人教版(新教材)高中物理选择性必修1学案：3 3-3 4 波的反射、折射和衍射 波的干涉

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、折射和衍射第4节波的干涉学习目标要求核心素养和关键能力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。4.了解波的叠加原理。5.知道波的干涉现象和干涉图样。6.知道干涉现象是波特有的现象。1.核心素养利用矢量合成法分析波的叠加。2.关键能力利用波传播的独立性分析问题的能力。一、波的反射和折射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。〖判一判〗(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。(√)二、波的衍射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。〖判一判〗(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。(√)三、波的干涉1.波的叠加原理：几列波相遇时能够保持各自的运动特征，继续传播，在它们重叠的区域里，介质的质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。2.定义：频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时，某些区域的振动总是加强、某些区域的振动总是减弱，这种现象叫作波的干涉，形成的稳定图样叫作干涉图样。3.产生干涉的条件：(1)两列波的频率必须相同；(2)两个波源的相位差必须保持不变；(3)两列波在相遇区域各质点引起的振动方向相同，干涉是波所特有的现象。〖判一判〗(1)发生稳定干涉现象的两列波，它们的频率一定相同。(√)(2)在振动加强的区域，有时质点的位移等于零。(√)(3)能产生稳定干涉图样的两列波叠加时，振动加强的位置和减弱的位置是不变的。(√)探究1波的反射和折射1.波的反射和折射的比较波现象比较项波的反射波的折射传播方向改变i＝i′改变r≠i频率f不变不变波速v不变改变波长λ不变改变2.说明(1)频率f由波源决定。(2)波速v由介质决定。因折射波与入射波在不同的介质中传播，所以波速变化。(3)据v＝fλ知，波长λ与v及f有关，即与介质和波源有关。〖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〖答案〗D〖解析〗波发生反射时，在同一种介质中传播，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。探究2波的衍射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明显的衍射现象。(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。〖例2〗(2021·河北玉田县一中高二月考)如图所示是利用水波槽观察到的水波衍射图样，从图样可知()A.B侧波是衍射波B.A侧波速与B侧波速相等C.增大水波波源的频率，衍射现象将更明显D.增大挡板之间的距离，衍射现象将更明显〖答案〗B〖解析〗挡板左边是衍射波的波源，故A错误；在同一种介质水中，机械波的波速相等，故B正确；波速不变，增大水波波源的频率，水波的波长将减小，而挡板间距没变，所以衍射现象将没有原来的明显，故C错误；在波长没改变的情况下，增大挡板间距，衍射现象将没有原来的明显，故D错误。〖针对训练1〗(多选)(2020·吉林高二期末)图中S为在水面上振动的波源，M、N是水面上的两块挡板，其中N板可以上下移动，两板中间有一狭缝，此时测得A处水没有振动，为使A处水也能发生振动，可采用的方法是()A.使波源的频率增大B.使波源的频率减小C.移动N使狭缝的间距增大D.移动N使狭缝的间距减小〖答案〗BD〖解析〗A处质点没有振动，说明波源S振动形成的波没有衍射过去，原因是MN间的缝太宽或波长太小，因此若使A处质点振动，可采用N板上移减小狭缝间距或增大波的波长，即减小波源的频率，故B、D正确，A、C错误。探究3波的干涉1.发生干涉的条件：(1)两列波的频率相同；(2)相位差恒定。2.干涉图样的特点(1)加强区和减弱区的位置固定不变。(2)加强区始终加强，减弱区始终减弱(加强区与减弱区不随时间变化)。(3)加强区与减弱区互相间隔。3.振动加强点和振动减弱点(1)振动加强点：振动的振幅等于两列波振幅之和，即A＝A1＋A2。(2)振动减弱点：振动的振幅等于两列波振幅之差，即A＝|A1－A2|。(3)振动加强点和振动减弱点的判断①条件判断法：振动频率相同、振动情况完全相同的两波叠加时，设点到两波源的路程差为Δx，当Δx＝|x2－x1|＝kλ(k＝0，1，2，…)时为振动加强点；当Δx＝|x2－x1|＝(2k＋1)eq\f(λ,2)(k＝0，1，2，…)时为振动减弱点。若两波源振动步调相反，则上述结论相反。②现象判断法：若某点总是波峰与波峰或波谷与波谷相遇，该点为振动加强点，若某点总是波峰与波谷相遇，则为振动减弱点。〖例3〗(多选)如图所示为两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇时产生的干涉图样。图中实线表示某时刻的波峰，虚线表示波谷。下列说法正确的是()A.a、c两点的振动加强，b、d两点的振动减弱B.e、f两点的振动介于加强点和减弱点之间C.经适当的时间后，加强点和减弱点的位置互换D.经半个周期后，原来位于波峰的点将位于波谷，原来位于波谷的点将位于波峰〖答案〗AD〖解析〗波的干涉图样所示的仅是某一时刻两列相干波叠加的情况，形成干涉图样的所有介质质点都在不停地振动着，其位移的大小和方向都在不停地变化着。但要注意，对稳定的干涉，振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的。a点是波谷和波谷相遇的点，c点是波峰和波峰相遇的点，都是振动加强的点；而b、d两点都是波峰和波谷相遇的点，是振动减弱的点，A正确；e位于加强点的连线上，为加强点，f位于减弱点的连线上，为减弱点，B错误；相干波叠加产生的干涉是稳定的，不会随时间变化，C错误；因形成干涉图样的介质质点也不停地做周期性振动，经半个周期步调相反，D正确。〖例4〗(2021·应城市一中高二月考)如图所示，在均匀介质中S1和S2是同时起振(起振方向相同)、频率相同的两个机械波源，它们发出的简谐波相向传播。在介质中S1和S2平衡位置的连线上有a、b、c三点，已知S1a＝ab＝bc＝cS2＝eq\f(λ,2)(λ为波长)，则下列说法中正确的是()A.b点的振动总是最强，a、c两点的振动总是最弱B.b点的振动总是最弱，a、c两点的振动总是最强C.a、b、c三点的振动都总是最强D.a、b、c三点的振动都是有时最强有时最弱〖答案〗C〖解析〗已知S1a＝ab＝bc＝cS2＝eq\f(λ,2)(λ为波长)，则两波源到b点的路程相等，则该点是振动加强点；而两波源到a点的路程差为一个波长，则a点也是振动加强点；两波源到c点的路程差也为一个波长，则此点也是振动加强点.因此a、b、c三点的振动都总是最强；故选项C正确。〖针对训练2〗(多选)振源S1和S2在做简谐运动，向四周分别发出振幅为A1、A2的两列横波，形成如图所示的干涉图样，图中实线表示波峰，虚线表示波谷，N点为波峰与波谷相遇点，M点为波峰与波峰相遇点，下列说法正确的是()A.两个振源S1和S2的振动频率一定相同B.N点为振动减弱点，M点为振动加强点C.从图示时刻经过一个周期，N点通过的路程一定为0D.从图示时刻经过半个周期，M点通过的路程为A1＋A2〖答案〗AB〖解析〗只有频率相同的两列同性质的波相遇，才能产生稳定的干涉图样，故A正确；M点是波峰与波峰叠加，是振动加强点；N点是波峰与波谷叠加，为振动减弱点，故B正确；从图示时刻经过一个周期，N点通过的路程是振幅的4倍，而位移却不一定为0，故C错误；从图示时刻经过半个周期，M点通过的路程为2(A1＋A2)，故D错误。1.(波的反射)(多选)下列哪些现象是由声音的反射形成的()A.夏天下雨时，我们总是先看到闪电，后听到雷声B.北京天坛的回音壁的回音现象C.同样的声音在房间里比在旷野里听起来响亮些D.在火车站候车大厅中，我们有时听不清播音员的声音〖答案〗BCD〖解析〗先看到闪电，后听到雷声是由于光比声音传播得快，不是声音的反射，故A错误；声音可以同光一样，具有反射现象，选项B、C、D中描述的都是声音的反射现象。2.(波的衍射)(多选)(2020·古浪县二中高二期中)如图，下列各图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(A、B图)或障碍物(C、D图)，其中能发生明显衍射现象的有()〖答案〗BD〖解析〗发生明显衍射的条件是：障碍物(或孔)的尺寸跟波长差不多甚至比波长还小。图A中孔的尺寸比水波的波长差不多大两倍，衍射不明显，故A错误；图B中孔的尺寸比水波的波长还小，能发生明显衍射，故B正确；图C中障碍物的尺寸比水波的波长大好几倍，衍射不明显，故C错误；图D中障碍物的尺寸比水波的波长还小，能发生明显衍射，故D正确。3.(波的叠加)(多选)(2020·海南海口高二期中)如图所示，S1、S2是两个相干波源，它们振动同步且振幅相同。实线和虚线分别表示在某一时刻它们所发出的波的波峰和波谷。关于图中所标的a、b、c、d四点，下列说法中正确的有()A.该时刻a质点振动最弱，b、c质点振动最强，d质点振动既不是最强也不是最弱B.该时刻a质点振动最弱，b、c、d质点振动都最强C.a质点的振动始终是最弱的，b、c、d质点的振动始终是最强的D.再过eq\f(T,4)后的时刻b、c两个质点都将处于各自的平衡位置，将变成减弱点〖答案〗BC〖解析〗质点a处是两列波波峰与波谷叠加的地方，振动始终是最弱的，而b、c质点处是两列波波峰与波峰或波谷与波谷叠加的地方，由于两波源振动同步，且d在两波源连线的中垂线上，故d处于振动加强区域，所以b、c、d振动始终是最强的，A错误，B、C正确；图示时刻b在波峰，c在波谷，再过eq\f(T,4)后的时刻b、c质点都将处于各自的平衡位置，但b、c两点的振动始终是加强的，D错误。4.(波的干涉)(2020·保定容大中学开学考)甲、乙两列波振幅分别为A、eq\f(A,2)，在同一介质中相向传播，某时刻的波形图如图所示，x＝4m处的质点再过1s将第一次到达波谷，以下说法正确的是()A.这两列波不能产生干涉现象B.经过4s两波会相遇C.x＝7m处的质点振幅为AD.x＝6m处的质点振动加强〖答案〗D〖解析〗因甲波沿x轴正方向传播，且x＝4m处的质点再过1s将第一次到达波谷，所以eq