3.3 机械波的传播现象 课件(共53张PPT)

(共53张PPT)
第三章 机械波
粤教版 选择性必修一
第三节 机械波的传播现象
新课导入
【看图，猜一个成语】
——隔墙有耳
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波可以绕过障碍物继续传播！
水波可以绕开障碍物
一、机械波的衍射
1.定义：水波在遇到小障碍物或者小孔时，能绕过障碍物或穿过小孔继续向前传播的现象叫作波的衍射。
障碍物
波源
一切波都能发生衍射
衍射是波特有的现象
小孔
波在什么条件下能够发生明显的衍射现象呢？
一、机械波的衍射
实验探究
演示1：保持水波的波长不变，改变狭缝的宽度，观察波的传播情况有什么变化。
演示2：保持狭缝的宽度不变，改变水波的波长，观察波的传播情况有什么变化。
一、机械波的衍射
一、机械波的衍射
实验探究
实验1：保持水波的波长不变，改变狭缝的宽度，观察波的传播情况有什么变化。
结论1：波长一定的情况下，波长一定的情况下，狭缝窄的，衍射现象比较明显。狭缝宽度越接近波长，衍射现象越明显
d > λ
d < λ
d ≈λ
λ
d
d
d
明显
λ
λ
最明显
不明显
一、机械波的衍射
实验探究
演示2：保持狭缝的宽度不变，改变水波的波长，观察波的传播情况有什么变化。
最明显
结论2：狭缝的宽度不变的情况下，波长越接近狭缝宽度，
衍射现象越明显
一、机械波的衍射
波在什么条件下能够发生明显的衍射现象呢？
当缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相近，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。
结论1：波长一定的情况下，狭缝窄的，衍射现象比较明显。狭缝宽度越接近波长，衍射现象越明显
结论2：狭缝的宽度不变的情况下，波长越接近狭缝宽度，衍射现象越明显
发生明显衍射现象的条件：
一、机械波的衍射
1、比波长大能发生明显衍射吗？
2、能说成是发生衍射现象的条件吗？
注意：
1、衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象。
2、衍射现象总是存在的，只有明显与不明显的差异。
3、障碍物或孔的尺寸大小，并不是决定衍射能否发生的条件，仅是发生明显衍射的条件
4、一般情况下，波长较大的波容易产生明显的衍射现象。
d ≈λ
一、机械波的衍射
如何解释机械波的衍射现象？
惠更斯原理：
介质中波动传到的各点都可以看作时发射子波的波源；
在其后的任一时刻，这些子波的包络就形成新的波面
一、机械波的衍射
如何解释机械波的衍射现象？
水面上有一任意波动传播，当波遇到一个很小的孔时，该小孔可以看作新的波源，发射子波
一、机械波的衍射
生活思考
操场上的喇叭正在播放音乐，有高音也有低音。走到离操场不远的教学大楼后面，听到喇叭播放的音乐声有所减弱。
是高音还是低音减弱得明显一些？为什么？
高音的频率较高，则波长较短，不容易绕过高楼发生明显衍射；而低音频率较低，波长较大，容易绕过高楼发生衍射，则高音减弱的较明显。
高音减弱的较明显
一、机械波的衍射
生活思考
医院中有一种“B超”仪器，常用来探测人体内脏的位置及发现可能的病变，这种仪器为什么要使用超声波而不用普通的声波？
1）超声波的频率范围为大于20000Hz，其相应波长小于17mm；超声波波长短，不易衍射，在一定距离内沿直线传播，方向性好，故所拍图像清晰。
2）超声波频率高，故超声波能量大，才容易穿透皮肤和组织。
新课导入
我们知道，声音在传播过程中，遇到障碍物时会发生反射。对着远处的峭壁大喊一声会听到回声，就是声波在峭壁上反射的结果。
生活中，你是否注意过水波的反射？
二、机械波的反射
一部分水波返回来继续传播
波的反射：当波传播到两种介质的分界面时，
一部分返回来继续传播的现象。
波的反射现象存在什么规律？
二、机械波的反射
法线
分界面
反射定律：
入射线、法线、反射线在同一平面内，入射线与反射线分居法线两侧，反射角等于入射角。
反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同
波遇到两种介质界面时，总存在反射．
入射角 ：
反射角 ：
入射线与法线的夹角 叫做入射角
模型构建
反射线与法线的夹角 叫做反射角
二、机械波的反射
2．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．
1．夏日的雷声轰鸣不绝．
声波在云层界面多次反射．
3．在空房间里讲话感觉声音响．
声波在普通房间里遇到墙壁，地面，天花板发生反射时，由于距离近，原声与回声几乎同时到达人耳．人耳只能分开相差0.1s以上的声音．所以，在房间里听不到回声，人在房间里讲话感觉声音比在野外大，而普通房间里的慢帐、地毯、衣物等会吸收声波，会影响室内的声响效果．
生活思考
二、机械波的反射
生活思考
如图所示，一场大雪过后，人们会感到外面万籁俱静．
这是怎么回事？难道是人的活动减少了吗？
提示：刚下过的雪是新鲜蓬松的，它的表面层有许多小气孔．当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射．由于气孔往往是内部大而口径小．所以，仅有少部分波的能量能通过口径反射回来，而大部分的能量则被吸收掉了．所以不是人的活动减少了。
【例题】　有一辆汽车静止在路上，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多远？(v声＝340 m/s)
【典例2】　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多远？(v声＝340 m/s)
课堂练习
波的反射现象的应用
(1)回声测距：
①当声源不动时，声波遇到了障碍物会返回来继续传播，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，设经时间t听到回声，则声源距障碍物的距离为s＝v声．
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远离声源时，声源发声时障碍物到声源的距离s＝(v声－v)．
三、机械波的折射
原始的捕鱼方法——叉鱼
鱼叉是直的，为什么我们看到视频里的鱼叉插进水中是弯的？
鱼发出的光经过水面发生了折射
你是否注意过水波的折射？
三、机械波的折射
波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生了改变的现象叫做波的折射。
定义：
波的折射现象存在什么规律？
三、机械波的折射
模型构建
界面
介质I
介质II
法线
波发生折射的原因：是波在不同介质中的速度不同
折射定律：
折射角（ ）：
折射波的波线与两介质界面法线的夹角 叫做折射角。
入射线、法线、折射线在同一平面内，入射线与折射线分居法线两侧．入射角的正弦跟折射角的正弦之比等于波在第一种介质中的速度跟波在第二种介质中的速度之比。
: 第二种介质相对第一种介质的折射率
三、机械波的折射
模型构建
3.当垂直界面入射时，传播方向不改变，属折射中的特例。
4.在波的折射中，波的频率不改变，波速和波长都发生改变。
注意：
界面
介质I
介质II
法线
1.当入射速度大于折射速度时，折射角折向法线。
2.当入射速度小于折射速度时，折射角折离法线。
三、机械波的折射
波现象 波的反射 波的折射
传播方向
频率f
波速v
波长λ
波的反射、折射现象中各物理量的变化
改变 i＝i’
不变
不变
不变
不变
改变 i ≠ r
改变
改变
三、机械波的折射
大家现在知道如何精准叉鱼了吗？
生活思考
三、机械波的折射
生活思考
如图所示，骆驼队白天在沙漠中行走时，队伍后面的喊声，队伍前面往往听不到，而夜晚就不同，听的比较清楚，
这是什么原因？
提示：白天近地面的气温较高，声速较大，声速随离地面高度的增加而减小导致声音传播方向向上弯曲；夜晚地面温度较低，声速随离地面高度的增加而增加，声波的传播方向向下弯曲，这也是在夜晚声波传播得比较远的原因．
在平静的水面上，下落的雨滴激起层层涟漪，形成了复杂而美丽的图案。
这种图案是怎样产生的？
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两个小球相碰时会改变它们原来的运动状态。
而在介质中常常有几列波同时传播，两列波相遇时，波的运动状态如何变化？
四、机械波的干涉
探究一：两列波相遇时会发生什么现象？
绳波
四、机械波的干涉
相遇前
相遇时刻
相遇过程
相遇后
两列波相遇
两列波相遇后，彼此穿过，继续传播，波的形状和传播的情形都跟相遇前一样，也就是说，相遇后，它们都保持各自的运动状态，彼此都没有受到影响。
四、机械波的干涉
1、波传播的独立性:
几列波相遇之后，仍然保持它们各自原有的特征（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好像没有遇到过其他波一样互不干扰.
四、机械波的干涉
振动加强
振幅增大
振动减弱
振幅减小
峰
峰
谷
峰
叠加原理
四、机械波的干涉
2、波的叠加原理
几列波相遇时，能够保持各自的特征，继续传播。在几列波重叠的区域里，介质的质点同时参与这几列波所引起的振动，质点振动的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。
本质：位移的合成
波的独立传播原理
注意：当两列波相遇时，保持独立性，频率、周期、波速、波长均不发生任何变化。
1、(多选)如图所示，波源S1在绳的左端发出频率为f1、振幅为A1的半个波形a，同时另一个波源S2在绳的右端发出频率为f2、振幅为A2的半个波形b，且f1A.两列波比较，a波将先到达P点
B.两列波在P点叠加时，P点的位移最大可达A1＋A2
C.b的波峰到达P点时，a的波峰还没有到达P点
D.两列波相遇时，绳上位移可达A1＋A2的点只有一个，此点在P点的左侧
CD
课堂练习
四、机械波的干涉
探究二：两列周期相同的波相遇时，在它们重叠的区域里会发生什么现象？
四、机械波的干涉
探究二：两列周期相同的波相遇时，在它们重叠的区域里会发生什么现象？
现象：
两列频率相同的水波相遇后，在它们重叠的区域里出现了一条条从两个波源中间伸展出来的相对平静的区域和激烈振动的区域，这两种区域在水面上的位置是固定的，而且相互隔开。
四、机械波的干涉
水波干涉图样
水波干涉俯视图样
1. 定义：频率相同,振动方向相同,相位差恒定的两列波叠加，使某些区域的振动始终加强，某些区域的振动始终减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔这种现象叫做波的干涉，形成的图样叫做干涉图样。
四、机械波的干涉
波的干涉图样
①把相应的振动最激烈的质点连起来，为振动加强区
②相应的振动最不激烈或静止的质点连起来，为振动减弱区
③振动加强区和振动减弱区是相互隔开的
振动加强（减弱）的区域是指质点的振幅大（小），而不是指振动的位移大（小）， 因为位移是在时刻变化的．
四、机械波的干涉
2、形成稳定干涉图样的条件
注意：波的干涉是波的叠加的特殊情形，一切波都能发生干涉，干涉和衍射都是波的特有现象。
(1)两波源的频率相同。
(2)振动方向相同。
(3)相位差恒定。
四、机械波的干涉
3.干涉现象的解释
（1）两列同频率的波在某点引起的振动
步调相同
步调相反
，质点的振动始终最强
，质点的振动始终最弱
加强点
x
t
x
t
四、机械波的干涉
加强点
x
t
两列波在这点的相位差保持不变，因此，在这一点，两列波引起的振动总是相互加强的，质点的振幅最大。
四、机械波的干涉
M点振动加强（振幅为2A1）
x1
0
t
A1
-A1
x2
0
t
-A2
A2
x
0
t
A
-A
加强点
四、机械波的干涉
M点振动加强（振幅为A1＋A2）
减弱点
x
t
x
t
四、机械波的干涉
x
t
减弱点
两列波在这点的相位差保持不变，所以它们在这点引起的振动总是相互削弱的。如果两列波的振幅相同，质点的位移之和就总等于0。
四、机械波的干涉
N点不振动（振幅为零）
x
0
t
x1
0
t
A1
-A1
x2
0
t
-A2
A2
A
-A
N点振动减弱
（振幅为｜A1－A2｜）
减弱点
四、机械波的干涉
①若P点为振动加强点：
（n = 0,1,2,……）
则有P点到两列波的波源的距离差等于波长的整数倍或半个波长的偶数倍。
加强点和减弱点的分布规律（两波源的相位相同）
②若P点为振动减弱点：
则有P点到两列波的波源的距离差等于半个波长的奇数倍。
（n = 0,1,2,……）
图为某一报告厅主席台的平面图，AB是讲台，S1、S2是与讲台上话筒等高的喇叭，它们之间的相互位置和尺寸如图所示。报告者的声音放大后经喇叭传回话筒再次放大时可能会产生啸叫，为了避免啸叫，话筒最好摆放在讲台上适当的位置，在这些位置上两个喇叭传来的声音因干涉而相消。已知空气中声速为340 m/s。若报告人声音的频率为136 Hz，问讲台上这样的位置有多少个？
课堂练习
所以，B点也是干涉加强点，因而O.B之间有两个干涉相消点，由对称性可知，AB上有4个干涉相消点
生活实例：
声波的干涉——操场上装有很多个相同的扬声器，当它们同时发声时，若绕操场一周，将会听到某些地方声音加强，某些地方声音减弱。
【生活中波的干涉实例】