高二物理人教版選修34 12.4波的衍射和干涉

1、5/55/55/5波的衍射和干預(yù)重/難點(diǎn)重點(diǎn)：波的衍射、波的疊加及發(fā)生波的干預(yù)的條件。難點(diǎn)：對穩(wěn)定的波的干預(yù)圖樣的理解。重/難點(diǎn)分析重點(diǎn)分析：“障礙物或孔的大小比波長小 ,或者與波長相差不多是產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件 ,而不是產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的條件。波遇到障礙物就會發(fā)生衍射 ,只是在上述的條件下可以明顯觀察到。波的干預(yù)的條件是：同一類的兩列波 ,頻率(波長)相同 ,相位差恒定 ,在同一平面內(nèi)振動。當(dāng)它們發(fā)生疊加時(shí) ,會出現(xiàn)干預(yù)現(xiàn)象。難點(diǎn)分析：波的干預(yù)是波的疊加的一個(gè)特殊情況 ,任何兩列波都可以疊加 ,但只有滿足相干條件的兩列波才能產(chǎn)生穩(wěn)定的干預(yù)現(xiàn)象。發(fā)生干預(yù)的區(qū)域中 ,介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)仍在不停地振動著

2、,其位移的大小和方向都隨時(shí)間做周期性的變化 ,但振動加強(qiáng)的點(diǎn)始終加強(qiáng) ,振動減弱的點(diǎn)始終減弱 ,并且振動加強(qiáng)的區(qū)域和減弱的區(qū)域互相間隔 ,形成的干預(yù)條紋位置不隨時(shí)間發(fā)生變化。應(yīng)當(dāng)明確 ,所謂振動加強(qiáng)是指質(zhì)點(diǎn)參與的合振動的振幅比單獨(dú)一列波引起的振動的振幅大的情況 ,因此 ,振動加強(qiáng)的點(diǎn)的位移是在不斷變化的 ,在某一時(shí)刻的位移可以為零 ,只是其振動的振幅保持不變而己。突破策略1波的衍射(1)波的衍射現(xiàn)象首先觀察水槽中水波的傳播：圓形的水波向外擴(kuò)散 ,越來越大。然后 ,在水槽中放入一個(gè)不大的障礙屏 ,觀察水波繞過障礙屏傳播的情況。由此給出波的衍射定義。波繞過障礙物的現(xiàn)象 ,叫做波的衍射。再引導(dǎo)學(xué)生觀

3、察：在水槽中放入一個(gè)有孔的障礙屏 ,水波通過孔后也會發(fā)生衍射現(xiàn)象?？唇滩闹械牟鍒D ,解釋“繞過障礙物的含義。(2)發(fā)生明顯波的衍射的條件在前面觀察的根底上 ,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行下面的觀察：在不改變波源的條件下 ,將障礙屏的孔由較大逐漸變小?？梢钥吹讲ǖ难苌洮F(xiàn)象越來越明顯。由此得出結(jié)論：障礙物越小 ,衍射現(xiàn)象越明顯?？赡艿脑?,在不改變障礙孔的條件下 ,使水波的波長逐漸變大或逐漸變小?？梢钥吹?,當(dāng)波長越小時(shí) ,波的衍射現(xiàn)象越明顯。由此指出：當(dāng)障礙物的大小與波長相差不多時(shí) ,波的衍射現(xiàn)象較明顯。發(fā)生明顯衍射的條件是：障礙物或孔的大小比波長小 ,或者與波長相差不多。最后告訴學(xué)生：波的衍射現(xiàn)象是波所特有的

4、現(xiàn)象。在生活中 ,可遇到的波的衍射現(xiàn)象有：聲音傳播中的“隔墻有耳現(xiàn)象；在房間中可以接收到收音機(jī)和電視信號 ,是電磁波的衍射現(xiàn)象。例1 一列水波穿過小孔產(chǎn)生衍射現(xiàn)象 ,衍射后水波的強(qiáng)度減弱是因?yàn)?A、水波的波長增大 B、水波的周期增大 C、水波的頻率減小D、水波的振幅減小解析：水波的頻率是由波源的頻率決定的 ,發(fā)生衍射后水波的頻率不變 ,所以選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤。波速是由介質(zhì)決定的 ,發(fā)生衍射后波速不變 ,由v=f知 ,水波的波長不變 ,先項(xiàng)A錯(cuò)誤。波的強(qiáng)弱是由振幅決定的 ,所以選項(xiàng)D正確。2波的干預(yù)觀察現(xiàn)象：在水槽演示儀上有兩個(gè)振源的條件下 ,單獨(dú)使用其中的一個(gè)振源 ,水波按照該振源的振動方式向外傳

5、播；再單獨(dú)使用另一個(gè)振源 ,水波按照該振源的振動方式向外傳播?，F(xiàn)象的結(jié)論：每一個(gè)波源都按其自己的方式 ,在介質(zhì)中產(chǎn)生振動 ,并能使介質(zhì)將這種振動向外傳播。觀察現(xiàn)象：找兩個(gè)同學(xué)拉著一條長橡皮管 ,讓他們同時(shí)分別抖動一下橡皮管的端點(diǎn) ,那么會從兩端各產(chǎn)生一個(gè)波包向?qū)Ψ絺鞑?。?dāng)兩個(gè)波包在中間相遇時(shí) ,形狀發(fā)生變化 ,相遇后又各自傳播?，F(xiàn)象的結(jié)論：波相遇時(shí) ,發(fā)生疊加。以后仍按原來的方式傳播。(l)波的疊加在觀察前面現(xiàn)象的根底上 ,向?qū)W生說明什么是波的疊加。兩列波相遇時(shí) ,在波的重疊區(qū)域 ,任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的總位移 ,都等于兩列波分別引起的位移的矢量和。結(jié)合圖1 ,解釋此結(jié)論。解釋時(shí)可以這樣說：在介質(zhì)中選

6、一點(diǎn)P為研究對象 ,在某一時(shí)刻 ,當(dāng)波源1的振動傳播到P點(diǎn)時(shí) ,假設(shè)恰好是波峰 ,那么引起P點(diǎn)向上振動；同時(shí) ,波源2的振動也傳播到了P點(diǎn) ,假設(shè)恰好也是波峰 ,那么也會引起P點(diǎn)向上振動；這時(shí) ,P點(diǎn)的振動就是兩個(gè)向上的振動的疊加 ,P點(diǎn)的振動被加強(qiáng)了。(當(dāng)然 ,在某一時(shí)刻 ,當(dāng)波源1的振動傳播到P點(diǎn)時(shí) ,假設(shè)恰好是波谷 ,那么引起P點(diǎn)向下振動；同時(shí) ,波源2的振動傳播到了P點(diǎn)時(shí) ,假設(shè)恰好也是波谷 ,那么也會引起P點(diǎn)向下振動；這時(shí) ,P點(diǎn)的振動就是兩個(gè)向下的振動的疊加 ,P點(diǎn)的振動還是被加強(qiáng)了。)用以上的分析 ,說明什么是振動被加強(qiáng)。波源1經(jīng)過半周期后 ,傳播到P點(diǎn)的振動變?yōu)椴ü?,就會使P

7、點(diǎn)的振動向下 ,但此時(shí)波源2傳過來的振動不一定是波谷(因?yàn)閮刹ㄔ吹闹芷诳赡懿煌? ,所以 ,此時(shí)P點(diǎn)的振動可能被減弱 ,也可能是被加強(qiáng)的。(讓學(xué)生來說明原因)提問：如果希望P點(diǎn)的振動總能被加強(qiáng) ,應(yīng)有什么條件？提問：如果在介質(zhì)中有另一質(zhì)點(diǎn)Q ,希望Q點(diǎn)的振動總能被減弱 ,應(yīng)有什么條件？結(jié)論：波源1和波源2的周期應(yīng)相同。(2)波的干預(yù)觀察現(xiàn)象：水槽中的水波的干預(yù)。對水波干預(yù)圖樣的解釋中 ,特別要強(qiáng)調(diào)兩列水波的頻率是相同的 ,所以產(chǎn)生了在水面上有些點(diǎn)的振動加強(qiáng) ,而另一些點(diǎn)的振動減弱的現(xiàn)象 ,加強(qiáng)和減弱的點(diǎn)的分布是穩(wěn)定的。詳細(xì)解釋教材中給出的插圖 ,如圖2所示。在解釋和說明中 ,特別應(yīng)強(qiáng)調(diào)的幾點(diǎn)是

8、：此圖是某時(shí)刻兩列波傳播的情況；兩列波的頻率(波長)相等；當(dāng)兩列波的波峰在某點(diǎn)相遇時(shí) ,這點(diǎn)的振動位移是正的最大值 ,過半周期后 ,這點(diǎn)就是波谷和波谷相遇 ,那么這點(diǎn)的振動位移是負(fù)的最大值；振動加強(qiáng)的點(diǎn)的振動總是加強(qiáng)的 ,振動減弱的點(diǎn)的振動總是減弱的。在以上分析的根底上 ,給出干預(yù)的定義：頻率相同的兩列波疊加 ,使某些區(qū)域的振動加強(qiáng) ,某些區(qū)域的振動減弱 ,并且振動加強(qiáng)和振動減弱的區(qū)域互相間隔 ,這種現(xiàn)象叫波的干預(yù) ,形成的圖樣叫做波的干預(yù)圖樣。產(chǎn)生干預(yù)的另一個(gè)必要條件是 ,兩個(gè)波源的相位差必須保持不變。反復(fù)觀察水槽中的水波的干預(yù) ,分清哪些區(qū)域?yàn)檎駝蛹訌?qiáng)的區(qū)域 ,哪些區(qū)域?yàn)檎駝訙p弱的區(qū)域。最

9、后應(yīng)幫助學(xué)生分析清楚：介質(zhì)中某點(diǎn)的振動加強(qiáng) ,是指這個(gè)質(zhì)點(diǎn)以較大的振幅振動；而某點(diǎn)的振動減弱 ,是指這個(gè)質(zhì)點(diǎn)以較小的振幅振動 ,這與只有一個(gè)波源的振動在介質(zhì)中傳播時(shí) ,各質(zhì)點(diǎn)均按此波源的振動方式振動是不同的。(3)波的干預(yù)與疊加的關(guān)系有了前面的根底 ,可以啟發(fā)學(xué)生說一說干預(yù)與疊加的關(guān)系。幫助學(xué)生認(rèn)識：干預(yù)是一種特殊的疊加。任何兩列波都可以進(jìn)行疊加 ,但只有兩列頻率相同的波的疊加 ,才有可能形成干預(yù)。最后指出：干預(yù)是波特有的現(xiàn)象。例2如圖表示兩個(gè)相干波源S1、S2產(chǎn)生的波在同一種均勻介質(zhì)中相遇 ,圖中實(shí)線表示某時(shí)刻的波峰 ,虛線表示的是波谷 ,以下說法正確的選項(xiàng)是 A、a、c兩點(diǎn)的振動加強(qiáng) ,b、d兩點(diǎn)的振動減弱B、e、f兩點(diǎn)的振動介于加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)之間C、經(jīng)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后 ,加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)的位置互換D、經(jīng)半個(gè)周期后 ,原來位于波峰的點(diǎn)將位于波谷 ,原來位于波谷的點(diǎn)將位于波峰解析：a點(diǎn)是波谷與波谷相遇的點(diǎn) ,c點(diǎn)是波峰和波峰相遇的點(diǎn) ,都是振動加強(qiáng)的點(diǎn)；而b、d兩點(diǎn)都是波峰和波谷相遇的點(diǎn) ,是振動減弱的點(diǎn) ,選項(xiàng)A正確。e位于加強(qiáng)點(diǎn)的連線上 ,仍為加強(qiáng)點(diǎn) ,f位于減弱點(diǎn)的連線上 ,仍為減弱點(diǎn) ,選項(xiàng)B錯(cuò)誤。相干波源疊加產(chǎn)生的干預(yù)是穩(wěn)定的 ,不會隨時(shí)間變化 ,所以選項(xiàng)C錯(cuò)誤。因形成干預(yù)圖樣的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)也是不停地做周期性振動 ,經(jīng)半個(gè)周期步調(diào)相反 ,選項(xiàng)D正確。故該題的正確