2.3 波的干涉和衍射 课件 (1)

课件46张PPT。2.3 波的干涉和衍射我们在生活中经常遇到“闻其声不见其人”的事(如图甲)，声音为什么没被障碍物所挡住？图甲如图乙所示，操场中两根电线杆上各有一只扬声器，接在同一个扩音机上，一位同学沿着MN方向走来．他听到的声音会有什么变化？为什么？图乙1．波绕过障碍物继续传播的现象，叫 ．
2． 都能发生衍射，衍射是波 的现象．“闻其声而不见其人”是 的衍射现象．
3．波的叠加：两列波相遇时，在它们重叠的区域里，介质的质点 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 ．
4．波的干涉： 相同的两列波叠加，使某些区域的振动 、某些区域的振动 的现象．
5．产生稳定干涉图样的条件是 ，而且 恒定．波的衍射一切波特有声波同时参与矢量和频率加强减弱频率必须相同相差
波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射．
例如：我们看到水波通过两山之间狭窄的水面时，形成半圆形的水波向外扩散，可以绕过小山．(如图)特别提醒：
(1)衍射是波所特有的现象，一切波都会产生衍射现象．
(2)凡能发生衍射现象的就是波．
下列现象属于显著的衍射现象的是(　　)
A．水波前进方向上遇到一棵芦苇，芦苇对波的传播没有影响
B．水波前进方向上遇到一个障碍物，障碍物后面的水并没有发生振动
C．水波前进方向上有一静止的船，船后的区域没有明显的波浪
D．水波前进方向中上有一个带缺口的屏，水波沿缺口直线传播，屏后“阴影区”的水面没有明显的振动
答案：A
产生明显衍射的条件是：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．
例如：(1)在水波槽中，在波源的前方放一个障碍物，使波源振动产生水波．当障碍物较大时波被阻挡，在靠近障碍物后面没有波，只是在离障碍物较远处，波才稍微有些绕到“影子”区域里，如图(1)所示，虽然发出衍射现象，但不明显．(2)在水波槽中，在波源前方放一个有孔的屏，使波源振动产生水波．当孔较大时发现水波经过孔后在连接波源和孔的两边的两条直线所限制的区域里传播较明显，如图(1)，当孔较小时发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波，如图(2)所示，衍射现象明显．
特别提醒：
①衍射现象总是存在的，只是明显和不明显的差异．
②障碍物或孔的尺寸大小，并不是决定衍射能否发生的条件，仅是衍射现象是否明显的条件，一般情况下，波长较大的波容易产生显著的衍射现象．
③当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射十分突出，但由于衍射波的能量很弱，衍射现象不容易观察到．
一列水波通过某孔的实际情况如图(1)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(2)四幅图所示，其假想错误的图示有(　　)答案：BD
解析：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，但只有当障碍物或孔的尺寸比波长小或差不多时才能观察到明显的衍射现象.
(1)声波的波长在1.7 cm～17 m之间，与一般障碍物的尺寸相比差不多，或比其大，故声波的衍射现象极为明显．
(2)闻其声不见其人，说明声波能绕过障碍物发生明显的衍射而光波不易发生明显的衍射现象，使声音能绕过障碍物传入人耳，而光不能绕过障碍物传入人眼．
日常生活中，一般的障碍物(尺寸为1.7 cm～17 m)都“挡”不住声音，据此你是否能估算一下人能听到的声音的频率范围．(设空气中声速为340 m/s)
答案：20 Hz～20 000 Hz
(1)波的独立传播特性
两列波相遇后，每列波仍像相遇前一样，保持各自原来的波形，继续向前传播．(如图所示)(2)波的叠加原理
在两列波重叠的区域里，任何一个质点同时参与两个振动，其振动位移等于这两列波分别引起的位移的矢量和，当两列波振动方向在同一直线上时，这两个位移的矢量和在选定正方向后可简化为代数和．特别提醒：
①波的叠加原理说明了两方面内容，一是波的独立传播，二是相遇时的叠加．
②波的叠加原理是波具有独立传播性的必然结果，由于总位移是两个位移的矢量和，所以叠加区域的质点的位移可能增大，也可能减小．
两列同相波的叠加，振动加强，振幅增大(如图甲所示)．
下列关于两列波相遇时叠加的说法正确的是(　　)
A．相遇后，振幅小的一列波将减弱，振幅大的一列波将加强
B．相遇后，两列波的振动情况与相遇前完全相同
C．在相遇区域，任一点的总位移等于两列波分别引起的位移的矢量和
D．几个人在同一房间说话，相互间听得清楚，这说明声波在相遇时互不干扰答案：BCD
解析：两列波相遇时，每一列引起的振动情况都保持不变，而质点的振动则是两列波共同作用的结果，故A选项错误，B、C选项正确．几个人在同一房间说话，声带振动发出的声波在空间中相互叠加后，不改变每列波的振幅、频率，所以声波到人的耳朵后，仍能分辨出不同的人所说的话，故D正确.
(1)干涉现象
频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，使某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，这种现象叫波的干涉，形成的图样叫波的干涉图样．如图所示．(2)两列波产生稳定干涉的必要条件
两列频率相同的同类波
说明：①干涉现象中那些总是振动加强的点或振动减弱的点是建立在两波源产生的机械波波长相同，也就是频率相同的前提下．
②如果两列频率不同的波相叠加，得到的图样是不稳定的，而波的干涉是指波叠加中的一个特例，即产生稳定的叠加图样．③如果两列波频率相同，但振幅相差很大，将不会有明显的干涉现象，因为振动加强区域与振动减弱区域都在振动，振幅差别不大．
(3)“加强点”或“减弱点”位置判断
设S1、S2为两相干波源，介质中某点P到S1、S2的距离分别为PS1、PS2，波程差Δx＝PS1－PS2.
①Δx＝nλ(n＝0，±1，±2…)，即波程差为波长整数倍时，P点为振动加强点．
(4)波的干涉和衍射都是波所特有的现象
一切波都能够发生干涉和衍射现象；反之能够发生干涉和衍射现象的，一定是波．特别提醒：
(1)干涉现象的特征是振动加强和振动减弱有固定的区域，且相互间隔．
(2)振动加强是指质点的能量加大，即振幅增大；振动减弱是指质点的能量减弱，即振幅减小．
(3)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，则该点为振动减弱点．
干涉型消声器能有效地消除低频噪声，发动机(正常工作期间)周期性排气噪声，就是一种典型的低频噪声．一台四缸四冲程发动机，当它以2 000 r/min的转速运转时，其峰值频率在200 Hz以下的噪声较大．所以常用干涉型消声器来消除这类低速转动发动机所发出的低频噪声，一台带有干涉消声器的柴油发动机经消声处理后，其排气噪声可以降低10 dB以上，干涉型消声器以其结构简单，价格低廉，消声效果好得到了很好的应用，下图是其结构原理图，试分析其工作原理．
解析：设一列波长为λ的声波，沿水平管道自左向右传播．当入射波到达a处时，分成两束相干波，它们分别通过r1和r2，再到b处相遇．若Δr＝r1－r2恰好等于声波半波长 的奇数倍，即Δr＝ 时，声波的振幅A＝0.这就是说该频率的声波被消弱．利用这一原理，可以达到控制噪声的目的．
下列事实属于明显的衍射现象的是(　　)
A．池塘里的水波，遇到突出水面的小石块，小石块对波的传播没有影响
B．水波前进方向上有一障碍物，其后面没有水波传播过去
C．水波前进方向上有一个小孔的屏，水波通过小孔传播到屏后的区域
D．板胡的声音比弦声更响
解析：波绕过障碍物(或小孔)继续传播的现象叫衍射现象，故A、C选项正确；对B，因为水波没有绕过障碍物，不属于明显的衍射现象，所以B选项错误；声音的响亮与否不是衍射现象所决定的，故D错．
答案：AC
点评：明确衍射的现象和特点才能与其他现象区分开来．
下列现象属于波的衍射现象的是 (　　)
A．在空旷的山谷里喊叫，可以听到回声
B．“空山不见人，但闻人语响”
C．“余音绕梁，三日而不绝”
D．夏日的雷声有时轰鸣不绝
答案：B
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和P点位置的情况下，可以采用哪些办法？答案：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。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．
在水波槽的衍射实验中，若打击水面的振子振动的频率是5Hz，水波在水波槽中的传播速度为0.05m/s，为观察到显著的衍射现象，小孔直径d应为(　　)
A．10cm　　　　　　B．5m
C．d>1cm D．d<1cm
答案：D
水槽中步调相反的波源S1、S2发出两列波长相等的水波，设某一时刻P点恰好是两波谷相遇，则(　　)
A．这两列波能干涉
B．P点始终就在波谷
C．P是振动加强点
D．P的位移有时可为零答案：ACD点评：本题易误选B.错误地认为：加强点就是波谷与波谷或波峰与波峰相遇的点，因加强点总是加强，故加强点总是处于波谷或总是处于波峰．
两列波长相同的水波发生干涉现象，若在某一时刻，P点处恰好是两列波的波峰相遇，Q点处是两列波的波谷相遇，则 (　　)
A．P点振动加强，Q点振动减弱
B．P、Q两点振动周期相同
C．P、Q两点振动都加强
D．P、Q两点始终处在最大或最小位移处答案：BC
解析：产生波的干涉现象时，波峰与波峰以及波谷与波谷相遇处的振动都是加强的，所以C对、A错；另外，频率相同是产生波的干涉现象的必要条件，从而各点的振动频率均相同，因而振动周期也相同，所以B对；由于各质点围绕各自的平衡位置都在不断地振动，不可能始终处于最大或最小位移处，所以D错.
如图所示，两列简谐横波均沿x轴传播，传播速度的大小相等．其中一列沿x轴正方向传播(图中实线)，另一列沿x轴负方向传播(图中虚线)．这两列波的频率相等，振动方向均沿y轴方向．则图中x＝1,2,3,4,5,6,7,8各点中振幅最大的是x＝________处的点，振幅最小的是x＝________处的点．解析：由波的叠加原理x轴上任一点的位移都等于两列波单独引起的位移的矢量和．对x＝4,8两点两列波引起的两个分振动相位差为0，这两点加强，对x＝2,6两点两列波单独引起的分振动相位差为π，故这两点减弱．
答案：4,8　2,6
点评：本题考查叠加原理结合质点的振动方向跟波的传播方向之间的关系．
(2010·沈阳市高二联考)如图所示，两列简谐横波分别沿x轴正方向和负方向传播，两波源分别位于x＝－2×10－1m和x＝12×10－1m处，两列波的波速均为v＝0.4m/s，两波源的振幅均为A＝2cm.图示为t＝0时刻两列波的图象(传播方向如图)，此刻平衡位置处于x＝0.2m和0.8m的P、Q两质点刚开始振动．质点M的平衡位置处于x＝0.5m处，关于各质点运动情况的判断正确的是(　　)
A．质点P、Q都首先沿y轴正方向运动
B．t＝0.75s时刻，两波相遇
C．t＝1s时刻，质点M的位移为＋4cm
D．t＝1s时刻，质点M的位移为－4cm
答案：BD