2021-2022学年高二物理竞赛课件：惠更斯原理 波的衍射、反射和折射

1、惠更斯原理 波的衍射、反射和折射一、惠更斯原理惠更斯原理（Hygens principle）：介质中任一波面上的各点，都可看成是产生球面子波的波源；在其后的任一时刻，这些子波的包络面构成新的波面。子波波源波阵面子波声强 声强级声强（intensity of sound）是声波的平均能流密度声压和声强随频率增加而增大。 对于每个可闻频率，声强有上下两个限值。痛觉阈（threshold of pain）： 恰好能引起痛觉的最低声强。 听觉阈（threshold of hearing）： 恰好能引起听觉的最低声强。声强的上下限值随频率而异。 为声压振幅。声压波比位移波在相位上超前 。 由 在1000

2、 Hz时，正常人听觉的最高声强为1 W/m2，最低声强为10-12 W/m2。将I 0= 10-12 W/m2作为测定声强的标准。声强级（sound level） 单位为B（贝尔） 几种典型声音的声强级：聚焦超声波210 dB炮声110 dB细语10 dB单位为dB（分贝）例 人耳可以听见的最低声强为10-12 W/m2，试求出声波在传播过程中空气分子做正弦振动的最小振幅。设空气的密度为 =1.2910-3 kg/m3，声音在空气中的传播速度 u =340 m/s。解：由式可得振幅将对人耳比较灵敏的频率 =1000 Hz 代入，得例频率为500 kHz，声强为1200 W/m2，声速为1500

3、 m/s 的超声波，在水(水的密度为1 g/cm3)中传播时，求其声压振幅为多少大气压? 又位移振幅、加速度振幅各为多少？ 解： I = 1200 W/m2， = 1103 kg/m3超声波产生超声波的装置：超声波（supersonic wave）： f 20 000 Hz机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨）电声型超声发生器（利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成）超声波频率高，波长短，具有以下特性： 定向性好、穿透性强、强度大、空化作用。 超声波在科学研究和生产上的应用 声纳探测器: 船只上的发射器先向海底发射超声波，然后通过仪器接收和分析反射回来的讯息，从而得到整个海床

4、的面貌. 超声波频率高（ 可达 ）、 能量大、穿透本领大，可用于测量海洋深度，海底地形，探测沉船和鱼群；工业探伤; 医学上用超声波显示人体内部病变部分图象等.1. 在检测中的应用 B超: 因为不同身体构造反射是不同的，所以高频率声音 ( 超声波 ）可用来作医学成像. 越短的波长，得到的解像度就越高.2. 在加工处理和医学治疗中的应用 超声波在液体中会引起空化作用, 它可用于捣碎药物制成各种药剂, 食品工业上用于制作调味剂, 建筑业上用于制作水泥乳烛液. 超声波可以用来弄碎肾石, 消毒食物，因为高速的振动会令细菌难以抵抗. 超声波亦可以用来清除眼镜或饰物的污垢. 多普勒超声波扫描术: 利用多普勒

5、效应, 反射超声波物体的运动会改变回声的频率,可测量血流速度.3. 超声电子学 利用超声元件代替电子元件制作在 内的延迟线, 振荡器, 谐振器, 带通滤波器等仪器, 可广泛用于电视、通讯、雷达等方面.次声波 次声波（infrasonic wave） ：10-4 Hz f 20 Hz 次声波产生的声源相当广泛：火山爆发、坠入大气层中的流星、极光、地震、海啸、台风、雷暴、龙卷风、电离层扰动，等等。利用人工的方法也能产生次声波，例如核爆炸、火箭发射、化学爆炸，等等。 由于次声波的频率很低，其最显著的特点是不容易被吸收，具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还 能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至坦克、军舰、潜艇和飞机，传播距离很远。 1883年8月27日印度尼西亚的喀拉喀托火山爆发时，它所产生的次声波围绕地球转了三圈，传播了十几万千米。当时，人们利用简单的微气压计曾记录到它。次声波不但“跑”得远，而且它的速度大于风暴传播的速度，所以它就成了海洋风暴来临的前奏曲，人们可以利用次声波来预报风暴的来临。 次声穿透人体时，不仅能使人产