3.3-3.4 波的干涉和衍射 多普勒效应及其应用课件（58张PPT）

(共58张PPT)
第3节　波的干涉和衍射
第4节　多普勒效应及其应用
一、波的叠加原理
1.波的独立传播特性:几列波在介质中传播,相遇后仍能保持各自原有的
_____________继续传播,就像没有与其他波相遇一样。
2.波的叠加原理:在相遇的区域里,介质中的质点同时参加相遇的波列的
振动,质点的位移等于相遇波列_________时该处引起的位移的_______。
运动特征不变
单独存在
矢量和
二、波的干涉现象
1.形成:振动频率和振动方向相同的两列波叠加后,振动加强和振动减弱的
区域互相_____、_____分布的现象。形成的图样叫作干涉图样。
2.现象解释:
加强区 减弱区
某时刻 波峰与波峰(或波谷与
波谷)叠加 一列波的波峰与另一列波的
波谷叠加
再经过 _____与_____(或_____与
_____)叠加 该波的_____与另一列波的
_____叠加
结果 振动始终加强 振动始终减弱
间隔
稳定
波谷
波谷
波峰
波峰
波谷
波峰
3.条件:_____和_________都相同的波。
4.特点:一切波都能发生,干涉是___特有的现象。
频率
振动方向
波
三、波的衍射现象
【思考】不同波长的波在传播中遇到相同大小的障碍物时,什么时候表现为直线传播,什么时候能绕过障碍物继续向前传播
提示:取决于波长与障碍物的尺寸的关系,若波长比障碍物尺寸大或二者差不多,则表现为衍射;若波长比障碍物尺寸小很多,则表现为直线传播。
1.含义:波绕过_______或通过孔隙继续传播的现象。
2.发生明显衍射的条件:障碍物或狭缝的尺寸跟波长_________,或者比波长
_____时。
障碍物
相差不多
更小
四、多普勒效应
1.含义:由于波源与观察者之间有_________而使观察者接收到的波的频率
发生_____的现象。
2.几种情况:
波源与接收者的运动情况 接收者接收到的波的频率
没有发生相对运动时 _____
相互靠近 _____
相互远离 _____
相对运动
变化
不变
增大
减小
五、多普勒效应的应用
1.测量车辆速度。
2.检查病变。
3.跟踪目的物(如导弹、云层)等。
关键能力·素养形成
一　波的干涉与叠加的分析
1.波的干涉与波的叠加:
(1)波的叠加是无条件的,任何频率的两列波在空间相遇都会叠加,但干涉必须是满足一定条件的两列波叠加后形成的现象。
(2)稳定干涉图样的产生是有条件的,必须是两列同类的波,并且波的频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
(3)明显的干涉图样特征:明显的干涉图样除了满足相干条件外,还必须满足两列波振幅相差不大。振幅越是接近,干涉图样越明显。
(4)稳定干涉图样的特征。
①加强区和减弱区的位置固定不变,且相互间隔。
②加强区始终加强,减弱区始终减弱。
2.振动加强点和减弱点的三种判断方法:
(1)从振幅判断:振幅为两列波的振幅之和的点为加强点;振幅为两列波的振幅
之差的点为减弱点。
(2)从条件上判断:振动方向始终相同的两波源产生的波叠加时,加强、减弱条
件如下:设点到两波源的距离之差为Δr,那么当Δr=kλ(k=0,1,2…)时该点为
加强点,当Δr=kλ+ (k=0,1,2…)时该点为减弱点,若两波源振动方向始终相
反,则上述结论正好相反。
(3)从现象上判断:若某时刻某点是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇,该点为振
动加强点;若某时刻某点是波峰与波谷相遇,则该点为振动减弱点。
【特别提醒】
(1)干涉是特殊条件下波的叠加,叠加不一定是干涉,但干涉一定是叠加。
(2)干涉现象中某时刻振动减弱点的位移不一定小于振动加强点的位移。
【思考·讨论】
　如图所示是两列水波相遇时出现的干涉图样。请问:这两列水波有什么共同点 (物理观念)
提示:这两列水波的频率相同、振动方向相同。
【典例示范】
　(多选)(2019·全国卷Ⅲ改编)水槽中,与水面接触的两根相同细杆固定在同一个振动片上。振动片做简谐振动时,两根细杆周期性触动水面形成两个波源。两波源发出的波在水面上相遇。在重叠区域发生干涉并形成了干涉图样。关于两列波重叠区域内水面上振动的质点,下列说法正确的是 (　　)
A.不同质点的振幅都相同
B.不同质点振动的频率都相同
C.不同质点振动的相位都相同
D.不同质点振动的周期都与振动片的周期相同
【解题探究】
(1)两列波叠加形成稳定的干涉现象的条件是什么
提示:两列波叠加形成稳定的干涉现象的条件是两列波的频率相同。
(2)各质点振动的频率与什么有关系
提示:各质点振动的频率与波源频率相同,波源振动频率又与振动片的振动频率相同。
【解析】选B、D。两列波叠加形成稳定的干涉现象的条件是两列波的频率相同,故B正确;任何质点都在按照相同的频率在振动,不同区域的质点振幅和相位不一定相同,故A、C错误;各质点振动的频率与波源频率相同,波源振动频率又与振动片的振动频率相同,同一质点处,两列波的周期是不随时间变化的,因此,D正确。
【素养训练】
1.如图所示是水波干涉示意图,S1、S2是两波源,A、D、B三点在一条直线上,两波源频率相同,振幅相等,则下列说法正确的是 (　　)
A.A处质点一会儿在波峰,一会儿在波谷
B.B处质点一直在波谷
C.C处质点一会儿在波峰,一会儿在波谷
D.D处质点一直在平衡位置
【解析】选A。A、B、D三点都在振动加强区,三处质点均做简谐运动,质点一会儿在波峰,一会儿在波谷,选项A正确,B、D错误;点C是振动减弱点,又因两波振幅相等,故C处质点一直在平衡位置不动,选项C错误。
2.(多选)甲、乙两列波在同一介质中沿x轴相向传播,它们的频率相同,振动方
向相同,甲的振幅为A,乙的振幅为 ,某时刻的波形图如图所示,x=4 m的质点
再过1 s将第一次到达波谷,以下说法正确的是 (　　)
A.两列波的频率均为0.25 Hz
B.再过4 s两波相遇
C.两列波相遇后,x=6 m的质点振动加强,x=7 m的质点振动减弱
D.稳定干涉后,x=4 m的质点振幅为A
【解析】选A、C。图示时刻,x=4 m的质点正向下振动,据题有: =1 s,得周期
T=4 s,频率为 f= =0.25 Hz,两列波的频率均为0.25 Hz,故A正确;两波的波
速为v= m/s=1 m/s,设经过t时间两波相遇,则有:2vt=4 m,得t=2 s,即再过
2 s两波相遇,故B错误;两列波相遇后,x=6 m处是两波的波峰或波谷相遇处,该
处质点振动加强。x=7 m处是两波的波峰与波谷相遇处,该处的质点振动减弱,
故C正确;稳定干涉后,x=4 m的质点振动减弱,振幅为A- = ,故D错误。
3.(多选)如图所示,S1、S2是振幅均为A的两个水波波源,某时刻它们形成的波峰和波谷分别由实线和虚线表示。则下列说法中正确的是 (　　)
A.两列波在相遇区域发生干涉
B.两列波在相遇区域内发生叠加
C.此时各点的位移是:xA=0,xB=-2A,xC=2A
D.A处振动始终减弱,B、C处振动始终加强
【解析】选B、C。两列波发生干涉的条件之一是频率相同,但从题图上可知
λ1=2λ2,则2f1=f2,所以这两列波不是相干波,故不能产生干涉现象,A错误;由波
的叠加原理可知,两列机械波在相遇区域发生叠加,任何一个质点的总位移,都
等于这两列波引起位移的矢量和,B、C均正确;由于频率不同,某一点叠加情况
会随时间发生变化,干涉图样不稳定,如C处此时两波峰相遇,是振动加强点,但
经 ,S2产生的波在C处是波谷,S1产生的波则还未到达波谷,C处振动不是始终
加强的,D错误。
【补偿训练】
　　如图所示,甲、乙两平面波是振幅相同的相干波。甲波沿x轴的正方向传播,乙波沿y轴正方向传播,图中实线表示某一时刻的波峰位置,虚线表示波谷位置,对图中正方形中央的a、b、c、d四点的振动情况,正确的判断是 (　　)
A.a、b点振动加强,c、d点振动减弱
B.a、c点振动加强,b、d点振动减弱
C.a、d点振动加强,b、c点振动减弱
D.a、b、c、d点的振动都加强
【解析】选B。在图中A、B、C、D四点,由峰峰叠加,可知BD决定的直线为加强线,过A点、C点且平行BD直线的两条直线也应是加强线。a、c两点在BD直线上,故a、c是振动加强点。分别过b、d且平行BD直线的两条直线均在两加强线之间,应为减弱线,故b、d两点的振动是减弱的,B选项正确。
二　波的干涉与波的衍射的比较
1.对波的衍射现象的三点分析:
(1)波的衍射现象总是存在的,只有“明显”与“不明显”的差异。当狭缝的宽度或障碍物的尺寸大小与波长相差不多或比波长小,是波发生明显衍射的条件,不是波发生衍射的条件。波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况。
(2)波长较长的波容易发生明显的衍射现象。
(3)波传到小孔(或障碍物)时,小孔(或障碍物)仿佛是一个新波源,由它发出与原来同频率的波在孔(或障碍物)后传播,就偏离了直线方向。
2.波的干涉与波的衍射的比较:
定义 现象 可观察到现象
的条件
波的
衍射 波绕过障碍物或通过孔继续传播的现象 波能偏离直线而传播到直线以外的空间 缝、孔或障碍物的尺寸跟波长相差不多或者小于波长
波的
干涉 振动频率和振动方向相同的两列波叠加后,振动加强和振动减弱的区域互相间隔、稳定分布的现象 形成振动强弱相间的区域。某些区域总是加强,某些区域总是减弱 两列波的振动频率和振动方向相同
【思考·讨论】
如图所示,水波可以通过堤坝的狭窄缺口绕过堤坝,形成半圆形的水波继续向外扩散;雄伟的大桥下,悠悠江面上层层波浪绕过桥墩“若无其事”地向前传播。
(1)什么相当于堤坝内水波的波源 (物理观念)
(2)桥墩阻挡了水波的传播吗 (科学探究)
提示:(1)堤坝的狭窄缺口。
(2)桥墩没有阻挡水波的传播,好像桥墩不存在一样。
【典例示范】
　(多选)如图是观察水面波衍射的实验装置,AB和CD是两块挡板,BC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)
之间的距离表示一个波长,则波经过孔之后的传播情况,下列描述中正确的
是 (　　)
A.此时能明显观察到波的衍射现象
B.挡板前后波纹间距相等
C.如果将孔BC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,能更明显观察到衍射现象
【解题探究】
能够发生明显的衍射现象的条件是什么
提示:当孔、缝的宽度与波长差不多或者比波长还小时,就能够发生明显的衍射现象。
【解析】选A、B、C。从图中可知波长和缝的宽度差不多,当孔、缝的宽度与波长差不多或者比波长还小时,就能够发生明显的衍射现象,A正确;由于同一列波的频率不变,而衍射前后波速相同,故衍射前后波长相同,B正确;如果将孔BC扩大,有可能造成孔的宽度大于波的波长,而只有当孔、缝的宽度与波长差不多或者比波长还小时,才能够发生明显的衍射现象,故有可能观察不到明显的衍射现象,C正确;由于介质不变,故孔扩大前后水波的波速相同,而波的频率增大后,波的波长变短,而孔、缝的宽度不变时,波长越小,衍射越不明显,D错误。
【规律方法】关于衍射现象发生的条件
(1)衍射是波特有的现象,一切波都会发生衍射现象。障碍物和狭缝的尺寸大小并不是决定衍射能否发生的条件,而是能否发生明显衍射的条件。
(2)分析波是否能够发生明显的衍射,一定要抓住波长与缝隙、孔和障碍物的尺寸关系。只有波长接近或大于缝隙、孔和障碍物的尺寸时,衍射现象才比较明显。
【素养训练】
1.关于衍射,下列说法不正确的是 (　　)
A.发生衍射就是波传到障碍物或孔的后面
B.发生衍射的同时把波源的能量传播到“衍射”区域
C.衍射只有波才能发生
D.只有孔才能发生衍射,一块挡板不可能发生波的衍射
【解析】选D。波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象叫作波的衍射,A正确;波在发生衍射时,其衍射区域的质点是振动的,因此具有能量,B正确;衍射是波特有的现象之一,C正确;小孔或障碍物只要满足条件都能发生明显的衍射现象,D不正确。
2.音箱装饰布网既美观又能阻止灰尘进入音箱内部,但是它也有不利的一面,对于音箱发出的声音来说,布网就成了障碍物,它阻碍了声音的传播,造成了声音失真,有的生产厂家就把装饰布网安装了子母扣,这样听音乐时就可以把布网卸下来,从而获得高保真的听觉效果。听同样的音乐不卸下布网和卸下布网相比较,你认为声音损失掉的主要是 (　　)
A.高频部分　　　 B.低频部分
C.中频部分 D.不能确定
【解析】选A。不卸下布网,由于高频部分波长较小,衍射现象不明显,所以声音损失掉的主要是高频部分,选项A正确。
3.如图所示,点O是水面上一波源,实、虚线分别表示该时刻的波峰、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.上述答案均不对
【解析】选B。由题图可以看出挡板A的尺寸比波长大得多,故衍射现象不明显,Ⅰ区没有水波;B孔与波长差不多,衍射现象明显,故Ⅱ区、Ⅲ区都有水波,图中空白区域水波可直接传到,故B正确。
三　多普勒效应的特点与应用
发生多普勒效应的三种情况:
【思考·讨论】
有经验的铁路工人可以通过分辨火车的汽笛声来判断火车的运行方向和快慢。
(1)火车的运动方向和快慢对铁路工人接收到的声音频率有影响吗
(物理观念)
(2)铁路工人是怎样通过分辨火车的汽笛声来判断火车的运行方向和快慢的
(科学思维)
提示:(1)有影响,火车的运动方向和快慢对铁路工人在单位时间里接收到声波的完整波的个数有影响,从而影响接收到声音的频率。
(2)铁路工人是通过分辨所感受到汽笛的音调高低来判断火车的运行方向和快慢的:若火车靠近工人,工人感觉到汽笛的音调变高,速度越快,音调越高,反之相反。
【典例示范】
汽车无人驾驶技术已逐渐成热，最常用的是ACC自适应航控制，它可以控制无
人车在前车减速时自动减速、前车加速时自动跟上去。其使用的传感器主要有
毫米波雷达，该雷达会发射和接收调制过的无线电波，再通过波的时间差和多
普勒效应造成的频率变化来测量目标的相对距离和相对速度①。若该雷达发射
的无线电波的频率为f，接收到的回波的频率为f′，则（ ）
A.当f＝f′时，表明前车与无人车速度相同②
B.当f=f′时,表明前车一定处于静止状态
C.当f′>f时,表明前车在加速行驶
D.当f′【审题关键】
序号 信息提取
① 测量的是两车的相对距离和相对速度
② 两车相对静止
【解析】选A。当声源和观察者之间的距离不变化时,观察者接收到的频率和声源发出的频率相等,故当f=f′时,说明二者之间的距离不变,表明前车与无人车速度相同,但不一定静止,故A正确,B错误;当f′>f时,说明接收到的频率增大,说明两车距离减小,表明前车在减速行驶,故C错误;当f′【规律方法】发生多普勒效应的条件
(1)发生多普勒效应是由于波源与观察者发生了相对运动,当波源和观察者都运动但无相对运动时则不会发生多普勒效应。
(2)多普勒效应的产生不是取决于波源距离观察者有多远,而是取决于波源相对于观察者运动速度的大小和方向。
【素养训练】
1.医院有一种先进的检测技术——彩超。向病人体内发射频率已精确掌握的超声波,超声波经血液反射后被专用仪器接收。测出反射波的频率变化,就可知道血液的流速。这一技术主要体现了哪一种物理现象 (　　)
A.多普勒效应　　 B.波的衍射
C.波的干涉 D.共振
【解析】选A。波源和观察者之间有相对运动,使观察者感到频率发生变化的现象是多普勒效应。
2.如图所示为机械波的波源O做匀速直线运动的情况,图中的圆表示波峰,则该图中表示的是________现象;波源正在移向________点,观察到波的频率最低的点是________。
【解析】由图可知,AB两边接收到的频率不同,故说明发生了多普勒效应;由图可知,A处接收到的波要多,故A处接收到的频率大;而B处接收到的频率低;故说明波源正在向A移动。
答案:多普勒　A　B
【补偿训练】
1.观察者不动,波源迎面而来时,下列说法正确的是 (　　)
A.波源的波长发生了改变
B.波源的频率发生了改变
C.观察者接收到的波的频率发生了改变
D.波速发生了改变
【解析】选C。由多普勒效应现象可知,观察者相对波源靠近时,他接收到的波的频率变大了,但波源发出波的性质未变,即机械波的波长、频率、波速均未变,所以A、B、D错误,C正确。
2.下列关于多普勒效应的说法正确的是 (　　)
A.若声源向观察者靠近,则声源发出声波的频率变小
B.若声源向观察者靠近,则观察者接收到声波的频率变大
C.观察者远离波源,则波源发出声波的频率变小
D.若波源与观察者相互靠近,则观察者接收到声波的频率变小
【解析】选B。多普勒效应是指波源或观察者发生相对运动时,观察者所接收的声波频率发生了变化,而波源发出的声波频率是不变的,与波源和观察者的运动情况无关,A、C错误;若波源向观察者靠近或波源与观察者相互靠近,则观察者接收到声波的频率变大,B正确,D错误。
【拓展例题】考查内容:多普勒效应的应用
【典例】一固定的超声波波源发出频率为100 kHz的超声波,一辆汽车从远处向超声波波源迎面驶来,在超声波波源处的接收器接收到从汽车反射回来的超声波,并测出接收到的超声波频率为110 kHz,设空气中声音的传播速度是330 m/s,计算汽车的行驶速度。
【解析】设波源发射的超声波频率为f,汽车接收到的频率为f′,并把它反射回
去,固定接收器接收到的频率为f″,超声波在空气里的传播速度为v,汽车的行
驶速度为u,超声波在空气中的波长为λ0,则f= ,汽车每秒钟接收到的超声波
的个数,即频率f′= ,从汽车反射回来的超声波在空气中的波长
λ′= ,固定接收器接收到的频率f″=
由此可以解得u= ·v=15.7 m/s=56.5 km/h。
答案:56.5 km/h
【课堂回眸】
课堂检测·素养达标
1.(多选)下列说法中正确的是 (　　)
A.一切波都能发生干涉、衍射现象
B.只有两列横波相遇时才能发生干涉
C.在障碍物的后面可以听到前面人说话的声音是衍射现象
D.发生多普勒效应时,观察者接收的频率发生了变化,是波源的频率变化的缘故
【解析】选A、C。衍射和干涉是波所特有的现象,一切波都能发生干涉和衍射,故A正确,B错误;发生衍射就是波传到障碍物或孔的后面,偏离原来的直线方向传播,在障碍物的后面可以听到前面人说话的声音是衍射现象,故C正确;多普勒效应说明观察者与波源有相对运动时,接收到的波频率会发生变化,但波源的频率不变,故D错误;故选A、C。
2.如图所示是水面上两列频率相同的波在某时刻相遇时的示意图,以波源S1、S2为圆心的两组同心圆弧分别表示同一时刻两列波的波峰(实线)和波谷(虚线),S1的振幅A1=4 cm,S2的振幅A2=4 cm。则下列说法正确的是 (　　)
A.质点D是振动减弱点
B.质点B是振动加强点
C.质点A、D在该时刻的高度差为16 cm
D.再过半个周期,质点C是振动加强点
【解析】选C。两列频率相同的水波相遇时发生稳定的干涉,D点是波谷与波谷相遇点,A是波峰与波峰相遇点,B、C两点是波峰与波谷相遇点。则A、D两点是振动加强的,B、C两点是振动减弱的,故A、B错误;S1的振幅A1=4 cm,S2的振幅A2=4 cm,质点A是处于波峰叠加位置,相对平衡位置高度为8 cm,而质点D处于波谷叠加位置,相对平衡位置为-8 cm,因此质点A、D在该时刻的高度差为16 cm,故C正确;质点C是振动减弱点,再过半个周期,仍是减弱点,故D错误。
3.2019年4月10日人类第一次发布了世界上首张黑洞图像,利用了射电望远镜对电磁波的捕捉。下列关于波的说法,正确的是 (　　)
A.两列波叠加一定会出现稳定的干涉图样
B.在干涉图样中,振动加强区域的质点,其位移始终保持最大;振动减弱区域的质点,其位移始终保持最小
C.只有障碍物或孔的尺寸与波长比较相差不多或小得多,波才能发生衍射
D.当波源远离接收者时,接收者接收到的波的频率比波源频率低
【解析】选D。只有两列频率相同,相位差恒定的波叠加才会出现稳定的干涉图样,故A错误;在干涉图样中,振动加强区域的质点,只是振幅变大,其位移随时间周期性变化;振动减弱区域的质点,只是振幅变小,其位移随时间周期性变化,故B错误;衍射是波的特有属性,在任何条件下都会发生衍射,只有障碍物或孔的尺寸与波长比较相差不多或小得多,波才会发生明显的衍射,故C错误;根据多普勒效应,当波源远离接收者时,接收者接收到的波的频率比波源频率低,故D正确。
4.把M、N两块挡板中间的空隙当做一个“小孔”做水波的衍射实验,出现了如图所示的图样,位置P处的水没有振动起来,现要使挡板左边的振动传到P处,在不改变挡板M的左右位置和P点位置的情况下,可以采用哪些办法
【解析】波发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸与波长相差不多,或者比波长更小,所以要使P点振动起来,有两种方法:一是减小孔的尺寸,二是增大波的波长。N板向上移,可以减小孔的尺寸;由 v=λf可知,水波的波速一定,减小波源的频率可以增大水波的波长。故使挡板左边的振动传到P处可以采用的方法是N板上移,或减小波源振动的频率。
答案:见解析