2024-2025學年新教材高中物理第3章機械波第3節(jié)波的干涉和衍射第4節(jié)多普勒效應及其應用學案魯科版選擇性必修第一冊

PAGE9-第3節(jié)波的干涉和衍射第4節(jié)多普勒效應及其應用學習目標：1.[物理觀念]了解波的疊加原理、駕馭波的干涉現(xiàn)象及產生的條件．2.[科學思維]知道波的衍射現(xiàn)象和發(fā)生明顯衍射的條件．3.[科學看法與責任]了解多普勒效應及應用．一、波的疊加原理兩列波相遇時，波形會發(fā)生改變；相遇后，這兩列波又保持原來各自的形態(tài)接著傳播．大量探討表明，幾列波在介質中傳播，相遇后仍能保持各自原有的運動特征(波長、頻率、振幅等)不變并接著傳播，就像沒有與其他波相遇過一樣．在相遇的區(qū)域里，介質中的質點同時參與相遇的波列的振動，質點的位移等于相遇波列單獨存在時在該處引起的位移的矢量和，這在物理學中稱為波的疊加原理．二、波的干涉現(xiàn)象1．定義：振動頻率和振動方向相同的兩列波疊加后，振動加強和振動減弱的區(qū)域相互間隔、穩(wěn)定分布的現(xiàn)象．2．干涉圖樣：波的干涉中所形成的圖樣，如圖所示．3．干涉條件：頻率和振動方向相同的波．4．一切波都能發(fā)生干涉，干涉現(xiàn)象是波的重要特征之一．三、波的衍射現(xiàn)象1．定義波繞過障礙物或通過孔隙接著傳播的現(xiàn)象，叫作波的衍射．2．發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件障礙物或狹縫的尺寸跟波長相差不大，或者比波長更?。?．一切波都能發(fā)生衍射，衍射是波特有的現(xiàn)象．四、多普勒效應及其應用1．多普勒效應由于波源和視察者之間有相對運動而使視察者接收到的波的頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象．它是奧地利科學家多普勒發(fā)覺的．2．多普勒效應產生的緣由(1)波源與視察者相對靜止時，單位時間內通過視察者的完全波的個數(shù)是肯定的，視察者觀測到頻率等于波源振動的頻率．(2)波源與視察者相互靠近時，單位時間內通過視察者的完全波的個數(shù)增加，視察者觀測到的頻率大于波源的頻率，即視察到的頻率增大．(3)波源與視察者相互遠離時，視察到的頻率變?。?．多普勒效應的應用測量車輛速度；測量天體運動狀況；檢查病變，跟蹤目的物(如導彈、云層)等等．1．思索推斷(正確的打“√”，錯誤的打“×”)(1)波的干涉現(xiàn)象中，振動加強區(qū)域，介質質點的位移隨時間做周期性改變． (√)(2)波的干涉現(xiàn)象中，振動加強區(qū)域，介質質點的振幅隨時間做周期性改變． (×)(3)狹縫的寬度遠大于水波的波長時，有明顯的衍射現(xiàn)象． (×)(4)當障礙物或狹縫的尺寸跟波長相差不大時，有明顯的衍射現(xiàn)象． (√)2．下列現(xiàn)象或事實屬于衍射現(xiàn)象的是()A．風從窗戶吹進來B．雪積累在背風的屋后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．]3．(多選)下列說法中正確的是()A．發(fā)生多普勒效應時，波源的頻率改變了B．發(fā)生多普勒效應時，視察者接收到的頻率發(fā)生了改變C．多普勒效應是在波源與視察者之間有相對運動時產生的D．多普勒效應是由奧地利科學家多普勒首先發(fā)覺BCD[該題考查對多普勒效應的理解．當波源和視察者之間有相對運動時，會發(fā)生多普勒效應，C正確；但波源的頻率并沒有發(fā)生改變，A錯誤；多普勒效應產生的本質是視察者接收到的頻率不等于波源頻率，它首先由奧地利科學家多普勒發(fā)覺，B、D正確．]波的疊加與波的干涉如圖所示，操場中兩根豎直桿上各有一個揚聲器，接在同一擴音機上，一位同學沿著AB方向走來．(1)他聽到的聲音會有什么改變？(2)這屬于什么物理現(xiàn)象？提示：(1)聲音忽強忽弱．(2)聲波的干涉現(xiàn)象．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，但干涉必需是滿意肯定條件的兩列波疊加后形成的現(xiàn)象．(2)穩(wěn)定干涉圖樣的產生是有條件的，必需是兩列同類的波，并且波的頻率相同、振動方向相同、相位差恒定．假如兩列波的頻率不相等，在同一種介質中傳播時其波長就不相等，這樣不能形成穩(wěn)定的振動加強點和減弱點．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：如圖所示．(2)特征①加強區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變．②加強區(qū)始終加強，減弱區(qū)始終減弱(加強區(qū)與減弱區(qū)不隨時間改變)．③加強區(qū)與減弱區(qū)相互間隔．【例1】(多選)如圖所示，S1、S2是振幅均為A的兩個水波波源，某時刻它們形成的波峰和波谷分別由實線和虛線表示．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)域內發(fā)生疊加C．此時各點的位移是：xA＝0，xB＝－2A，xC＝D．A處振動始終減弱，B、C處振動始終加強思路點撥：(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，任何一個質點的總位移等于兩列波在該點上的位移的矢量和．BC[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，故不能產生干涉現(xiàn)象，A錯誤；兩列機械波在相遇區(qū)域發(fā)生疊加，這是波的基本現(xiàn)象之一．其結果是：任何一個質點的總位移，都等于這兩列波引起的位移的矢量和．所以B、C選項正確；由于頻率不同，疊加狀況會發(fā)生改變．如C處此時兩波峰相遇，但經eq\f(T2,2)，S2在C處是波谷，S1則不是，故C處不能始終加強，D錯誤．]確定振動加強點和減弱點的技巧(1)波峰與波峰(或波谷與波谷)相遇的點為振動加強點，波峰與波谷相遇的點為振動減弱點．(2)在波的傳播方向上，加強點的連線為加強區(qū)，減弱點的連線為減弱區(qū)．(3)不管波如何疊加，介質中的各質點均在各自的平衡位置旁邊振動．eq\o([跟進訓練])1．如圖所示是水波干涉示意圖，s1、s2是兩波源，A、D、B三點在一條直線上，兩波源頻率相同，振幅相等，則下列說法正確的是()A．A處質點一會兒在波峰，一會兒在波谷B．B處質點始終在波谷C．C處質點一會兒在波峰，一會兒在波谷D．D處質點始終在平衡位置A[A、B、D三點都在振動加強區(qū)，三處質點均做簡諧運動，質點一會兒在波峰，一會兒在波谷，選項A正確，B、D錯誤；點C是振動減弱點，又因兩波振幅相等，故C處質點始終在平衡位置不動，選項C錯誤．]波的衍射光是一種波，如圖為燈泡發(fā)光的狀況．(1)生活中見到的光的傳播有何特點．(2)滿意什么條件才能使光發(fā)生衍射？提示：(1)沿直線傳播．(2)障礙物或孔的尺寸與光的波長相差不大．1．關于衍射的條件：應當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，或比波長小是產生明顯衍射的條件．2．波的衍射實質分析：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狀況．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．【例2】如圖所示，O是水面上一波源，實線和虛線分別表示某時刻的波峰和波谷，A是擋板，B是小孔．若不考慮波的反射因素，則經過足夠長的時間后，水面上的波將分布于()A．整個區(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B[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，所以經過足夠長的時間后，水面上的波將分布于陰影Ⅰ以外區(qū)域，故B正確．]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)一般狀況下，波長越大的波越簡單產生明顯的衍射現(xiàn)象．eq\o([跟進訓練])2．某同學視察到波長相同的水波通過兩個寬度不同的狹縫時的現(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，波長肯定，縫越窄衍射現(xiàn)象越明顯D．此現(xiàn)象可以說明，縫寬肯定，波長越長衍射現(xiàn)象越明顯C[波衍射后不影響波的特性，即波長和頻率不變，A錯誤；波的衍射是波特有的性質，故全部波都會發(fā)生衍射現(xiàn)象，B錯誤；從圖中可知第1幅圖衍射現(xiàn)象比較明顯，所以波長肯定，縫越窄衍射現(xiàn)象越明顯，由于題中給出的是波長肯定的狀況，無法得出縫寬肯定時衍射狀況，故C正確，D錯誤．]多普勒效應美國霍普金斯高校利用多普勒效應對蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進行了跟蹤試驗．科學家發(fā)覺，當衛(wèi)星向近地點運動時返回的信號頻率增加，衛(wèi)星向遠地點運動時返回的信號頻率降低．(1)波源的頻率由誰確定？(2)視察者接收到的頻率與哪些因素有關？提示：(1)由波源確定．(2)視察者接收到的頻率與波源的頻率、波源與視察者的相對運動有關．1．發(fā)生多普勒效應時幾種狀況的比較相對位置圖示結論波源S和視察者A相對介質不動f波源＝f視察者，接收頻率不變波源S不動，視察者A運動，由A→B或A→C若靠近波源，由A→B則f波源＜f視察者，接收頻率變高若遠離波源，由A→C則f波源＞f視察者，接收頻率變低若視察者A不動，波源S運動，由S1→S2f波源＜f視察者，接收頻率變高2.當波源與視察者相互接近，視察者接收到的頻率f視察者變大，反之視察者接收到的頻率f視察者變小．3．發(fā)生多普勒效應時，不論視察者接收到的頻率發(fā)生了怎樣的改變，波源的真實頻率并不會發(fā)生任何改變．【例3】(多選)假如一輛汽車在靜止時喇叭發(fā)出聲音的頻率是300Hz，在汽車向你駛來又擦身而過的過程中，下列說法正確的是()A．當汽車向你駛來時，聽到喇叭聲音的頻率大于300HzB．當汽車向你駛來時，聽到喇叭聲音的頻率小于300HzC．當汽車和你擦身而過后，聽到喇叭聲音的頻率大于300HzD．當汽車和你擦身而過后，聽到喇叭聲音的頻率小于300Hz思路點撥：解答本題時應把握以下兩點：(1)當視察者與波源的距離減小時，視察者接收到的頻率變大．(2)當視察者與波源的距離增大時，視察者接收到的頻率變?。瓵D[當汽車向你駛來時，兩者距離減小，你單位時間內接收的聲波個數(shù)增多，頻率上升，將大于300Hz，故A選項正確；當汽車和你擦身而過后，兩者距離變大，你單位時間內接收的聲波個數(shù)削減，頻率降低，將小于300Hz，故D選項正確．]多普勒效應的分析方法(1)確定探討對象．(波源與視察者)(2)確定波源與視察者是否有相對運動．若有相對運動，能發(fā)生多普勒效應，否則不發(fā)生．(3)推斷：當兩者遠離時，視察者接收到的波的頻率變小，靠近時視察者接收到的波的頻率變大，但波源的頻率不變．eq\o([跟進訓練])3．波源的振動頻率為f，當波源運動時，波源前方的靜止視察者接收到的頻率為f1，波源后方的靜止視察者接收到的頻率為f2，則有()A．f>f1 B．f<f2C．f1<f2 D．f1>f2D[f由波源每秒鐘所振動的次數(shù)確定，介質振動的頻率由波源頻率及波源相對介質是否移動來確定，當視察者遠離波源過程中，視察者接收到的機械波頻率比視察者靜止時接收到的頻率?。划斠暡煺呖拷ㄔ催^程中，視察者接收到的機械波頻率比視察者靜止時接收到的頻率大，所以f>f2，f1>f，由上可知f1>f2，故D正確，A、B、C錯誤．]1．物理觀念：波的干涉、波的衍射、多普勒效應．2．科學思維：波的疊加原理．3．科學方法：波的干涉條件、波的明顯衍射條件．4．科學看法與責任：多普勒效應的應用.1．關于波的干涉和衍射現(xiàn)象，下列說法中正確的是()A．一切種類的波只要滿意肯定條件都能產生干涉和明顯的衍射現(xiàn)象B．波只要遇到障礙物就能夠發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象C．只要是兩列波疊加，都能產生穩(wěn)定的干涉圖樣D．對于發(fā)生干涉現(xiàn)象的兩列波，它們的振幅肯定相同A[干涉和衍射是波特有的現(xiàn)象，一切種類的波只要滿意肯定條件都能產生干涉和明顯的衍射現(xiàn)象，故A正確；明顯的衍射現(xiàn)象必需是波的波長比障礙物的尺寸大得多或相差不大，故B錯誤；要產生干涉現(xiàn)象的必要條件之一，就是兩列波的頻率相等，故C錯誤；產生干涉的條件是兩列波的頻率相等，與振幅無關，故D錯誤．]2．下列科學技術在實際的應用中不是應用多普勒效應的是()A．醫(yī)生利用超聲波探測病人血管中血液的流速B．技術人員用超聲波檢測金屬、陶瓷、混凝土中是否有氣泡C．交警向行進中的車輛放射頻率已知的超聲波，依據反射波頻率改變檢測車的速度D．利用地球上接收到遙遠天體發(fā)出的光的頻率來推斷遙遠天體遠離或靠近地球的速度B[醫(yī)生利用超聲波探測病人血管中血液的流速利用聲波的多普勒效應；技術人員用超聲波探測金屬、陶瓷、混凝土中是否有氣泡利用的是超聲波的穿透實力強，與多普勒效應無關；交通警察對行進中的汽車放射一個已知頻率的超聲波，波被運動的汽車反射回來，依據接收到的頻率發(fā)生改變，來知道汽車的速度，以便于進行交通管理，利用了多普勒效應；利用地球上接收到遙遠天體發(fā)出的原子光譜線的移動來推斷遙遠天體相對地球運動的速度，利用了多普勒效應，本題選不是應用多普勒效應的，故選B.]3．有一障礙物的尺寸為10m，下列哪列波在遇到它時衍射現(xiàn)象最明顯()A．波長為4m的機械波B．波長為10m的機械波C．頻率為40Hz的聲波D．頻率為5000MHz的電磁波(波速為3×108B[空氣中聲波波速大約為340m/s，由λ＝eq\f(v,f)