新教材同步系列2024春高中物理第3章機(jī)械波第3節(jié)機(jī)械波的傳播現(xiàn)象學(xué)生用書粵教版選擇性必修第一冊

第三節(jié)機(jī)械波的傳播現(xiàn)象1．知道機(jī)械波的衍射和干涉．2．了解惠更斯原理．3．了解機(jī)械波的反射和折射特點(diǎn)．知識點(diǎn)一機(jī)械波的衍射與惠更斯原理1．波的衍射水波在遇到小障礙物或者小孔時(shí)，能________障礙物或________小孔繼續(xù)向前傳播的現(xiàn)象．________都能發(fā)生衍射，衍射是波________的現(xiàn)象．2．惠更斯原理介質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)都可以看作是發(fā)射________的波源，在其后的任一時(shí)刻，這些子波的包絡(luò)就形成新的________．這就是惠更斯原理．知識點(diǎn)二機(jī)械波的反射和折射在波的反射中，波的頻率、波速和波長都________.在波的折射中，________不變，波速和波長發(fā)生改變．知識點(diǎn)三機(jī)械波的干涉1．波的疊加原理兩列波在相遇疊加時(shí)，每列波都是獨(dú)立地保持自己原有的________，如同在各自的傳播路徑中并沒有遇到其他波一樣．相遇區(qū)域中各點(diǎn)的位移，就是這兩列波引起的位移的________.這一規(guī)律稱為波的疊加原理．2．波的干涉(1)條件：兩列波產(chǎn)生干涉的必要條件是________相同，________恒定．(2)波的干涉：對于頻率相同的兩列波，在相遇的區(qū)域水面上，會出現(xiàn)________的相對平靜的區(qū)域和劇烈振動的區(qū)域．這兩個(gè)區(qū)域在水面上的位置是________的，且互相________．這種現(xiàn)象為波的干涉．1．思考判斷(正確的打“√”，錯(cuò)誤的打“×”)．(1)任何波的波線與波面都相互垂直． ()(2)反射波的頻率、波速與入射波相同． ()(3)折射波的頻率、波速與入射波相同． ()(4)當(dāng)障礙物或狹縫的尺寸跟波長相差不大時(shí)，有明顯的衍射現(xiàn)象． ()2．(多選)下列敘述屬于波的反射現(xiàn)象的是()A．在空房間里講話，會感到聲音比在野外響B(tài)．水波從深水區(qū)入射到淺水區(qū)方向變化C．講話者又聽到自己的回聲D．聲波從空氣中進(jìn)入水中速度變大3．下列現(xiàn)象或事實(shí)屬于衍射現(xiàn)象的是()A．風(fēng)從窗戶吹進(jìn)來B．雪堆積在背風(fēng)的屋后C．聽到墻外人的說話聲D．晚上看到水中月亮的倒影波面一定是平面嗎？根據(jù)下圖思考波線與波面的關(guān)系是怎樣的．惠更斯原理1．對波線與波面的理解(1)波面不一定是面，如水波，它只能在水面?zhèn)鞑?，水波的波面是以波源為圓心的一簇圓．(2)波線是有方向的一簇線，它的方向代表了波的傳播方向．(3)波線與波面互相垂直，一定條件下由波面可確定波線，由波線可確定波面．2．惠更斯原理的實(shí)質(zhì)波面上的每一點(diǎn)都是一個(gè)次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時(shí)刻的子波波面的包絡(luò)面就是該時(shí)刻總的波動的波面．其核心思想是介質(zhì)中任一處的波動狀態(tài)是由各處的波動決定的．3．惠更斯原理的局限性光的直線傳播、反射、折射等都能用此來進(jìn)行較好的解釋．但是，惠更斯原理是比較粗糙的，用它不能解釋衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物大小的關(guān)系，而且由惠更斯原理推知有倒退波的存在，而倒退波顯然是不存在的．【典例1】(多選)下列敘述中正確的是()A．空間點(diǎn)波源發(fā)出的球面波，其波面是一個(gè)球面，波線就是以波源為圓心的同心圓B．平面波的波線是一條直線，其波線相互平行C．根據(jù)惠更斯原理，波面各點(diǎn)都可看作一個(gè)子波源，子波前進(jìn)的方向的包絡(luò)面就是該時(shí)刻的波面D．利用惠更斯原理，只要知道t時(shí)刻波面的位置和波速，就可確定t＋Δt時(shí)刻波面的位置[聽課記錄]利用惠更斯原理解釋波的傳播的一般步驟(1)確定一列波某時(shí)刻一個(gè)波面的位置．(2)在波面上取兩點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)作為子波的波源．(3)選一段時(shí)間Δt.(4)根據(jù)波速確定Δt時(shí)間后子波波面的位置．(5)確定子波在波前進(jìn)方向上的包絡(luò)面，即為新的波面．(6)由新的波面可確定波線及其方向．[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)關(guān)于對惠更斯原理的理解，下列說法正確的是()A．同一波面上的各質(zhì)點(diǎn)振動情況完全相同B．同一振源的不同波面上的質(zhì)點(diǎn)的振動情況一定不同C．球面波的波面是以波源為中心的一個(gè)個(gè)球面D．無論怎樣的波，波線始終和波面垂直波的反射和波的折射1．對波的反射的理解(1)波發(fā)生反射時(shí)波的傳播方向發(fā)生了變化．(2)反射波和入射波在同一介質(zhì)中傳播，介質(zhì)決定波速，因此波速不變，波的頻率是由波源決定的，因此波的頻率也不改變，根據(jù)公式λ＝vf2．波的反射、折射現(xiàn)象中各量的變化(1)波向前傳播在兩種介質(zhì)的界面上會同時(shí)發(fā)生反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象，一些相關(guān)物理量變化如下：波現(xiàn)象波的反射波的折射傳播方向改變，i＝i′改變，r≠i頻率f不變不變波速v不變改變波長λ不變改變(2)說明：①頻率f由波源決定，故無論是反射波的頻率還是折射波的頻率都等于入射波的頻率．②波速v由介質(zhì)決定，因反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播，故波速不變；折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，波速變化．③根據(jù)v＝λf，波長λ與v及f有關(guān)，即與介質(zhì)和波源有關(guān)，反射波與入射波在同一介質(zhì)中，波速相同、頻率相同，故波長相同．折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，v不同，f相同，故λ不同．3．波的反射現(xiàn)象的應(yīng)用(1)回聲測距：①當(dāng)聲源不動時(shí)，聲波遇到了障礙物會返回來繼續(xù)傳播，反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，因此，入射波和反射波在傳播距離一樣的情況下，用的時(shí)間相等，設(shè)經(jīng)時(shí)間t聽到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲t2②當(dāng)聲源以速度v向靜止的障礙物運(yùn)動或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)t2③當(dāng)聲源以速度v遠(yuǎn)離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠(yuǎn)離聲源時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離s＝(v聲－v)t2(2)超聲波定位：蝙蝠能發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物或捕食目標(biāo)時(shí)會被反射回來，蝙蝠就根據(jù)接收到的反射回來的超聲波來確定障礙物或食物位置，從而確定飛行方向．另外海豚、雷達(dá)也是利用波的反射來定位或測速的．【典例2】有一輛汽車以15m/s的速度勻速行駛，在其正前方有一陡峭山崖，汽車鳴笛2s后司機(jī)聽到回聲，此時(shí)汽車距山崖的距離多遠(yuǎn)？(v聲＝340m/s)[聽課記錄][跟進(jìn)訓(xùn)練]2．人耳只能區(qū)分相差0.1s以上的兩個(gè)聲音，人要聽到自己講話的回聲，人離障礙物的距離至少要大于多少米？(已知聲音在空氣中的傳播速度為340m/s)波的疊加與波的干涉1．波的干涉與波的疊加(1)波的疊加是無條件的，任何頻率的兩列波在空間相遇都會疊加，但干涉必須是滿足一定條件的兩列波疊加后形成的現(xiàn)象．(2)穩(wěn)定干涉圖樣的產(chǎn)生是有條件的，必須是兩列同類的波，并且波的頻率相同、振動方向相同、相位差恒定．如果兩列波的頻率不相等，在同一種介質(zhì)中傳播時(shí)其波長就不相等，這樣不能形成穩(wěn)定的振動加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)．因此我們就看不到穩(wěn)定的干涉圖樣，只能是一般的振動疊加現(xiàn)象．2．干涉圖樣及其特征(1)干涉圖樣．(2)特征：①加強(qiáng)區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變．②加強(qiáng)區(qū)始終加強(qiáng)，減弱區(qū)始終減弱(加強(qiáng)區(qū)與減弱區(qū)不隨時(shí)間變化)．③加強(qiáng)區(qū)與減弱區(qū)互相間隔．【典例3】(多選)如圖所示，S1、S2是振幅均為A的兩個(gè)水波波源，某時(shí)刻它們形成的波峰和波谷分別由實(shí)線和虛線表示．則下列說法中正確的是()A．兩列波在相遇區(qū)域發(fā)生干涉B．兩列波在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)生疊加C．此時(shí)各點(diǎn)的位移是：xA＝0，xB＝－2A，xC＝2AD．A處振動始終減弱，B、C處振動始終加強(qiáng)[思路點(diǎn)撥](1)從圖中可以看出，兩列水波波長不同，頻率不同，不能發(fā)生干涉現(xiàn)象．(2)兩列波疊加，任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的總位移等于兩列波在該點(diǎn)上的位移的矢量和．[聽課記錄]確定振動加強(qiáng)點(diǎn)和減弱點(diǎn)的技巧(1)波峰與波峰(或波谷與波谷)相遇的點(diǎn)為振動加強(qiáng)點(diǎn)，波峰與波谷相遇的點(diǎn)為振動減弱點(diǎn)．(2)在波的傳播方向上，加強(qiáng)點(diǎn)的連線為加強(qiáng)區(qū)，減弱點(diǎn)的連線為減弱區(qū)．(3)不管波如何疊加，介質(zhì)中的各質(zhì)點(diǎn)均在各自的平衡位置附近振動．[跟進(jìn)訓(xùn)練]3．如圖所示是水波干涉示意圖，S1、S2是兩波源，A、D、B三點(diǎn)在一條直線上，兩波源頻率相同，振幅相等，則下列說法正確的是()A．A處質(zhì)點(diǎn)一會兒在波峰，一會兒在波谷B．B處質(zhì)點(diǎn)一直在波谷C．C處質(zhì)點(diǎn)一會兒在波峰，一會兒在波谷D．D處質(zhì)點(diǎn)一直在平衡位置波的衍射1．關(guān)于衍射的條件應(yīng)該說衍射是沒有條件的，衍射是波特有的現(xiàn)象，一切波都可以發(fā)生衍射．衍射只有“明顯”與“不明顯”之分，障礙物或小孔的尺寸跟波長差不多，或比波長小是產(chǎn)生明顯衍射的條件．2．波的衍射實(shí)質(zhì)分析波傳到小孔(障礙物)時(shí)，小孔(障礙物)仿佛是一個(gè)新波源，由它發(fā)出的與原來同頻率的波在小孔(障礙物)后傳播，就偏離了直線方向．波的直線傳播只是在衍射不明顯時(shí)的近似情況．3．衍射圖樣(1)圖甲為水波遇到較寬的縫．(2)圖乙為水波遇到較窄的縫．【典例4】如圖所示，O是水面上一波源，實(shí)線和虛線分別表示某時(shí)刻的波峰和波谷，A是擋板，B是小孔．若不考慮波的反射因素，則經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，水面上的波將分布于()A．整個(gè)區(qū)域B．陰影Ⅰ以外區(qū)域C．陰影Ⅱ以外區(qū)域D．陰影Ⅱ和Ⅲ以外的區(qū)域[聽課記錄]衍射是波所特有的現(xiàn)象(1)衍射是波所特有的現(xiàn)象，一切波都會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象．(2)衍射現(xiàn)象總是存在的，只有明顯和不明顯的差異．(3)一般情況下，波長越大的波越容易產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象．[跟進(jìn)訓(xùn)練]4．某同學(xué)觀察到波長相同的水波通過兩個(gè)寬度不同的狹縫時(shí)的現(xiàn)象，如下圖所示，下列說法正確的是()A．水波通過狹縫后波長變短B．這是水波的衍射現(xiàn)象，有些波不能發(fā)生衍射現(xiàn)象C．此現(xiàn)象可以說明，波長一定，縫越窄衍射現(xiàn)象越明顯D．此現(xiàn)象可以說明，縫寬一定，波長越長衍射現(xiàn)象越明顯1．(多選)以下關(guān)于波的認(rèn)識，正確的是()A．潛水艇利用聲吶探測周圍物體的分布情況，用的是波的反射原理B．隱形飛機(jī)怪異的外形及表面涂特殊吸波材料，是為了減少波的反射，從而達(dá)到隱形的目的C．雷達(dá)的工作原理是利用波的直線傳播D．水波從深水區(qū)傳到淺水區(qū)改變傳播方向的現(xiàn)象，是波的折射現(xiàn)象2．(2022·江蘇常熟中學(xué)高二期中)如圖為蟾蜍在水中鳴叫時(shí)水面形成的奇妙水波．已知水波的傳播速度與水的深度正相關(guān)．下列說法正確的是()A．岸邊的人聽到的聲波是橫波B．岸邊的人聽到的聲波頻率大于水波的頻率C．水面上飄落的樹葉逐漸被水波推向岸邊D．在深水區(qū)，水波更容易發(fā)生衍射3．(2022·上海交大附中高二開學(xué)考試)干涉和衍射都是波特有的現(xiàn)象．圖甲為水波的衍射實(shí)驗(yàn)，擋板M是固定的，擋板N可以上下移動．圖乙為兩列頻率相同的橫波相遇時(shí)某一時(shí)刻的情況，實(shí)線表示波蜂，虛線表示波谷．下列說法正確的是()A．甲圖中P點(diǎn)為振動加強(qiáng)點(diǎn)B．甲圖中水波發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象C．乙圖中M點(diǎn)為振動加強(qiáng)點(diǎn)D．乙圖中N點(diǎn)為振動加強(qiáng)點(diǎn)4．甲、乙兩人平行站在一堵又高又寬的墻前面，二人相距2a，距墻均為3a，當(dāng)甲開了一槍后，乙在t時(shí)間后聽到第一聲槍響，則乙聽到第二聲槍響的時(shí)間為(A．甲開槍t后 B．甲開槍2t后C．甲開槍3t后 D．甲開槍4t后回顧本節(jié)內(nèi)容，自主完成以下問題：1．波反射時(shí)頻率與波速如何變化？2．是不是只有在小孔或障礙物尺寸與波長差不多或比波長小才有衍射現(xiàn)象？3．波的疊加與波的干涉的區(qū)別？第三節(jié)機(jī)械波的傳播現(xiàn)象[必備知識·自主預(yù)習(xí)儲備]知識梳理知識點(diǎn)一1.繞過穿過一切波特有2．子波波面知識點(diǎn)二不變頻率知識點(diǎn)三1.特性合成2．(1)頻率相位差(2)穩(wěn)定固定隔開基礎(chǔ)自測1．答案：(1)√(2)√(3)×(4)√2．AC[A、C都屬于波的反射現(xiàn)象，B、D屬于波的折射現(xiàn)象．]3．C[波在傳播過程中偏離直線傳播繞過障礙物的現(xiàn)象稱為波的衍射．C與衍射現(xiàn)象相符．A、B、D不屬于衍射現(xiàn)象．][關(guān)鍵能力·情境探究達(dá)成]情境探究提示：波面不一定是平面．波線與波面互相垂直，一定條件下由波面可確定波線，由波線可確定波面．典例1BCD[球面波的波線沿球面的半徑方向，A錯(cuò)誤；平面波的波線是一條直線，由于波線與波面垂直，故平面波的波線相互平行，B正確；由惠更斯原理可知，C正確；利用惠更斯原理，只要知道t時(shí)刻波面的位置和波速，就可確定另一時(shí)刻波面的位置，D正確．]跟進(jìn)訓(xùn)練1．ACD[按照惠更斯原理，波面是由振動情況完全相同的點(diǎn)構(gòu)成的面，而不同波面上質(zhì)點(diǎn)的振動情況可能相同，如相位相差2π整數(shù)倍的質(zhì)點(diǎn)的振動情況相同，故A正確，B錯(cuò)誤；由波面和波線的概念，不難判定C、D正確．]典例2解析：若汽車靜止，問題就簡單了．現(xiàn)在汽車運(yùn)動，聲音傳播，如圖所示為汽車與聲波的運(yùn)動過程示意圖．設(shè)汽車由A到C路程為s1，C點(diǎn)到山崖B距離為s；聲波由A到B再反射到C路程為s2，因汽車與聲波運(yùn)動時(shí)間同為t，則有s2＝s1＋2s即v聲t＝v汽t＋2s所以s＝v聲-v汽t2答案：325m跟進(jìn)訓(xùn)練2．解析：從人講話到聲音傳到人耳的時(shí)間取0.1s時(shí)，人與障礙物間的距離最?。畣纬炭紤]，聲音從人傳到障礙物或從障礙物傳到人耳時(shí)t＝0.12s＝0.05s，故人離障礙物的最小距離x＝vt＝340×0.05m＝答案：17m典例3BC[兩列波發(fā)生干涉的條件是：頻率相同，相位差恒定．從題圖上可知λ1≈2λ2，則2f1≈f2，這兩列波不是相干波，故不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，A錯(cuò)誤．兩列機(jī)械波在相遇區(qū)域發(fā)生疊加，這是波的基本現(xiàn)象之一．其結(jié)果是：任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的總位移，都等于這兩列波引起的位移的矢量和．所以B、C正確．由于頻率不同，疊加情況會發(fā)生變化．如C處此時(shí)兩波峰相遇，但經(jīng)T22，S2在C處是波谷，S1則不是，故C處不能始終加強(qiáng)，D跟進(jìn)訓(xùn)練3．A[A、B、D三點(diǎn)都在振動加強(qiáng)區(qū)，三處質(zhì)點(diǎn)均做簡諧運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)一會兒在波峰，一會兒在波谷，選項(xiàng)A正確，B、D錯(cuò)誤；點(diǎn)C是振動減弱點(diǎn)，又因兩波振幅相等，故C處質(zhì)點(diǎn)一直在平衡位置不動，選項(xiàng)C錯(cuò)誤．]典例4B[從圖中可以看出A擋板寬度比波長大，所以不能發(fā)生明顯的衍射，而B小孔與波長相差不多，能發(fā)生明顯的衍射，所以經(jīng)過足夠長的時(shí)間后，水面上的波將分布于陰影Ⅰ以外區(qū)域，故B正確．]跟進(jìn)訓(xùn)練4．C[波衍射后不影響波的特性，即波長和頻率不變，A錯(cuò)誤；