第3章　第3節(jié)　波的干涉和衍射 第4節(jié)　多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用 講義-學(xué)年新教材魯科版（2019）高中物理選擇性必修第一冊(cè)

第3節(jié)波的干涉和衍射第4節(jié)多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用[核心素養(yǎng)·明目標(biāo)]核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)目標(biāo)物理觀念了解波的疊加原理、掌握波的干涉現(xiàn)象及產(chǎn)生的條件．科學(xué)思維掌握波的衍射現(xiàn)象和發(fā)生明顯衍射的條件，會(huì)分析波的干涉中振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)的振動(dòng)情況．科學(xué)探究探究發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任會(huì)應(yīng)用多普勒效應(yīng)解釋相關(guān)的現(xiàn)象．知識(shí)點(diǎn)一波的疊加原理與干涉現(xiàn)象1．波的疊加原理兩列波相遇時(shí)，波形會(huì)發(fā)生變化；相遇后，這兩列波又保持原來(lái)各自的形態(tài)繼續(xù)傳播．大量研究表明，幾列波在介質(zhì)中傳播，相遇后仍能保持各自原有的運(yùn)動(dòng)特征(波長(zhǎng)、頻率、振幅等)不變并繼續(xù)傳播，就像沒(méi)有與其他波相遇過(guò)一樣．在相遇的區(qū)域里，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參加相遇的波列的振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的位移等于相遇波列單獨(dú)存在時(shí)在該處引起的位移的矢量和，這在物理學(xué)中稱為波的疊加原理．2．波的干涉現(xiàn)象(1)定義：振動(dòng)頻率和振動(dòng)方向相同的兩列波疊加后，振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)減弱的區(qū)域互相間隔、穩(wěn)定分布的現(xiàn)象．(2)干涉圖樣：波的干涉中所形成的圖樣，如圖所示．(3)干涉條件：頻率和振動(dòng)方向相同的波．(4)一切波都能發(fā)生干涉，干涉現(xiàn)象是波的重要特征之一．任何頻率的波都能夠相互疊加，但是只有頻率和振動(dòng)方向相同的波才能夠發(fā)生干涉．1：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)在振動(dòng)減弱的區(qū)域，各質(zhì)點(diǎn)都處于波谷． (×)(2)波的干涉現(xiàn)象中，振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移隨時(shí)間做周期性變化． (√)(3)波的干涉現(xiàn)象中，振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)域，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅隨時(shí)間做周期性變化． (×)知識(shí)點(diǎn)二波的衍射現(xiàn)象及多普勒效應(yīng)1．波的衍射現(xiàn)象(1)定義波繞過(guò)障礙物或通過(guò)孔隙繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，叫作波的衍射．(2)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件障礙物或狹縫的尺寸跟波長(zhǎng)相差不大，或者比波長(zhǎng)更?。?3)一切波都能發(fā)生衍射，衍射是波特有的現(xiàn)象．2．多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用(1)多普勒效應(yīng)由于波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象．它是奧地利科學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)的．(2)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因①波源與觀察者相對(duì)靜止時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀察者的完全波的個(gè)數(shù)是一定的，觀察者觀測(cè)到頻率等于波源振動(dòng)的頻率．②波源與觀察者相互靠近時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀察者的完全波的個(gè)數(shù)增加，觀察者觀測(cè)到的頻率大于波源的頻率，即觀察到的頻率增大．③波源與觀察者相互遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的頻率變?。馨l(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源的頻率沒(méi)有變化，是觀察者接收的頻率發(fā)生了變化．(3)多普勒效應(yīng)的應(yīng)用測(cè)量車輛速度；測(cè)量天體運(yùn)動(dòng)情況；檢查病變，跟蹤目的物(如導(dǎo)彈、云層)等等．2：思考辨析(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)(1)狹縫的寬度遠(yuǎn)大于水波的波長(zhǎng)時(shí)，有明顯的衍射現(xiàn)象． (×)(2)當(dāng)障礙物或狹縫的尺寸跟波長(zhǎng)相差不大時(shí)，有明顯的衍射現(xiàn)象． (√)(3)能否發(fā)生多普勒效應(yīng)與觀察者跟波源的遠(yuǎn)近有關(guān)． (×)考點(diǎn)1波的疊加與波的干涉如圖所示，操場(chǎng)中兩根豎直桿上各有一個(gè)揚(yáng)聲器，接在同一擴(kuò)音機(jī)上，一位同學(xué)沿著AB方向走來(lái)．(1)他聽到的聲音會(huì)有什么變化？(2)這屬于什么物理現(xiàn)象？提示：(1)聲音忽強(qiáng)忽弱．(2)聲波的干涉現(xiàn)象．1．波的干涉與波的疊加(1)波的疊加是無(wú)條件的，任何頻率的兩列波在空間相遇都會(huì)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(dòng)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(shí)其波長(zhǎng)就不相等，這樣不能形成穩(wěn)定的振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)．因此我們就看不到穩(wěn)定的干涉圖樣，只能是一般的振動(dòng)疊加現(xiàn)象．2．干涉圖樣及其特征(1)干涉圖樣：如圖所示．(2)特征①加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變．②加強(qiáng)區(qū)始終加強(qiáng)，減弱區(qū)始終減弱(加強(qiáng)區(qū)與減弱區(qū)不隨時(shí)間變化)．③加強(qiáng)區(qū)與減弱區(qū)互相間隔．【典例1】(多選)如圖所示，S1、S2是振幅均為A的兩個(gè)水波波源，某時(shí)刻它們形成的波峰和波谷分別由實(shí)線和虛線表示．則下列說(shuō)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(shí)各點(diǎn)的位移是：xA＝0，xB＝－2A，xC＝2AD．A處振動(dòng)始終減弱，B、C處振動(dòng)始終加強(qiáng)[思路點(diǎn)撥](1)從圖中可以看出，兩列水波波長(zhǎng)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(gè)質(zhì)點(diǎn)的總位移等于兩列波在該點(diǎn)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(cuò)誤；兩列機(jī)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(gè)質(zhì)點(diǎn)的總位移，都等于這兩列波引起的位移的矢量和．B、C正確；由于頻率不同，疊加情況會(huì)發(fā)生變化．如C處此時(shí)兩波峰相遇，但經(jīng)eq\f(T2,2)，S2在C處是波谷，S1則不是，故C處不能始終加強(qiáng)，D錯(cuò)誤．]確定振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)的技巧(1)波峰與波峰(或波谷與波谷)相遇的點(diǎn)為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)，波峰與波谷相遇的點(diǎn)為振動(dòng)減弱點(diǎn)．(2)在波的傳播方向上，加強(qiáng)點(diǎn)的連線為加強(qiáng)區(qū)，減弱點(diǎn)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(diǎn)均在各自的平衡位置附近振動(dòng)．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．如圖所示是水波干涉示意圖，s1、s2是兩波源，A、D、B三點(diǎn)在一條直線上，兩波源頻率相同，振幅相等，則下列說(shuō)法正確的是()A．A處質(zhì)點(diǎn)一會(huì)兒在波峰，一會(huì)兒在波谷B．B處質(zhì)點(diǎn)一直在波谷C．C處質(zhì)點(diǎn)一會(huì)兒在波峰，一會(huì)兒在波谷D．D處質(zhì)點(diǎn)一直在平衡位置A[A、B、D三點(diǎn)都在振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)，三處質(zhì)點(diǎn)均做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)一會(huì)兒在波峰，一會(huì)兒在波谷，選項(xiàng)A正確，B、D錯(cuò)誤；點(diǎn)C是振動(dòng)減弱點(diǎn)，又因兩波振幅相等，故C處質(zhì)點(diǎn)一直在平衡位置不動(dòng)，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．]考點(diǎn)2波的衍射光是一種波，如圖為燈泡發(fā)光的情況．(1)生活中見(jiàn)到的光的傳播有何特點(diǎn)．(2)滿足什么條件才能使光發(fā)生衍射？提示：(1)沿直線傳播．(2)障礙物或孔的尺寸與光的波長(zhǎng)相差不大．1．關(guān)于衍射的條件：應(yīng)該說(shuō)衍射是沒(méi)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(zhǎng)差不多，或比波長(zhǎng)小是產(chǎn)生明顯衍射的條件．2．波的衍射實(shí)質(zhì)分析：波傳到小孔(障礙物)時(shí)，小孔(障礙物)仿佛是一個(gè)新波源，由它發(fā)出的與原來(lái)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(shí)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2】如圖所示，O是水面上一波源，實(shí)線和虛線分別表示某時(shí)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(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，水面上的波將分布于()A．整個(gè)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(zhǎng)大，所以不能發(fā)生明顯的衍射，而B小孔與波長(zhǎng)相差不多，能發(fā)生明顯的衍射，所以經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)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(huì)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(zhǎng)越大的波越容易產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象．[跟進(jìn)訓(xùn)練]2．某同學(xué)觀察到波長(zhǎng)相同的水波通過(guò)兩個(gè)寬度不同的狹縫時(shí)的現(xiàn)象，如下圖所示，下列說(shuō)法正確的是()A．水波通過(guò)狹縫后波長(zhǎng)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(shuō)明，波長(zhǎng)一定，縫越窄衍射現(xiàn)象越明顯D．此現(xiàn)象可以說(shuō)明，縫寬一定，波長(zhǎng)越長(zhǎng)衍射現(xiàn)象越明顯C[波衍射后不影響波的特性，即波長(zhǎng)和頻率不變，A錯(cuò)誤；波的衍射是波特有的性質(zhì)，故所有波都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，B錯(cuò)誤；從圖中可知第1幅圖衍射現(xiàn)象比較明顯，所以波長(zhǎng)一定，縫越窄衍射現(xiàn)象越明顯，由于題中給出的是波長(zhǎng)一定的情況，無(wú)法得出縫寬一定時(shí)衍射情況，故C正確，D錯(cuò)誤．]考點(diǎn)3多普勒效應(yīng)美國(guó)霍普金斯大學(xué)利用多普勒效應(yīng)對(duì)蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)．科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星向近地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)返回的信號(hào)頻率增加，衛(wèi)星向遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)返回的信號(hào)頻率降低．(1)波源的頻率由誰(shuí)決定？(2)觀察者接收到的頻率與哪些因素有關(guān)？提示：(1)由波源決定．(2)觀察者接收到的頻率與波源的頻率、波源與觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)．1．發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)幾種情況的比較相對(duì)位置圖示結(jié)論波源S和觀察者A相對(duì)介質(zhì)不動(dòng)f波源＝f觀察者，接收頻率不變波源S不動(dòng)，觀察者A運(yùn)動(dòng)，由A→B或A→C若靠近波源，由A→B則f波源＜f觀察者，接收頻率變高若遠(yuǎn)離波源，由A→C則f波源＞f觀察者，接收頻率變低若觀察者A不動(dòng)，波源S運(yùn)動(dòng)，由S1→S2f波源＜f觀察者，接收頻率變高2．當(dāng)波源與觀察者相互接近，觀察者接收到的頻率f觀察者變大，反之觀察者接收到的頻率f觀察者變小．3．發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，不論觀察者接收到的頻率發(fā)生了怎樣的變化，波源的真實(shí)頻率并不會(huì)發(fā)生任何變化．【典例3】(多選)假如一輛汽車在靜止時(shí)喇叭發(fā)出聲音的頻率是300Hz，在汽車向你駛來(lái)又擦身而過(guò)的過(guò)程中，下列說(shuō)法正確的是()A．當(dāng)汽車向你駛來(lái)時(shí)，聽到喇叭聲音的頻率大于300HzB．當(dāng)汽車向你駛來(lái)時(shí)，聽到喇叭聲音的頻率小于300HzC．當(dāng)汽車和你擦身而過(guò)后，聽到喇叭聲音的頻率大于300HzD．當(dāng)汽車和你擦身而過(guò)后，聽到喇叭聲音的頻率小于300Hz[思路點(diǎn)撥]解答本題時(shí)應(yīng)把握以下兩點(diǎn)：(1)當(dāng)觀察者與波源的距離減小時(shí)，觀察者接收到的頻率變大．(2)當(dāng)觀察者與波源的距離增大時(shí)，觀察者接收到的頻率變小．AD[當(dāng)汽車向你駛來(lái)時(shí)，兩者距離減小，你單位時(shí)間內(nèi)接收的聲波個(gè)數(shù)增多，頻率升高，將大于300Hz，故A選項(xiàng)正確；當(dāng)汽車和你擦身而過(guò)后，兩者距離變大，你單位時(shí)間內(nèi)接收的聲波個(gè)數(shù)減少，頻率降低，將小于300Hz，故D選項(xiàng)正確．]多普勒效應(yīng)的分析方法(1)確定研究對(duì)象．(波源與觀察者)(2)確定波源與觀察者是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)．若有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能發(fā)生多普勒效應(yīng)，否則不發(fā)生．(3)判斷：當(dāng)兩者遠(yuǎn)離時(shí)，觀察者接收到的波的頻率變小，靠近時(shí)觀察者接收到的波的頻率變大，但波源的頻率不變．[跟進(jìn)訓(xùn)練]3．波源的振動(dòng)頻率為f，當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源前方的靜止觀察者接收到的頻率為f1，波源后方的靜止觀察者接收到的頻率為f2，則有()A．f>f1 B．f<f2C．f1<f2 D．f1>f2D[f由波源每秒鐘所振動(dòng)的次數(shù)決定，介質(zhì)振動(dòng)的頻率由波源頻率及波源相對(duì)介質(zhì)是否移動(dòng)來(lái)決定，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離波源過(guò)程中，觀察者接收到的機(jī)械波頻率比觀察者靜止時(shí)接收到的頻率??；當(dāng)觀察者靠近波源過(guò)程中，觀察者接收到的機(jī)械波頻率比觀察者靜止時(shí)接收到的頻率大，所以f>f2，f1>f，由上可知f1>f2，故D正確，A、B、C錯(cuò)誤．]1．關(guān)于波的干涉和衍射現(xiàn)象，下列說(shuō)法中正確的是()A．一切種類的波只要滿足一定條件都能產(chǎn)生干涉和明顯的衍射現(xiàn)象B．波只要遇到障礙物就能夠發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象C．只要是兩列波疊加，都能產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣D．對(duì)于發(fā)生干涉現(xiàn)象的兩列波，它們的振幅一定相同A[干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象，一切種類的波只要滿足一定條件都能產(chǎn)生干涉和明顯的衍射現(xiàn)象，故A正確；明顯的衍射現(xiàn)象必須是波的波長(zhǎng)比障礙物的尺寸大得多或相差不大，故B錯(cuò)誤；要產(chǎn)生干涉現(xiàn)象的必要條件之一，就是兩列波的頻率相等，故C錯(cuò)誤；產(chǎn)生干涉的條件是兩列波的頻率相等，與振幅無(wú)關(guān)，故D錯(cuò)誤．]2．有一障礙物的尺寸為10m，下列哪列波在遇到它時(shí)衍射現(xiàn)象最明顯()A．波長(zhǎng)為4m的機(jī)械波B．波長(zhǎng)為10m的機(jī)械波C．頻率為40Hz的聲波D．頻率為5000MHz的電磁波(波速為3×108m/s)B[空氣中聲波波速大約為340m/s，由λ＝eq\f(v,f)可算出頻率為40Hz的聲波的波長(zhǎng)為8.5m；同理可算出頻率為5000MHz的電磁波的波長(zhǎng)為0.06m．選項(xiàng)B中波長(zhǎng)與障礙物尺寸相同，衍射現(xiàn)象最明顯，故B正確．]3．如圖所示，甲、乙兩相互垂直傳播的振動(dòng)情況完全相同的波，實(shí)線表示波峰，虛線表示波谷，箭頭表示波的傳播方向，則圖中P點(diǎn)(小正方形的中央一點(diǎn))所處位置應(yīng)在()A．振動(dòng)增強(qiáng)點(diǎn)B．振動(dòng)減弱點(diǎn)C．可能是增強(qiáng)點(diǎn)又可能是減弱點(diǎn)D．既不是增強(qiáng)點(diǎn)又不是減弱點(diǎn)B[波峰與波峰疊加，波谷與波谷疊加，為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)；波峰與波谷疊加，為振動(dòng)減弱點(diǎn)．P點(diǎn)處于減弱點(diǎn)的連線上，即在減弱區(qū)內(nèi)，所以P點(diǎn)為振動(dòng)減弱點(diǎn)．故B正確，A、C、D錯(cuò)誤．]4．(新情境題，以“超聲波”為背景，考查多普勒效應(yīng))公路巡警開車在高速公路上以100km/h的恒定速度巡查，在同一車道上巡警車向前方的一輛轎車發(fā)出一個(gè)已知頻率的超聲波，如果該超聲波被那輛轎車反射回來(lái)時(shí)：(1)巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出的低；(2)巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出的高．問(wèn)題：以上兩種情況說(shuō)明了什么問(wèn)題？[解析](1)如果巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出時(shí)低，由多普勒效應(yīng)可知，巡警車與轎車在相互遠(yuǎn)離．又由于巡警車在后且車速恒定，所以轎車的速度大于100km/h．(2)如果巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出時(shí)高，由多普勒效應(yīng)可知，巡警車與轎車在相互靠近，同理可知，轎車的速度小于100km/h．[答案](1)轎車的速度大于100km/h(2)轎車的速度小于100km/h回歸本節(jié)知識(shí)，自我完成以下問(wèn)題：1．兩列波疊加形成穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象的條件是什么？提示：頻率相同．2．發(fā)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象時(shí)，各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)頻率與什么有關(guān)？提示：與波源的振動(dòng)頻率相同．3．能夠發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件是什么？提示：孔、縫的寬度與波長(zhǎng)差不多或比波長(zhǎng)還小．超聲波人耳最高只能感覺(jué)到大約20000Hz的聲波，頻率更高的聲波就是超聲波(supersonicwave)了．超聲波