河南省洛阳市高中物理第十二章机械波12.4波的衍射和干涉课件新人教版选修3-4.ppt

一 知识与技能1 知道什么是波的衍射和干涉现象 2 知道波发生明显衍射的条件 3 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 4 知道波的干涉的条件及波的干涉图样的特点 5 知道衍射与干涉是波所特有的现象 二 过程与方法1 通过实验的演示 观察和发现波的衍射的现象 理解发生衍射的条件 2 明确波的叠加原理 通过观察 分析干涉现象 了解干涉图样的特点 三 情感 态度和价值观1 培养学生 观察现象 归纳特征 得出结论 的实验方法 2 培养学生的空间想象能力 1 波可以绕过障碍物继续传播 这种现象叫做波的 2 实验表明 只有缝 孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长 或者比波长 时 才能观察到明显的衍射现象 3 一切波 发生衍射 衍射是波 的现象 4 事实表明 几列波相遇时能够保持 运动状态 继续传播 在它们重叠的区域里 介质的质点 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 5 频率 两列波叠加时 使某些区域的振幅 某些区域的振幅 这种现象叫做波的干涉 形成的图样常常叫做 6 产生干涉的必要条件是 两列波的 必须相同 跟 一样 干涉也是波所 的现象 答案 1 衍射2 相差不多更小3 都能特有4 各自的同时矢量和5 相同的加大减小干涉图样6 频率衍射特有 知识点1波的衍射 1 定义 波可以绕过障碍物继续传播的现象 如图12 4 1所示 注意 衍射是波特有的现象 一切波都能发生衍射现象 2 产生明显衍射现象的条件只有缝 孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多 或者比波长更小时 才能观察到明显的衍射现象 例如 声波的波长一般比院墙大 隔墙有耳 就是声波衍射的例证 注意 一切波都能发生衍射 而要发生明显的衍射现象须满足上述条件 当不满足上述条件时 衍射现象仍存在 只不过是衍射现象不明显 不易被我们观察到 波的直线传播就是衍射不明显时的近似 例1 如图12 4 2所示是观察水面波衍 射现象的实验装置 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 则波经过孔之后的传播情况 下列描述中正确的是 A 此时能明显观察到波的衍射现象B 挡板前后波纹间距离相等C 如果孔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 能更明显的观察到衍射现象 答案 A B C 解析 根据能有明显衍射现象的条件 障碍物或孔的尺寸比波长小或差不多 从图中可看出孔AB的尺寸小于一个波长 所以此时能明显地观察到波的衍射现象 A正确 因为穿过挡板小孔后的波速不变 频率相同 所以波长也相同 B正确 若将孔AB扩大 将可能不满足明显衍射现象的条件 就有可能观察不到明显的衍射现象 C正确 若将波源频率增大 由于波速不变 所以波长变小 将可能不满足明显衍射现象的条件 也有可能观察不到明显的衍射现象 D错误 思维点悟 本题考查的是一个演示实验 要求对波发生明显衍射现象的条件 以及波长 频率 波速之间的关系有正确的认识 因此对重要的演示实验的实验原理和实验方法 都必须有深入的理解 在观察水波衍射现象的实验中 若打击水面的振子振动频率增大 观察到的衍射现象有什么变化 提示 v f f增大 减小 则衍射现象变得不明显 对应练习射实验俯视图1 把M N两块挡板中的空隙当做一个 小孔 做水波的衍射实验 出现了如图12 4 3所示的图样 位置P处的水没有振动起来 现要使挡板左边的振动传到P处 在不改变挡板M的左右位置和P点位置的情况下 可以采用哪些办法 解析 波发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸与波长相差不多 或者比波长更小 所以要使P点振动起来 有两种方法 一是减小孔的尺寸 二是增大波的波长 N板向上移 可以减小孔的尺寸 由v f可知 水波的波速一定 减小波源的频率可以增大水波的波长 答案 N板上移 或减小波源振动的频率 1 原理 几列波相遇时能够保持各自的运动状态 继续传播 在它们重叠的区域里 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 知识点2波的叠加 2 理解 位移是两列波分别产生的位移的矢量和当两个波源产生的两列波在同一介质中传播时 介质中的每个质点都要同时参与两个分运动 在任一时刻 第一列波使某个质点a振动所产生的位移是x1 第二列波同时使质点a振动所产生的位移是x2 则质点a的位移就是这两列波分别产生的位移的矢量和 各列波独立传播几列波在同一介质中传播 在介质中某一点 或某一区域 相遇时 每一列波都能够保持各自的状态继续沿着原来的方向向前传播 彼此之间互不影响 好像没有遇到的另一列波一样 在它们重叠的区域里 介质的质点同时参与这几列波所产生的振动 每一质点仍然是在各自的平衡位置附近做振动 质点振动的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和 注意 叠加原理适用于一切波 例2 如图12 4 4所示 两列相同的波沿一直线相向传播 当它们相遇时 如图所示的波形中可能的是 答案 B C 解析 当两列波的前半个波 或后半个波 相遇时 根据波的叠加原理 在前半个波 或后半个波 重叠的区域内所有质点此刻的振动合位移为零 而两列波的后半个波 或前半个波 的波形保持不变 所以选项B正确 当两列波完全相遇时 即重叠在一起 由波的叠加原理可知 所有质点振动的位移均等于每列波单独传播时引起的位移的矢量和 使得所有的质点振动的位移加倍 所以选项C也是正确的 思维点悟 在两列波叠加时 质点的位移是每列波单独传播时引起的位移的矢量和 本题考查对波的叠加原理的理解 对应练习2 如图12 4 5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 A 两列波比较 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PD 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 答案 C D 1 干涉 频率相同的两列波叠加 使某些区域的振动总是加强 某些区域的振动总是减弱 并且加强区和减弱区相互间隔 这种现象叫做波的干涉 2 干涉图样波的干涉形成的图样叫干涉图样 如图12 4 6所示 注意 干涉是波叠加的结果 任意两列机械波都会叠加 但只有满足频率相同 即f1 f2时 才能出现稳定的干涉现象 振动加强 减弱 的区域是指质点的振幅大 小 而不是指振动的位移大 小 因为位移是在时刻变化的 一切波都能发生干涉现象 干涉是波特有的现象 但是两列频率不同的波叠加后 加强和减弱不稳定 不能形成干涉图样 3 加强点和减弱点 加强点 振动加强的点振动总是加强 但并不是始终处于波峰或波谷 它们都在平衡位置附近振动 也有的时刻位移为零 只是振幅为两列波振幅之和 显得振动剧烈 减弱点 振动减弱点的振动始终减弱 它位移的大小始终等于两列波分别引起位移的大小之差 振幅为两列波振幅之差 如果两列波的振幅相同 则振动减弱点将会总是处于静止的 振动加强点和减弱点的判断方法a 条件判断法 振动频率相同 振动方向相同的两波源产生的波叠加时 加强 减弱条件如下 设点到两波源的距离差为 r 若两波源振动的相差为零 那么当 r 2k 2时为加强点 当 r 2k 1 2时为减弱点 k 0 1 2 若两波源振动步调相反 即相差为 则上述结论相反 b 现象判断法 若某点总是波峰与波峰 或波谷与波谷 相遇 该点为加强点 若总是波峰与波谷相遇 则为减弱点 例3 如图12 4 7所示表示两个相干波源S1 S2产生的波在同一种均匀介质中相遇 图中实线表示某时刻的波峰 虚线表示波谷 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 A D 解析 波的干涉示意图所示的仅是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 振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的 a点是波谷和波谷相遇的点 c是波峰和波峰相遇的点 都是振动加强的点 而b d两点都是波峰和波谷相遇的点 是振动减弱的点 A正确 e位于加强点的连线上 仍为加强点 f位于减弱点的连线上 仍为减弱点 B错误 相干波源叠加产生的干涉是稳定的 不会随时间变化 C错误 因形成干涉图样的介质质点也是不停地做周期性振动 经半个周期步调相反 D正确 思维点悟 若认为只有干涉图样上波峰和波峰 波谷和波谷相遇的点才是振动加强的点 波峰和波谷相遇的点为振动减弱的点 可能误选B 误认为加强点永远位于波峰 减弱的点永远位于波谷 会漏选D 对应练习3 如图12 4 8所示是水波干涉示意图 S1 S2是两波源 A D B三点在一条直线上 两波源频率相同 振幅相等 下列说法正确的是 A 质点A一会儿在波峰 一会儿在波谷B 质点B一会儿在波峰 一会儿在波谷C 质点C一会儿在波峰 一会儿在波谷D 质点D一会儿在波峰 一会儿在波谷 解析 在波的干涉中 振动加强区域里的质点总在自己的平衡位置两侧做简谐振动 只是质点的振幅较大 为A1 A2 本题中由于A1 A2 故振动减弱区的质点并不振动 即质点C不振动 而此时A点是波峰与波峰相遇 是加强点 B点是波谷与波谷相遇 是加强点 又A D B三点在同一条振动加强线上 这条线上任一点的振动都是加强的 故此三点都为加强点 这样 此三点都是一会儿在波峰 一会儿在波谷 答案 A B D 1 对衍射现象的理解 1 衍射是波特有的现象 一切波都可以发生衍射 2 凡能发生衍射现象的就是波 3 波的衍射总是存在的 只有 明显 与 不明显 的差异 4 波长较长的波容易产生明显的衍射现象 5 波传到孔或障碍物时 孔或障碍物仿佛一个新波源 由它发出与原来同频率的波在孔或障碍物后传播 就偏离了直线方向 因此 波的直线传播只是在衍射不明显时的近似 例4 下列关于波的衍射的说法正确的是 A 衍射是一切波特有的现象B 对同一列波 缝 孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或比波长小时 衍射现象明显C 只有横波才能发生衍射现象 纵波不能发生衍射现象D 声波容易发生衍射现象是由于声波波长较大 答案 A B D 解析 衍射是一切波特有的现象 所以选项A对C错 发生明显的衍射现象是有条件的 只有缝 孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或比波长更小时 才能观察到明显的衍射现象 所以选项B是正确的 声波的波长在1 7cm到17m之间 一般常见的障碍物或孔的大小可与之相比 正是由于声波波长较大 声波容易发生衍射现象 所以选项D也是正确的 2 对波的干涉现象的理解 1 波的叠加是无条件的 任何频率的两列波在空间相遇都会叠加 2 稳定干涉图样的产生是有条件的 必须是两列波的频率相同 相差恒定 如果两列波的频率不相等 在相遇的区域里不同时刻各质点叠加的结果都不相同 看不到稳定干涉图样 3 明显的干涉图样和稳定的干涉图样意义是不同的 明显的干涉图样除了满足相干条件外 还必须满足两列波振幅差别不大 振幅越是接近 干涉图样越明显 4 应该明确波的干涉条件中所指 振动加强的点到两波源的距离等于波长的整数倍 这一结论是有条件的 条件是 两波源的振动情况完全相同 即两波源位置固定 振动方向平行 步调完全一致 5 振动加强的点和振动减弱的点始终在以振源的频率振动 其振幅不变 若是振动减弱点 振幅可为0 但其位移随时间发生变化 3 怎样理解波的干涉现象中的加强区和减弱区在波的干涉现象中 加强区是指该区域内质点的振幅A增大 减弱区域是指该区域内质点的振幅A减小 设两个频率和步调都相同的波源单独引起的振幅分别为A1和A2 则在振动加强区中质点振动的振幅为A1 A2 在振动减弱区域中质点的振幅为 A1 A2 不论加强区还是减弱区中的质点 都仍然在其平衡位置附近做振动 它们的振动位移仍随时间发生周期性变化 因此 某一时刻 加强区域中质点的位移有可能小于减弱区域中质点振动的位移 若A1 A2 则减弱区中质点的振幅为零 不振动 例5 当两列振动情况完全相同的水波发生干涉时 如果两列波的波峰在P点相遇 下列说法正确的是 A 质点P的振动始终是加强的B 质点P的振幅最大C 质点P的位移始终最大D 质点P的位移有时为零 答案 A B D 解析 由于P点是两列波的波峰相遇点 故质点P的振动始终是加强的 其振幅等于两列波的振幅之和 但质点P并不停在波峰或波谷不动 它不断地围绕自己的平衡位置往复运动 故其位移有时为零 许多人可能都有这样的体验 当我们听自己说话的录音时 会感到与我们平时说话时所听到的自己的声音有很大的不同 但听别人讲话的录音时就没有这种感觉 这种现象显然不是录音失真造成的 而是与波的衍射有关的一