新教材同步系列2024春高中物理第3章機械波第3節(jié)機械波的傳播現(xiàn)象教師用書粵教版選擇性必修第一冊

第三節(jié)機械波的傳播現(xiàn)象1．知道機械波的衍射和干涉．2．了解惠更斯原理．3．了解機械波的反射和折射特點．知識點一機械波的衍射與惠更斯原理1．波的衍射水波在遇到小障礙物或者小孔時，能繞過障礙物或穿過小孔繼續(xù)向前傳播的現(xiàn)象．一切波都能發(fā)生衍射，衍射是波特有的現(xiàn)象．2．惠更斯原理介質(zhì)中波動傳到的各點都可以看作是發(fā)射子波的波源，在其后的任一時刻，這些子波的包絡(luò)就形成新的波面．這就是惠更斯原理．知識點二機械波的反射和折射在波的反射中，波的頻率、波速和波長都不變．在波的折射中，頻率不變，波速和波長發(fā)生改變．知識點三機械波的干涉1．波的疊加原理兩列波在相遇疊加時，每列波都是獨立地保持自己原有的特性，如同在各自的傳播路徑中并沒有遇到其他波一樣．相遇區(qū)域中各點的位移，就是這兩列波引起的位移的合成．這一規(guī)律稱為波的疊加原理．2．波的干涉(1)條件：兩列波產(chǎn)生干涉的必要條件是頻率相同，相位差恒定．(2)波的干涉：對于頻率相同的兩列波，在相遇的區(qū)域水面上，會出現(xiàn)穩(wěn)定的相對平靜的區(qū)域和劇烈振動的區(qū)域．這兩個區(qū)域在水面上的位置是固定的，且互相隔開．這種現(xiàn)象為波的干涉．1．思考判斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)．(1)任何波的波線與波面都相互垂直． (√)(2)反射波的頻率、波速與入射波相同． (√)(3)折射波的頻率、波速與入射波相同． (×)(4)當障礙物或狹縫的尺寸跟波長相差不大時，有明顯的衍射現(xiàn)象． (√)2．(多選)下列敘述屬于波的反射現(xiàn)象的是()A．在空房間里講話，會感到聲音比在野外響B(tài)．水波從深水區(qū)入射到淺水區(qū)方向變化C．講話者又聽到自己的回聲D．聲波從空氣中進入水中速度變大AC[A、C都屬于波的反射現(xiàn)象，B、D屬于波的折射現(xiàn)象．]3．下列現(xiàn)象或事實屬于衍射現(xiàn)象的是()A．風(fēng)從窗戶吹進來B．雪堆積在背風(fēng)的屋后C．聽到墻外人的說話聲D．晚上看到水中月亮的倒影C[波在傳播過程中偏離直線傳播繞過障礙物的現(xiàn)象稱為波的衍射．C與衍射現(xiàn)象相符．A、B、D不屬于衍射現(xiàn)象．]波面一定是平面嗎？根據(jù)下圖思考波線與波面的關(guān)系是怎樣的．提示：波面不一定是平面．波線與波面互相垂直，一定條件下由波面可確定波線，由波線可確定波面．惠更斯原理1．對波線與波面的理解(1)波面不一定是面，如水波，它只能在水面?zhèn)鞑?，水波的波面是以波源為圓心的一簇圓．(2)波線是有方向的一簇線，它的方向代表了波的傳播方向．(3)波線與波面互相垂直，一定條件下由波面可確定波線，由波線可確定波面．2．惠更斯原理的實質(zhì)波面上的每一點都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時刻的子波波面的包絡(luò)面就是該時刻總的波動的波面．其核心思想是介質(zhì)中任一處的波動狀態(tài)是由各處的波動決定的．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行較好的解釋．但是，惠更斯原理是比較粗糙的，用它不能解釋衍射現(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，而倒退波顯然是不存在的．【典例1】(多選)下列敘述中正確的是()A．空間點波源發(fā)出的球面波，其波面是一個球面，波線就是以波源為圓心的同心圓B．平面波的波線是一條直線，其波線相互平行C．根據(jù)惠更斯原理，波面各點都可看作一個子波源，子波前進的方向的包絡(luò)面就是該時刻的波面D．利用惠更斯原理，只要知道t時刻波面的位置和波速，就可確定t＋Δt時刻波面的位置BCD[球面波的波線沿球面的半徑方向，A錯誤；平面波的波線是一條直線，由于波線與波面垂直，故平面波的波線相互平行，B正確；由惠更斯原理可知，C正確；利用惠更斯原理，只要知道t時刻波面的位置和波速，就可確定另一時刻波面的位置，D正確．]利用惠更斯原理解釋波的傳播的一般步驟(1)確定一列波某時刻一個波面的位置．(2)在波面上取兩點或多個點作為子波的波源．(3)選一段時間Δt．(4)根據(jù)波速確定Δt時間后子波波面的位置．(5)確定子波在波前進方向上的包絡(luò)面，即為新的波面．(6)由新的波面可確定波線及其方向．[跟進訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于對惠更斯原理的理解，下列說法正確的是()A．同一波面上的各質(zhì)點振動情況完全相同B．同一振源的不同波面上的質(zhì)點的振動情況一定不同C．球面波的波面是以波源為中心的一個個球面D．無論怎樣的波，波線始終和波面垂直ACD[按照惠更斯原理，波面是由振動情況完全相同的點構(gòu)成的面，而不同波面上質(zhì)點的振動情況可能相同，如相位相差2π整數(shù)倍的質(zhì)點的振動情況相同，故A正確，B錯誤；由波面和波線的概念，不難判定C、D正確．]波的反射和波的折射1．對波的反射的理解(1)波發(fā)生反射時波的傳播方向發(fā)生了變化．(2)反射波和入射波在同一介質(zhì)中傳播，介質(zhì)決定波速，因此波速不變，波的頻率是由波源決定的，因此波的頻率也不改變，根據(jù)公式λ＝vf，可知波長也2．波的反射、折射現(xiàn)象中各量的變化(1)波向前傳播在兩種介質(zhì)的界面上會同時發(fā)生反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象，一些相關(guān)物理量變化如下：波現(xiàn)象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，故無論是反射波的頻率還是折射波的頻率都等于入射波的頻率．②波速v由介質(zhì)決定，因反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播，故波速不變；折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，波速變化．③根據(jù)v＝λf，波長λ與v及f有關(guān)，即與介質(zhì)和波源有關(guān)，反射波與入射波在同一介質(zhì)中，波速相同、頻率相同，故波長相同．折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，v不同，f相同，故λ不同．3．波的反射現(xiàn)象的應(yīng)用(1)回聲測距：①當聲源不動時，聲波遇到了障礙物會返回來繼續(xù)傳播，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)時間t聽到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲t2②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，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)t2③當聲源以速度v遠離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠離聲源時，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離s＝(v聲－v)t2(2)超聲波定位：蝙蝠能發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物或捕食目標時會被反射回來，蝙蝠就根據(jù)接收到的反射回來的超聲波來確定障礙物或食物位置，從而確定飛行方向．另外海豚、雷達也是利用波的反射來定位或測速的．【典例2】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多遠？(v聲＝340m/s)[解析]若汽車靜止，問題就簡單了．現(xiàn)在汽車運動，聲音傳播，如圖所示為汽車與聲波的運動過程示意圖．設(shè)汽車由A到C路程為s1，C點到山崖B距離為s；聲波由A到B再反射到C路程為s2，因汽車與聲波運動時間同為t，則有s2＝s1＋2s即v聲t＝v汽t＋2s所以s＝v聲-v汽t2[答案]325m[跟進訓(xùn)練]2．人耳只能區(qū)分相差0.1s以上的兩個聲音，人要聽到自己講話的回聲，人離障礙物的距離至少要大于多少米？(已知聲音在空氣中的傳播速度為340m/s)[解析]從人講話到聲音傳到人耳的時間取0.1s時，人與障礙物間的距離最小．單程考慮，聲音從人傳到障礙物或從障礙物傳到人耳時t＝0.12s＝0.05s，故人離障礙物的最小距離x＝vt＝340×0.05m＝17m[答案]17m波的疊加與波的干涉1．波的干涉與波的疊加(1)波的疊加是無條件的，任何頻率的兩列波在空間相遇都會疊加，但干涉必須是滿足一定條件的兩列波疊加后形成的現(xiàn)象．(2)穩(wěn)定干涉圖樣的產(chǎn)生是有條件的，必須是兩列同類的波，并且波的頻率相同、振動方向相同、相位差恒定．如果兩列波的頻率不相等，在同一種介質(zhì)中傳播時其波長就不相等，這樣不能形成穩(wěn)定的振動加強點和減弱點．因此我們就看不到穩(wěn)定的干涉圖樣，只能是一般的振動疊加現(xiàn)象．2．干涉圖樣及其特征(1)干涉圖樣．(2)特征：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．【典例3】(多選)如圖所示，S1、S2是振幅均為A的兩個水波波源，某時刻它們形成的波峰和波谷分別由實線和虛線表示．則下列說法中正確的是()A．兩列波在相遇區(qū)域發(fā)生干涉B．兩列波在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)生疊加C．此時各點的位移是：xA＝0，xB＝－2A，xC＝2AD．A處振動始終減弱，B、C處振動始終加強[思路點撥](1)從圖中可以看出，兩列水波波長不同，頻率不同，不能發(fā)生干涉現(xiàn)象．(2)兩列波疊加，任何一個質(zhì)點的總位移等于兩列波在該點上的位移的矢量和．BC[兩列波發(fā)生干涉的條件是：頻率相同，相位差恒定．從題圖上可知λ1≈2λ2，則2f1≈f2，這兩列波不是相干波，故不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，A錯誤．兩列機械波在相遇區(qū)域發(fā)生疊加，這是波的基本現(xiàn)象之一．其結(jié)果是：任何一個質(zhì)點的總位移，都等于這兩列波引起的位移的矢量和．所以B、C正確．由于頻率不同，疊加情況會發(fā)生變化．如C處此時兩波峰相遇，但經(jīng)T22，S2在C處是波谷，S1則不是，故C處不能始終加強，D錯誤確定振動加強點和減弱點的技巧(1)波峰與波峰(或波谷與波谷)相遇的點為振動加強點，波峰與波谷相遇的點為振動減弱點．(2)在波的傳播方向上，加強點的連線為加強區(qū)，減弱點的連線為減弱區(qū)．(3)不管波如何疊加，介質(zhì)中的各質(zhì)點均在各自的平衡位置附近振動．[跟進訓(xùn)練]3．如圖所示是水波干涉示意圖，S1、S2是兩波源，A、D、B三點在一條直線上，兩波源頻率相同，振幅相等，則下列說法正確的是()A．A處質(zhì)點一會兒在波峰，一會兒在波谷B．B處質(zhì)點一直在波谷C．C處質(zhì)點一會兒在波峰，一會兒在波谷D．D處質(zhì)點一直在平衡位置A[A、B、D三點都在振動加強區(qū)，三處質(zhì)點均做簡諧運動，質(zhì)點一會兒在波峰，一會兒在波谷，選項A正確，B、D錯誤；點C是振動減弱點，又因兩波振幅相等，故C處質(zhì)點一直在平衡位置不動，選項C錯誤．]波的衍射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．衍射圖樣(1)圖甲為水波遇到較寬的縫．(2)圖乙為水波遇到較窄的縫．【典例4】如圖所示，O是水面上一波源，實線和虛線分別表示某時刻的波峰和波谷，A是擋板，B是小孔．若不考慮波的反射因素，則經(jīng)過足夠長的時間后，水面上的波將分布于()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．陰影Ⅱ和Ⅲ以外的區(qū)域B[從圖中可以看出A擋板寬度比波長大，所以不能發(fā)生明顯的衍射，而B小孔與波長相差不多，能發(fā)生明顯的衍射，所以經(jīng)過足夠長的時間后，水面上的波將分布于陰影Ⅰ以外區(qū)域，故B正確．]衍射是波所特有的現(xiàn)象(1)衍射是波所特有的現(xiàn)象，一切波都會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象．(2)衍射現(xiàn)象總是存在的，只有明顯和不明顯的差異．(3)一般情況下，波長越大的波越容易產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象．[跟進訓(xùn)練]4．某同學(xué)觀察到波長相同的水波通過兩個寬度不同的狹縫時的現(xiàn)象，如下圖所示，下列說法正確的是()A．水波通過狹縫后波長變短B．這是水波的衍射現(xiàn)象，有些波不能發(fā)生衍射現(xiàn)象C．此現(xiàn)象可以說明，波長一定，縫越窄衍射現(xiàn)象越明顯D．此現(xiàn)象可以說明，縫寬一定，波長越長衍射現(xiàn)象越明顯C[波衍射后不影響波的特性，即波長和頻率不變，A錯誤；波的衍射是波特有的性質(zhì)，故所有波都會發(fā)生衍射現(xiàn)象，B錯誤；從圖中可知第1幅圖衍射現(xiàn)象比較明顯，所以波長一定，縫越窄衍射現(xiàn)象越明顯，由于題中給出的是波長一定的情況，無法得出縫寬一定時衍射情況，故C正確，D錯誤．]1．(多選)以下關(guān)于波的認識，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，從而達到隱形的目的C．雷達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ABD[本題考查波的反射、折射現(xiàn)象在實際問題中的應(yīng)用．聲吶、雷達都是利用接收反射波來進行定位，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，D正確；隱形飛機是通過減少波的反射達到隱形的目的，B正確．]2．(2022·江蘇常熟中學(xué)高二期中)如圖為蟾蜍在水中鳴叫時水面形成的奇妙水波．已知水波的傳播速度與水的深度正相關(guān)．下列說法正確的是()A．岸邊的人聽到的聲波是橫波B．岸邊的人聽到的聲波頻率大于水波的頻率C．水面上飄落的樹葉逐漸被水波推向岸邊D．在深水區(qū)，水波更容易發(fā)生衍射D[聲波在空氣中傳播是通過空氣的膨脹和收縮，是沿聲波傳播的方向，是縱波，故A錯誤；蟾蜍聲帶振動產(chǎn)生了在空氣中傳播的聲波和在水中傳播的水波，它們都是由聲帶振動產(chǎn)生，其頻率都等于聲帶振動的頻率，故B錯誤；水波上飄落的樹葉只會上下振動，不會隨水波向前運動，故C錯誤；由題意可知水波的傳播速度與水的深度正相關(guān)，可知水越深傳播速度越快，根據(jù)λ＝vf，可知水越深，水波的波長越長，越容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，故D正確．3．(2022·上海交大附中高二開學(xué)考試)干涉和衍射都是波特有的現(xiàn)象．圖甲為水波的衍射實驗，擋板M是固定的，擋板N可以上下移動．圖乙為兩列頻率相同的橫波相遇時某一時刻的情況，實線表示波蜂，虛線表示波谷．下列說法正確的是()A．甲圖中P點為振動加強點B．甲圖中水波發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象C．乙圖中M點為振動加強點D．乙圖中N點為振動加強點C[題圖甲只有一列波，不存在振動加強或減弱的說法，故A錯誤；由題圖甲可知，縫寬遠大于波長，沒有發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，故B錯誤；題圖乙中，M點為兩列波波峰交點，M點振動加強，C正確；題圖乙中，N點為兩列波波峰和波谷交點，N點振動減弱，D錯誤．]4．甲、乙兩人平行站在一堵又高又寬的墻前面，二人相距2a，距墻均為3a，當甲開了一槍后，乙在t時間后聽到第一聲槍響，則乙聽到第二聲槍響的時間為()A．甲開槍t后 B．甲開槍2t后C．甲開槍3t后 D．甲開槍4t后B[設(shè)聲速為v，乙聽到第一聲槍響必然是甲開槍的聲音直接傳到乙的耳朵中，故t＝2av甲、乙兩人與墻的位置如圖所示，乙聽到的第二聲槍響必然是墻反射的槍聲，由聲波的反射定律和幾何關(guān)系得AC＝BC＝AB＝2a．故乙聽到第二聲槍響的時間t′＝AC+BCv＝4av由①②得t′＝2t，故B正確．]回顧本節(jié)內(nèi)容，自主完成以下問題：1．波反射時頻率與波速如何變化？提示：反射波與入射波在同一介質(zhì)，頻率與波速都不變化．2．是不是只有在小孔或障礙物尺寸與波長差不多或比波長小才有衍射現(xiàn)象？提示：衍射現(xiàn)象什么時候都有，只是在小孔或障礙物尺寸與波長差不多或比波長小才有明顯的衍射現(xiàn)象．3．波的疊加與波的干涉的區(qū)別？提示：波的疊加是無條件的，干涉的產(chǎn)生是有條件的：頻率相同，相位差恒定．課時分層作業(yè)(十)機械波的傳播現(xiàn)象考點一波的反射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D[波線1、2都在介質(zhì)a中傳播，故1、2的頻率、波速、波長均相等，故A、B錯誤；波線1、3是在兩種不同介質(zhì)中傳播，波速不同，但波源沒變，因而頻率相等，由λ＝vf，得波長不同，故C錯誤，D正確．2．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0.5s聽到右邊山坡反射回來的聲音，又經(jīng)過1.5s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．170mB．340mC．425mD．680mC[右邊的聲波從發(fā)出到反射回來所用時間為t1＝0.5s，左邊的聲波從發(fā)出到反射回來所用的時間為t2＝2s．山谷的寬度s＝12v(t1＋t2)＝12×340×2.5m＝425m；故C正確考點二波的疊加與干涉3．當兩列水波發(fā)生干涉時，如果兩列波的波峰在P點相遇，下列說法正確的是()A．質(zhì)點P的振動有時是減弱的B．質(zhì)點P的振幅最大C．質(zhì)點P的位移始終最大D．質(zhì)點P的位移一定不為零B[P點是兩列波的波峰的相遇點，故其振動始終是加強的，A錯誤；質(zhì)點P處于振動加強區(qū)，振幅最大，B正確；對于某一個振動的質(zhì)點，位移是會隨時間變化的，C錯誤；質(zhì)點振動到平衡位置時，位移為零，D錯誤．]4．(多選)如圖所示，沿一條直線相向傳播的兩列波的振幅和波長均相等，當它們相遇時可能出現(xiàn)的波形是圖中的()ABCDBC[當這兩列波的前半個波(或后半個波)相遇時，根據(jù)波的疊加原理，在前半個波(或后半個波)重疊的區(qū)域內(nèi)所有的質(zhì)點振動的合位移為零，而兩列波的后半個波(或前半個波)的波形保持不變，所以B正確；當兩列波完全相遇時(即重疊在一起)，由波的疊加原理可知，所有質(zhì)點振動的位移均等于每列波單獨傳播時引起的位移的矢量和，使得所有的質(zhì)點振動的位移加倍，所以C正確．]5．如圖所示，S1、S2為水波槽中的兩個波源，它們分別激起兩列水波，圖中實線表示波峰，虛線表示波谷．已知兩列波的波長分別為λ1和λ2且λ1＜λ2，該時刻在P點兩列波的波峰與波峰相遇，則以下敘述正確的是()A．P點有時在波峰，有時在波谷，振動始終加強B．P點始終在波峰C．P點的振動不遵循波的疊加原理，也不始終加強D．P點的振動遵循波的疊加原理，但并不始終