人教版(新教材)高中物理选择性必修1学案：3 3 波的反射、折射和衍射

人教版（新教材）高中物理选择性必修第一册PAGEPAGE1第3节波的反射、折射和衍射核心素养物理观念科学思维1.知道波传播到两种介质交界面时会发生反射、折射现象。2.了解波的衍射现象和衍射图样，知道波发生明显衍射现象的条件。3.知道衍射是波特有的现象。通过发波水槽实验探究水波发生明显衍射现象的条件。知识点一波的反射、波的折射1.波的反射(1)波的反射：波传播过程中遇到介质界面会返回原介质继续传播的现象。(2)反射波的波长、波速、频率跟入射波的相同。(3)波的反射定律：反射线、入射线和法线在同一平面内，反射线和入射线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。如图所示。2.波的折射(1)波的折射：波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生改变的现象。(2)波的折射中，波的频率不变，波速和波长发生改变。〖思考判断〗(1)波向前传播在两介质的界面上要么发生反射，要么发生折射，二者不会同时发生。(×)(2)波发生反射时波的频率不变，波速变小，波长变短。(×)(3)波发生折射时波的频率不变，但波长、波速发生变化。(√)反射波的波长、频率、波速与入射的相关量相同吗？〖提*示〗反射波与入射波在同一介质中传播，介质决定波速，因此波速不变，波的频率是由波源决定的，因此，波的频率也不改变，由此我们可知波长也不改变。即反射波的波长、频率、波速都跟入射波的相关量相同。折射现象中，波长、波速、频率都变化吗？〖提*示〗在波的折射现象中，波的频率不改变。波速和波长都发生变化。知识点二波的衍射〖观图助学〗1.定义：波可以绕过障碍物继续传播的现象。2.实验现象(1)实验器材：在水槽里放两块挡板，中间留一个狭缝。(2)现象：狭缝宽度比波长大得多，波的传播如同光沿直线传播一样，在挡板后面产生“阴影区”；在狭缝宽度与波长相差不多或者狭缝宽度比波长更小时，水波可以绕到挡板后面继续传播。3.发生明显衍射现象的条件缝、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。〖思考判断〗(1)一切波遇到障碍物都会发生衍射现象。(√)(2)只有当障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时，才会发生衍射现象。(×)(3)当小孔大小一定时，波的频率越大，衍射现象越明显。(×)(4)当障碍物大小一定时，波的频率越小，衍射现象越明显。(√)为什么声波容易发生明显衍射现象？〖提*示〗声波容易发生明显的衍射现象。声波的波长在1.7cm～17m之间，与一般障碍物的尺寸相比差不多，或比其大，故声波的衍射现象极为明显，使我们能够听到障碍物另一侧的声音。

衍射的成因是什么？〖提*示〗波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)仿佛是一个新的波源，由它发出与原来同频率的波(称为子波)，在孔(或障碍物)后传播，于是就出现了偏离直线方向传播的衍射现象。核心要点对波的反射和折射的理解和应用〖要点归纳〗波的反射、折射现象中各物理量的变化现象比较项目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〖试题案例〗〖例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〖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，A、B错误；波发生折射时，频率不变，波速变，波长变，故C错误，D正确。〖答案〗D〖例2〗某测量员利用回声测距，他站在两平行墙壁间某一位置鸣枪，经过1s第一次听到回声，又经过0.5s再次听到回声，已知声速为340m/s，则两墙壁间的距离为多少？〖解析〗设测量员离较近的墙壁的距离为x，则他离较远的墙壁的距离为s－x，2x＝vt12(s－x)＝v(t1＋Δt)其中Δt＝0.5s，t1＝1s，代入数据得s＝425m。〖答案〗425m方法凝炼回声测距的三种情况(1)当声源不动时，声波遇到了障碍物后会返回继续传播，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，设经时间t听到回声，则声源距障碍物的距离为s＝v声·eq\f(t,2)。(2)当声源以速度v向静止的障碍物运动或障碍物以速度v向静止的声源运动时，声源发声时障碍物到声源的距离为s＝(v声＋v)·eq\f(t,2)。(3)当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离声源时，声源发声时障碍物到声源的距离为s＝(v声－v)·eq\f(t,2)。〖针对训练1〗有一辆汽车以15m/s的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛2s后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离有多远？(v声＝340m/s)〖解析〗设汽车在A点发出笛声，A点到山崖B的距离为x1，汽车运动到C点接收到笛声，设AC距离为x2，CB距离为x，因二者运动时间相同，则有x1＝x2＋x①x1＋x＝v声t②x2＝v车t③联立①②③得x＝325m。〖答案〗325m核心要点波的衍射现象〖观察探究〗如图所示是一个可观察水波衍射的水波发生槽，振源的频率是可以调节的，槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔，观察水波的传播，也可以在水槽中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播。思考下列问题：(1)水波遇到小孔时，会观察到什么现象？依次减小小孔尺寸，观察到的现象有什么变化？(2)当水波遇到较大的障碍物时，会观察到什么现象？当障碍物较小时，会观察到什么现象？〖提*示〗(1)水波遇到小孔时，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”，小孔的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显。(2)当水波遇到较大的障碍物时，将会返回，当障碍物较小时，波能继续向前传播。〖探究归纳〗1.衍射是波特有的现象(1)一切波都能发生衍射现象，只是有的明显，有的不明显。(2)波的直线传播只是在衍射不明显时的近似。(3)波长较长的波容易产生明显的衍射现象。2.产生明显衍射现象的条件只有当缝、孔的宽度或障碍物尺寸跟波长相差不大，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。(1)障碍物或孔的尺寸大小，并不是决定衍射能否发生的条件，而是衍射现象是否明显的条件。一般情况下，波长较长的波容易产生显著的衍射现象。(2)波传到孔或障碍物时，孔或障碍物仿佛是一个新的波源，由它发出的与原来同频率的波(称为子波)在孔或障碍物后传播，于是，就出现了偏离直线传播的衍射现象。(3)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。〖试题案例〗〖例3〗(多选)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)之间的距离表示一个波长，则对于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，能观察到的更明显衍射现象〖解析〗从题图中可以看出，孔的大小与波长相差不多，故能够发生明显的衍射现象，选项A正确；由于在同一均匀介质中，波的传播速度没有变化，波的频率是一定的，又根据λ＝eq\f(v,f)可得波长λ没有变化，所以选项B正确；当孔扩大后，发生明显衍射的条件将被破坏，故选项C正确；如果孔的大小不变，使波源频率增大，则波长减小，孔的尺寸将比波长大，失去发生明显的衍射现象的条件，因此选项D错误。〖答案〗ABC〖针对训练2〗如图所示，正中心O点是水面上一波源，实、虚线分别表示该时刻的波峰、波谷，A是挡板，B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以外的区域C.阴影Ⅱ以外的区域 D.阴影Ⅲ以外的区域〖解析〗由题图中可直观看出，半波长为实虚两圆半径之差，且可看出挡板A的尺寸比波长大得多，而小孔B的大小与波长长度差不多。根据波发生明显衍射的条件知，该波在挡板A处的衍射现象很不明显，即可认为波沿直线传播，故Ⅰ区内水面无波形，故选项A、C、D错误；该波的波长与小孔B的大小差不多，能够发生明显的衍射，故在阴影区Ⅲ、Ⅱ之内明显存在衍射波的波形，故选项B正确。〖答案〗B1.(波的反射)甲、乙两人平行站在一堵墙前面，两人相距2a，距离墙均为eq\r(3)a，当甲开了一枪后，乙在时间t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3t后C.甲开枪2t后 D.甲开枪eq\f(\r(3)＋\r(7),2)t后〖解析〗乙听到第一声枪响必然是甲开枪的声音直接传到乙的耳中，故t＝eq\f(2a,v)。甲、乙两人及墙的位置如图所示，乙听到第二声枪响必然是墙反射的枪声，由反射定律可知，波线为图中AC和CB。由几何关系可得AC＝CB＝2a，故第二声枪响传到乙的耳中的时间为t′＝eq\f(AC＋CB,v)＝eq\f(4a,v)＝2t。〖答案〗C2.(波的折射)一列声波从空气传入水中，已知水中声速较大，则()A.声波频率不变，波长变小B.声波频率不变，波长变大C.声波频率变小，波长变大D.声波频率变大，波长不变〖解析〗声波在水中的传播速度比在空气中的传播速度大。声波从空气传入水中，发生折射，频率不变，又由v＝λf可知，折射波的波长变大。〖答案〗B3.(波的衍射)(多选)下列现象属于波的明显衍射现象的是()A.“隔墙有耳”B.“空山不见人，但闻人语响”C.河中芦苇后面没有留下无波的区域D.池中假山前有水波，假山后无水波〖解析〗假山前有水波，假山后无水波，说明水波没有绕过障碍物，因此不属于明显衍射现象，D错误，A、B、C正确。〖答案〗ABC4.(波的衍射)如