波的反射折射和衍射高二物理素養(yǎng)提升學(xué)案人教版2019選擇性必修第一

高中物理選擇性必修一素養(yǎng)提升學(xué)案第三章機(jī)械波

波的反射、折射和衍射【核心素養(yǎng)目標(biāo)】物理觀念知道波的反射、折射和衍射現(xiàn)象，知道明顯衍射的條件?？茖W(xué)思維理解波的反射定律和折射定律，能進(jìn)行簡單計算。科學(xué)探究經(jīng)歷探究波的明顯衍射現(xiàn)象條件的過程。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任利用波的幾種現(xiàn)象實(shí)例培養(yǎng)觀察、分析和歸納的習(xí)慣?！局R點(diǎn)探究】知識點(diǎn)一波的反射1.反射現(xiàn)象：波遇到介質(zhì)界面（如水波遇到擋板）時會返回原介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。2.反射規(guī)律：反射線、法線與入射線在同一平面內(nèi)，反射線與入射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角?！咎貏e提醒】反射波的波長、頻率、波速與入射波的相關(guān)量相同。知識點(diǎn)二波的折射1.波的折射：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時會發(fā)生折射，同樣，一切波都會發(fā)生折射現(xiàn)象。2.水波的折射：水波在深度不同的水域傳播時，在交界處將發(fā)生折射?！咎貏e提醒】波的折射現(xiàn)象中，波在兩種介質(zhì)中的頻率相同，波長、波速發(fā)生變化。知識點(diǎn)三波的衍射1.波繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。2.發(fā)生明顯衍射的條件：障礙物或狹縫的尺寸跟波長相差不多，或者比波長更小。3.一切波都能發(fā)生衍射。衍射是波特有的現(xiàn)象?！緶剀疤崾尽吭谒ǖ难苌洮F(xiàn)象中，波在通過障礙物（或小孔）前后的頻率、波速、波長相同?！咎貏e提醒】（1）“隔墻有耳”指的是聲波的衍射現(xiàn)象。

（2）狹縫的寬度遠(yuǎn)小于水波的波長時，有明顯的衍射現(xiàn)象。

（3）一切波遇到障礙物都會發(fā)生衍射現(xiàn)象。

【考點(diǎn)探究】考點(diǎn)1波的反射和折射我們在山中、在大的空房間里大聲說話時，都會聽到回聲，這屬于波的什么現(xiàn)象？提示：波的反射現(xiàn)象。1.波的反射和折射中物理量變化波的反射波的折射傳播方向改變，θ反＝θ入改變，θ折≠θ入頻率f不變不變波速v不變改變波長λ不變改變2.對波的三點(diǎn)說明（1）頻率（f）由波源決定：故無論是反射波還是折射波都與入射波的頻率相等，即都與波源的振動頻率相同。（2）波速（v）由介質(zhì)決定：故反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播，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）據(jù)v＝λf知，波長λ與波速和頻率有關(guān)。反射波與入射波，頻率同、波速同，故波長相同，折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，頻率同，波速不同，故波長不同?！镜淅?】1．甲、乙兩人平行站在一堵墻前面，二人相距，距離墻均為，當(dāng)甲開了一槍后，乙在時間后聽到第一聲槍響，則乙聽到第二聲槍響的時間為（）A．聽不到 B．甲開槍后 C．甲開槍后 D．甲開槍后【答案】C【詳解】乙聽到的第一聲槍響必然是甲放槍的聲音直接傳到乙的耳中，故甲、乙二人及墻的位置如圖所示乙聽到的第二聲槍響必然是墻反射的槍聲，由反射定律可知，波線如圖中和，由幾何關(guān)系可得故第二聲槍響傳到乙的耳中的時間為故選C?！舅悸伏c(diǎn)撥】根據(jù)反射定律畫出聲波傳播的示意圖，再用速度公式求時間。【知識拓展】波的反射應(yīng)用技巧——回聲測距利用回聲測距是波的反射的一個重要應(yīng)用，它的特點(diǎn)是聲源正對障礙物，聲源發(fā)出的聲波與回聲在同一條直線上傳播。（1）若是一般情況下的反射，反射波和入射波是遵從反射定律的，可用反射定律作圖后再求解。（2）利用回聲測距時，要特別注意聲源是否運(yùn)動，若聲源運(yùn)動，聲源發(fā)出的原聲至障礙物再返回至聲源的這段時間與聲源的運(yùn)動時間相同。（3）解決波的反射問題，關(guān)鍵是根據(jù)物理情景規(guī)范作出幾何圖形，然后利用幾何知識結(jié)合物理規(guī)律進(jìn)行解題。考點(diǎn)2波的衍射聲波能繞過障礙物繼續(xù)傳播，衍射聲波有什么特點(diǎn)？水波能到達(dá)擋板的后面，衍射水波有什么特點(diǎn)？提示：衍射波與原波具有相同的頻率，傳播過程中波形沒變。1.波的衍射的條件：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.波的衍射的實(shí)質(zhì)：波傳到小孔（障礙物）時，小孔（障礙物）仿佛是一個新波源，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的近似情況。3.衍射現(xiàn)象與觀察的矛盾：當(dāng)孔的尺寸遠(yuǎn)小于波長時盡管衍射十分突出，但由于衍射波的能量很弱，衍射現(xiàn)象不容易觀察到。【典例2】2．如圖所示，是觀察水面波衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，和是兩塊擋板，是一個孔，是波源，圖中已畫出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每兩相鄰波紋（圖中曲線）之間距離表示一個波長，則關(guān)于波經(jīng)過孔之后的傳播情況，下列描述中錯誤的是（）A．此時能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象B．擋板前后波紋間距離相等C．如果將孔擴(kuò)大，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，能更明顯觀察到衍射現(xiàn)象【答案】D【詳解】A．因?yàn)椴ㄩL與孔的尺寸差不多，所以能夠觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，故A正確，不符合題意；B．波通過孔后，波速、頻率、波長不變，則擋板前后波紋間的距離相等，故B正確，不符合題意；C．如果將孔AB擴(kuò)大，孔的尺寸大于波的波長，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故C正確，不符合題意；D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，因?yàn)椴ㄋ俨蛔儯鶕?jù)知，波長減小，可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故D錯誤，符合題意。故選D?！咎貏e提醒】衍射現(xiàn)象的兩點(diǎn)提醒（1）障礙物的尺寸與波長大小的關(guān)系不是發(fā)生衍射的條件，而是發(fā)生明顯衍射的條件，波長越大越易發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象。（2）當(dāng)孔的尺寸遠(yuǎn)小于波長時，盡管衍射十分突出，但衍射波的能量很弱，也很難觀察到波的衍射?！就接?xùn)練】3．關(guān)于波的反射與折射，下列說法正確的是（

）A．入射波的波長一定等于反射波的波長，其頻率不變B．入射波的波長一定小于反射波的波長，其頻率不變C．入射波的波長一定大于折射波的波長，其頻率不變D．入射波的波長一定小于折射波的波長，其頻率不變【答案】A【詳解】AB.入射波與反射波在同種介質(zhì)中波速相同，頻率由波源決定，頻率相同，由知波長相同，選項(xiàng)A符合題意，B不符合題意．CD.因不知介質(zhì)情況，入射波與折射波波長無法比較，選項(xiàng)CD不符合題意．4．關(guān)于波的衍射現(xiàn)象，下列說法正確的是（）A．當(dāng)孔的尺寸比波長大時，一定不會發(fā)生衍射現(xiàn)象B．只有孔的尺寸與波長相差不多時，或者比波長還小時才會觀察到明顯的衍射現(xiàn)象C．只有波才有衍射現(xiàn)象D．衍射是波特有的現(xiàn)象【答案】BCD【詳解】A．當(dāng)孔的尺寸比波長大時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，只不過不明顯，故A錯誤；B．只有當(dāng)孔、縫或障礙物的尺寸跟波長相差不多，或者比波長更小時，才會發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，故B正確；C．只有波才有衍射現(xiàn)象，故C正確；D．衍射是波特有的現(xiàn)象，故D正確。故選BCD。5．一塊小石子投入河水中激起一列水波，遇到障礙物后能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，障礙物是（）A．靜止在河面的漁船 B．靜止在河面的貨船C．豎立在河中的竹竿 D．豎立在河中的橋墩【答案】C【分析】根據(jù)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件是障礙物的尺寸與波長相差不大或者比波長小，從而即可求解．【詳解】河水中激起一列水波，遇到障礙物后能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，依據(jù)發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象的條件是障礙物的尺寸與波長相差不大或者比波長小，故水波遇到豎立在河中的竹竿時能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象，故C正確，ABD錯誤．故選C．6．如圖所示是觀察水面波衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，AC和BD是兩塊擋板，AB是一個孔，O是波源，圖中已畫出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每兩條相鄰波紋（圖中曲線）之間距離表示一個波長，則波經(jīng)過孔之后的傳播情況，下列描述正確的是（）A．此時能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象B．擋板前后波紋間距離相等C．如果將孔AB擴(kuò)大，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，能更明顯地觀察到衍射現(xiàn)象E．擋板前后波紋間距離不等【答案】ABC【詳解】A．因?yàn)椴ㄩL與孔的尺寸差不多，所以能夠觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，故A正確；BE．波通過孔后，波速、頻率、波長不變，則擋板前后波紋間的距離相等，故B正確，E錯誤；C．如果將孔AB擴(kuò)大，孔的尺寸大于波的波長，可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故C正確；D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，因?yàn)椴ㄋ俨蛔儯鶕?jù)知，波長減小，可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，故D錯誤。故選ABC。7．一列簡諧橫波，在t=0.6s時刻的圖像如下圖甲所示，此時，P、Q兩質(zhì)點(diǎn)的位移均為1cm，波上A質(zhì)點(diǎn)的振動圖像如圖乙所示，則以下說法正確的是（）A．這列波沿x軸正方向傳播B．這列波的波速是m/sC．從t=0.6s開始，緊接著的時間內(nèi)，A質(zhì)點(diǎn)通過的路程是10mD．從t=0.6s開始，質(zhì)點(diǎn)P比質(zhì)點(diǎn)QE．若該波在傳播過程中遇到一個尺寸為30m的障礙物不能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象【答案】ABDE【詳解】A．由乙圖讀出tA質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過平衡位置向下振動，故這列波沿x軸正方向傳播，選項(xiàng)A正確；B．由甲圖讀出該波的波長為λ=20m，由乙圖周期為T=1.2s。則波速為故B正確。C．，質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動時在半個周期內(nèi)質(zhì)點(diǎn)A通過的路程是2倍振幅，即A質(zhì)點(diǎn)通過的路程是故C錯誤。D．圖示時刻質(zhì)點(diǎn)P沿y軸正方向，質(zhì)點(diǎn)Q沿y軸負(fù)方向，所以質(zhì)點(diǎn)P將比質(zhì)點(diǎn)Q先回到平衡位置。P從直接回到平衡位置需時Q從先運(yùn)動到振幅處，再回到平衡位置需時由此可知質(zhì)點(diǎn)P比質(zhì)點(diǎn)Q先回到平衡位置的時間為故D正確。E．發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是障礙物的尺寸比波長小或跟波長差不多，該波的波長為20m，根據(jù)這個條件可知該波在傳播過程中遇到一個尺寸為30m的障礙物，不能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，故E正確。故選ABDE8．某物體發(fā)出的聲音在空氣中的波長為1m，波速為340m/s，在海水中的波長為4.5m。(1)該波的頻率為Hz，在海水中的波速為m/s。(2)若物體在海面上發(fā)出的聲音經(jīng)0.5s聽到回聲，則海水深為多少？(3)若物體以5m/s的速度由海面向海底運(yùn)動，則經(jīng)過多長時間聽到回聲？【答案】3401530382.5m0.498s【詳解】(1)[1]波的頻率為[2]因波的頻率不變，則在海水中的波速為v海=λf=1530m/s(2)[3]若物體在海面上發(fā)出的聲音經(jīng)0.5s聽到回聲，則海水深為(3)[4]若物體以5m/s的速度由海面向海底運(yùn)動，則聽到回聲的時間9．“B超”可用于探測人體內(nèi)臟的病變狀況，如圖是超聲波從肝臟表面入射，經(jīng)折射與反射，最后從肝臟表面射出的示意圖，超聲波在進(jìn)入肝臟發(fā)生折射時遵循的規(guī)律與光的折射規(guī)律類似，可表述為=(式中θ1是入射角，θ2是折射角，、分別是超聲波在肝外和肝內(nèi)的傳播速度)，超聲波在腫瘤表面發(fā)生反射時遵循的規(guī)律與光的反射規(guī)律相同，已知，入射點(diǎn)與出射點(diǎn)之間的距離是d，入射角為i，腫瘤的反射面恰好與肝臟表面平行，則腫瘤離肝臟表面的深度h為多少？【答案】【分析】根據(jù)光的折射、反射的規(guī)律，正確畫出超聲波折射的線路圖，依據(jù)幾何關(guān)系以及折射定律即可求解?！驹斀狻抗饴啡鐖D所示入射角為i，設(shè)折射角為r，根據(jù)題意，由幾何關(guān)系得=根據(jù)折射定律n=n=而v2v1解得h=【點(diǎn)睛】本題主要考查了光的折射定律，作出光路圖結(jié)合幾何知識即可解題。【課堂小結(jié)】回歸本節(jié)知識，自我完成以下問題：1.波在兩種介質(zhì)的界面處能否同時發(fā)生折射和反射現(xiàn)象？提示：能。2.在波的反射和折射現(xiàn)象中頻率是否發(fā)生變化？提示：不變。3.明顯衍射現(xiàn)象的條件是什么？提示：波長大于障礙物或小孔的尺寸（或相差不多）?！局R拓展】回聲、混響和建筑聲學(xué)各種波在傳播過程中如果遇到大的障礙物，都會發(fā)生反射，聲波也是這樣。聲波遇到普通房間的墻壁、地面、天花板也會反射，但是由于回聲和原聲幾乎同時到達(dá)，而人耳只能分辨相差0.1s以上的兩個聲音，所以在房間里不能聽到回聲，只會感到聲音比在野外時大些；同時由于墻壁、地面、天花板對聲波的多次反射，當(dāng)聲源停止發(fā)聲后，聲音要經(jīng)過一段時間才會消失，這種現(xiàn)象叫作混響，這段時間叫作混響時間?；祉憰r間的長短是音樂廳、劇院、禮堂等建筑物的重要聲學(xué)特性。對講演廳來說，混響時間不能太長。我們平時講話，每秒大約發(fā)出2至3個音節(jié)，如果混響時間太長，發(fā)出下一個音節(jié)的時候上一個音節(jié)的聲音還很強(qiáng)，那就不容易聽清楚?；祉憰r間也不能太短，太短了聽起來聲音太小，就像在曠野里說話，同樣聽不清。處理各種建筑物的聲學(xué)特性，取得好的聲音效果，這門學(xué)問叫作建筑聲學(xué)。北京回音壁是皇穹宇的圍墻，墻高米，厚米，直