惠更斯原理 波的反射与折射

1、2.4 2.4 惠更斯原理惠更斯原理 波的反射与折射波的反射与折射一、惠更斯原理一、惠更斯原理观察思考 从波源发出的波经过同一传播时间而到达的各点所组成的面，叫做波面波面，最前面的波面叫做波前波前.波面是平面的波称为平面波平面波；波面是圆（球）形的波称为圆（球）波形圆（球）波形. 从波源沿着波的传播方向画出的带箭头的线称为波线波线，它表示波动的传播方向.平面波的波线是垂直于波面的平行线，圆形波的波线是沿着以波源为中心的半径方向向外的射线.波面波线波面波线 从实验中可以看到：在直线波纹的水波传播过程中，到达一个宽度与波长相差不多的狭缝时，水波穿过了狭缝，狭缝后面的波纹呈圆形，以狭缝为圆心沿半径方

2、向向周边传去，好像狭缝就是波源一样，如图2-4-2所示. 荷兰物理学家惠更斯惠更斯研究波的现象时，于1690年提出：波在传播过程中所到达的每一点都可看做新的波源，从这波在传播过程中所到达的每一点都可看做新的波源，从这些点发出球面形状的子波，其后任一时刻这些子波波前的些点发出球面形状的子波，其后任一时刻这些子波波前的包络面就是新的波前包络面就是新的波前.这就是惠更斯原理. 根据这一原理，我们可以用几何作图的方法，由已知的某一时刻波前确定下一时刻波前，从而确定波的传播方向，所以惠更斯原理又叫做惠更惠更斯原理又叫做惠更斯作图法斯作图法. 在图2-4-3中，应用惠更斯原理，用作图法描绘了平面波、球形波

3、的传播情况.在图中波的传播速度为v，t时刻的波前用紫线表示，以波前上的每一点为球心，以vt为半径，作出的小球面表示子波，这些子波的包络面，即为t+t时刻的波前，图中用蓝线表示.球面波球面波波源波源.平面波平面波.t传传播播方方向向t t + + t t 波面波面t t 波面波面传传播播方方向向t t 波面波面t t + + t t 波面波面utut.t 时刻的波面时刻的波面t+t时刻的波面时刻的波面子波波源子波波源tv 用惠更斯原理确定下一时刻平面波的波面确定下一时刻球面波的波面确定下一时刻球面波的波面.子波波源子波波源t+t时刻时刻的波面的波面t 时刻时刻的波面的波面tv二、波的反射二、波的

4、反射 波在传播的过程中，遇到两种介质的分界面时返回到原介质继续传播的现象叫做波的反射反射. 如图2-4-4所示，在介质中有一列平面波，其波速为v1，在t1时刻波前AE与分界面相遇于A点，t2时刻波前上的B点与分界面相遇于C点.应用惠更斯作图法，可由已知的入射波的波前，求出反射波的波前，从而求出反射线（即反射波线），并得到波的反射定律. 其步骤如下： （1）标明通过两种介质分界面XY上A、C两点的法线N1N1、N2N2，画出入射波的波前AB和垂直于它的入射波线PA、QC. （2）画出子波波前. 从A到C中间点的子波在t2时刻的波前的半径将依次减小，在C点为零，在图中用绿线表示. （3）画出各子波

5、波前的包络面，即反射波的波前. 作在t2时刻各子波波前的切面CD，CD就是子波的包络面，即为反射波的波前. （4）作出反射线，即垂直于反射波波面的直线. 入射点A与切点D相连，AD即为反射线，与法线的夹角i为反射角. 通过以上的步骤的分析，我们可以得到波的反射遵循的规律，即为反射定律. 因为我们在同一介质中波速相等，所以入射波速与反射波速相同，以v1表示.图中AD等于A点发出的子波在t2时刻的半径.BC为入射波在t2 - t1时间内传播的距离. 所以 在RtADC和RtABC中， 因为 所以 ， 因为 得)(121ttvAD)(121ttvBCBCAD ADCABCBCADAC90BCAiDA

6、Ciii BCAD 入射波的波面入射波的波面反射波的波面反射波的波面入射波的波线入射波的波线反射波的波线反射波的波线反射定律：当波传播到两种介质的交界处发生反射时，入射线、法线、反射线在同一平面内，入射线与反射线分别位于法线两侧，而且反射角等于入射角；反射波的波长、频率和波速都与入射波相同.反射定律反射定律三、波的折射三、波的折射 波在传播过程中，从一种介质进入另一种介质时，波传播的方向发生偏折的现象叫做波的折射折射. 波发生折射的原因是在不同介质中波的速度不同. 惠更斯作图法也可以描绘波的折射（图2-4-5），由已知的入射波波前求出折射波波前，并由此得出波的折射定律折射定律：波在介质中发生折

7、射时，入射线、法线、折射线（即折射波线）在同一平面内，入射线与折射线分别位于法线两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于波在第一种介质中传播速度跟波在第二种介质中的传播速度之比.对给定的两种介质，该比值为常数.CAiiBDrr入射波的波面入射波的波面折射波的波面折射波的波面折射定律折射定律 从上式中，可以知道：当v1v2时，ir，即折射线偏向法线；当v1v2时，ir，即折射线偏离法线；当垂直界面入射（i=0）时，r=0，波的传播方向不变，是折射中的特殊情况. 在折射中，波的频率保持不变，波速和波长都会发生变化，根据 ，当波进入新的介质后，若波速增大，则波长变大；若波速减小，则波长减小.ri

8、vvsinsin21fv：特点：波线与波面互相垂直特点：波线与波面互相垂直内容：内容：入射线、法线、反射线在同一平面内，入射入射线、法线、反射线在同一平面内，入射线与反射线分居法线两侧，反射角等于入射角。线与反射线分居法线两侧，反射角等于入射角。注意：注意：反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同拆射定律：拆射定律：（1）波在介质中发生折射时，入射线、）波在介质中发生折射时，入射线、法线、折射线在同一平面内，入射线和折射线分别法线、折射线在同一平面内，入射线和折射线分别位于法线两侧（位于法线两侧（2）在波的折射中，频率不变，波速和波长都发生改变。在波的折射中

9、，频率不变，波速和波长都发生改变。sinsin21ivv 1回声是声波的反射现象回声是声波的反射现象 对着山崖或高墙说话，声波传到山崖或高墙时，会对着山崖或高墙说话，声波传到山崖或高墙时，会被反射回来继续传播被反射回来继续传播 2夏日的雷声轰鸣不绝夏日的雷声轰鸣不绝 声波在云层界面多次反射声波在云层界面多次反射3在空房间里讲话感觉声音响在空房间里讲话感觉声音响 声波在普通房间里遇到墙壁，地面，天花板发生反声波在普通房间里遇到墙壁，地面，天花板发生反射时，由于距离近，射时，由于距离近，原声与回声几乎同时到达人原声与回声几乎同时到达人耳耳人耳只能分开相差人耳只能分开相差0.1s以上的声音以上的声音

10、所以，在房间所以，在房间里听不到回声，人在房间里讲话感觉声音比在野外大，里听不到回声，人在房间里讲话感觉声音比在野外大，而普通房间里的幔帐、地毯、衣物等会吸收声波，会而普通房间里的幔帐、地毯、衣物等会吸收声波，会影响室内的声响效果影响室内的声响效果雷达和隐形飞机：雷达和隐形飞机：雷达是利用无线电波发现目标，并测定其位雷达是利用无线电波发现目标，并测定其位置的设备。由于无线电波具有恒速、定向传播的规律，因此，置的设备。由于无线电波具有恒速、定向传播的规律，因此，当雷达波碰到飞行目标当雷达波碰到飞行目标(飞机、导弹）等时，一部分雷达波便会飞机、导弹）等时，一部分雷达波便会反射反射回来，根据反射雷达

11、波的时间和方位便可以计算出飞行目回来，根据反射雷达波的时间和方位便可以计算出飞行目标的位置。由于一般飞机的外形比较复杂，总有许多部分能够标的位置。由于一般飞机的外形比较复杂，总有许多部分能够强烈反射雷达波，因此整个隐形飞机强烈反射雷达波，因此整个隐形飞机F117飞机表面涂以黑色的飞机表面涂以黑色的吸收雷达波吸收雷达波的涂料。的涂料。 B超超 人体各个内脏的表面对人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样平常说的力也不一样平常说的“B超超”就是根据就是根据内脏反射的超声波内脏反射的超声波进进行行造影造影，

12、帮助医生分析体内的，帮助医生分析体内的病变的。病变的。 “B超超”是亮度调制型超声诊是亮度调制型超声诊断仪的简称。由于能在荧光屏断仪的简称。由于能在荧光屏上显示出断面图像，所以又称上显示出断面图像，所以又称断面显像仪。断面显像仪。它所显示的图像具有与人体解剖位置直接对应的特点，所它所显示的图像具有与人体解剖位置直接对应的特点，所以十分直观，使用方便，诊断正确率高。近年来，以十分直观，使用方便，诊断正确率高。近年来，B型超型超声显象仪已被用于许多脏器的检查，但脑和眼等部位的辅声显象仪已被用于许多脏器的检查，但脑和眼等部位的辅助检查仍以助检查仍以A型为主。型为主。蝙蝠的蝙蝠的“眼睛眼睛”：18世纪，意大利教士兼生物学家斯帕兰扎世纪，意大利教士兼生物学家斯帕兰扎尼研究蝙蝠在夜间活动时，发现蝙蝠是靠高频率的尖叫来确尼研究蝙蝠在夜间活动时，发现蝙蝠是靠高频率的尖叫来确定障碍物的位置的。这种尖叫声