3.3 机械波的传播现象 课件（共30张PPT） 2024-2025学年高二物理粤教版（2019）选择性必修第一册

(共30张PPT)
第三章 机械波
第3节 机械波的传播现象
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。
机械波在传播过程中经常会遇到障碍物或者两种介质的界面，或者与其他的波相遇，此时会产生怎样的现象呢？
1.理解什么是波的衍射现象，知道波发生明显衍射的条件
2.理解用惠更斯原理解释波的反射和折射现象
3.知道波反射和折射的规律
4.理解波的叠加原理，知道波的干涉是一种特殊的叠加现象.
5.理解形成稳定干涉图样的条件
一、机械波的衍射与惠更斯原理
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？
1.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
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
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：
1、狭缝宽度比波长大能发生明显衍射吗？
2、d≈λ能说成是发生衍射现象的条件吗？
（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。
思考：
机械波衍射的原理猜想
我们知道，波动的起源是波源的振动，波动的传播是由于介质中质点之间的相互作用。如果介质是连续分布的，介质中任何一点的振动将直接引起邻近各点的振动，因而在波动中任何一点都可看作新的波源。
从各类实验中我们发现，若水面上有一任意波动传播，当波遇到一个很小的孔时，穿过小孔的圆形的波，与原来波的形状无关，这说明小孔可以看作新的波源.
如何解释机械波的衍射现象？
惠更斯针对这个问题提出了惠更斯原理：
介质中波动传到的各点都可以看作是发射子波的波源；
在其后的任一时刻，这些子波的包络就形成新的波面
2.惠更斯原理
（1）惠更斯原理中的基本概念
波面：振动情况相同的点组成的面叫做波面
（2）理解惠更斯原理
①波动传到的任意一点都可看作是子波源
②所有子波源各自同时向外发出子波
③各个子波所形成的包络，就是新波面
注意：惠更斯原理对任何波动过程都是适用的，但这一原理不能解释波的强度
子波源
t时刻波传播到此
t+Δt时刻的新波面
（3）利用惠更斯原理说明衍射
假设有水波从左向右传播，而后波动传到狭缝处
子波源
向障碍后传播
二、机械波的反射和折射
光也是一种机械波，在从空气进入玻璃中（或从玻璃进入空气中）时，光发生了折射和反射现象。
实际上，机械波都能够发生反射和折射。
反射波：振幅减小，波频率、波速和波长都不变。
折射波：振幅变小，频率不变，波速和波长发生改变；
总结：在波的反射中，波的频率、波速和波长都不变。在波的折射中，频率不变，波速和波长发生变化。
反射和折射是波的普遍性质。
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？
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。
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
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。
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.
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。
观察与思考
振动频率相同、振动方向相同、相位差为零的两列波的相遇
观察与思考
出现了稳定的相对平静区域和剧烈振动区域；这两个区域在水面上的位置是固定的，且互相隔开
弱
强
强
强
弱
弱
3. 波的干涉
对于频率相同的两列波，在相遇的区域水面上会出现稳定的相对平静的区域和剧烈振动的区域。这两个区域在水面上的位置是固定的，且互相隔开。这种现象称为波的干涉
干涉是波特有的现象.
（1）发生干涉的条件：①两列波的频率相同；②相位差恒定。
（2）干涉图样及其特点
①加强区和减弱区的位置固定不变。
②加强区始终加强，减弱区始终减弱
(加强区与减弱区不随时间变化)。
③加强区与减弱区互相间隔。
（3）振动加强点和振动减弱点
①振动加强点：振动的振幅等于两列波振幅之和，A＝A1＋A2。
②振动减弱点：振动的振幅等于两列波振幅之差，A＝|A1－A2|。
波的干涉图样
问题1：A点到波源S1和S2的距离分别是多少个波长？它们的距离差是多少？
问题2：B点到波源S1和S2的距离分别是多少个半波长？它们的距离差是多少？
A
B
距离波源S1：2个波长
距离波源S2：4个波长
距离差： 2λ
距离波源S1：2.5个波长
距离波源S2：2个波长
距离差： 0.5λ
振动加强点和振动减弱点的判断
振动加强点和振动减弱点的判断
①条件判断法：振动频率相同、振动情况完全相同的两波叠加时，设点到两波源的路程差为Δx，
当Δx＝|x2－x1|＝kλ(k＝0，1，2，…)时为振动加强点；
当Δx＝|x2－x1|＝(2k＋1)(k＝0，1，2，…)时为振动减弱点。
若两波源振动步调相反，则上述结论相反。
②现象判断法：若某点总是波峰与波峰或波谷与波谷相遇，该点为振动加强点，若总是波峰与波谷相遇，则为振动减弱点。
1.(多选)观察水面波衍射的实验装置如图所示,和是两块挡板,是一个孔,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
ABC　
2.波源甲、乙分别在一根水平放置的绳的左右两端，两波源发出的波在绳中的传播速度均是1 m/s。在t=0时刻绳上的波形如图 （a）所示（两波源均只发出半个波）。则根据波的叠加原理，以下叙述正确的是（　　）
A.当t=2 s时，波形如图①所示；当t=4 s时，波形如图②所示
B.当t=2 s时，波形如图①所示；当t=4 s时，波形如图③所示
C.当t=2 s时，波形如图②所示；当t=4 s时，波形如图①所示
D.当t=2 s时，波形如图②所示；当t=4 s时，波形如图③所示
D
3.(多选)如图表示两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇。图中实线表示某时刻的波峰，虚线表示的是波谷，下列说法正确的是(　 　)
A．a、c两点的振动加强，b、d 两点的振动减弱
B．e、f 两点的振动介于加强和减弱之间
C．经适当的时间后，加强点和减弱点的位置互换
D．经半个周期后，原来位于波峰的点将位于波谷，原来位于波谷的点将位于波峰
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机械波的传播现象
1.波的衍射：机械波能绕过障碍物或穿过小孔继续向前传播
1.当机械波在传播过程中从一种介质进入另一种不同介质时，机械波会同时发生反射和折射现象
机械波的叠加
机械波的干涉
1.独自传播
1.相干条件
波的衍射
机械波的反射和折射
2.相遇区域，位移合成
2.加强、减弱点位置
2.折射波的波速和波长会改变
2.重要结论：当缝、孔的宽度或者障碍物的尺寸跟波长相近或者比波长更小时，能观察到明显的衍射现象