浙江專版2023-2024學(xué)年新教材高中物理新人教版選擇性必修第一冊 3.3 波的反射折射和衍射（課件+訓(xùn)練提升）（2份）

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3波的反射、折射和衍射

課前·基礎(chǔ)認(rèn)知

課堂·重難突破

素養(yǎng)·目標(biāo)定位

隨堂訓(xùn)練

素養(yǎng)·目標(biāo)定位

目標(biāo)素養(yǎng)

1.知道波的反射和波的反射規(guī)律,知道波的折射和波的折射規(guī)律,形成正確的物理觀念。

2.知道什么是衍射現(xiàn)象,掌握發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件,培養(yǎng)科學(xué)思維能力。

知識概覽

課前·基礎(chǔ)認(rèn)知

一、波的反射和折射

1.波的反射。

(1)當(dāng)水波遇到擋板時會發(fā)生反射。

(2)反射線、法線與入射線在同一平面內(nèi),反射線與入射線分居法線兩側(cè),反射角等于入射角。

2.波的折射。

(1)波在傳播過程中,從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時,波傳播的方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象叫作波的折射。

(2)一切波都會發(fā)生折射現(xiàn)象。

二、波的衍射

1.定義:波可以繞過障礙物繼續(xù)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相差不多,或者比波長更小時,才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。

3.一切波都能發(fā)生衍射,衍射是波特有的現(xiàn)象。

微思考日常生活中“聞其聲而不見其人”的物理現(xiàn)象的原因是什么

提示:聲波的波長比較長,容易發(fā)生衍射,能繞過一般的障礙物,而可見光波長很短,不容易發(fā)生衍射現(xiàn)象,故生活中常有聽到人的聲音而看不到人。

課堂·重難突破

一對波的反射和折射的理解

重難歸納

1.回聲測距。

當(dāng)聲源不動時,聲波遇到靜止障礙物會返回來繼續(xù)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情況下,用的時間相等,設(shè)經(jīng)過時間t聽到回聲,則聲源距障礙物的距離為

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)時會被反射回來。蝙蝠、海豚就是根據(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方向。

3.波的反射、折射現(xiàn)象中各量的變化。

(1)頻率(f)由波源決定: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λ與波速和頻率有關(guān)。反射波與入射波,頻率相同、波速相同,故波長相同,折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播,頻率相同,波速不同,故波長不同。具體如下表所示。

波現(xiàn)象波的反射波的折射

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λ不變改變

一列聲波從空氣中傳入水中,已知水中聲速較大,則聲波從空氣中傳入水中后,聲波的頻率和波長將如何變化

提示:由于波的頻率由波源決定,因此波無論在空氣中傳播還是在水中傳播頻率都不變。又因波在水中速度較大,由公式v=λf可得,波在水中的波長變大。

典例剖析

在漁船上利用超聲波可以探測魚群的位置,當(dāng)它向選定的方向發(fā)射出頻率為5.8×104Hz的超聲波后,經(jīng)過0.64s收到從魚群反射回來的反射波,已知5.8×104Hz的超聲波在水中的波長為2.5cm,則這群魚到漁船的距離為m。

答案:464

解析:超聲波在水中的傳播速度

v=λf=2.5×10-2×5.8×104m/s=1.45×103m/s。

所以魚群到船的距離

規(guī)律總結(jié)回聲測距的方法技巧

利用回聲測距是波的反射的一個重要應(yīng)用,它的特點是聲源正對障礙物,聲源發(fā)出的聲波與回聲在同一條直線上傳播。

1.若是一般情況下的反射,反射波和入射波是遵從反射規(guī)律的,可用反射規(guī)律作圖后再求解。

2.利用回聲測距時,要特別注意聲源是否運(yùn)動,若聲源運(yùn)動,聲源發(fā)出的原聲至障礙物再返回至聲源的這段時間與聲源的運(yùn)動時間相同。

3.解決波的反射問題,關(guān)鍵是根據(jù)物理情境規(guī)范作出幾何圖形,然后利用幾何知識結(jié)合物理規(guī)律進(jìn)行解題。

學(xué)以致用

某物體發(fā)出的聲音在空氣中的波長為1m,波速為340m/s,在海水中的波長為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聽到回聲,則海水深為多少

答案:(1)3401530(2)382.5m

因波的頻率不變,

則在海水中的波速為v海=λ海f=4.5×340m/s=1530m/s。

(2)入射聲波和反射聲波用時相同,則海水深為

二波的衍射現(xiàn)象

重難歸納

1.關(guān)于衍射的條件。

應(yīng)該說衍射是沒有條件的,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差不多,或比波長小是產(chǎn)生明顯衍射的條件。

2.波的衍射實質(zhì)分析。

波傳到小孔(障礙物)時,小孔(障礙物)仿佛是一個新波源,由它發(fā)出的與原來同頻率的波在小孔(障礙物)后傳播,就偏離了直線方向。波的直線傳播只是在衍射不明顯時的近似情況。

3.衍射現(xiàn)象與觀察的矛盾。

當(dāng)孔的尺寸遠(yuǎn)小于波長時盡管衍射十分突出,但由于衍射波的能量很弱,衍射現(xiàn)象不容易觀察到。

既然一切波都能夠發(fā)生衍射,那為什么生活中見不到光的衍射現(xiàn)象

提示:可見光的波長通常在0.4~0.7μm的范圍內(nèi),跟一般障礙物的尺寸相比非常小,所以通常的情況下看不到光的衍射,看到的是光的直線傳播。

典例剖析

(多選)右圖為演示波的衍射的裝置,S為水平面上振動的波源,M、N是水面上的兩塊擋板,其中N板可以移動,兩板間形成一狹縫,此時測得圖中A處沒有振動,下列說法正確的是

()

A.使波源的振動頻率增大,可以使A處的水振動起來

B.使波源的振動頻率減小,可以使A處的水振動起來

C.移動N板使狹縫間距增大,可以使A處的水振動起來

D.當(dāng)A點振動后,擋板兩邊的波紋間距相等

答案:BD

解析:A處沒有振動說明不能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象,要發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象,必須減小狹縫的寬度或增大波長,所以選項C錯誤。要想增大波長,由知,當(dāng)f減小時,λ增大,所以選項B正確,A錯誤。發(fā)生衍射前后,波的頻率、波速和波長都是不變的,擋板兩邊的波紋間距相等,選項D正確。

學(xué)以致用

(多選)在做水波通過小孔衍射的演示實驗中,激發(fā)水波的振動發(fā)生器振動頻率為5Hz,水波在水槽中傳播速度為5cm/s,小孔直徑d選用下列哪些尺寸可使實驗效果比較明顯()

A.1mB.0.8mC.0.8cmD.1.2cm

答案:CD

解析:在水槽中,振子振動所激發(fā)的水波波長為cm=1cm,小孔尺寸與波長相差不大時,易發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象。所以選項C、D正確。

隨堂訓(xùn)練

1.(多選)以下關(guān)于波的認(rèn)識,正確的是()

A.潛水艇利用聲吶探測周圍物體的分布情況,用的是波的反射原理

B.隱形飛機(jī)怪異的外形及表面涂特殊吸波材料,是為了減少波的反射,從而達(dá)到隱形的目的

C.雷達(dá)的工作原理是利用波的直線傳播

D.水波從深水區(qū)傳到淺水區(qū)改變傳播方向的現(xiàn)象,是波的折射現(xiàn)象

答案:ABD

解析:聲吶、雷達(dá)都是利用接收反射波來進(jìn)行定位的,選項A正確,C錯誤。D選項中水波的傳播方向發(fā)生改變屬于波的折射現(xiàn)象,選項D正確。隱形飛機(jī)通過減少波的反射達(dá)到隱形的目的,選項B正確。

2.有一障礙物的尺寸為10m,下列哪列波在遇到它時衍射現(xiàn)象最明顯()

A.波長為4m的機(jī)械波

B.波長為10m的機(jī)械波

C.頻率為100Hz的聲波

D.頻率為5000MHz的電磁波(波速為3×108m/s)

答案:B

解析:空氣中聲波波速大約為340m/s,由可算出頻率為100Hz的聲波的波長為3.4m;同理可算出頻率為5000MHz的電磁波的波長為0.06m。選項B中波長與障礙物尺寸相同,衍射現(xiàn)象最明顯。選項B正確。

3.下列各圖分別表示一列水波在傳播過程中遇到了小孔(①②圖)或障礙物(③④圖),每兩條相鄰曲線(圖中曲線)之間距離表示一個波長,其中能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的有()

A.③④B.②④C.①③D.①②

答案:B

解析:一列水波在傳播過程中遇到了小孔(①②圖),相比而言②圖的孔洞的尺寸比①圖小,且②的波長與小孔的尺寸差不多,所以②圖能比①圖發(fā)生更明顯的衍射現(xiàn)象;一列水波在傳播過程中遇到了障礙物(③④圖),相比而言④圖的障礙物的尺寸比③圖小,且④圖的波長大于障礙物的尺寸,所以④圖能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。故選項B正確。

4.天空有近似等高的濃云層。為了測量云層的高度,在水平地面與觀測者的距離為d=3.0km處進(jìn)行一次爆炸,觀測者聽到由空氣直接傳來的爆炸聲和由云層反射來的爆炸聲時間上相差Δt=6.0s,試估算云層下表面距水平地面的高度。(已知空氣中的聲速)

答案:2.0km

解析:由題意畫出聲波傳播平面圖如圖所示。3波的反射、折射和衍射

課后·訓(xùn)練提升

基礎(chǔ)鞏固

一、選擇題Ⅰ(每小題列出的四個備選項中只有一個是符合題目要求的)

1.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(zhì)中運(yùn)動,因此波長、波速和頻率不變,故選項A、B錯誤;波發(fā)生折射時,頻率不變,波速變,波長變,故選項C錯誤,D正確。

2.聲波能繞過某一建筑物傳播而光卻不能繞過該建筑物,這是因為()

A.聲波是縱波,光是橫波

B.聲波振幅大,光振幅小

C.聲波波長較長,光波長很短

D.聲波波速較小,光速很大

答案C

解析波發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是孔縫的寬度或障礙物尺寸與波長相比差不多或比波長更小。由于聲波的波長比較長,而可見光的波長很短,故聲波可發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象而光無法發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象,故只有選項C正確。

3.已知空氣中的聲速為340m/s。現(xiàn)有幾種聲波:①周期為0.05s,②頻率為104Hz,③波長為10m。它們傳播時若遇到寬約為13m的障礙物,能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象的是()

A.①和②B.②和③

C.①和③D.都可以

答案C

解析由公式v=,得周期為0.05s的聲波的波長為λ1=vT=340×0.05m=17m,故①能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象;由公式v=λf得頻率為104Hz的聲波的波長為λ2=m=0.034m,故②不能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象;波長為10m的聲波,障礙物寬度與該聲波波長相差不大,故③能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象。故選項C正確,A、B、D錯誤。

4.音箱裝飾布網(wǎng)既美觀又能阻止灰塵進(jìn)入音箱內(nèi)部,但是它又有不利的一面,對于音箱發(fā)出的聲音來說,布網(wǎng)就成了障礙物,它阻礙了聲音的傳播,造成了聲音失真,有的生產(chǎn)廠家就把裝飾布網(wǎng)安裝了子母扣,這樣聽音樂時就可以把布網(wǎng)卸下來,從而獲得高保真的聽覺效果。聽同樣的音樂不卸下布網(wǎng)和卸下布網(wǎng)相比較,你認(rèn)為聲音損失掉的主要是()

A.高頻部分B.低頻部分

C.中頻部分D.不能確定

答案A

解析由v=λf知,波速一定時,頻率越高、波長越小。波長越小,越不易發(fā)生衍射現(xiàn)象,故不卸布網(wǎng)損失掉的主要是高頻部分,所以選項A正確。

5.如圖所示,圖中O點是水面上一波源,實線、虛線分別表示該時刻的波峰、波谷,AB是擋板,CD是小孔,經(jīng)過一段時間,水面上的波形將分布于()

A.整個區(qū)域

B.陰影Ⅰ以外區(qū)域

C.陰影Ⅱ以外區(qū)域

D.上述答案均不對

答案B

解析從題圖中可以看出擋板比水波波長大得多,因此波不會繞過擋板,而小孔的大小與波長差不多,能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象,故選項B正確。

二、選擇題Ⅱ(每小題列出的四個備選項中至少有一個是符合題目要求的)

6.下列屬于明顯衍射現(xiàn)象的是()

A.隔墻有耳

B.池中假山前有水波,假山后無水波

C.河中蘆葦后面沒有留下無波的區(qū)域

D.在大山前喊話,多次聽到自己的聲音

答案AC

解析假山前有波,假山后無波,說明波沒有繞過障礙物,因此不屬于明顯衍射現(xiàn)象,選項B不正確。對著大山喊話,多次聽到自己的聲音是波的反射現(xiàn)象,選項D不正確。

7.如圖所示,S是波源,M、N是兩塊擋板,其中M板固定,N板可左右自由移動,兩板中間有一狹縫,此時測得A點無明顯振動,為使A點能發(fā)生明顯振動,下列采取的辦法可行的是()

A.增大波源振動頻率

B.減小波源振動頻率

C.將N板向右移

D.將N板向左移

答案BD

解析波在某種介質(zhì)中傳播,波速一定,由λ=可知,要調(diào)整波長可改變波的頻率,只有發(fā)生明顯衍射,A處才能有明顯的振動。根據(jù)發(fā)生明顯衍射的條件,可知選項B、D正確。

三、非選擇題

8.甲、乙兩人分乘兩只小船在湖中釣魚,兩船相距24m。有一列水波在湖面上傳播,使每只船每分鐘上下浮動20次,當(dāng)甲船位于波峰時,乙船位于波谷,這時兩船之間還有5個波峰。

(1)此水波的波長為多少波速為多少

(2)若此波在傳播過程中遇到一根豎立的電線桿,是否會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象

(3)若該波經(jīng)過一跨度為30m的橋洞,橋墩直徑為3m,橋墩處能否看到明顯衍射現(xiàn)象

(4)若該橋為一3m寬的涵洞,洞后能否發(fā)生明顯衍射

答案(1)mm/s

(2)會

(3)能

(4)能

解析(1)由題意知,周期T=s=3s

設(shè)波長為λ,則5λ+=24m,λ=m

由v=得,v=m/s=m/s。

(2)由于λ=m,大于豎立電線桿的直徑,所以此波通過豎立的電線桿時會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。

(3)、(4)由于λ=m>3m,所以此波無論是通過直徑為3m的橋墩,還是通過寬為3m的涵洞,都能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。

能力提升

一、選擇題Ⅰ(每小題列出的四個備選項中只有一個是符合題目要求的)

1.如圖所示,P為橋墩,A為靠近橋墩漂浮的葉片,波源S連續(xù)振動,形成水波,此時葉片A靜止不動。為使水波能帶動葉片振動,可用的方法是()

A.提高波源頻率

B.提高波源周期

C.減小波源距橋墩的距離

D.增加波源距橋墩的距離

答案B

解析為使水波能帶動葉片振動,需水波能發(fā)生明顯衍射,即增加水波的波長,根據(jù)λ=vT=可知,在波速不變的情況下可增加水波的周期或者減小頻率,故選項B正確。

2.右圖是利用發(fā)波水槽觀察到的水波衍射圖像,從圖像可知()

A.B側(cè)波是衍射波

B.A側(cè)波速與B側(cè)波速相等

C.減小擋板間距,衍射波的波長將減小

D.增大擋板間距,衍射現(xiàn)象將更明顯

答案B

解析小孔是衍射波的波源,A側(cè)是衍射波,故選項A錯誤;在同一種介質(zhì)中,波速相等,故選項B正確;根據(jù)波速、波長和頻率的關(guān)系式v=λf,由于波速和頻率不變,故波長不變,故選項C錯誤;波長越長越容易發(fā)生衍射現(xiàn)象,與波的頻率和振幅沒有關(guān)系,在波長無法改變的情況下減小擋板間距,衍射現(xiàn)象更明顯,故選項D錯誤。

3.在空曠的廣場上有一堵較高大的墻MN,墻的一側(cè)O點有一個正在播放男女聲合唱歌曲的聲源。某人從圖中A點走到墻后的B點,在此過程中,如果從聲波的衍射來考慮,則會聽到()

A.聲音變響,男聲比女聲更響

B.聲音變響,女聲比男聲更響

C.聲音變?nèi)?男聲比女聲更弱

D.聲音變?nèi)?女聲比男聲更弱

答案D

解析男聲的頻率比女聲的頻率低,波長大,更易衍射。

二、選擇題Ⅱ(每小題列出的四個備選項中至少有一個是符合題目要求的)

4.下列關(guān)于波的衍射的說法正確的是()

A.衍射是一切波特有的現(xiàn)象

B.對同一列波,縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長差不多或比波長更小時,衍射現(xiàn)象明顯

C.只有橫波才能發(fā)生衍射現(xiàn)象,縱波不能發(fā)生衍射現(xiàn)象

D.聲波容易發(fā)生衍射現(xiàn)象是由于聲波波長較大

答案ABD

解析衍射是一切波特有的現(xiàn)象,所以選項A正確,C錯誤;發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象是有條件的,只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長差不多或比波長更小時,才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象,所以選項B正確;聲波的波長在1.7cm到17m之間,一般常見的障礙物或孔的大小可與之相比,正是由于聲波波長較大,聲波容易發(fā)生衍射現(xiàn)象,所以選項D正確。

5.如圖所示,一小型漁港的防波堤兩端MN相距約60m,在防波堤后A、B兩處有兩個小船進(jìn)港躲避風(fēng)浪。某次海嘯引起的波浪沿垂直于防波堤的方向向防波堤傳播,下列說法正確的是()

A.假設(shè)波浪的波長約為10m,則A、B兩處小船基本上不受波浪影響

B.假設(shè)波浪的波長約為10m,則A、B兩處小船明顯受到波浪影響

C.假設(shè)波浪的波長約為50m,則A、B兩處小船基本上不受波浪影響

D.假設(shè)波浪的波長約為50m,則A、B兩處小船明顯受到波浪影響

答案AD

解析A、B兩處小船明顯受到影響是因為水波發(fā)生明顯的衍射,波浪能傳播到A、B處的結(jié)果,當(dāng)障礙物或縫隙的尺寸比波長小或跟波長差不多的時候,會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。

6.如圖所示,沿x軸正方向傳播的一列橫波在某時刻的波形為一正弦曲線,其波速為200m/s,下列說法正確的是()

A.從圖示時刻開始,質(zhì)點b比質(zhì)點a先到平衡位置

B.從圖示時刻開始,經(jīng)過