12.6惠更斯原理 课件 (1)(68张PPT)

课件68张PPT。6　惠更斯原理一、波面和波线
1.波面和波线概念:
(1)波面:在波的传播过程中,某时刻任何振动状态都_____的介
质质点所组成的面。
(2)波线:指与波面_____的那些线,代表了波的_________。相同垂直传播方向如图所示。2.波的分类:
(1)球面波:由空间一点发出的波,它的波面是以_____为球心的
一个个球面,波线就是这些球面的_____。
(2)平面波:指波面是_____的波。波源半径平面【自我思悟】
1.波线和数学中的直线一样吗?
提示:不一样。因为波线是有方向的一簇线,它的方向代表了波的传播方向。2.波面一定是平面吗?根据如图思考波线与波面的关系是怎样的。
提示:波面不一定是平面。波线与波面互相垂直,一定条件下由波面可确定波线,由波线可确定波面。二、惠更斯原理
1.内容:介质中任一波面上的各点,都可以看作发射_____的波
源,其后任意时刻,这些_____在波前进方向的包络面就是新的
波面。子波子波2.应用:
(1)如果知道某时刻一列波的某个_____的位置,还知道_____,
利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个_____的位置,从而确定
波的_________。
(2)利用惠更斯原理只能解释衍射现象中波的传播方向,不能解
释波的_____。无法说明衍射现象与狭缝或障碍物_____的关
系。波面波速波面传播方向强度大小【自我思悟】
1.利用惠更斯原理可以解决什么问题?
提示:(1)若知道某时刻一列波的某个波面的位置,并且知道波速,利用惠更斯原理可以得到下一个时刻这个波面的位置,从而确定波的传播方向。
(2)利用惠更斯原理可以解释一些现象,如波的反射、折射和衍射等。2.如何用惠更斯原理解释球面波的传播?
提示:设以O为球心的球面波在时刻t的波面为r,按照惠更斯原理,r面上的每个点都是子波的波源,假设波在同种均匀介质中传播,波向各个方向传播的速度都相等,所以Δt时间后各子波的波面向前传播的距离vΔt也都相等。设r′是这些子波波面的包络面,则它就是原来球面波的波面r在Δt时间后的新位置。新的波面仍是一个球面,它与原来球面的半径之差为vΔt,表示波向前传播了vΔt的距离。三、波的反射和折射
1.反射现象:波遇到介质界面会_______继续传播的现象。
2.折射现象:波从一种介质_____另一种介质时,波的_____方向
发生改变的现象。如图所示。返回来射入传播3.入射角、反射角和折射角:
(1)入射角:入射波的_____与界面_____的夹角,如图中i、θ1。
(2)反射角:反射波的_____与界面_____的夹角,如图中i′。
(3)折射角:折射波的_____与界面_____的夹角,如图中θ2。波线法线波线法线波线法线【自我思悟】
1.人们听不清对方说话时,除了让一只耳朵转向
对方,还习惯性地把同侧的手附在耳旁,这样做
是利用声波的什么特点提高耳朵的接收能力?
提示:在耳廓原有形状、面积的基础上增加一个手的面积是为了增加波的反射来提高耳朵的接收能力。2.墙壁的传音性比空气好得多,但把门窗关闭后,外面传入室内的声音却明显地减弱,这是为什么?
提示:声波原来在空气中传播,如果没有障碍物,能直接传到室内,当把门窗关闭后,声波遇到墙壁和门窗,在界面上发生反射和折射现象,只有折射进入墙壁和门窗的声波才能进入室内,虽然墙壁和门窗的传音性能好但反射性能也好,所以大部分声波被反射回去,室内的声音就显著地减弱了。【盲区扫描】
1.波线一定与波面垂直,波面可以是球面,也可以是平面。
2.只有波线才可以表示波的传播方向,波面不能表示波的传播方向。
3.用惠更斯原理能解释衍射现象中波的传播方向,不能说明衍射现象与障碍物大小的关系。
4.回声现象是声波遇到障碍物反射回来形成的。
5.折射现象是在两种介质的界面发生的。一、对惠更斯原理的理解　 深化理解
1.惠更斯原理的实质:波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源,子波的波速与频率等于初级波的波速和频率,此后每一时刻的子波波面的包络面就是该时刻总的波动的波面。其核心思想是介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。2.惠更斯原理的局限性:光的直线传播、反射、折射等都能用此来进行较好的解释。但是,惠更斯原理是比较粗糙的,用它不能解释衍射现象与狭缝或障碍物大小的关系,而且由惠更斯原理推知有倒退波的存在,而倒退波显然是不存在的。【微思考】
根据惠更斯原理可得出:波在传播过程中,一个波源变成了无数个波源,这种说法正确吗?
提示:不正确。波源只有一个,而子波的波源有无数个。【题组通关】
【示范题】(多选)关于对惠更斯原理的理解,下列说法正确的是(　　)
A.同一波面上的各质点振动情况完全相同
B.同一振源的不同波面上的质点的振动情况一定不同
C.球面波的波面是以波源为中心的一个个球面
D.无论怎样的波,波线始终和波面垂直【解题探究】(1)同一波面上各点到波源的距离是否相等?这些点的振动情况有什么特点?
提示:相等。同一波面上各点的振动情况相同。
(2)平面波和球面波有什么区别?
提示:平面波的波面是平面,球面波的波面是球面。【规范解答】选A、C、D。按照惠更斯原理:波面是由振动情况完全相同的点构成的面,而不同波面上质点的振动情况可能相同,如相位相差2π整数倍的质点的振动情况相同,故A对,B错。由波面和波线的概念,不难判定C、D正确。故正确答案为A、C、D。【通关1+1】
1.(多选)(2014·大连高二检测)下列说法中正确的是(　　)
A.只有平面波的波面才与波线垂直
B.任何波的波线与波面都相互垂直
C.任何波的波线都表示波的传播方向
D.有些波的波面表示波的传播方向【解析】选B、C。不管是平面波,还是球面波,其波面与波线均垂直,选项A错误、B正确。只有波线才表示波的传播方向,选项C正确、D错误。2.(多选)下列说法正确的是(　　)
A.波在介质中传播过程中,振动情况相同的点连接起来组成的面就叫作波面
B.波线是用来表示波的传播方向的,波线与波面总是垂直的
C.无论是球面波,还是平面波,同一波面上各质点的振动情况完全一样
D.波面上的各点都可以看作一个个新的小波源,称为子波,子波在前进方向上任意时刻形成的包络面,就是新的波面【解析】选B、C、D。在同一时刻振动情况相同的点组成的面,叫作波面,故A错;波线表示波的传播方向,在同一种介质中传播时,波线与波面总是垂直,表示为一条直线,在不同介质中传播时,表示为折线或曲线,但总跟在对应介质中的波面垂直,故B对;波面是同一时刻各质点连线组成的,其上各质点振动情况一样,可以看作相同的一个个新的小波源,这些波往前传播情况一样,经过相同时刻到达的位置的连线又可以连接成一个面,就形成新的波面,故C、D均正确。【变式训练】1.下列说法中正确的是(　　)
A.水波是球面波　　　　　　B.声波是球面波
C.只有横波才能形成球面波 D.只有纵波才能形成球面波
【解析】选B。若波面是球面,则为球面波,与横波、纵波无关,由此可知B正确,C、D错误。由于水波不能在空间中传播,所以它是平面波,A错误。2.(多选)下列叙述中正确的是(　　)
A.空间点波源发出的球面波,其波面是一个球面,波线就是以波源为圆心的同心圆
B.平面波的波线是一条直线,其波线相互平行
C.根据惠更斯原理,波面各点都可看作一个子波源,子波前进的方向的包络面就是该时刻的波面
D.利用惠更斯原理,只要知道t时刻波面的位置和波速,就可确定t+Δt时刻波面的位置【解析】选B、C、D。球面波的波线沿球面的半径方向,A错误。平面波的波线是一条直线,由于波线与波面垂直,故平面波的波线相互平行,B正确。由惠更斯原理可知,C正确。利用惠更斯原理,只要知道t时刻波面的位置和波速,就可确定另一时刻波面的位置,D正确。【素养升华】
利用惠更斯原理解释波的传播的一般步骤
(1)确定一列波某时刻一个波面的位置。
(2)在波面上取两点或多个点作为子波的波源。
(3)选一段时间Δt。
(4)根据波速确定Δt时间后子波波面的位置。
(5)确定子波在波前进方向上的包络面,即为新的波面。
(6)由新的波面可确定波线及其方向。 二、波的反射及应用　 拓展延伸
1.回声测距:
(1)当声源不动时,声波遇到了静止障碍物会被反射回来继续传
播,由于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
过时间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远离静
止的声源时,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声-v) 。2.超声波定位:蝙蝠、海豚能发出超声波。超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来。蝙蝠、海豚就是根据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置,从而确定飞行或游动方向。【微思考】
(1)波在同种均匀介质中传播时遵循什么运动规律?
提示:波在同种均匀介质中的传播可看成匀速直线运动,其规律可利用匀速直线运动的规律进行分析。
(2)反射波的波长、频率、波速跟入射波的有什么关系?
提示:反射波的波长、频率、波速跟入射波的完全相同。【题组通关】
【示范题】如图所示,图甲是高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图,测速仪发出并接收超声波脉冲信号,根据发出和接收的信号间的时间差,测出被测物体的速度。图乙中P1、P2是测速仪发出的超声波信号,n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号,设测速仪匀速扫描,P1、P2之间的时间间隔Δt=1.0s,超声波在空气中传播速度是v=340m/s,若汽车是匀速行驶的,则根据图乙可知,汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离是　　　m,汽车的速度是　　　m/s。【解题探究】(1)由P1、P2之间的时间间隔Δt=1.0s可知图乙
中每个小格对应的时间为___s;
(2)由波速v=340m/s和图乙中P1、P2、n1、n2对应的时刻可求出
汽车在接收到P1、P2两个信号时距_______的距离;
(3)由测速仪匀速扫描和图乙中记录的数据可知汽车前进距离
所用_____。测速仪时间【规范解答】由题图知1s对应30格,每一小格对应 s。设汽车
在接收到P1、P2两个信号时距测速仪距离分别为s1、s2,则s1对
应P1n1之间,s1=340× × m=68 m,s2对应P2n2之间,s2=340×
× m=51 m,汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前
进的距离为s1-s2=68m-51 m=17 m。已知测速仪匀速扫描,由题
图乙中记录的数据可知,这段距离所用的时间为P1n1中点到P2n2
中点,Δt′=(1- × + × )s=0.95 s,所以汽车的速度
v= m/s=17.9m/s。
答案:17　17.9【通关1+1】
1.(多选)(2014·成都高二检测)下列现象中属于声波的反射现象的有(　　)
A.山谷中听到回声
B.“隔墙有耳”
C.在空旷的教室里,声音回荡
D.听到远处火车鸣笛【解析】选A、C。“隔墙有耳”是声音的衍射,B不对。听到远处火车鸣笛是声波的传播,D不对。山谷中的回声和空旷教室中声音的回荡是声波的反射。故选A、C。2.渔船常利用超声波来探测远处鱼群的方位,已知某超声波的频率为1.0×105Hz,某时刻该超声波在水中传播的波动图像如图所示。(1)从该时刻开始计时,画出x=7.5×10-3m处质点做简谐运动的振动图像(至少一个周期)。
(2)现测得超声波信号从渔船到鱼群往返一次所用的时间为
4s,求鱼群与渔船间的距离(忽略船和鱼群的运动)。【解析】(1)如图所示。
(2)因为超声波的频率为f=1.0×105Hz,由波的图像可知超声波
的波长λ=15×10-3m,由v=λf可得超声波的速度v=λf=15×
10-3×1.0×105m/s=1 500 m/s,所以鱼群与渔船间的距离
x= =3 000 m。
答案:(1)见解析　(2)3000m【变式训练】1.一架飞机水平匀速地从某同学头顶飞过,当他听到飞机的发动机声从头顶正上方传来时,发现飞机在他前上方约与地面成60°角的方向上,据此可估算出此飞机的速度约为声速的多少倍?【解析】设飞机在人头顶正上方时距地面的高度是h,发动机声
传到地面所用的时间是t,声速是v声,有h=v声t。在这段时间t内,
设飞机飞出x,飞机速度是v机,则有x=v机t。两式相比
=cot60°= 即飞机速度约为声速的 倍。
答案: 倍2.有一辆汽车以15m/s的速度匀速行驶,在其正前方有一陡峭山崖,汽车鸣笛2s后司机听到回声,此时汽车距山崖的距离多远?(v声=340m/s)【解析】现汽车运动,声音传播,如图所示为汽车与声波的运动过程示意图,设汽车由A到C路程为x1,C点到山崖B距离为x;声波由A到B再反射到C路程为x2,因汽车与声波运动时间同为t,则有x2=x1+2x,
即v声t=v汽t+2x,
所以x= =325 m。
答案:325m【素养升华】
回声测距的方法技巧
利用回声测距是波的反射的一个重要应用,它的特点是声源正对障碍物,声源发出的声波与回声在同一条直线上传播。
(1)若是一般情况下的反射,反射波和入射波是遵从反射定律的,可用反射定律作图后再求解。(2)利用回声测距时,要特别注意声源是否运动,若声源运动,声源发出的原声至障碍物再返回直到听到回声的这段时间与声源的运动时间相同。
(3)解决波的反射问题,关键是根据物理情景规范作出几何图形,然后利用几何知识结合物理规律进行解题。 三、波的反射和波的折射　 对比分析
1.波向前传播在两介质的界面上同时发生了反射现象和折射现象,一些物理量相应地发生变化,比较如下:2.说明:
(1)频率f由波源决定,故无论是反射波的频率还是折射波的频率都与入射波的频率,即波源的振动频率相同。
(2)波速v由介质决定,因反射波与入射波在同一介质中传播,故波速不变,而折射波与入射波在不同介质中传播,所以波速变化。
(3)据v=λf知,波长λ与v及f有关,即与介质和波源有关,反射波与入射波在同一介质中波速相同,频率相同,故波长相同。折射波与入射波在不同介质中传播,v不同,f相同,故λ不同。【微思考】
(1)波由一种介质进入另一种介质,当入射波与两介质的界面垂直时,波沿原方向传播,是不是说明波速没有变化?
提示:此时传播方向没变,波的频率不变,但波长变化,由v=λf可知波速发生了变化。
(2)当入射波的波速大于折射波的波速时,折射角和入射角哪一个大?
提示:当v入>v折时,折射波线折向法线,折射角小于入射角。【题组通关】
【示范题】如图所示,1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线,则(　　)A.2与1的波长、频率相等,波速不等
B.2与1的波速、频率相等,波长不等
C.3与1的波速、频率、波长均相等
D.3与1的频率相等,波速、波长均不等【解题探究】(1)波发生反射时,波速是否发生变化?
提示:波速由介质决定,波发生反射时,波仍在同一种介质中传播,故波速不变。
(2)波发生反射和折射时频率是否发生变化?
提示:波的频率等于波源的频率,与介质无关,故无论是反射还是折射,波的频率不变。【规范解答】选D。波1、2都在介质a中传播,故1、2的频率、
波速、波长均相等,A、B错。波1、3是在两种不同介质中传播,
波速不同,但波源没变,因而频率相等,由λ= 得波长不同,故C
错,D对。【通关1+1】
1.(多选)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、波速均不变
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【解析】选B、C。波发生反射时,由于在同一种介质中传播,因此波长、波速和频率不变;波发生折射时,频率不变,波速变化,波长变化。故B、C正确,A、D错误。2.(2014·杭州高二检测)某物体发出的声音在空气中的波长为1 m,波速为340 m/s,在海水中的波长为4.5 m,此物体在海面上发出的声音经0.5 s听到回声,则海水深为多少米?【解析】本题是波的反射现象与v=λf的综合应用,知道不同介质中同一列波的频率是定值为解决本题的关键。
波的频率f= 。
在海水中:v水= v气
海水的深度h=v水·
代入数据解得h=382.5m
答案:382.5m【变式训练】1.(多选)以下关于波的认识,正确的是(　　)
A.潜水艇利用声呐探测周围物体的分布情况,用的是波的反射原理
B.隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊吸波材料,是为了减少波的反射,从而达到隐形的目的
C.雷达的工作原理是利用波的衍射
D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象,是波的折射现象【解析】选A、B、D。本题考查波的反射、折射现象在实际问题中的应用。声呐、雷达都是利用接收反射波来进行定位,A正确,C错误。D选项中水波的传播方向发生改变属于波的折射现象,D正确。隐形飞机是通过减少波的反射达到隐形的目的,B正确。2.一声波在空气中的波长为25cm,速度为340m/s,当折射进入另一种介质时,波长变为80cm,求:
(1)声波在这种介质中的频率。
(2)声波在这种介质中的传播速度。【解析】(1)声波由空气进入另一种介质时，频率不变，由
v=λf得
(2)因频率不变，有
得:v′=
答案：(1)1 360 Hz (2)1 088 m/s【素养升华】
波的反射和折射问题中的规律
在讨论波的反射、折射中频率、波速和波长时,仍然要抓住以下三点:
(1)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
大。 【资源平台】反射现象在生产、生活中的应用
【示范题】天空有近似等高的浓云层,为了测量云层的高度,在
水平地面上与观测者的距离为d=3.0km处进行一次爆炸,观测者
听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上
相差Δt=6.0s,试估算云层下表面的高度。已知空气中的声速
v= km/s。【标准解答】如图所示,A表示爆炸点,O表示观测者所在处,h表
示云层下表面的高度。用t1表示爆炸声直接传到O处所经时间,
则d=vt1　 ①
用t2表示爆炸声经云层反射到O处所经时间,因为入射角等于反
射角,故有 =vt2　 ②
已知t2-t1=Δt　 ③
联立①②③式可得:h=2.0×103m。
答案:2.0×103m