高中物理 第二章 机械波 5 波的干涉、衍射 6 多普勒效应课件 教科版选修34.ppt

5波的干涉 衍射6多普勒效应 第二章机械波 学习目标 1 知道波的叠加原理 知道波的干涉现象实质上是波的一种特殊的叠加现象 2 知道波的干涉图样的特点 理解形成稳定干涉图样的条件 3 知道波的衍射现象 理解波发生明显衍射现象的条件 4 了解多普勒效应 能运用多普勒效应解释一些物理现象 内容索引 重点探究启迪思维探究重点 达标检测检测评价达标过关 自主预习预习新知夯实基础 自主预习 一 波的叠加原理1 波的叠加原理在几列波传播的重叠区域内 质点要参与由几列波引起的振动 质点的总位移等于各列波单独存在时在该处引起的振动位移的 2 理解 1 如果介质中某些质点处于两列波波峰与波峰 波谷与波谷相遇处 则振动 填 加强 或 减弱 合振幅将 填 增大 不变 或 减小 2 如果质点处于波峰与波谷相遇处 则振动 填 加强 或 减弱 合振幅 填 增大 不变 或 减小 同时 矢量和 加强 增大 减弱 减小 二 波的干涉现象1 波的干涉 的两列波叠加 使介质中某些区域的质点振动始终 另一些区域的质点振动始终 并且这两种区域互相间隔 位置 这种稳定的叠加现象 图样 叫做波的干涉 2 产生干涉的一个必要条件是两列波的必须相同 3 波的干涉现象是在特殊条件下波的 只要满足一定条件都能发生干涉现象 频率相同 加强 减弱 保持不变 叠加 频率 一切波 三 波的衍射现象1 波的衍射波能够绕到的后面传播的现象 2 波发生明显衍射现象的条件当缝的宽度或障碍物的尺寸大小与相差不多或比小时 就能看到明显的衍射现象 3 波的衍射的普遍性一切波都可发生现象 障碍物 波长 波长 衍射 四 多普勒效应及其应用1 定义 当观测者和波源之间有相对运动时 观测者测得的频率与波源频率 2 成因 1 波源s与观测者a相对于介质都静止时 观测者单位时间内接收到的完整波的数目与单位时间内波源发出的 所以 观测者接收到的频率和波源的振动频率 2 当观测者与波源两者相互靠近时 观测者在单位时间内接收到的完整波的数目 接收到的频率将波源振动的频率 不同 相同 相同 增多 大于 3 当观测者与波源两者相互远离时 观测者在单位时间内接收到的完整波的数目 接收到的频率将波源振动的频率 3 应用 1 测量心脏血流速度 2 测定人造卫星位置的变化 3 测定流体的流速 4 检查车速 5 判断遥远的天体相对于地球的运动速度 减少 小于 1 判断下列说法的正误 1 只有当障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时 才会发生衍射现象 2 敲击音叉使其发声 然后转动音叉 听到声音忽强忽弱是声波的干涉现象 3 只有频率相同的两列波才可以叠加 4 当波源和观察者向同一个方向运动时 一定发生多普勒效应 即学即用 答案 2 两个频率 振动方向 初始相位均相同的波源s1 s2 产生的波在同一介质中传播时 某时刻t形成如图1所示的干涉图样 图样中两波源s1 s2同时为波谷 实线表示波峰 虚线表示波谷 在图中标有a b c三个点 则振动加强的点是 振动减弱的点是 答案 图1 a b c 解析由题图可知a点为波峰与波峰相遇 是振动加强点 b点是波谷与波谷相遇 是振动加强点 c点是波峰与波谷相遇 是振动减弱点 解析 重点探究 一 波的叠加 导学探究 1 两个同学分别抓住绳子的两端 各自抖动一下 绳上产生两列凸起且相向传播的波 两列波相遇后是否还保持原来的运动状态继续传播 答案两列波相遇后仍然保持原来各自的运动状态继续传播 并没有受到另一列波的影响 2 当教室内乐队合奏时 我们听到的某种乐器的声音与这种乐器独奏时发出的声音是否相同 这种声音是否受到了其他乐器的影响 答案相同 没有受到其他乐器的影响 答案 知识深化 对波的叠加的理解 1 波的独立传播特性 几列波相遇时各自的波长 频率等运动特征 不受其他波的影响 2 波的叠加原理 在几列波重叠的区域里 介质的质点同时参与这几列波引起的振动 质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和 例1 多选 如图2所示 波源s1在绳的左端发出频率为f1 振幅为a1的半个波形a 同时另一个波源s2在绳的右端发出频率为f2 振幅为a2的半个波形b 且f1 f2 p为两个波源连线的中点 已知机械波在介质中传播的速度只由介质本身的性质决定 下列说法正确的是 答案 解析 a 两列波相比 a波将先到达p点b 两列波在p点叠加时 p点的位移最大可达a1 a2c b的波峰到达p点时 a的波峰还没有到达p点d 两列波相遇时 绳上位移可达a1 a2的点只有一个 此点在p点的左侧 图2 解析因两列波波速相等 故两列波能同时到达p点 a错误 因f1 2 故当两列波同时到达p点时 a波的波峰离p点的距离比b波的波峰离p点的距离大 因此两波峰不能同时到达p点 两波峰应相遇在p点左侧 此位置对应的位移为a1 a2 位移最大 综上所述 b错误 c d正确 二 波的干涉 导学探究 如图3所示 与振动发生器相连的两个小球 在振动发生器的带动下上下振动 形成两个振动频率和振动步调相同的波源 在水面上形成两列步调 频率相同的波 两列波在水面上相遇时 能观察到什么现象 如果改变其中一个小球振动的快慢 还会形成这种现象吗 答案在水面上出现一条条从两个波源中间伸展开的相对平静的区域和剧烈振动的区域 改变其中一个小球振动的快慢 这种现象将消失 答案 图3 知识深化 对波的干涉的理解 1 发生干涉的条件 两列波的频率相同 相位差恒定 2 产生稳定干涉图样的两列波的振幅越接近 干涉图样越明显 3 干涉图样及其特点 干涉图样 如图4所示 图4 特点a 加强区和减弱区的位置固定不变 b 加强区始终加强 减弱区始终减弱 加强区与减弱区不随时间变化 c 加强区与减弱区互相间隔 4 振动加强点和振动减弱点 振动加强点 振动的振幅等于两列波振幅之和 a a1 a2 振动减弱点 振动的振幅等于两列波振幅之差 a a1 a2 振动加强点和振动减弱点的判断a 条件判断法 振动频率相同 振动情况完全相同的两波叠加时 设点到两波源的路程差为 x 当 x x2 x1 k k 0 1 2 时为振动加强点 当 x x2 x1 2k 1 k 0 1 2 时为振动减弱点 若两波源振动步调相反 则上述结论相反 b 现象判断法 若某点是波峰与波峰或波谷与波谷相遇 该点为振动加强点 若是波峰与波谷相遇 则为振动减弱点 例2如图5所示 s1 s2是两个步调完全相同的相干波源 其中实线表示波峰 虚线表示波谷 若两列波的振幅均保持5cm不变 关于图中所标的a b c d四点 下列说法中正确的是a d点始终保持静止不动b 图示时刻质点c的位移为零c b点振动始终加强 c点振动始终减弱d 图示时刻 b c两点的竖直高度差为10cme a点振动介于加强点和减弱点之间 答案 解析 图5 解析点d是波峰与波谷相遇 振动减弱 振幅为零 故保持静止 故a正确 b点是波峰与波峰相遇 c点是波谷与波谷相遇 它们均属于振动加强点 由于振幅是5cm 则b点相对平衡位置高10cm 而c点相对平衡位置低10cm 所以b c两点的竖直高度差为20cm 故b c d错误 a点位于加强点的连线上 仍为加强点 e错误 振动加强点和振动减弱点的理解 不能认为振动加强点的位移始终最大 振动减弱点的位移始终最小 而应该是振幅增大的点为振动加强点 其实这些点也在振动 位移可以为零 振幅减小的点为振动减弱点 例3如图6甲所示 在xoy平面内有两个沿z方向做简谐振动的点波源s1 0 4 和s2 0 2 两波源的振动图线分别如图乙和图丙所示 两列波的波速均为1 00m s 两列波从波源传播到点a 8 2 的路程差为 m 两列波引起的b 4 1 处质点的振动相互 填 加强 或 减弱 c 0 0 5 处质点的振动相互 填 加强 或 减弱 答案 解析 图6 2 减弱 加强 解析由题图可知两波的波长都为 vt 2m 由几何关系可知两波源到a点的距离为as1 10m as2 8m 所以两波的路程差为2m 同理可得 bs1 bs2 0 为波长的整数倍 由振动图像知两振源振动情况相反 故b点振动减弱 两波源到c点的路程差为 x cs1 cs2 1m 所以c点振动加强 根据条件判断法来确定振动加强点和振动减弱点时 一定要注意两波源的振动情况是相同还是相反 三 波的衍射 导学探究 如图7所示是一个可观察水波衍射的水波发生槽 振源的频率是可以调节的 槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔 观察水波的传播 也可以在水槽中放置宽度不同的挡板 观察水波的传播 思考下列问题 1 水波遇到小孔时 会观察到什么现象 逐渐减小小孔尺寸 观察到的现象有什么变化 答案水波遇到小孔时 水波能穿过小孔 并能到达挡板后面的 阴影区 小孔的尺寸减小时 水波到达 阴影区 的现象更加明显 答案 图7 2 当水波遇到较大的障碍物时 会观察到什么现象 当障碍物较小时 会观察到什么现象 答案当水波遇到较大的障碍物时 将会返回 当障碍物较小时 波能继续向前传播 答案 知识深化 1 关于衍射的条件 应该说衍射是没有条件的 衍射是波特有的现象 一切波都可以发生衍射 衍射只有 明显 与 不明显 之分 障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多 或比波长小是产生明显衍射的条件 2 波的衍射实质分析 波传到小孔 障碍物 时 小孔 障碍物 仿佛是一个新波源 由它发出的与原来同频率的波在小孔 障碍物 后传播 就偏离了直线方向 波的直线传播只是在衍射现象不明显时的近似情况 例4 多选 如图8所示是观察水面波衍射的实验装置 ac和bd是两块挡板 ab是一个孔 o是波源 图中已画出波源所在区域波的传播情况 每两条相邻波纹 图中曲线 之间的距离表示一个波长 则关于波经过孔之后的传播情况 下列描述中正确的是a 此时能观察到波明显的衍射现象b 挡板前后波纹间距离相等c 如果将孔ab扩大 有可能观察不到明显的衍射现象d 如果孔的大小不变 使波源频率增大 能观察到更明显的衍射现象 答案 解析 图8 解析由题图可知孔的尺寸与波长差不多 能观察到波明显的衍射现象 故选项a对 因波的传播速度不变 频率不变 故波长不变 即挡板前后波纹间距离应相等 故选项b对 若将孔ab扩大 使孔的尺寸大于波长 则可能观察不到明显的衍射现象 故选项c对 若f增大 由 知 变小 衍射现象变得不明显了 故选项d错 四 多普勒效应 导学探究 警车鸣笛从你身边飞速驶过 对于警车向你靠近和警车远离的过程 你会听到警笛的声音在变化 思考下列问题 1 你听到警笛的音调有何不同 2 实际上警笛的音调会变化吗 3 听到音调发生变化的原因是什么 答案 1 警车驶来时 音调变高 警车远离时音调变低 2 实际上警笛的音调不会变化 3 警车与观察者如果相互靠近 观察者接收到的频率增大 如果二者相互远离 观察者接收到的频率减小 因此会感觉警笛音调发生变化 答案 知识深化 对多普勒效应的理解 1 多普勒效应是波共有的特征 不仅机械波 光波和电磁波也都会发生多普勒效应 2 发生多普勒效应时 波源发出的频率不变 变化的是观察者接收到的频率 3 多普勒效应产生的原因分析 相对位置变化与频率的关系 规律 成因归纳 根据以上分析可以知道 发生多普勒效应时 一定是由于波源与观察者之间发生了相对运动且他们之间的距离发生变化 例5关于多普勒效应 下列说法中正确的是a 发生多普勒效应时 波源频率发生了变化b 要发生多普勒效应 波源和观察者必须有相对运动且他们之间的距离发生变化c 火车向你驶来时 你听到的汽笛声音调变低 火车离你远去时 你听到的汽笛声音调变高d 只有声波才能发生多普勒效应 答案 解析 解析发生多普勒效应时 波源频率并没有发生变化 波源和观察者必须有相对运动 且他们之间的距离发生变化 故a错误 b正确 根据多普勒效应可知 当波源和观察者间距变小 观察者接收到的频率一定比波源频率高 当波源和观察者间距变大 观察者接收到的频率一定比波源频率低 故c错误 所有波都能发生多普勒效应 故d错误 多普勒效应的判断方法1 确定研究对象 波源与观察者 2 确定波源与观察者两者间距是否发生变化 若有变化 能发生多普勒效应 否则不发生 3 判断 当两者远离时 观察者接收到的波的频率变小 当两者靠近时 观察者接收到的波的频率变大 但波源的频率不变 针对训练 多选 火车上有一个声源发出频率一定的音乐 当火车静止 观察者也静止时 观察者听到并记住了这个音乐的音调 以下情况中 观察者听到这个音乐的音调比原来降低的是a 观察者静止 火车向他驶来b 火车静止 观察者乘汽车向着火车运动c 观察者静止 火车离他远去d 火车静止 观察者乘汽车远离火车运动 答案 解析 解析根据多普勒效应可知 当波源和观察者间距离变小 观察者接收到的频率一定比波源频率高 当波源和观察者间距离变大 观察者接收到的频率一定比波源频率低 观察者听到这个音乐的音调比原来降低 即接收到的声波频率降低 说明观察者和火车之间的距离在变大 所以a b错误 c d正确 达标检测 1 2 3 4 1 波的叠加 多选 两个不等幅的脉冲波在均匀介质中均以1 0m s的速率沿同一直线相向传播 t 0时刻的波形如图9所示 图中小方格的边长为0 1m 则不同时刻的波形正确的是 答案 解析 图9 1 2 3 4 解析脉冲波在介质中传播 x vt 当t 0 3s时 两脉冲波各沿波的传播方向传播0 3m 恰好相遇 故a正确 当t 0 4s 0 5s 0 6s时 两脉冲波各沿波的传播方向传播0 4m 0 5m 0 6m 由波的叠加原理可知b d正确 c错误 1 2 3 4 2 波的干涉 多选 图10表示两个相干波源s1 s2产生的波在同一种均匀介质中相遇 图中实线表示波峰 虚线表示波谷 b d f在一条直线上 下列说法正确的是a a c两点的振动加强 b d两点的振动减弱b e f两点的振动介于加强点和减弱点之间c 经适当的时间后 加强点和减弱点的位置互换d 经半个周期后 原来位于波峰的点将位于波谷 原来位于波谷的点将位于波峰 答案 解析 图10 解析波的干涉示意图表示某一时刻两列相干波叠加的情况 形成干涉图样的所有介质质点都在不停地振动着 其位移的大小和方向都在不停地变化着 但要注意 对稳定的干涉 振动加强区域和减弱区域的空间位置是不变的 a点是波谷和波谷相遇的点 c点是波峰和波峰相遇