2.3、2.4 波的干涉和衍射 多普勒效应及其应用 课件(2)

课件55张PPT。第3节　波的干涉和衍射
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第4节　多普勒效应及其应用课前自主学案核心要点突破课堂互动讲练课标定位知能优化训练 第
4
节　课标定位
学习目标：1.理解波的叠加原理．
2．知道波的干涉衍射现象及产生稳定干涉、明显衍射的条件．
3．知道干涉、衍射现象是波所特有的现象．
4．了解波的多普勒效应现象．
重点难点：1.波的干涉现象及其产生条件，衍射现象．
2．波的叠加原理．课前自主学案一、波的干涉现象
1．波的叠加原理
大量研究表明，波在相遇时仍然能够保持各自的___________继续传播，在相遇的区域里，介质内部的质点同时参与相遇的波列的______，质点的位移等于相遇波列单独存在时到达该处引起的_______的叠加，相遇的波一旦脱离接触又会按照原来的运动状态继续传播．这在物理学中称为波的叠加原理．运动状态振动位移2．波的干涉
(1)我们把__________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__________，_________的现象，叫做波的干涉，形成的图样叫做干涉图样．
(2)只有_______和__________相同的波才可能互相干涉．水波、声波、光波、电磁波等都能产生干涉，干涉现象是波的重要特征之一．
二、波的衍射现象
1．波绕过________或通过_______继续传播的现象，叫做波的衍射．振动频率互相间隔稳定分布频率振动方向障碍物孔隙2．同一列水波经过不同的狭缝时，当狭缝的宽度远大于__________时，没有明显的衍射现象；当狭缝的宽度接近________________时，水波在狭缝的边缘发生了弯曲；当狭缝的宽度更接近水波的波长时，水波通过狭缝后成为近似于________________衍射现象更加明显．
3．进一步实验表明，当障碍物或狭缝的尺寸跟_______________时，衍射现象十分明显．
4．不仅水波能发生衍射现象．______波都能发生衍射现象，衍射是_____特有的现象．水波的波长水波的波长波源发出的球面波波长相差不多一切波三、多普勒效应
1．多普勒效应
由于________与________之间有相对运动而使观察者接收到的_______发生变化的现象称为多普勒效应．
2．多普勒效应产生的原因
(1)波源与观察者相对静止时，观察者观测到的频率_______波源振动的频率．
(2)波源与观察者相互靠近时，观察者观测到的频率_______波源的的频率，即观察到的频率变大．
(3)波源与观察者相互远离时，观察到的频率变小．波源观察者频率等于大于四、多普勒效应的应用
1. 多普勒测速仪．
2．彩色超声多普勒心动图仪．
3．用电磁波的多普勒效应可以确定目的物的距离、方位、速度等，这在军事、航天、气象预报等领域有着广泛的应用．核心要点突破一、对波的叠加原理的进一步认识
1．叠加原理：几列波相遇时能够保持各自的形状不变而继续传播，在它们重叠的区域里，介质的质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和．
2．波在叠加时的特点
(1)位移是几列波分别产生的位移的矢量和．(2)各列波独立传播．
两列同相波的叠加，振动加强，振幅增大．(如图
2－3－1所示)
图2－3－1两列反相波的叠加，振动减弱，振幅减小．(如图2－3－2所示)
图2－3－23．波的独立性
几列波相遇后，仍像相遇前一样，能够保持各自原来的波形继续传播，这就是波的独立性．在空间里不管有多少列波相遇，对任一列波而言，其他波就像不存在一样．即时应用(即时突破，小试牛刀)
1．如图2－3－3所示，两列相同的波相向传播，当它们相遇时，图2－3－4中可能的波形是(　　)
图2－3－3图2－3－4解析：选C.当两列波相遇时，达到图甲所示的状态时，叠加以后的波形不可能是选项B.
当两列波相遇时，达到图乙所示的状态时，叠加以后的波形应是选项C.二、波的干涉的理解和振动加强点与减弱点的判断
1．波的干涉的理解
(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．如果两列波的频率不相等，在同一种介质中传播时其波长就不相等，这样不能形成稳定的振动加强点和减弱点．因此我们就看不到稳定的干涉图样，只能是一般的振动叠加现象．
(3)明显的干涉图样和稳定的干涉图样意义是不同的，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判断
(1)从振幅判断
振幅为两列波的振幅之和的点为加强点，加强点连成的区域为加强区；振幅为两列波的振幅之差的点为减弱点，减弱点连成的区域为减弱区．
(2)从条件上判断(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)只有当两相干波的振幅相等时，减弱点的位移才始终为零，即不振动，当两相干波的振幅不相等时，减弱点的位移随时间做周期性变化．
(2)加强点的位移随时间在－A与A的范围内变化，并不是每一时刻都最大．即时应用(即时突破，小试牛刀)
2．如图2－3－5所示，S1和S2是两个相干波源，由它们发出的波相互叠加，实线表示波峰，虚线表示波谷，对于a、b、c三点的振动情况的下列判断中，正确的是(　　)
图2－3－5A．b处的振动永远减弱
B．a处永远是波峰与波峰相遇
C．b处永远是波谷与波谷相遇
D．c处的振动永远减弱
解析：选D.b点此刻是波谷和波谷相遇，位移为负的最大值，振动是加强的，故A、C错；a处此刻是波峰与波峰相遇，是加强点，再过半个周期后变成波谷和波谷相遇，始终振动加强，但并非永远在波峰或波谷，故B错；c处此刻是波峰与波谷相遇，过半个周期后是波谷与波峰相遇，c点永远是振动减弱，故D正确．三、波的衍射的理解
1．对明显衍射发生条件的理解
(1)孔、缝的宽度或障碍物的尺寸与波长的关系仅是衍射能否明显发生的条件，但发生波的衍射没有条件．
(2)明显衍射发生时，并不一定能清楚地感受到，如当孔远远小于水波波长时，衍射应当非常明显，但因孔很小，单位时间内通过孔的能量很小，又分布到很大的区域上，水波将非常弱，将看不清楚．2．波的干涉与波的衍射的比较特别提醒：(1)干涉、衍射现象是波特有的现象，凡能发生干涉或衍射现象的一定是波．(2)衍射只有明显与不明显的差异，不会出现“不发生衍射现象”的情况．即时应用(即时突破，小试牛刀)
3．如图2－3－6所示是观察水面波衍射的实验装置，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，则对于波经过孔之后的传播情况，下列描述错误的是(　　)图2－3－6A．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，能更明显地观察到衍射现象四、多普勒效应如何应用
1．音调和频率：频率高→音调高，频率低→音调低．
2．多普勒效应：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象．多普勒效应是波共有的特征．3．发生多普勒效应时几种情况的比较总之，发生多普勒效应时，无论什么情况，波源与观察者肯定有相对运动，当波源与观察者相互接近，观察者接收到的频率变大，音调变高，反之当波源与观察者相互远离，观察者接收到的频率变小，音调变低．即时应用(即时突破，小试牛刀)
4．下面哪些应用没有利用多普勒效应(　　)
A．利用地球上接收到遥远天体发出的光波的频率来判断遥远天体相对于地球的运动速度
B．交通警察向行进中的汽车发射一个已知频率的电磁波，波被运动的汽车反射回来，根据接收到的频率发生的变化，就知道汽车的速度，以便于进行交通管理．
C．铁路工人用耳贴在铁轨上可判断火车的运动情况
D．有经验的战士从炮弹飞行的尖叫声判断飞行炮弹是接近还是远去解析：选C.凡是波都具有多普勒效应，因此利用光波的多普勒效应便可以测定遥远天体相对地球运动的速度；被反射的电磁波，相当于一个运动的物体发出的电磁波，其频率发生变化，由多普勒效应的计算公式可以求出运动物体的速度，故A、B选项中的事例利用了多普勒效应．铁路工人是根据振动的强弱而对列车的运动作出判断的，故C选项不正确．飞行的炮弹，与空气摩擦产生声波．人耳接收到的频率与炮弹的相对运动方向有关，故D选项中的事例利用了多普勒效应．课堂互动讲练 如图2－3－7表示两个相干波源S1S2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(　　)图2－3－7A．a、f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点和减弱点之间
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
【思路点拨】　根据图样确定a、b、c、d各点的叠加情况，从而判断加强点或减弱点，再根据加强点连线或减弱点连线对e、f进行判断．【精讲精析】　波的干涉示意图所示的仅是某一时刻两列相干波叠加的情况，形成干涉图样的所有介质质点都在不停地振动着，其位移的大小和方向都在不停地变化着．但要注意，对稳定的干涉图样，振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的．a点是波谷和波谷相遇的点，c是波峰和波峰相遇的点，都是振动加强的点；而b、d两点都是波峰和波谷相遇的点，是振动减弱的点，A错误；e位于加强点的连线上，为加强点，f位于减弱点的连线上，为减弱点，B错误；相干波源叠加产生的干涉是稳定的，不会随时间变化，C错误；因形成干涉图样的介质质点也是不停地做周期性振动，经半个周期步调相反，D正确．【答案】　D
【方法总结】　(1)先找振动加强点和振动减弱点：
根据波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇的点为振动加强点，波峰与波谷相遇的点为振动减弱点．找到一系列加强点和减弱点．(2)再找振动加强区和减弱区：
根据在波的传播方向上加强点的连线为加强区，减弱点的连线为减弱区，确定加强区和减弱区．
(3)波形在时刻变化，可以沿波线方向平移波形，以此找到一般质点的振动情况，更能准确确定加强区和减弱区．变式训练1　关于波的叠加和干涉，下列说法中正确的是(　　)
A．两列频率不相同的波相遇时，因为没有稳定的干涉图样，所以波没有叠加
B．两列频率相同的波相遇时，振动加强的点只是波峰与波峰相遇的点
C．两列频率相同的波相遇时，如果介质中的某点振动是加强的，某时刻该质点的位移可能是零
D．两列频率相同的波相遇时，振动加强的质点的位移总是比振动减弱的质点的位移大解析：选C.根据波的叠加原理，只要两列波相遇就会叠加，所以A错．两列频率相同的波相遇时，振动加强的点是波峰与波峰、波谷与波谷相遇，所以B错．振动加强的点仅是振幅加大，但仍在平衡位置附近振动，也一定有位移为零的时刻，所以选项C正确，选项D错误． 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2－3－8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的位置和P点位置的情况下，可以采用哪些办法？图2－3－8【精讲精析】　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】　见精讲精析【方法总结】　(1)熟练掌握波能发生明显衍射现象的条件以及波长、频率、波速之间的关系是正确解决此类问题的基础．
(2)比较波长与障碍物或孔的尺寸的大小关系是判断波能否发生明显衍射的唯一依据．变式训练2　　在做水波通过小孔衍射的演示实验时，激发水波的振动频率为 5 Hz，水波在水槽中传播速度为0.05 m/s，为使实验效果明显，使用小孔直径d不能超过________m.答案：0.01 一辆警车以108 km/h的速度追击逃犯时鸣响频率为600 Hz的警报器，若当天声音在空气中的传播速度为330 m/s，试计算警车在追击过程中路过公路边时，站在路边不动的人听到警报声的频率发生什么变化？【答案】　见自主解答变式训练3　如图2－3－9表示产生机械波的波源O做匀速运动的情况，图中的圆表示波峰．
图2－3－9(1)该图表示的是(　　)
A．干涉现象　　　　　　B．衍射现象
C．反射现象 D．多普勒效应
(2)波源正在移向(　　)
A．A点 B．B点
C．C点 D．D点
(3)观察到波的频率最低的点是(　　)
A．A点 B．B点
C．C点 D．D点解析：(1)该图表示的是多普勒效应．正确的选项为D.
(2)从波长变化情况来看，波源正在移向A点，所以，选项A正确．
(3)由于波源远离B点，所以，观察到波的频率最低的点是B点，选项B正确．
答案：(1)D　(2)A　(3)B