波的反射折射和衍射高二物理素养提升学案人教版2019选择性必修第一

高中物理选择性必修一素养提升学案第三章机械波

波的反射、折射和衍射【核心素养目标】物理观念知道波的反射、折射和衍射现象，知道明显衍射的条件。科学思维理解波的反射定律和折射定律，能进行简单计算。科学探究经历探究波的明显衍射现象条件的过程。科学态度与责任利用波的几种现象实例培养观察、分析和归纳的习惯。【知识点探究】知识点一波的反射1.反射现象：波遇到介质界面（如水波遇到挡板）时会返回原介质继续传播的现象。2.反射规律：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。【特别提醒】反射波的波长、频率、波速与入射波的相关量相同。知识点二波的折射1.波的折射：光从一种介质进入另一种介质时会发生折射，同样，一切波都会发生折射现象。2.水波的折射：水波在深度不同的水域传播时，在交界处将发生折射。【特别提醒】波的折射现象中，波在两种介质中的频率相同，波长、波速发生变化。知识点三波的衍射1.波绕过障碍物继续传播的现象。2.发生明显衍射的条件：障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小。3.一切波都能发生衍射。衍射是波特有的现象。【温馨提示】在水波的衍射现象中，波在通过障碍物（或小孔）前后的频率、波速、波长相同。【特别提醒】（1）“隔墙有耳”指的是声波的衍射现象。

（2）狭缝的宽度远小于水波的波长时，有明显的衍射现象。

（3）一切波遇到障碍物都会发生衍射现象。

【考点探究】考点1波的反射和折射我们在山中、在大的空房间里大声说话时，都会听到回声，这属于波的什么现象？提示：波的反射现象。1.波的反射和折射中物理量变化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2.对波的三点说明（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，即都与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，频率同、波速同，故波长相同，折射波与入射波在不同介质中传播，频率同，波速不同，故波长不同。【典例1】1．甲、乙两人平行站在一堵墙前面，二人相距，距离墙均为，当甲开了一枪后，乙在时间后听到第一声枪响，则乙听到第二声枪响的时间为（）A．听不到 B．甲开枪后 C．甲开枪后 D．甲开枪后【答案】C【详解】乙听到的第一声枪响必然是甲放枪的声音直接传到乙的耳中，故甲、乙二人及墙的位置如图所示乙听到的第二声枪响必然是墙反射的枪声，由反射定律可知，波线如图中和，由几何关系可得故第二声枪响传到乙的耳中的时间为故选C。【思路点拨】根据反射定律画出声波传播的示意图，再用速度公式求时间。【知识拓展】波的反射应用技巧——回声测距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定律的，可用反射定律作图后再求解。（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，关键是根据物理情景规范作出几何图形，然后利用几何知识结合物理规律进行解题。考点2波的衍射声波能绕过障碍物继续传播，衍射声波有什么特点？水波能到达挡板的后面，衍射水波有什么特点？提示：衍射波与原波具有相同的频率，传播过程中波形没变。1.波的衍射的条件：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.波的衍射的实质：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。【典例2】2．如图所示，是观察水面波衍射的实验装置，和是两块挡板，是一个孔，是波源，图中已画出波源所在区域波的传播情况，每两相邻波纹（图中曲线）之间距离表示一个波长，则关于波经过孔之后的传播情况，下列描述中错误的是（）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．如果将孔扩大，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，能更明显观察到衍射现象【答案】D【详解】A．因为波长与孔的尺寸差不多，所以能够观察到明显的衍射现象，故A正确，不符合题意；B．波通过孔后，波速、频率、波长不变，则挡板前后波纹间的距离相等，故B正确，不符合题意；C．如果将孔AB扩大，孔的尺寸大于波的波长，有可能观察不到明显的衍射现象，故C正确，不符合题意；D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，因为波速不变，根据知，波长减小，可能观察不到明显的衍射现象，故D错误，符合题意。故选D。【特别提醒】衍射现象的两点提醒（1）障碍物的尺寸与波长大小的关系不是发生衍射的条件，而是发生明显衍射的条件，波长越大越易发生明显衍射现象。（2）当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射十分突出，但衍射波的能量很弱，也很难观察到波的衍射。【同步训练】3．关于波的反射与折射，下列说法正确的是（

）A．入射波的波长一定等于反射波的波长，其频率不变B．入射波的波长一定小于反射波的波长，其频率不变C．入射波的波长一定大于折射波的波长，其频率不变D．入射波的波长一定小于折射波的波长，其频率不变【答案】A【详解】AB.入射波与反射波在同种介质中波速相同，频率由波源决定，频率相同，由知波长相同，选项A符合题意，B不符合题意．CD.因不知介质情况，入射波与折射波波长无法比较，选项CD不符合题意．4．关于波的衍射现象，下列说法正确的是（）A．当孔的尺寸比波长大时，一定不会发生衍射现象B．只有孔的尺寸与波长相差不多时，或者比波长还小时才会观察到明显的衍射现象C．只有波才有衍射现象D．衍射是波特有的现象【答案】BCD【详解】A．当孔的尺寸比波长大时，会发生衍射现象，只不过不明显，故A错误；B．只有当孔、缝或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才会发生明显的衍射现象，故B正确；C．只有波才有衍射现象，故C正确；D．衍射是波特有的现象，故D正确。故选BCD。5．一块小石子投入河水中激起一列水波，遇到障碍物后能发生明显衍射现象，障碍物是（）A．静止在河面的渔船 B．静止在河面的货船C．竖立在河中的竹竿 D．竖立在河中的桥墩【答案】C【分析】根据发生明显的衍射现象的条件是障碍物的尺寸与波长相差不大或者比波长小，从而即可求解．【详解】河水中激起一列水波，遇到障碍物后能发生明显衍射现象，依据发生明显的衍射现象的条件是障碍物的尺寸与波长相差不大或者比波长小，故水波遇到竖立在河中的竹竿时能产生明显的衍射现象，故C正确，ABD错误．故选C．6．如图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）之间距离表示一个波长，则波经过孔之后的传播情况，下列描述正确的是（）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，能更明显地观察到衍射现象E．挡板前后波纹间距离不等【答案】ABC【详解】A．因为波长与孔的尺寸差不多，所以能够观察到明显的衍射现象，故A正确；BE．波通过孔后，波速、频率、波长不变，则挡板前后波纹间的距离相等，故B正确，E错误；C．如果将孔AB扩大，孔的尺寸大于波的波长，可能观察不到明显的衍射现象，故C正确；D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，因为波速不变，根据知，波长减小，可能观察不到明显的衍射现象，故D错误。故选ABC。7．一列简谐横波，在t=0.6s时刻的图像如下图甲所示，此时，P、Q两质点的位移均为1cm，波上A质点的振动图像如图乙所示，则以下说法正确的是（）A．这列波沿x轴正方向传播B．这列波的波速是m/sC．从t=0.6s开始，紧接着的时间内，A质点通过的路程是10mD．从t=0.6s开始，质点P比质点QE．若该波在传播过程中遇到一个尺寸为30m的障碍物不能发生明显衍射现象【答案】ABDE【详解】A．由乙图读出tA质点经过平衡位置向下振动，故这列波沿x轴正方向传播，选项A正确；B．由甲图读出该波的波长为λ=20m，由乙图周期为T=1.2s。则波速为故B正确。C．，质点做简谐运动时在半个周期内质点A通过的路程是2倍振幅，即A质点通过的路程是故C错误。D．图示时刻质点P沿y轴正方向，质点Q沿y轴负方向，所以质点P将比质点Q先回到平衡位置。P从直接回到平衡位置需时Q从先运动到振幅处，再回到平衡位置需时由此可知质点P比质点Q先回到平衡位置的时间为故D正确。E．发生明显衍射现象的条件是障碍物的尺寸比波长小或跟波长差不多，该波的波长为20m，根据这个条件可知该波在传播过程中遇到一个尺寸为30m的障碍物，不能发生明显衍射现象，故E正确。故选ABDE8．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？(3)若物体以5m/s的速度由海面向海底运动，则经过多长时间听到回声？【答案】3401530382.5m0.498s【详解】(1)[1]波的频率为[2]因波的频率不变，则在海水中的波速为v海=λf=1530m/s(2)[3]若物体在海面上发出的声音经0.5s听到回声，则海水深为(3)[4]若物体以5m/s的速度由海面向海底运动，则听到回声的时间9．“B超”可用于探测人体内脏的病变状况，如图是超声波从肝脏表面入射，经折射与反射，最后从肝脏表面射出的示意图，超声波在进入肝脏发生折射时遵循的规律与光的折射规律类似，可表述为=(式中θ1是入射角，θ2是折射角，、分别是超声波在肝外和肝内的传播速度)，超声波在肿瘤表面发生反射时遵循的规律与光的反射规律相同，已知，入射点与出射点之间的距离是d，入射角为i，肿瘤的反射面恰好与肝脏表面平行，则肿瘤离肝脏表面的深度h为多少？【答案】【分析】根据光的折射、反射的规律，正确画出超声波折射的线路图，依据几何关系以及折射定律即可求解。【详解】光路如图所示入射角为i，设折射角为r，根据题意，由几何关系得=根据折射定律n=n=而v2v1解得h=【点睛】本题主要考查了光的折射定律，作出光路图结合几何知识即可解题。【课堂小结】回归本节知识，自我完成以下问题：1.波在两种介质的界面处能否同时发生折射和反射现象？提示：能。2.在波的反射和折射现象中频率是否发生变化？提示：不变。3.明显衍射现象的条件是什么？提示：波长大于障碍物或小孔的尺寸（或相差不多）。【知识拓展】回声、混响和建筑声学各种波在传播过程中如果遇到大的障碍物，都会发生反射，声波也是这样。声波遇到普通房间的墙壁、地面、天花板也会反射，但是由于回声和原声几乎同时到达，而人耳只能分辨相差0.1s以上的两个声音，所以在房间里不能听到回声，只会感到声音比在野外时大些；同时由于墙壁、地面、天花板对声波的多次反射，当声源停止发声后，声音要经过一段时间才会消失，这种现象叫作混响，这段时间叫作混响时间。混响时间的长短是音乐厅、剧院、礼堂等建筑物的重要声学特性。对讲演厅来说，混响时间不能太长。我们平时讲话，每秒大约发出2至3个音节，如果混响时间太长，发出下一个音节的时候上一个音节的声音还很强，那就不容易听清楚。混响时间也不能太短，太短了听起来声音太小，就像在旷野里说话，同样听不清。处理各种建筑物的声学特性，取得好的声音效果，这门学问叫作建筑声学。北京回音壁是皇穹宇的围墙，墙高米，厚米，直