高中物理3.3波的反射折射和衍射 课件 新人教版选择性必修第一册（38张PPT）

(共38张PPT)
3　波的反射、折射和衍射
第三章
2021
学习目标
1.知道什么是波的反射、折射和衍射现象,知道发生明显衍射现象的条件(物理观念)
2.知道波发生反射现象时,反射角等于入射角,掌握入射角与折射角关系(科学思维)
3.了解波的衍射在现代科技中的应用,感受物理与生活之间的联系(科学态度与责任)
思维导图
课前篇 自主预习
[自主阅读]
1.波的反射
波的反射与光的反射遵循同样的规律。如图所示,当波传播到两种介质的交界处发生反射时,反射线、法线、入射线在同一平面内,反射线与入射线分居法线两侧,反射角等于入射角。反射波的波长、频率和波速都与入射波相同。
2.波的折射
一切波都会发生折射现象。
3.波的衍射
(1)定义:波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫作波的衍射。
(2)波发生明显衍射现象的条件:只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟
波长相差不多,或者比波长更小时,才能观察到明显的衍射现象。
(3)一切波都能发生衍射。衍射是波特有的现象。
[自我检测]
1.正误判断
(1)反射波的频率、波速与入射波相同。(　　)
答案 √
(2)折射波的频率、波速与入射波相同。(　　)
答案 ×
(3)夏日的雷声有时轰鸣不绝,原因是声波在云层里多次反射。(　　)
答案 √
(4)闻其声而不见其人,说明声波能发生衍射现象。(　　)
答案 √
(5)孔的尺寸比波长大得多时就不会发生衍射现象。(　　)
答案 ×
2.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.波发生反射时波的频率不变,波速变小,波长变短
B.波发生反射时频率、波长、波速均不变
C.波发生折射时的频率不变,但波长、波速发生变化
D.波发生折射时波的频率、波长、波速均发生变化
解析 波发生反射时因介质未变,故频率、波长、波速均不变;波发生折射时因波源不变而介质变,故频率不变,波长和波速均发生变化。B、C两项正确。
答案 BC
3.(多选)一列波在传播过程中通过一个障碍物,发生了一定程度的衍射,以下哪种情况可以使衍射现象更明显(　　)
A.增大障碍物的尺寸 B.减小波的频率
C.缩小障碍物的尺寸 D.增大波的频率
解析 波在介质中传播时波速是由介质决定的,与波的频率无关,所以改变波的频率不会改变波速,但由v=λf可知,当波速一定时,减小频率则波长增大。而发生明显衍射的条件是障碍物或孔、缝的尺寸比波长小或相差不多,要使衍射现象变得明显,可以通过缩小障碍物的尺寸,或增大波长即减小波的频率来实现,B、C选项正确。
答案 BC
课堂篇 探究学习
问题一
波的反射及其应用
[情境探究]
如图所示,在水槽中,点波源所发出的圆形水波遇直线界面反射后的波形仍为同心圆形。请举例说明生活中波的反射现象。
要点提示 回声是声波的反射现象,对着山崖或高墙说话,声波传到山崖或高墙时,会被反射回来继续传播。
[知识归纳]
1.波的反射
波遇到障碍物会返回原介质继续传播的现象。反射波的波长、频率和波速都跟入射波相同。
2.回声测距
(1)当声源不动时,声波遇到了静止障碍物会返回来继续传播,由于反射波与入射波在同一介质中传播速度相同,因此,入射波和反射波在传播距离一样的情况下,用的时间相等,设经过时间t听到回声,则声源距障碍物的距离为s= 。
(2)当声源以速度v向静止的障碍物运动或障碍物以速度v向静止的声源运动时,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声+v) 。
(3)当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离静止的声源时,声源发声时障碍物到声源的距离s=(v声-v) 。
3.超声波定位
蝙蝠、海豚能发出超声波,超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来。蝙蝠、海豚就是根据接收到反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置,从而确定飞行或游动方向。
要点笔记 波在同一种均匀介质中传播时波速不变。
[典例剖析]
例题1有一辆汽车以15 m/s的速度匀速行驶,在其正前方有一陡峭山崖,汽车鸣笛2 s后司机听到回声,此时汽车距山崖的距离有多远 (v声=340 m/s)
解析 汽车匀速行驶,速度为v车=15 m/s,声音在空气中传播速度不变。汽车从发出笛声到接收到笛声,二者运动时间相同。如图所示。
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点接收到笛声,设AC距离为x2,CB距离为x,因二者运动时间相同,则有x1=x2+x①
x1+x=v声t=340 m/s·t②
x2=v车t=15 m/s·t③
联立①②③得x=325 m。
答案 325 m
规律方法 声波反射的应用技巧
(1)利用反射定律解决实际问题,主要是利用声波的直线传播及其反射特点,考查匀速直线运动规律的应用。
(2)利用声波的反射测量距离、速度是此类问题的重 点,应利用声波的直线传播和反射定律作出声波传播的示意图,再结合几何关系求解。
变式训练1甲、乙两人平行站在一堵墙前面,二人相距2a,距离墙均为 a,当甲开了一枪后,乙在时间t后听到第一声枪响,则乙听到第二声枪响的时间为(　　)
A.听不到 B.甲开枪3t后
C.甲开枪2t后 D.甲开枪 后
解析 乙听到第一声枪响必然是甲放枪的声音直接传到乙的耳中,故t= 。甲、乙二人及墙的位置如图所示,乙听到第二声枪响必然是墙反射的枪声,由反射定律可知,波线如图中AC和CB所示,由几何关系可得AC=CB=2a,故第二声枪响传到乙的耳中的时间
t'= =2t。
答案 C
问题二
波的反射、折射现象中各量的变化
[情境探究]
波由介质Ⅰ进入介质Ⅱ时频率变化吗 波长变化吗
要点提示 频率不变;波长变化。
[知识归纳]
比较项 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
(1)频率f由波源决定。无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等,即波源的振动频率相同。
(2)波速v由介质决定。反射波与入射波在同一介质中传播,波速不变,折射波与入射波在不同介质中传播,波速变化。
(3)据v=λf知,波长λ与波速和频率有关。反射波与入射波频率相同、波速相同,故波长相同,折射波与入射波在不同介质中传播,频率相同,波速不同,故波长不同。
[典例剖析]
例题2一列声波在空气中的波长为0.25 m。当该声波传入某种介质中时,波长变为0.8 m,若空气中的声速是340 m/s。求:
(1)该声波在介质中传播时的频率;
(2)该声波在介质中传播的速度大小。
解析 (1)声波在空气中传播时,由v=λf得
由于声波在不同介质中传播时,频率不变,所以声波在该介质中传播时,频率仍为1 360 Hz。
(2)由v=λf得v2=λ2f=0.8×1 360 m/s=1 088 m/s。
答案 (1)1 360 Hz　(2)1 088 m/s
要点笔记 波在传播过程中频率不变,在不同介质中传播时速度不同。
变式训练2下列说法正确的是(　　)
A.入射波的波长和反射波的波长相等
B.入射波的波长大于折射波的波长
C.入射波的波长小于折射波的波长
D.入射角与折射角之比等于两波速之比
解析 同一波在同一介质中波长、波速是一定的,故选项A正确;介质不确定时,入射波和折射波的波长大小关系无法确定,选项B、C错误;入射角的正弦与折射角的正弦之比才等于两介质中的波速之比,选项D错误。
答案 A
问题三
对波的衍射现象的理解
[情境探究]
向平静的水面投一块小石子,水面会形成一圈圈美丽的波纹。这些波纹遇到露出水面的较小的石块会产生怎样的现象呢
要点提示 水波会绕过石块继续向前传播。
[知识归纳]
1.发生明显衍射现象的条件
(1)水波遇到障碍物的情况
当障碍物较小时发现波绕过障碍物继续前进,如同障碍物不存在一样。如图甲所示。
(2)水波遇到小孔的情况
当孔较小时发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波。如图乙所示。
(3)产生明显衍射的条件
产生明显衍射现象,必须具备一定的条件:障碍物或孔的尺寸比波长小,或者跟波长相差不多。
要点笔记 障碍物或孔的尺寸大小并不是决定衍射能否发生的条件,仅是衍射现象是否明显的条件,一般情况下,波长较大的波容易发生明显衍射现象。
2.波的衍射现象分析
波传到小孔时,小孔仿佛是一个新的波源,由它发出与原来同频率的波在孔后传播,于是就出现了偏离直线传播的衍射现象。波的直线传播是衍射现象不明显时的近似情形。
[典例剖析]
例题3(多选)观察水面波衍射的实验装置如图所示,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,每两条相邻波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长,则波经过孔之后的传播情况,下列描述正确的是(　　)
A.此时能明显观察到波的衍射现象
B.挡板前后波纹间距离相等
C.如果将孔AB扩大,有可能观察不到明显的衍射现象
D.如果孔的大小不变,使波源频率增大,能更明显地观察到衍射现象
解析 从题图中可看出孔AB的尺寸小于一个波长,所以此时能明显地观察到波的衍射现象,选项A正确;因为穿过挡板小孔后的波速不变,频率相同,所以波长也相同,选项B正确;若将孔AB扩大,将可能不满足发生明显衍射现象的条件,就有可能观察不到明显的衍射现象,选项C正确;若将波源频率增大,由于波速不变,所以波长变小,将可能不满足发生明显衍射现象的条件,就有可能观察不到明显的衍射现象,选项D错误。
答案 ABC
要点笔记 障碍物或孔的尺寸大小并不是决定衍射能否发生的条件,而是衍射现象能否明显表现的条件。
变式训练3如图所示,正中O是水面上一波源,实、虚线分别表示该时刻相邻的波峰、波谷,A是挡板,B是小孔,经过一段时间,水面上的波形将分布于(　　)
A.整个区域
B.阴影Ⅰ以外区域
C.阴影Ⅱ以外区域
D.阴影Ⅲ以外区域
解析 由题图中可直观看出,半波长为实虚两圆半径之差,且可看出挡板A的尺寸比波长大得多,而小孔B与波长长度差不多。据波发生明显衍射的条件知,该波在挡板A处的衍射现象很不明显,即可认为波沿直线传播,故Ⅰ区内水面无波形,故选项A、C、D不正确;该波的波长与小孔B差不多,能够发生明显的衍射,故在阴影区Ⅱ、Ⅲ之内明显存在衍射波的波形,故选项B正确。
答案 B
当堂检测
1.以下关于波的衍射的说法正确的是(　　)
A.波遇到障碍物时,一定会发生明显的衍射现象
B.当障碍物的尺寸比波长大得多时,衍射现象很明显
C.当孔的大小比波长小时,衍射现象很明显
D.只有当障碍物的尺寸与波长相差不多时,才会发生明显的衍射现象
解析 凡是波都能发生衍射现象,不过有时衍射现象明显,有时衍射现象不明显。只有当缝、孔或障碍物的尺寸跟波长相差不多或比波长更小时,才能发生明显的衍射现象。
答案 C
2.对于波长为100 m的声波,下列说法正确的是(　　)
A.在同一介质中,比波长为20 m的声波传播快
B.在空气中的频率比在水中大
C.声波能发生折射,但折射后频率发生变化
D.声波能发生反射,反射后波速不变
解析 机械波的传播速度由介质决定,波的频率由波源决定,与介质无关,所以折射后,波进入另一种介质,传播速度发生变化,反射后回到原来的介质,传播速度不变,故选项D正确。
答案 D
3.如图所示,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 反射波的波长、频率、波速与入射波都应该相等,故选项A、B错。折射波的波长、波速与入射波都不等,但频率相等,故选项C错,选项D正确。
答案 D
4.(2021河南南阳华龙高级中学高二月考)有一障碍物的宽度为10 m,下列衍射现象最明显的是(　　)
A.波长为40 m的波
B.波长为9.9 m的波
C.频率为40 Hz的声波(声速v=340 m/s)
D.频率为5 000 MHz的电磁波(波速v=3.0×108 m/s)
解析 根据λ= 可得声波波长为8.5 m,电磁波的波长为0.06 m,波长为40 m的波大于障碍物的宽度,其余波长都小于障碍物的尺寸,由波发生明显衍射现象的条件可知,选项A正确。
答案 A