浙江专版2023-2024学年新教材高中物理新人教版选择性必修第一册 3.3 波的反射折射和衍射（课件+训练提升）（2份）

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3波的反射、折射和衍射

课前·基础认知

课堂·重难突破

素养·目标定位

随堂训练

素养·目标定位

目标素养

1.知道波的反射和波的反射规律,知道波的折射和波的折射规律,形成正确的物理观念。

2.知道什么是衍射现象,掌握发生明显衍射现象的条件,培养科学思维能力。

知识概览

课前·基础认知

一、波的反射和折射

1.波的反射。

(1)当水波遇到挡板时会发生反射。

(2)反射线、法线与入射线在同一平面内,反射线与入射线分居法线两侧,反射角等于入射角。

2.波的折射。

(1)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作波的折射。

(2)一切波都会发生折射现象。

二、波的衍射

1.定义:波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫作波的衍射。

2.发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。

3.一切波都能发生衍射,衍射是波特有的现象。

微思考日常生活中“闻其声而不见其人”的物理现象的原因是什么

提示:声波的波长比较长,容易发生衍射,能绕过一般的障碍物,而可见光波长很短,不容易发生衍射现象,故生活中常有听到人的声音而看不到人。

课堂·重难突破

一对波的反射和折射的理解

重难归纳

1.回声测距。

当声源不动时,声波遇到静止障碍物会返回来继续传播,由于反射波与入射波在同一介质中传播速度相同,因此,入射波和反射波在传播距离一样的情况下,用的时间相等,设经过时间t听到回声,则声源距障碍物的距离为

2.超声波定位。

蝙蝠、海豚能发出超声波,超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来。蝙蝠、海豚就是根据接收到反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置,从而确定飞行或游动方向。

3.波的反射、折射现象中各量的变化。

(1)频率(f)由波源决定:故无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等,即波源的振动频率相同。

(2)波速(v)由介质决定:故反射波与入射波在同一介质中传播,波速不变,折射波与入射波在不同介质中传播,波速变化。

(3)据v=λf知,波长λ与波速和频率有关。反射波与入射波,频率相同、波速相同,故波长相同,折射波与入射波在不同介质中传播,频率相同,波速不同,故波长不同。具体如下表所示。

波现象波的反射波的折射

传播方向改变,θ反=θ入改变,θ折≠θ入

频率f不变不变

波速v不变改变

波长λ不变改变

一列声波从空气中传入水中,已知水中声速较大,则声波从空气中传入水中后,声波的频率和波长将如何变化

提示:由于波的频率由波源决定,因此波无论在空气中传播还是在水中传播频率都不变。又因波在水中速度较大,由公式v=λf可得,波在水中的波长变大。

典例剖析

在渔船上利用超声波可以探测鱼群的位置,当它向选定的方向发射出频率为5.8×104Hz的超声波后,经过0.64s收到从鱼群反射回来的反射波,已知5.8×104Hz的超声波在水中的波长为2.5cm,则这群鱼到渔船的距离为m。

答案:464

解析:超声波在水中的传播速度

v=λf=2.5×10-2×5.8×104m/s=1.45×103m/s。

所以鱼群到船的距离

规律总结回声测距的方法技巧

利用回声测距是波的反射的一个重要应用,它的特点是声源正对障碍物,声源发出的声波与回声在同一条直线上传播。

1.若是一般情况下的反射,反射波和入射波是遵从反射规律的,可用反射规律作图后再求解。

2.利用回声测距时,要特别注意声源是否运动,若声源运动,声源发出的原声至障碍物再返回至声源的这段时间与声源的运动时间相同。

3.解决波的反射问题,关键是根据物理情境规范作出几何图形,然后利用几何知识结合物理规律进行解题。

学以致用

某物体发出的声音在空气中的波长为1m,波速为340m/s,在海水中的波长为4.5m。

(1)该波的频率为Hz,在海水中的波速为m/s。

(2)若物体在海面上发出的声音经0.5s听到回声,则海水深为多少

答案:(1)3401530(2)382.5m

因波的频率不变,

则在海水中的波速为v海=λ海f=4.5×340m/s=1530m/s。

(2)入射声波和反射声波用时相同,则海水深为

二波的衍射现象

重难归纳

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不明显时的近似情况。

3.衍射现象与观察的矛盾。

当孔的尺寸远小于波长时尽管衍射十分突出,但由于衍射波的能量很弱,衍射现象不容易观察到。

既然一切波都能够发生衍射,那为什么生活中见不到光的衍射现象

提示:可见光的波长通常在0.4~0.7μm的范围内,跟一般障碍物的尺寸相比非常小,所以通常的情况下看不到光的衍射,看到的是光的直线传播。

典例剖析

(多选)右图为演示波的衍射的装置,S为水平面上振动的波源,M、N是水面上的两块挡板,其中N板可以移动,两板间形成一狭缝,此时测得图中A处没有振动,下列说法正确的是

()

A.使波源的振动频率增大,可以使A处的水振动起来

B.使波源的振动频率减小,可以使A处的水振动起来

C.移动N板使狭缝间距增大,可以使A处的水振动起来

D.当A点振动后,挡板两边的波纹间距相等

答案:BD

解析:A处没有振动说明不能发生明显的衍射现象,要发生明显的衍射现象,必须减小狭缝的宽度或增大波长,所以选项C错误。要想增大波长,由知,当f减小时,λ增大,所以选项B正确,A错误。发生衍射前后,波的频率、波速和波长都是不变的,挡板两边的波纹间距相等,选项D正确。

学以致用

(多选)在做水波通过小孔衍射的演示实验中,激发水波的振动发生器振动频率为5Hz,水波在水槽中传播速度为5cm/s,小孔直径d选用下列哪些尺寸可使实验效果比较明显()

A.1mB.0.8mC.0.8cmD.1.2cm

答案:CD

解析:在水槽中,振子振动所激发的水波波长为cm=1cm,小孔尺寸与波长相差不大时,易发生明显衍射现象。所以选项C、D正确。

随堂训练

1.(多选)以下关于波的认识,正确的是()

A.潜水艇利用声呐探测周围物体的分布情况,用的是波的反射原理

B.隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊吸波材料,是为了减少波的反射,从而达到隐形的目的

C.雷达的工作原理是利用波的直线传播

D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象,是波的折射现象

答案:ABD

解析:声呐、雷达都是利用接收反射波来进行定位的,选项A正确,C错误。D选项中水波的传播方向发生改变属于波的折射现象,选项D正确。隐形飞机通过减少波的反射达到隐形的目的,选项B正确。

2.有一障碍物的尺寸为10m,下列哪列波在遇到它时衍射现象最明显()

A.波长为4m的机械波

B.波长为10m的机械波

C.频率为100Hz的声波

D.频率为5000MHz的电磁波(波速为3×108m/s)

答案:B

解析:空气中声波波速大约为340m/s,由可算出频率为100Hz的声波的波长为3.4m;同理可算出频率为5000MHz的电磁波的波长为0.06m。选项B中波长与障碍物尺寸相同,衍射现象最明显。选项B正确。

3.下列各图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(①②图)或障碍物(③④图),每两条相邻曲线(图中曲线)之间距离表示一个波长,其中能发生明显衍射现象的有()

A.③④B.②④C.①③D.①②

答案:B

解析:一列水波在传播过程中遇到了小孔(①②图),相比而言②图的孔洞的尺寸比①图小,且②的波长与小孔的尺寸差不多,所以②图能比①图发生更明显的衍射现象;一列水波在传播过程中遇到了障碍物(③④图),相比而言④图的障碍物的尺寸比③图小,且④图的波长大于障碍物的尺寸,所以④图能发生明显的衍射现象。故选项B正确。

4.天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度,在水平地面与观测者的距离为d=3.0km处进行一次爆炸,观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差Δt=6.0s,试估算云层下表面距水平地面的高度。(已知空气中的声速)

答案:2.0km

解析:由题意画出声波传播平面图如图所示。3波的反射、折射和衍射

课后·训练提升

基础巩固

一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)

1.图中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线,则()

A.2与1的波长、频率相等,波速不等

B.2与1的波速、频率相等,波长不等

C.3与1的波速、频率、波长均相等

D.3与1的频率相等,波速、波长均不等

答案D

解析波发生反射时,在同一种介质中运动,因此波长、波速和频率不变,故选项A、B错误;波发生折射时,频率不变,波速变,波长变,故选项C错误,D正确。

2.声波能绕过某一建筑物传播而光却不能绕过该建筑物,这是因为()

A.声波是纵波,光是横波

B.声波振幅大,光振幅小

C.声波波长较长,光波长很短

D.声波波速较小,光速很大

答案C

解析波发生明显衍射现象的条件是孔缝的宽度或障碍物尺寸与波长相比差不多或比波长更小。由于声波的波长比较长,而可见光的波长很短,故声波可发生明显的衍射现象而光无法发生明显的衍射现象,故只有选项C正确。

3.已知空气中的声速为340m/s。现有几种声波:①周期为0.05s,②频率为104Hz,③波长为10m。它们传播时若遇到宽约为13m的障碍物,能产生明显的衍射现象的是()

A.①和②B.②和③

C.①和③D.都可以

答案C

解析由公式v=,得周期为0.05s的声波的波长为λ1=vT=340×0.05m=17m,故①能产生明显的衍射现象;由公式v=λf得频率为104Hz的声波的波长为λ2=m=0.034m,故②不能产生明显的衍射现象;波长为10m的声波,障碍物宽度与该声波波长相差不大,故③能产生明显的衍射现象。故选项C正确,A、B、D错误。

4.音箱装饰布网既美观又能阻止灰尘进入音箱内部,但是它又有不利的一面,对于音箱发出的声音来说,布网就成了障碍物,它阻碍了声音的传播,造成了声音失真,有的生产厂家就把装饰布网安装了子母扣,这样听音乐时就可以把布网卸下来,从而获得高保真的听觉效果。听同样的音乐不卸下布网和卸下布网相比较,你认为声音损失掉的主要是()

A.高频部分B.低频部分

C.中频部分D.不能确定

答案A

解析由v=λf知,波速一定时,频率越高、波长越小。波长越小,越不易发生衍射现象,故不卸布网损失掉的主要是高频部分,所以选项A正确。

5.如图所示,图中O点是水面上一波源,实线、虚线分别表示该时刻的波峰、波谷,AB是挡板,CD是小孔,经过一段时间,水面上的波形将分布于()

A.整个区域

B.阴影Ⅰ以外区域

C.阴影Ⅱ以外区域

D.上述答案均不对

答案B

解析从题图中可以看出挡板比水波波长大得多,因此波不会绕过挡板,而小孔的大小与波长差不多,能发生明显的衍射现象,故选项B正确。

二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)

6.下列属于明显衍射现象的是()

A.隔墙有耳

B.池中假山前有水波,假山后无水波

C.河中芦苇后面没有留下无波的区域

D.在大山前喊话,多次听到自己的声音

答案AC

解析假山前有波,假山后无波,说明波没有绕过障碍物,因此不属于明显衍射现象,选项B不正确。对着大山喊话,多次听到自己的声音是波的反射现象,选项D不正确。

7.如图所示,S是波源,M、N是两块挡板,其中M板固定,N板可左右自由移动,两板中间有一狭缝,此时测得A点无明显振动,为使A点能发生明显振动,下列采取的办法可行的是()

A.增大波源振动频率

B.减小波源振动频率

C.将N板向右移

D.将N板向左移

答案BD

解析波在某种介质中传播,波速一定,由λ=可知,要调整波长可改变波的频率,只有发生明显衍射,A处才能有明显的振动。根据发生明显衍射的条件,可知选项B、D正确。

三、非选择题

8.甲、乙两人分乘两只小船在湖中钓鱼,两船相距24m。有一列水波在湖面上传播,使每只船每分钟上下浮动20次,当甲船位于波峰时,乙船位于波谷,这时两船之间还有5个波峰。

(1)此水波的波长为多少波速为多少

(2)若此波在传播过程中遇到一根竖立的电线杆,是否会发生明显的衍射现象

(3)若该波经过一跨度为30m的桥洞,桥墩直径为3m,桥墩处能否看到明显衍射现象

(4)若该桥为一3m宽的涵洞,洞后能否发生明显衍射

答案(1)mm/s

(2)会

(3)能

(4)能

解析(1)由题意知,周期T=s=3s

设波长为λ,则5λ+=24m,λ=m

由v=得,v=m/s=m/s。

(2)由于λ=m,大于竖立电线杆的直径,所以此波通过竖立的电线杆时会发生明显的衍射现象。

(3)、(4)由于λ=m>3m,所以此波无论是通过直径为3m的桥墩,还是通过宽为3m的涵洞,都能发生明显的衍射现象。

能力提升

一、选择题Ⅰ(每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的)

1.如图所示,P为桥墩,A为靠近桥墩漂浮的叶片,波源S连续振动,形成水波,此时叶片A静止不动。为使水波能带动叶片振动,可用的方法是()

A.提高波源频率

B.提高波源周期

C.减小波源距桥墩的距离

D.增加波源距桥墩的距离

答案B

解析为使水波能带动叶片振动,需水波能发生明显衍射,即增加水波的波长,根据λ=vT=可知,在波速不变的情况下可增加水波的周期或者减小频率,故选项B正确。

2.右图是利用发波水槽观察到的水波衍射图像,从图像可知()

A.B侧波是衍射波

B.A侧波速与B侧波速相等

C.减小挡板间距,衍射波的波长将减小

D.增大挡板间距,衍射现象将更明显

答案B

解析小孔是衍射波的波源,A侧是衍射波,故选项A错误;在同一种介质中,波速相等,故选项B正确;根据波速、波长和频率的关系式v=λf,由于波速和频率不变,故波长不变,故选项C错误;波长越长越容易发生衍射现象,与波的频率和振幅没有关系,在波长无法改变的情况下减小挡板间距,衍射现象更明显,故选项D错误。

3.在空旷的广场上有一堵较高大的墙MN,墙的一侧O点有一个正在播放男女声合唱歌曲的声源。某人从图中A点走到墙后的B点,在此过程中,如果从声波的衍射来考虑,则会听到()

A.声音变响,男声比女声更响

B.声音变响,女声比男声更响

C.声音变弱,男声比女声更弱

D.声音变弱,女声比男声更弱

答案D

解析男声的频率比女声的频率低,波长大,更易衍射。

二、选择题Ⅱ(每小题列出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的)

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更小时,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ABD

解析衍射是一切波特有的现象,所以选项A正确,C错误;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正确;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正确。

5.如图所示,一小型渔港的防波堤两端MN相距约60m,在防波堤后A、B两处有两个小船进港躲避风浪。某次海啸引起的波浪沿垂直于防波堤的方向向防波堤传播,下列说法正确的是()

A.假设波浪的波长约为10m,则A、B两处小船基本上不受波浪影响

B.假设波浪的波长约为10m,则A、B两处小船明显受到波浪影响

C.假设波浪的波长约为50m,则A、B两处小船基本上不受波浪影响

D.假设波浪的波长约为50m,则A、B两处小船明显受到波浪影响

答案AD

解析A、B两处小船明显受到影响是因为水波发生明显的衍射,波浪能传播到A、B处的结果,当障碍物或缝隙的尺寸比波长小或跟波长差不多的时候,会发生明显的衍射现象。

6.如图所示,沿x轴正方向传播的一列横波在某时刻的波形为一正弦曲线,其波速为200m/s,下列说法正确的是()

A.从图示时刻开始,质点b比质点a先到平衡位置

B.从图示时刻开始,经过