人教版高中物理新教材同步講義 選擇性必修第一冊 第3章 3　波的反射、折射和衍射（含解析）

3波的反射、折射和衍射[學習目標]1.了解波的反射和折射現(xiàn)象，知道波的反射和折射規(guī)律(難點)。2.知道波的衍射現(xiàn)象和波發(fā)生明顯衍射的條件(重點)。一、波的反射和折射1．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)時會返回原介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。(2)反射規(guī)律：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)波的折射：光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時會發(fā)生折射，同樣，其他波從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時也發(fā)生折射。(2)水波的折射：一列水波在深度不同的水域傳播時，在交界面處將發(fā)生折射。1．在波的反射和折射現(xiàn)象中，反射波與入射波、折射波與入射波的頻率相同嗎？波長相同嗎？答案在波的反射和折射現(xiàn)象中，反射波和入射波的頻率都與波源的頻率相同；反射現(xiàn)象是在同種介質(zhì)中傳播，波速相同，由v＝λf可知，波長也相同，而折射現(xiàn)象是在不同介質(zhì)中傳播，波速不同，波長也不同。2．波在發(fā)生折射過程中，方向一定改變嗎？答案不一定，如果入射波垂直于交界面時，傳播方向保持不變。波的反射和折射中各物理量的變化(1)波的頻率是由振源決定的，介質(zhì)中各個質(zhì)點的振動都是受迫振動，因此不論是反射還是折射，波的頻率是不改變的。(2)波速是由介質(zhì)決定的，波反射時是在同一均勻介質(zhì)中傳播，因此波速不變，波折射時是在不同介質(zhì)中傳播，因此波速改變。(3)波長是由頻率和波速共同決定的，即在波的反射中，由于波的頻率和波速均不變，根據(jù)公式λ＝eq\f(v,f)可知波長不改變；在波的折射中，當進入新的介質(zhì)中波速增大時，由λ＝eq\f(v,f)可知波長變長，反之變短。例1一列聲波在介質(zhì)Ⅰ中的波長為0.2m。當該聲波從介質(zhì)Ⅰ中以某一角度傳入介質(zhì)Ⅱ中時，波長變?yōu)?.6m，如圖所示，若介質(zhì)Ⅰ中的聲速是340m/s。(1)求該聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播時的頻率；(2)求該聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播的速度；(3)若另一種聲波在介質(zhì)Ⅱ中的傳播速度為1400m/s，按圖中的方向從介質(zhì)Ⅰ射入介質(zhì)Ⅱ中，求它在介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ中的頻率之比。答案(1)1700Hz(2)1020m/s(3)1∶1解析(1)聲波在介質(zhì)Ⅰ中傳播時，由v＝λf得：f＝eq\f(v1,λ1)＝eq\f(340,0.2)Hz＝1700Hz。由于聲波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變，所以聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播時，頻率為1700Hz。(2)由v＝λf得聲波在介質(zhì)Ⅱ中的傳播速度為v2＝λ2f＝0.6×1700m/s＝1020m/s。(3)同一種聲波由介質(zhì)Ⅰ到介質(zhì)Ⅱ的過程中，頻率不變，故該聲波從介質(zhì)Ⅰ進入介質(zhì)Ⅱ時，其頻率之比為1∶1。例2某測量員利用回聲測距，他站在兩平行豎直墻壁間某一位置(不是中間位置)鳴槍，經(jīng)過1s第一次聽到回聲，又經(jīng)過0.5s再次聽到回聲，已知聲速為340m/s，則兩墻壁間的距離為多少？答案425m解析設兩墻壁間的距離為s，測量員離較近的墻壁的距離為x，則他離較遠的墻壁的距離為s－x，第一次聽到回聲時，2x＝vt1第二次聽到回聲時，2(s－x)＝v(t1＋Δt)其中Δt＝0.5s，t1＝1s，代入數(shù)據(jù)解得：s＝425m。回聲測距的三種情況1.當聲源不動時，聲波遇到了靜止障礙物會被反射回來繼續(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。設經(jīng)過時間t聽到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲eq\f(t,2)。2.當聲源以速度v向靜止的障礙物運動或障礙物以速度v向靜止的聲源運動時，聲波遇到障礙物經(jīng)時間t返回，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)eq\f(t,2)。3.當聲源以速度v遠離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠離靜止的聲源時，聲波遇到障礙物經(jīng)時間t返回，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s＝(v聲－v)eq\f(t,2)。針對訓練1有一輛汽車以15m/s的速度勻速行駛，在其正前方有一陡峭山崖，汽車鳴笛2s后司機聽到回聲，此時汽車距山崖的距離有多遠？(v聲＝340m/s)答案325m解析汽車勻速行駛，速度為v車＝15m/s，聲音在空氣中傳播速度不變，汽車從鳴笛到聽到回聲，二者運動時間相同，如圖所示。設汽車在A點鳴笛，A點到山崖B的距離為x1，汽車運動到C點聽到回聲，設AC距離為x2，CB距離為x，因二者運動時間相同，則有x1＝x2＋x①x1＋x＝v聲t②x2＝v車t③聯(lián)立①②③得x＝325m。二、波的衍射如圖所示是一個可觀察水波衍射的發(fā)波水槽，振源的頻率是可以調(diào)節(jié)的，槽中放置兩塊可移動的擋板形成寬度可調(diào)節(jié)的小孔，觀察水波的傳播，也可以在水槽中放置寬度不同的擋板，觀察水波的傳播?；卮鹣铝袉栴}：水波遇到小孔時，會觀察到什么現(xiàn)象？依次減小小孔尺寸，觀察到的現(xiàn)象有什么變化？答案水波遇到小孔時，水波能穿過小孔，并能到達擋板后面的“陰影區(qū)”，小孔的尺寸減小時，水波到達“陰影區(qū)”的現(xiàn)象更加明顯。1．波的衍射：波繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。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。說明：衍射只有“明顯”與“不明顯”之分，障礙物或小孔的尺寸跟波長相差不多，或比波長小，是產(chǎn)生明顯衍射的條件。3．波的衍射的普遍性：一切波都能發(fā)生衍射，衍射是波特有的現(xiàn)象。1．喇叭播放的音樂中，高音(頻率大)和低音(頻率小)的聲波哪個更容易繞過高墻？答案低音，由v＝λf得λ＝eq\f(v,f)，由此可知，聲速相同情況下，低音的頻率小，波長長，在障礙物相同的情況下，低音更容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，因此低音更容易繞過高墻。2．俗話說：“隔墻有耳”，我們可以聽到從墻外傳過來的聲音，卻看不到人，說明聲波可以發(fā)生衍射，光波不能發(fā)生衍射，這種說法對嗎？(提示：聲波波長較長，一般為1.7～17m，可見光波長較短，一般為0.39～0.77μm)答案不對。聲波波長較長，遇到與其波長相差不大的障礙物可發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。光波波長較短，其波長比一般障礙物小得多，衍射現(xiàn)象不明顯。(1)只有當障礙物的尺寸與波長相差不多或比波長小時，才會發(fā)生衍射現(xiàn)象。(×)(2)夏日雷聲有時轟鳴不絕，這是聲波的衍射現(xiàn)象。(×)(3)“聞其聲不見其人”，是指聲波的衍射現(xiàn)象。(√)例3(多選)如圖所示是觀察水波衍射的實驗裝置．AC和BD是兩塊擋板，AB是一個孔，O是波源。圖中已畫出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每兩條相鄰波紋(圖中曲線)之間的距離表示一個波長，則關(guān)于波經(jīng)過孔之后的傳播情況，下列描述正確的是()A．此時能觀察到波明顯的衍射現(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，能觀察到更明顯的衍射現(xiàn)象答案ABC解析觀察題圖可知孔的尺寸與波長差不多，能觀察到波明顯的衍射現(xiàn)象，故A對；因波的傳播速度不變，頻率不變，故波長不變，即擋板前后波紋間距離相等，故B對；若將孔AB擴大，且孔的尺寸大于波長，則可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故C對；若f增大，由λ＝eq\f(v,f)，知λ變小，衍射現(xiàn)象變得不明顯了，故D錯。針對訓練2如圖所示，一小型漁港的防波堤兩端M、N相距約60m，在防波堤后A、B兩處有兩個小船進港躲避風浪。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，下列說法正確的有()A．假設波浪的波長約為10m，則A、B兩處小船完全不受波浪影響B(tài)．假設波浪的波長約為10m，則A、B兩處小船明顯受到波浪影響C．假設波浪的波長約為70m，則A、B兩處小船基本上不受波浪影響D．假設波浪的波長約為70m，則A、B兩處小船明顯受到波浪影響答案D解析A、B兩處小船明顯受到波浪影響是因為水波發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，波浪能傳播到A、B處，當縫隙MN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，故D正確。例4(多選)(2023·長春外國語學校高二月考)沙塵暴是由于土地的沙化引起的一種惡劣的氣象現(xiàn)象，發(fā)生沙塵暴時能見度只有幾十米，天空變黃發(fā)暗，這是由于在這種情況下()A．只有波長較短的一部分光才能到達地面B．只有波長較長的一部分光才能到達地面C．只有頻率較高的一部分光才能到達地面D．只有頻率較低的一部分光才能到達地面答案BD解析根據(jù)光發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件知，發(fā)生沙塵暴時，只有波長較長的一部分光能到達地面，據(jù)λ＝eq\f(c,f)知，到達地面的光是頻率較低的一部分光，故選項B、D正確。課時對點練考點一波的反射和折射1．(2023·昆明一中月考)以下關(guān)于波的認識，不正確的是()A．潛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．隱形飛機怪異的外形及表面涂特殊隱形物質(zhì)，是為了減少波的反射，從而達到隱形的目的C．超聲雷達的工作原理是利用波的折射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C解析潛艇利用聲吶探測周圍物體的分布情況，利用了波的反射原理，A正確；隱形飛機隱形的原理是通過降低飛機的聲、光、電等可探測特征量，使雷達等防空探測器無法發(fā)現(xiàn)，可在隱形飛機機身表面涂高效吸收電磁波的物質(zhì)，或使用吸收雷達電磁波的材料，或利用自身怪異的外形改變反射電磁波的方向，這樣在雷達屏幕上顯示的反射信息很小、很弱，使得隱形飛機很難被發(fā)現(xiàn)，B正確；超聲雷達發(fā)射超聲波，然后根據(jù)被障礙物反射回的波判斷狀況，即利用波的反射，C錯誤；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，D正確。2.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。3．當一個探險者進入一個山谷后，為了估測出山谷的寬度，他吼一聲后，經(jīng)過0.3s聽到右邊山坡反射回來的聲音，又經(jīng)過1.6s后聽到左邊山坡反射回來的聲音，若聲速為340m/s，則這個山谷的寬度約為()A．221m B．442mC．374m D．646m答案C解析右邊的聲波從發(fā)出到反射回來所用時間為t1＝0.3s，左邊的聲波從發(fā)出到反射回來所用的時間為t2＝1.9s。山谷的寬度s＝eq\f(1,2)v(t1＋t2)＝eq\f(1,2)×340×2.2m＝374m，故C正確?？键c二波的衍射4．(2023·晉江一中月考)下列現(xiàn)象中屬于波的衍射的是()A．敲響一音叉，另一個完全相同的音叉也響了起來B．掛在同一水平繩上的幾個單擺，當一個振動后，另外幾個也跟著一起振動起來C．打雷時聽見空中雷聲會轟鳴一段時間D．水波向前傳播時，遇到突出水面的小樹枝不受影響地繼續(xù)向前傳播答案D解析敲響一個音叉，另一個完全相同的音叉也響起來，這種現(xiàn)象是共振現(xiàn)象，故A錯誤；掛在同一水平繩上的幾個單擺，當一個振動后，另外幾個也跟著一起振動，這種現(xiàn)象是受迫振動，故B錯誤；打雷時，經(jīng)常聽到雷聲轟鳴不絕，這是由于雷聲經(jīng)過多次反射，故C錯誤；水波向前傳播時，遇到突出水面的小樹枝不受影響地繼續(xù)向前傳播，屬于波的衍射現(xiàn)象，故D正確。5．在山中伐木時發(fā)出的聲音既含有頻率較高的聲波，也含有頻率較低的聲波，其中只有頻率較低的“嘭”“嘭”聲才能被遠處的人聽到，這是因為()A．頻率較低的“嘭”“嘭”聲能量大，能傳到很遠B．頻率較低的“嘭”“嘭”聲速度快，最先到達C．頻率較低的“嘭”“嘭”聲波長較長，容易發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象D．以上說法均不對答案C解析機械波的能量是由振幅決定的，聲波在空氣中的傳播速度都相同，故A、B錯誤；由λ＝eq\f(v,f)知，v一定，f越低，λ越大，則頻率低的聲波波長較長，容易發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，能在較遠處被人聽到，故C正確，D錯誤。6．(2023·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(cè)波是衍射波B．A側(cè)波速與B側(cè)波速相等C．增大水波波源的頻率，衍射現(xiàn)象將更明顯D．增大擋板之間的距離，衍射現(xiàn)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(zhì)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(xiàn)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(xiàn)象將沒有原來的明顯，故D錯誤。7．(2022·唐山市高二上期中)在水波槽的衍射實驗中，擊打水面的振子振動頻率是10Hz，水波在槽中的傳播速度為0.5m/s。為能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，小孔的寬度可以為()A．0.15m B．0.05mC．0.5m D．5m答案B解析根據(jù)v＝λf，有λ＝eq\f(v,f)＝eq\f(0.5m/s,10Hz)＝0.05m，只有當縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長差不多或者比波長更小時，才能夠觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，所以只有0.05m符合要求。故選B。8．(2022·臨沂市高二上期末)小河中有一個實心橋墩P，A為靠近橋墩浮在水面上的一片樹葉，俯視圖如圖所示，小河水面平靜。現(xiàn)在S處以某一頻率拍打水面，要使形成的水波能帶動樹葉A振動起來，可以采用的方法是()A．無論怎樣拍打，A都能明顯振動起來B．無論怎樣拍打，A都不會振動起來C．降低拍打水面的頻率D．提高拍打水面的頻率答案C解析要使樹葉振動起來，需要波衍射到樹葉處，因為障礙物的尺寸較大，所以要增加水面波的波長才能發(fā)生明顯衍射，故可降低拍打水面的頻率，故選C。9．(多選)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(xiàn)象的有()答案BD解析發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是：障礙物(或孔)的尺寸跟波長差不多甚至比波長還小。題圖A中孔的尺寸比水波的波長差不多大兩倍，衍射現(xiàn)象不明顯，故A錯誤；題圖B中孔的尺寸比水波的波長還小，能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，故B正確；題圖C中障礙物的尺寸比水波的波長大好幾倍，衍射現(xiàn)象不明顯，故C錯誤；題圖D中障礙物的尺寸比水波的波長還小，能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，故D正確。10．(2023·天津市靜海一中高二月考)已知空氣中的聲速為340m/s?，F(xiàn)有幾種聲波：①周期為eq\f(1,20)s；②頻率為104Hz；③波長為12m。它們傳播時若遇到寬約為13m的障礙物，能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的是()A．①和② B．②和③C．①和③ D．都可以答案C解析由公式v＝eq\f(λ,T)得，周期為eq\f(1,20)s的聲波的波長為λ1＝vT1＝340×eq\f(1,20)m＝17m；由公式v＝λf得頻率為104Hz的聲波的波長為λ2＝eq\f(v,f2)＝eq\f(340,104)m＝0.034m，發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是孔徑、障礙物的尺寸小于波長或者與波長相差不大，故①能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，②不能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。波長為12m的聲波，障礙物寬度為13m，與該聲波波長相差不大，故③能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。因此，能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的是①和③，故C正確，A、B、D錯誤。11．(多選)在觀察水波衍射實驗的時候，在水槽盛有一定深度的水，改變波源的頻率和狹縫的寬度，分別拍攝了以下四幅照片。對于照片上出現(xiàn)的情景，下列判斷正確的是()A．已知甲、乙中水波波長相同，由圖可知狹縫的寬度越大衍射現(xiàn)象越明顯B．已知甲、乙中水波波長相同，由圖可知狹縫的寬度越小衍射現(xiàn)象越明顯C．已知丙、丁中狹縫寬度一樣，由圖可知波長越短的水波衍射現(xiàn)象越明顯D．已知丙、丁中狹縫寬度一樣，由圖可知波長越長的水波衍射現(xiàn)象越明顯答案BD解析已知甲、乙中水波波長相同，由題圖可知題圖乙的衍射現(xiàn)象更明顯，可知狹縫的寬度越小衍射現(xiàn)象越明顯，則A錯誤，B正確；已知丙、丁中狹縫寬度一樣，由題圖可知題圖丙的衍射現(xiàn)象更明顯，可知波長越長的水波衍射現(xiàn)象越明顯，則D正確，C錯誤。12．(2022·長郡中學模擬)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距離為d＝3.0km處進行一次爆炸實驗，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v＝eq