點發(fā)出球面形狀的子波，其后任一時刻這些子波波前的包絡面就是新的波前包絡面就是新的波前.這就是惠更斯原理. 根據(jù)這一原理，我們可以用幾何作圖的方法，由已知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，所以惠更斯原理又叫做惠更惠更斯原理又叫做惠更斯作圖法斯作圖法. 在圖2-4-3中，應用惠更斯原理，用作圖法描繪了平面波、球形波

3、的傳播情況.在圖中波的傳播速度為v，t時刻的波前用紫線表示，以波前上的每一點為球心，以vt為半徑，作出的小球面表示子波，這些子波的包絡面，即為t+t時刻的波前，圖中用藍線表示.球面波球面波波源波源.平面波平面波.t傳傳播播方方向向t t + + t t 波面波面t t 波面波面?zhèn)鱾鞑ゲシ椒较蛳騮 t 波面波面t t + + t t 波面波面utut.t 時刻的波面時刻的波面t+t時刻的波面時刻的波面子波波源子波波源tv 用惠更斯原理確定下一時刻平面波的波面確定下一時刻球面波的波面確定下一時刻球面波的波面.子波波源子波波源t+t時刻時刻的波面的波面t 時刻時刻的波面的波面tv二、波的反射二、波的

4、反射 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)象叫做波的反射反射. 如圖2-4-4所示，在介質(zhì)中有一列平面波，其波速為v1，在t1時刻波前AE與分界面相遇于A點，t2時刻波前上的B點與分界面相遇于C點.應用惠更斯作圖法，可由已知的入射波的波前，求出反射波的波前，從而求出反射線（即反射波線），并得到波的反射定律. 其步驟如下： （1）標明通過兩種介質(zhì)分界面XY上A、C兩點的法線N1N1、N2N2，畫出入射波的波前AB和垂直于它的入射波線PA、QC. （2）畫出子波波前. 從A到C中間點的子波在t2時刻的波前的半徑將依次減小，在C點為零，在圖中用綠線表示. （3）畫出各子波

5、波前的包絡面，即反射波的波前. 作在t2時刻各子波波前的切面CD，CD就是子波的包絡面，即為反射波的波前. （4）作出反射線，即垂直于反射波波面的直線. 入射點A與切點D相連，AD即為反射線，與法線的夾角i為反射角. 通過以上的步驟的分析，我們可以得到波的反射遵循的規(guī)律，即為反射定律. 因為我們在同一介質(zhì)中波速相等，所以入射波速與反射波速相同，以v1表示.圖中AD等于A點發(fā)出的子波在t2時刻的半徑.BC為入射波在t2 - t1時間內(nèi)傳播的距離. 所以 在RtADC和RtABC中， 因為 所以 ， 因為 得)(121ttvAD)(121ttvBCBCAD ADCABCBCADAC90BCAiDA

6、Ciii BCAD 入射波的波面入射波的波面反射波的波面反射波的波面入射波的波線入射波的波線反射波的波線反射波的波線反射定律：當波傳播到兩種介質(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.反射定律反射定律三、波的折射三、波的折射 波在傳播過程中，從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，波傳播的方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象叫做波的折射折射. 波發(fā)生折射的原因是在不同介質(zhì)中波的速度不同. 惠更斯作圖法也可以描繪波的折射（圖2-4-5），由已知的入射波波前求出折射波波前，并由此得出波的折射定律折射定律：波在介質(zhì)中發(fā)生折

7、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).CAiiBDrr入射波的波面入射波的波面折射波的波面折射波的波面折射定律折射定律 從上式中，可以知道：當v1v2時，ir，即折射線偏向法線；當v1v2時，ir，即折射線偏離法線；當垂直界面入射（i=0）時，r=0，波的傳播方向不變，是折射中的特殊情況. 在折射中，波的頻率保持不變，波速和波長都會發(fā)生變化，根據(jù) ，當波進入新的介質(zhì)后，若波速增大，則波長變大；若波速減小，則波長減小.ri

8、vvsinsin21fv：特點：波線與波面互相垂直特點：波線與波面互相垂直內(nèi)容：內(nèi)容：入射線、法線、反射線在同一平面內(nèi)，入射入射線、法線、反射線在同一平面內(nèi)，入射線與反射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角。線與反射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角。注意：注意：反射波的波長、頻率、波速都跟入射波相同反射波的波長、頻率、波速都跟入射波相同拆射定律：拆射定律：（1）波在介質(zhì)中發(fā)生折射時，入射線、）波在介質(zhì)中發(fā)生折射時，入射線、法線、折射線在同一平面內(nèi)，入射線和折射線分別法線、折射線在同一平面內(nèi)，入射線和折射線分別位于法線兩側(cè)（位于法線兩側(cè)（2）在波的折射中，頻率不變，波速和波長都發(fā)生改變。在波的折射中

9、，頻率不變，波速和波長都發(fā)生改變。sinsin21ivv 1回聲是聲波的反射現(xiàn)象回聲是聲波的反射現(xiàn)象 對著山崖或高墻說話，聲波傳到山崖或高墻時，會對著山崖或高墻說話，聲波傳到山崖或高墻時，會被反射回來繼續(xù)傳播被反射回來繼續(xù)傳播 2夏日的雷聲轟鳴不絕夏日的雷聲轟鳴不絕 聲波在云層界面多次反射聲波在云層界面多次反射3在空房間里講話感覺聲音響在空房間里講話感覺聲音響 聲波在普通房間里遇到墻壁，地面，天花板發(fā)生反聲波在普通房間里遇到墻壁，地面，天花板發(fā)生反射時，由于距離近，射時，由于距離近，原聲與回聲幾乎同時到達人原聲與回聲幾乎同時到達人耳耳人耳只能分開相差人耳只能分開相差0.1s以上的聲音以上的聲音

10、所以，在房間所以，在房間里聽不到回聲，人在房間里講話感覺聲音比在野外大，里聽不到回聲，人在房間里講話感覺聲音比在野外大，而普通房間里的幔帳、地毯、衣物等會吸收聲波，會而普通房間里的幔帳、地毯、衣物等會吸收聲波，會影響室內(nèi)的聲響效果影響室內(nèi)的聲響效果雷達和隱形飛機：雷達和隱形飛機：雷達是利用無線電波發(fā)現(xiàn)目標，并測定其位雷達是利用無線電波發(fā)現(xiàn)目標，并測定其位置的設備。由于無線電波具有恒速、定向傳播的規(guī)律，因此，置的設備。由于無線電波具有恒速、定向傳播的規(guī)律，因此，當雷達波碰到飛行目標當雷達波碰到飛行目標(飛機、導彈）等時，一部分雷達波便會飛機、導彈）等時，一部分雷達波便會反射反射回來，根據(jù)反射雷達

11、波的時間和方位便可以計算出飛行目回來，根據(jù)反射雷達波的時間和方位便可以計算出飛行目標的位置。由于一般飛機的外形比較復雜，總有許多部分能夠標的位置。由于一般飛機的外形比較復雜，總有許多部分能夠強烈反射雷達波，因此整個隱形飛機強烈反射雷達波，因此整個隱形飛機F117飛機表面涂以黑色的飛機表面涂以黑色的吸收雷達波吸收雷達波的涂料。的涂料。 B超超 人體各個內(nèi)臟的表面對人體各個內(nèi)臟的表面對超聲波的反射能力是不同的，超聲波的反射能力是不同的，健康內(nèi)臟和病變內(nèi)臟的反射能健康內(nèi)臟和病變內(nèi)臟的反射能力也不一樣平常說的力也不一樣平常說的“B超超”就是根據(jù)就是根據(jù)內(nèi)臟反射的超聲波內(nèi)臟反射的超聲波進進行行造影造影，

12、幫助醫(yī)生分析體內(nèi)的，幫助醫(yī)生分析體內(nèi)的病變的。病變的。 “B超超”是亮度調(diào)制型超聲診是亮度調(diào)制型超聲診斷儀的簡稱。由于能在熒光屏斷儀的簡稱。由于能在熒光屏上顯示出斷面圖像，所以又稱上顯示出斷面圖像，所以又稱斷面顯像儀。斷面顯像儀。它所顯示的圖像具有與人體解剖位置直接對應的特點，所它所顯示的圖像具有與人體解剖位置直接對應的特點，所以十分直觀，使用方便，診斷正確率高。近年來，以十分直觀，使用方便，診斷正確率高。近年來，B型超型超聲顯象儀已被用于許多臟器的檢查，但腦和眼等部位的輔聲顯象儀已被用于許多臟器的檢查，但腦和眼等部位的輔助檢查仍以助檢查仍以A型為主。型為主。蝙蝠的蝙蝠的“眼睛眼睛”：18世紀，意大利教士兼生物學家斯帕蘭扎世紀，意大利教士兼生物學家斯帕蘭扎尼研究蝙蝠在夜間活動時，發(fā)現(xiàn)蝙蝠是靠高頻率的尖叫來確尼研究蝙蝠在夜間活動時，發(fā)現(xiàn)蝙蝠是靠高頻率的尖叫來確定障礙物的位置的。這種尖叫聲