3.波的反射、折射和衍射
基础巩固
1.在波的反射现象中,反射波跟入射波不相同的量是( )
A.波长 B.波速
C.频率 D.振幅
答案:D
解析:反射波跟入射波波速相同(由介质决定)、频率相同(由波源决定)、波长相同, 所以A、B、C相同;波在传播及反射过程中能量有损失,故振幅逐渐变小,D不相同。
2.一列声波从空气传入水中,已知水中声速较大,则( )
A.声波频率不变,波长变小
B.声波频率不变,波长变大
C.声波频率变小,波长变大
D.声波频率变大,波长不变
答案:B
解析:波的频率由波源决定,因此波无论在空气中还是在水中频率都不变,C、D错误;又因波在水中速度较大,由公式v=λf可得,波在水中的波长变大,故A错误,B正确。
3.下图中的各图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(A、B图)或障碍物(C、D图),其中不能发生明显衍射现象的有( )
答案:C
解析:发生明显衍射现象的条件是障碍物或小孔的尺寸比波长小,或与波长相差不多,由题图可知,A、B、D图能发生明显衍射现象,而C图不能,故选C。
4.有一障碍物的尺寸为10 m,下列哪些波在遇到它时衍射现象最明显( )
A.波长为4 m的机械波
B.波长为10 m的机械波
C.频率为40 Hz的声波
D.频率为5 000 MHz的电磁波(波速为3×108 m/s)
答案:B
解析:空气中声波波速大约为340 m/s,由λ=可算出声波的波长为8.5 m;频率为5 000 MHz的电磁波的波长为0.06 m。所以选项B中波长与障碍物尺寸接近,衍射现象最明显。
5.一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,一定能使衍射现象更明显的措施是( )
A.增大障碍物尺寸,同时增大波的频率
B.增大障碍物尺寸,同时减小波的频率
C.缩小障碍物尺寸,同时增大波的频率
D.缩小障碍物尺寸,同时减小波的频率
答案:D
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,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,所以缩小障碍物的尺寸,同时减小波的频率会使衍射现象更明显,D选项正确。
6.天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度,在水平地面上与观测者的距离为d=3.0 km处进行一次爆炸,观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差Δt=6.0 s。试估算云层下表面的高度。已知空气中的声速v= km/s。
答案:2 km
解析:由题意画出其平面图。设云层下表面的高度为h,则由云层反射来的爆炸声传播距离为s=2,传播时间为t1=,声音直接传来的时间为t2=,则t1-t2=Δt,将数据代入以上各式得h=2 km。
能力提升
1.(多选)下列关于波的衍射的说法正确的是( )
A.衍射是一切波特有的现象
B.对同一列波,缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或比波长小时,衍射现象明显
C.只有横波才能发生衍射现象,纵波不能发生衍射现象
D.声波容易发生衍射现象是由于声波波长较大
答案:ABD
2.在观察水波的衍射实验中,若打击水面的振子振动的频率是5 Hz,水波在水波槽中的传播速度是0.05 m/s,为观察到明显的衍射现象,小孔直径d应为( )
A.10 cm B.5 m
C.大于1 cm D.小于1 cm
答案:D
解析:当d<λ时肯定发生明显的衍射。由题意知水波的波长λ= m=0.01 m。即孔的直径d应与1 cm相当或比它还小,故选项D对。
3.音箱装置布网既美观又能阻止灰尘进入音箱内部,但是它又有不利的一面,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,造成了声音的失真。有的生产厂家就把布网安装上子母扣,这样听音乐时就可以将布网卸下来,从而获得真实的听觉效果。听同样的音乐时,不卸下布网跟卸下布网相比较,你认为声音损失掉的主要是( )
A.高频成分 B.低频成分
C.中频成分 D.不能确定
答案:A
解析:当声音从音箱发出遇到布网这一障碍物时,若声波的波长比布网的直径大或者和它差不多时,就可以发生明显的衍射现象,这样布网就不能阻挡这部分声波,布网可以阻挡波长比它的直径小得多的声波,即声音的高频成分,所以选项A正确。
4.(多选)如图所示,一小型渔港的防波堤两端MN相距约60 m,在防波堤后A、B两处有两个小船进港躲避风浪。某次海啸引起的波浪沿垂直于防波堤的方向向防波堤传播,下列说法正确的有( )
A.假设波浪的波长约为10 m,则A、B两处小船基本上不受波浪影响
B.假设波浪的波长约为10 m,则A、B两处小船明显受到波浪影响
C.假设波浪的波长约为50 m,则A、B两处小船基本上不受波浪影响
D.假设波浪的波长约为50 m,则A、B两处小船明显受到波浪影响
答案:AD
解析:A、B两处小船明显受到影响是因为水波发生明显的衍射,波浪能传播到A、B处,当障碍物或缝隙的尺寸比波长小或跟波长差不多的时候,会发生明显的衍射现象,故A、D正确。
5.一列声波在介质Ⅰ中的波长为0.2 m。当该声波从介质Ⅰ中以某一角度传入介质Ⅱ中时,波长变为0.6 m,如图所示,若介质Ⅰ中的声速是340 m/s。求:
(1)该声波在介质Ⅱ中传播时的频率;
(2)该声波在介质Ⅱ中传播的速度;
(3)若声波垂直进入介质Ⅱ,经0.4 s返回介质Ⅰ,则介质Ⅱ的深度为多少
答案:(1)1 700 Hz
(2)1 020 m/s
(3)204 m
解析:(1)声波在介质Ⅰ中传播时,由v=λf得:
声波在介质Ⅰ中频率f= Hz=1 700 Hz
由于声波在不同介质中传播时,频率不变,所以声波在介质Ⅱ中传播时,频率为1 700 Hz。
(2)由v=λf得声波在介质Ⅱ中的传播速度为v2=λ2f=0.6×1 700 m/s=1 020 m/s。
(3)声波经=0.2 s传至介质Ⅱ底部,故介质Ⅱ的深度h=v2·=1 020×0.2 m=204 m。(共28张PPT)
3.波的反射、折射和衍射
第三章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习 新知导学
合作探究 释疑解惑
课堂小结
04
随堂练习
课标定位
素养阐释
1.知道波传播到两种介质交界面时会发生反射、折射现象。
2.理解什么是波的衍射现象,知道波发生明显衍射现象的条件。
3.会根据波的反射、折射规律解决实际问题。
1.理解波的反射和折射,形成物理观念。
2.通过运用波的反射、折射规律分析问题,培养科学思维能力。
3.理解波发生明显衍射现象的条件,体会生活中的衍射现象,形成科学态度与责任。
自主预习 新知导学
一、波的反射
1.反射:当水波遇到挡板时会发生反射。
2.规律:反射线、法线与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。
二、波的折射
1.折射:一列水波在深度不同的水域传播时,在交界面处将发生折射。
2.说明:一切波都会发生折射现象。
三、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.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.波的衍射的普遍性:一切波都能发生衍射,衍射是波特有的现象。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)有些波不能发生折射或衍射现象。( )
(2)波反射时,反射面要吸收一部分能量。( )
(3)波发生反射和折射时波的频率都不变,波长、波速均发生变化。( )
(4)只有当障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时,才会发生衍射现象。
( )
×
√
×
×
2.人在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话的声音要洪亮,你知道这其中的原因吗
提示:在室内听到的声音洪亮是因为声波在室内墙壁上经过多次反射而得到加强。
3.下图是一个可观察水波衍射的水波发生槽,振源的频率是可以调节的,槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔,观察水波的传播,也可以在水槽中放置宽度不同的挡板,观察水波的传播。思考下列问题:
(1)水波遇到小孔时,会观察到什么现象 依次减小
小孔尺寸,观察到的现象有什么变化
(2)当水波遇到较大的障碍物时,会观察到什么现象
当障碍物较小时,会观察到什么现象
提示:(1)水波遇到小孔时,水波能穿过小孔,并能到达挡板后面的“阴影区”,小孔的尺寸减小时,水波到达“阴影区”的现象更加明显。
(2)当水波遇到较大的障碍物时,将会返回,当障碍物较小时,波能继续向前传播。
合作探究 释疑解惑
知识点一
波的反射和折射
【问题引领】
波在传播过程中,由一种介质进入另一种介质时,传播方向发生了偏折,如图所示。 那么折射波的频率、波长和波速是否变化
提示:频率不变 ,波长和波速发生变化。
【归纳提升】
1.波向前传播在两介质的界面上同时发生了反射现象和折射现象,如图甲和图乙所示,一些物理量相应地发生变化,比较如下:
比较项 波的反射 波的折射
传播方向 改变i=i' 改变r≠i
频率f 不变 不变
波速v 不变 改变
波长λ 不变 改变
2.几点说明
(1)波的频率是由波源决定的,介质中各个质点的振动都是受迫振动,因此不论是反射还是折射,波的频率是不改变的。
(2)波速是由介质决定的,波反射时,波在同一介质中传播,因此波速不变,波折射时,波在不同介质中传播,因此波速改变。
【典型例题】
【例题1】 如图所示,某列波以60°的入射角由甲介质射到乙介质的界面上同时产生反射和折射,若反射波的波线与折射波的波线的夹角为90°,此波在甲介质中的波速为2.08×105 km/s,在乙介质中的波速为1.2×105 km/s。
(1)该波的折射角为多少
(2)该波在两种介质中的波长比为多少
答案:(1)30°
解析:(1)由反射定律可得反射角为60°,由题图的几何关系可得折射角为r=30°。
科学思维 波在反射或折射后,其频率不变,故我们听到的回声与原声相同,花样游泳运动员在水下与水上听到的音乐曲调相同。
【变式训练1】 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,但反射后波速不变
答案:D
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D选项正确。
【问题引领】
知识点二
波的衍射
如图所示,S为波源,M、N为两块挡板,其中M板固定,N板可上下移动,两板中间有一狭缝,此时测得A点没有振动,为了使A点能发生振动,可采用的方法是 (选填“增大”或“减小”)波源的频率,也可以将N板 (选填“向上”或“向下”)移动一些。
提示:减小 向上。A点没有振动,说明衍射现象不明显,即狭缝的尺寸比波长大得多。为使A点振动,可使波长大些或使狭缝窄一些,故可使波源频率减小或将N板向上移动一些。
【归纳提升】
1.波的衍射
波绕过障碍物或小孔继续传播的现象。
2.关于波的衍射的条件
应该说衍射是没有条件的,衍射是波特有的现象,一切波都可以发生衍射。衍射只有“明显”与“不明显”之分,障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多,或比波长小是产生明显衍射的条件。
3.波的衍射实质分析
波传到小孔(障碍物)时,小孔(障碍物)仿佛是一个新波源,由它发出的与原来同频率的波在小孔(障碍物)后传播,就偏离了直线方向。波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况。
【典型例题】
【例题2】 (多选)右图是观察水波衍射的实验装置。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)之间的距离表示一个波长,则关于波经过孔之后的传播情况,下列描述正确的是( )
A.此时能观察到波明显的衍射现象
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,能观察到更
明显的衍射现象
答案:ABC
解析:观察题图可知道孔的尺寸与波长差不多,能观察到波明显的衍射现象,故选项A对;因波的传播速度不变,频率不变,故波长不变,即挡板前后波纹间距离应相等,故选项B对;若将孔AB扩大,且孔的尺寸远大于波长,则可能观察不到明显的衍射现象,故选项C对;若f增大,由λ= ,知λ变小,衍射现象变得不明显了,故选项D错。
科学思维 分析波是否能够产生明显衍射,一定要抓住波长与缝隙、孔或障碍物的尺寸关系。只有波长接近或大于缝隙、孔或障碍物的尺寸时,衍射现象才比较明显。
【变式训练2】 小河中有一个实心桥墩P,A为靠近桥墩浮在水面上的一片树叶,俯视图如图所示,小河水面平静。现在S处以某一频率拍打水面,使形成的水波能带动树叶A振动起来,可以采用的方法是( )
A.提高拍打水面的频率
B.降低拍打水面的频率
C.无论怎样拍打,A都不会振动起来
D.无需拍打,A也会振动起来
答案:B
解析:使形成的水波能带动树叶A振动起来,必须使水面形成的波的波长足够长,衍射现象明显,可以采用的方法是降低拍打水面的频率,选项B正确。
课堂小结
随堂练习
1.(波的反射)一列波遇到障碍物发生反射,反射后( )
A.只有波长不变
B.只有波速不变
C.只有频率不变
D.波长、波速、频率均不发生变化
答案:D
解析:波在发生反射时,入射波和反射波都在同一种介质中传播,所以入射波和反射波的波速相等,入射波和反射波的频率相等,从而二者的波长也是相等的,故选D。
2.(波的衍射)(多选)以下说法正确的是( )
A.波的衍射现象必须具备一定的条件,否则不可能发生衍射现象
B.要观察到水波明显的衍射现象,必须使狭缝的宽度远大于水波波长
C.波长越长的波,越容易发生明显的衍射现象
D.只有波才有衍射现象
答案:CD
解析:衍射是波特有的现象,即任何波都会发生衍射现象,只不过存在明显与不明显的差别而已,只有当障碍物或孔的尺寸跟波长差不多或者比波长小时,才会观察到明显的衍射现象,选项C、D正确。
3.(波的衍射)下图是利用发波水槽观察到的水波衍射图像,从图像可知
( )
A.B侧波是衍射波
B.A侧波速与B侧波速相等
C.减小挡板间距离,衍射波的波长将减小
D.增大挡板间距离,衍射现象将更明显
答案:B
解析:小孔是衍射波的波源,A侧是衍射波,A错误;在同一种介质中,波速相等,故B正确;根据波速、波长和频率的关系式v=λf,由于波速和频率不变,故波长不变,C错误;波长越长越容易发生衍射现象,与波的频率和振幅没有关系,在波长无法改变的情况下可以减小挡板间距离,故D错误。
4.(波的折射)一声波在空气中的波长为25 cm,速度为340 m/s,当折射入另一种介质时,波长变为80 cm,求:
(1)声波在这种介质中的频率;
(2)声波在这种介质中的传播速度。
答案:(1)1 360 Hz
(2)1 088 m/s
解析:(1)声波由空气进入另一种介质时,频率不变。
本 课 结 束
