第3节　波的反射、折射和衍射 教学设计

第3节波的反射、折射和衍射[学习目标]1．知道波传播到两种介质的界面时发生反射和折射现象．2．知道波反射的规律．3．知道波的衍射现象，理解发生明显衍射现象的条件．知识点1波的反射和折射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．波的反射规律：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．3．波的折射(1)波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生偏折的现象．(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．(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．()提示：(1)×(2)×(3)√[想一想]1．(1)墙壁的传音性比空气好得多，但把门窗关闭后，外面传入室内的声音却明显地减弱了，这是为什么？(2)人们听不清对方说话时，除了让一只耳朵转向对方，还习惯性地把同侧的手附在耳旁，这样做是利用什么原理？提示：(1)声波原来在空气中传播，如果没有障碍物，能直接传到室内，当把门窗关闭后，声波遇到墙壁和门窗，在界面上发生反射和折射现象，只有折射进入墙壁和门窗的声波才能进入室内，虽然墙壁和门窗的传音性能好但反射性能也好，所以大部分声波被反射回去，室内的声音就显著地减弱了．(2)在耳廓原有形状、面积的基础上增加一个手的面积是为了增加波的反射来提高耳朵的接收能力．知识点2波的衍射1．定义：波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象．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：在狭缝宽度比波长大得多时，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．4．波的衍射的普遍性一切波都能发生衍射．衍射是波特有的现象．[判一判]2．(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．()提示：(1)√(2)×(3)×[想一想]2．日常生活中“闻其声不见其人”的物理现象的原因是什么？提示：声波在空气中的波长较长，可以跟一般障碍物的尺寸相比拟，很容易发生衍射现象，绕过障碍物传入人耳．而光波由于波长很短，障碍物或孔的尺寸远大于光的波长，不能绕过障碍物发生衍射，所以只能听到声音而看不到说话的人．1．(波的反射)在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话的声音要洪亮，是因为()A．室内空气不流动 B．室内声音多次反射C．室内声音发生折射 D．室内物体会吸附声音解析：选B.在室内听到的声音洪亮是因为声波在室内墙壁上经过多次反射而得到加强．2．(波的折射)(多选)对于波的折射现象下列说法正确的是()A．当入射速度小于折射速度时，折射后波长变大B．当波垂直界面入射时，传播方向不改变，波速和波长都不改变C．在波的折射中，波的频率不改变，波速和波长都发生改变D．波发生折射时一定不会发生反射现象解析：选AC.由v＝λf可知当入射速度小于折射速度时，折射后频率不变，波长变大，A正确．当波垂直界面入射时，尽管传播方向不改变，但由于介质发生改变，波速和波长都改变，但周期、频率不变，B错误，C正确．波发生折射时也可以在两种介质界面上发生反射现象，D错误．3．(波的衍射)下列关于波的衍射的说法正确的是()A．波要发生衍射现象必须满足一定的条件B．与光波相比声波容易发生衍射是由于声波波长较长C．对同一列波，缝、孔或障碍物越大衍射现象越明显D．只有横波才能发生衍射现象，纵波不能发生衍射现象解析：选B.衍射是波特有的现象，一切波都能发生衍射现象，A、D错误；波长越长衍射现象越明显，B正确；对同一列波，障碍物越大衍射现象越不明显，C错误．4．(波的衍射)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，女声比男声更弱解析：选D.由于MN很高大，故衍射现象比较弱，由于女声音调更高，波长更小，所以衍射更不明显．探究一波的反射和折射的理解和应用【问题导引】1．如图所示，当波从介质Ⅰ传播到两介质的交界面时，返回介质Ⅰ的波和进入介质Ⅱ的波的频率变化吗？波长变化吗？2．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：1.返回介质Ⅰ时波的频率和波长均不变，进入介质Ⅱ时波的频率不变，波速变化，由v＝λf得，波长变化．2．波的反射1．波的反射和折射的比较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2.说明(1)频率f由波源决定．(2)波速v由介质决定．因为折射波与入射波在不同的介质中传播，所以波速发生变化．(3)据v＝λf知，波长λ与v及f有关，即与介质和波源有关．【例1】一列声波在空气中的波长为0.2m，当该声波从空气中以某一角度传入介质Ⅱ中时，波长变为0.6m，如图所示，若空气中的声速是340m/s.(1)求该声波在介质Ⅱ中传播时的频率；(2)求该声波在介质Ⅱ中传播的速度；(3)若声波垂直进入介质Ⅱ，经0.4s返回空气，则介质Ⅱ的深度为多少？[解析](1)声波在空气中传播时，由v＝λf可得声波在空气中传播时的频率f＝eq\f(v1,λ1)＝eq\f(340,0.2)Hz＝1700Hz由于声波在不同介质中传播时，频率不变，所以声波在介质Ⅱ中传播时，频率为1700Hz.(2)由v＝λf得声波在介质Ⅱ中的传播速度为v2＝λ2f＝0.6×1700m/s＝1020m/s.(3)声波经eq\f(t,2)＝0.2s传至介质Ⅱ底部，故介质Ⅱ的深度h＝v2·eq\f(t,2)＝1020×0.2m＝204m.[答案](1)1700Hz(2)1020m/s(3)204m[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，此时汽车到山崖的距离有多远？(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点听到笛声，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式得x＝325m.答案：325m探究二对波的衍射现象的理解【问题导引】1．只有当障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差不多时，才能发生波的衍射现象吗？2．是否孔的尺寸越小，衍射现象越容易观察？提示：1.障碍物或狭缝的尺寸大小，并不是决定衍射能否发生的条件，仅是发生明显衍射的条件．衍射是波特有的现象，一切波都会发生衍射现象．2．不是．当孔的尺寸非常小时，衍射波的能量很弱，实际上很难观察到波的衍射．1．衍射是波特有的现象，一切波都可以发生衍射．凡是能发生衍射现象的都是波．2．波的衍射总是存在的，只有“明显”与“不明显”的差异．波长较长的波容易发生明显的衍射现象．3．波传到小孔(障碍物)时，小孔(障碍物)仿佛一个新波源，由它发出与原来同频率的波在孔(障碍物)后传播，波就偏离了直线方向．因此，波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况．【例2】(多选)如图，这是波源O传出的一列水波，相邻实线间的距离等于一个波长，下列说法正确的是()A．波通过孔A，发生明显的衍射现象B．波通过孔B，不发生衍射现象C．波遇到障碍物C，发生明显的衍射现象D．波遇到障碍物D，发生明显的衍射现象[解析]观察题图，孔B和障碍物C尺寸明显大于波长，不会发生明显衍射现象，但仍然有衍射现象，只是不明显，不易观察；孔A和障碍物D尺寸小于和接近波长，会发生明显衍射现象．故A、D正确，B、C错误．[答案]AD[针对训练2](2022·广西桂林十八中高二期中)如图所示，甲为波源，M、N为两块挡板，其中M板固定，N板可移动，两板中间有一狭缝．此时测得乙处点没有振动．为了使乙处点能发生振动，可操作的办法是()A．增大甲波源的频率B．减小甲波源的频率C．将N板竖直向下移动一些D．将N板水平向右移动一些解析：选B.乙处点没有振动，说明波没有衍射过去，原因是狭缝太宽或波长太小，因此若使乙处质点振动，可使N板上移减小板间距或增大波的波长．波速恒定，根据v＝λf可知减小甲波源的频率即可增大波的波长，A、C、D错误，B正确．(建议用时：20分钟)[基础巩固练]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：选D.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．2．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，其频率不变解析：选A.入射波与反射波在同种介质中传播，波速相同，频率由波源决定，频率相同，由v＝λf知波长相同，A正确，B错误；因不知介质情况，入射波与折射波波长无法比较，C、D错误．3．(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，用的是波的折射原理B．隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质，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反射D．水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象，是波的折射现象解析：选BCD.A、B、C选项中应用了波的反射现象；D选项是波的折射现象，深水区域和浅水区域视为不同介质，故波的传播方向发生改变，故选B、C、D.[综合提升练]4．如图所示的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，每两条波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长．为了使衍射现象更明显，可以采取的措施是()A．将孔AB扩大或者增大波源频率B．将孔AB扩大或者减小波源频率C．将孔AB缩小或者增大波源频率D．将孔AB缩小或者减小波源频率解析：选D.当AB的宽度比波长更小时，可以使衍射现象更加明显，所以可以采取的措施有将孔AB缩小或者减小波源频率．5．(多选)如图所示，S是波源，M、N是两块挡板，其中M板固定，N板可以左右移动，两板中间有一狭缝，此时A点没有明显振动，为了使A点能发生明显振动．可采用的方法是()A．增大波源的频率B．减小波源的频率C．将N板向右移D．将N板向左移解析：选BD.A点要发生明显振动，就是要发生明显的衍射现象，而发生明显衍射现象的条件是障碍物或小孔的尺寸比波长小或者跟波长差不多，当狭缝距离不变时，必须增大波长，而v是一定的，由v＝fλ可知，要增大λ则要减小f，故B正确．当波长λ不变时，将N板左移，使狭缝距离d减小，也能产生明显衍射，故D正确．6．在水波槽的衍射实验中，若打击水面的振子振动的频率是5Hz，水波在水波槽中的传播速度是0.05m/s，为观察到显著的衍射现象，小孔直径d应为()A．10cm B．5mC．d≥1cm D．d≤1cm解析：选D.设水波波长为λ，当d≤λ时会发生明显的衍射现象，由题意知水波的波长λ＝eq\f(v,f)＝eq\f(0.05,5)m＝0.01m＝1cm，即孔直径d≤1cm时符合题意．7．某雷达站正在跟踪一架飞机，此时飞机正朝着雷达站方向匀速飞来；某一时刻雷达发出一个无线电脉冲，经200μs后收到反射波；隔0.8s后再发出一个脉冲，经198μs收到反射波，已知无线电波传播的速度为c＝3×108m/s，远大于飞机的飞行速度v.则v应为()A．1500m/s B．750m/sC．375m/s D．以上数据都不对解析：选C.由于c≫v，故可不考虑电磁波传播过程中飞机的位移；设雷达两次发射电磁波时飞机分别位于x1、x2处，则第一次：2x1＝ct1，第二次：2x