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人教版(2019)物理选修一同步学习笔记:3.3波的反射、折射和衍射
一、波的反射和折射
1.波的反射遵从反射规律,即入射线、反射线及法线位于同一平面内,入射线、反射线分别位于法线的两侧,反射角等于入射角.
2.波的反射和折射中各物理量的变化
(1)波的频率是由振源决定的,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,波反射时是在同一均匀介质中传播,因此波速不变,波折射时是在不同介质中传播,因此波速改变.
(3)波长是由频率和波速共同决定的,即在波的反射中,由于波的频率和波速均不变,根据公式λ=可知波长不改变;在波的折射中,当进入新的介质中波速增大时,由λ=可知波长变长,反之变短.
二、波的衍射
1.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.
2.声波波长较长,一般为1.7 cm~17 m.
3.波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况.
考点一 波的反射与折射
1.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、波速均发生变化
C.波发生折射时,波的频率不变,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
【详解】AB.波发生反射时,在同一种介质中运动,因此波长、波速和频率都不发生变化,故AB错误;
CD.波发生折射时,频率不变,波长和波速均发生变化,故C正确,D错误。
故选C。
考点二 波的衍射
2.如图所示是利用水波槽观察到的水波衍射图像,从图像可知( )
A.B侧水波是衍射波
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,衍射现象更明显
【详解】A.B侧水波在传播过程中遇到带有窄缝的挡板后发生衍射,则A侧水波是衍射波,故A错误;
B.同种机械波在相同介质中的传播速度相同,故B正确;
C.减小挡板间距离,衍射现象会更明显,但是衍射波的波速不变,频率不变,故波长不变,故C错误;
D.因为只有当挡板间距离跟波长差不多或者比波长更小时,衍射现象才明显,所以当增大挡板间距离时,衍射现象会更不明显,故D错误。
故选B。
3.如图所示,甲为沿x轴传播的一列简谐横波在t=0时刻的波动图像,乙图为参与波动质点P的振动图像,则下列判断正确的是( )
A.该波的传播速率为8m/s
B.该波的传播方向沿x轴正方向
C.经过0.5s时间,质点P沿波的传播方向向前传播2m
D.该波在传播过程中若遇到3m的障碍物,能发生明显衍射现象
4.如图所示,正中心O点是水面上一波源,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.阴影Ⅲ以外区域
5.在空旷的广场上有一堵较高大的墙,墙的一侧有一个正在播放男女声合唱歌曲的声源。某人从墙的另一侧远离墙的A点走到靠近墙的B点,在此过程中,如果从声波的衍射来考虑,则会听到( )
A.声音变响,男声比女声更响
B.声音变响,女声比男声更响
C.声音变弱,男声比女声更弱
D.声音变弱,女声比男声更弱
6.一列水波穿过小孔发生了明显衍射现象,衍射后水波与衍射前水波相比( )
A.波长变短 B.频率变高 C.波速不变 D.振幅不变
7.在水波槽的衍射实验中,打击水面的振子振动频率是10Hz,水波在水槽中的传播速度为0.5m/s。为能观察到显著的衍射现象,小孔的宽度可以为( )
A.0.15m B.0.05m C.0.5m D.5m
8.一列声波由空气传到水中( )
A.频率不变,波长变小 B.频率不变,波长变大
C.频率变小,波长变长 D.频率变大,波长变大
9.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,会发生明显的衍射现象
C.当孔的大小比波长小时,会发生明显的衍射现象
D.通常讲话产生的声波,经过尺寸为1mm左右的障碍物时会发生明显的衍射现象
10.青岛濒临黄海,是国内著名的滨海旅游城市,长达800多公里的海岸线,拥有众多优良海水浴场。在石老人海水浴场,某同学漂浮在海面上;水波以3m/s的速率向着海滩传播,该同学记录了第1个波峰到第10个波峰通过身下的时间为18s。下列说法正确的是( )
A.该同学很快就会漂流到沙滩上
B.该水波的周期为1.8s
C.该水波的波长为6m
D.该水波可以绕过石老人继续传播属于波的干涉现象
11.下列说法中正确的是( )
A.振动方向与传播方向均为水平的波可能是横波,也可能是纵波
B.波速表示了质点在平衡位置附近振动的快慢,且质点不会沿波的传播方向迁移
C.惠更斯原理完美地解释了波传播过程中的所有现象
D.做简谐运动的物体,当它每次经过同一位置时,速度一定相同
12.如图甲所示,一列简谐横波沿x轴传播,t时刻的波形图如图甲所示,质点A从t+0.3s时刻开始计时,振动图像如图乙所示,若设+y方向为振动正方向,则下列说法中正确的是( )
A.该简谐横波沿x轴正方向传播
B.该简谐横波波速为10m/s
C.若该波发生明显的衍射现象,则该波所遇到的障碍物或孔的尺寸定比4m大得多
D.在t+0.5s时刻,质点A的加速度比质点B的大
13.如图所示,图甲为沿x轴传播的一列简谐横波在t=2s时刻的波动图像,图乙为质点P的振动图像。下列说法正确的是( )
A.波沿x轴正方向传播
B.再经过1s时间,质点P向左传播到0m位置
C.该波可以与另一列频率为0.5Hz的波发生稳定的干涉
D.波在传播过程中遇到3m大小的障碍物能发生明显的衍射
14.一列水波通过某孔的实际情况如图所示,现把孔的尺寸变小,或者把水波的波长变大,水波通过孔后的假想情况如图四幅图所示,其假想错误的图示有( )
A.孔变小 B.孔变小
C.波长变大 D.波长变大
15.图甲为一简谐横波在t = 0.10s时的波形图,Р是平衡位置在x = 0.5m处的质点,Q是平衡位置在x = 4.0m处的质点;图乙为质点Q的振动图像。下列说法正确的是( )
A.这列波沿x轴负方向传播
B.这列波的传播速度为10m/s
C.从到,P通过的路程为30cm
D.该波在传播过程中若遇到直径为3m的障碍物,能发生明显衍射现象
3.D
【详解】A.根据速率与波长的关系
由图可知
,
所以波传播的速率为
故A错误;
B.由乙图可知在t=0时刻,质点P处于平衡位置,且向下振动,根据“上下坡”法,波沿x轴负方向传播,故B错误;
C.介质中的质点不会随波迁移,故C错误;
D.当障碍物的尺寸小于波长或与波长接近时,可以发生明显衍射,故D正确。
故选D。
4.B
【详解】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道,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,该波的波长与小孔B差不多,能够产生明显的衍射现象,故在阴影区Ⅲ、Ⅱ之内,明显存在衍射波的波形。
故选B。
5.A
【详解】因为从墙的另一侧远离墙的A点走到靠近墙的B点的过程中,力声源越来越近,则声音变响。而女声频率更高,波长更小,所以衍射现象更不明显,所以男声比女声更响。
故选A。
6.C
【详解】ABC.发生衍射现象时波的波长和频率都不变,都等于波源的波长和频率,由于波速是由介质的性质决定,所以波速不变,选项A、B错误,选项C正确;
D.由于衍射使波的能量分布范围变大,从而导致单位面积上的能量变小,振幅变小,选项D错误。
答案选C。
7.B
【详解】根据
有
且只有当缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或者比波长更小时,才能够观察到明显的衍射现象,所以只有0.05m符合要求。
故选B。
8.B
【详解】声波由空气进入水中,波速变大,频率不变,由波速公式
知声波的波长变大,故B正确。
故选B。
9.C
【详解】ABC.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,AB错误、C正确;
D.波速一般是340m/s,人耳听到的声音的频率是20Hz—20KHz,根据公式波长公式,得出人耳所能听到的声音的波长为0.017—17m,若讲话的声波为0.017mm而障碍物的尺寸为1mm,将不会发生明显的衍射现象,D错误。
故选C。
10.C
【详解】A.该同学只会在平衡位置附近振动,不会随波迁移。A错误;
B.该水波的周期为
B错误;
C.根据波长公式得
C正确;
D.该水波可以绕过石老人继续传播属于波的衍射现象。D错误。
故选C。
11.C
【详解】A.振动方向与传播方向垂直的波是横波,振动方向与传播方向平行的波是纵波,故A错误;
B.波速是单位时间内波形传播的距离,表示了波形传播的快慢,且质点不会沿波的传播方向迁移,故B错误;
C.惠更斯原理是以波动理论解释光的传播规律的基本原理,完美地解释了波传播过程中的所有现象,故C正确;
D.做简谐运动的物体,当它每次经过同一位置时,速度方向有两种情况,故D错误。
故选C。
12.BD
【详解】A.由图乙可知t+0.3s时刻,质点A位于y轴正方向最高点,质点振动周期为0.4s,可知A处于平衡位置且速度沿y轴负方向,根据同侧法可知,波沿x轴负方向传播,故A错误;
B.由图可知波长为4m,故
故B正确;
C.根据衍射条件可知,当障碍物或孔的尺寸根波长差不多时,或者比波长更小时才能看到明显衍射现象,故C错误;
D.从t到t+0.5s时刻,经历时间
在t+0.5s时刻,质点A到达波谷,质点B到达平衡位置,可知质点A的位移较大,加速度较大,故D正确。
故选BD。
13.CD
【详解】A.由题图乙可知,质点P在t=2s时刻沿y轴负方向振动,由上下坡法确定波沿x轴负方向传播,故A错误;
B.质点不会随波迁移,只在自己的平衡位置周期性振动,故B错误;
C.由题图乙可知,该波周期是2s,则有频率为0.5Hz,由干涉条件可知,该波可以与频率为0.5Hz的波产生稳定的干涉,故C正确;
D.由于该波的波长是6m,由产生明显衍射现象的条件可知,波在传播过程中遇到尺度为3m大小的障碍物将能发生明显的衍射,故D正确。
故选CD。
14.BD
【详解】衍射现象是普遍存在的。波遇到障碍物时都有绕过障碍物的特性,即衍射现象,当障碍物或孔的尺寸比波长小或差不多时能观察到明显的衍射现象,所以AC正确,不符合题意;BD错误,符合题意;
故选BD。
15.AD
【详解】A.由质点Q的振动图象可知,在t = 0.1s时质点Q向下振动,由波形图可知,这列波沿x轴负方向传播,A正确;
B.由图中中读出波长λ = 8m,周期T = 0.2s,可知波速
v = = 40m/s
B错误;
C.从t = 0s到t = 0.15s经过了
t = 0.05s = T
由于t = 0s时刻质点P不在平衡位置,也不在最高点或最低点位置,则其通过的路程不等于A = 30cm,C错误;
D.由于
λ = 8m > 3m
则该波在传播过程中若遇到直径为3m的障碍物,能发生明显衍射现象,D正确。
故选AD。
知识梳理
考点归纳
巩固练习
参考答案
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