课件40张PPT。第二章 机械波4．惠更斯原理 波的反射与折射23惠更斯原理4波面 波前 5波线 波源 波前 6
√√××78910111213141516171819波的反射和折射2021同一平面内 等于 相同 222324变大 减小 25
×√××2627282930313233343536373839点击右图进入…Thank you for watching !4．惠更斯原理 波的反射与折射
学 习 目 标
知 识 脉 络
1.通过实验，建立球面波和平面波的概念，理解子波源的形成．(难点)
2.了解惠更斯原理．(难点)
3.知道波传播到两种介质交界面时会发生反射和折射，理解反射定律和折射定律的内容及其特点．(重点)
4.运用惠更斯原理解释波的反射和折射现象．(难点)
知识点一| 惠更斯原理
1．从波源发出的波经过同一传播时间而达到的各点所组成的面，叫作波面，最前面的波面叫作波前．波面是平面的波称为平面波；波面是圆(球)形的波称为圆(球)形波．
2．从波源沿着波的传播方向画出的带箭头的线称为波线，它表示波动的传播方向．平面波的波线是垂直于波面的平行线，圆形波的波线是沿着以波源为中心的半径方向向外的射线．
3．内容：波在传播过程中所到达的每一点都可看做新的波源，从这些点发出球面形状的子波，其后任一时刻这些子波波前的包络面就是新的波前．这就是惠更斯原理．
1．任何波的波线都表示波的传播方向． (√)
2．波面一定与波线垂直． (√)
3．波面一定是平面． (×)
4．波的传播方向与波面平行． (×)
1．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．
2．波面一定是平面吗？根据图和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．
1．对波线、波面的理解
(1)波面
波源引起的振动在介质中向各个方向传播，如果把某一时刻振动状态相同的点连接起来组成一个面，这个面就叫做波面．
例如：①球面波：波面是以波源为球心的一个个球面，波线经过这些球面的半径，这种波为球面波．
②平面波：波面是平面的波为平面波．
(2)波线
用来表示波的传播方向，在同性介质中波线与波面垂直．
(3)波面与波线的关系
①波面不一定是面，如水波，它只能在水面传播，水波的波面是以波源为圆心的一簇圆．
②波线是有方向的一簇线，它的方向代表了波的传播方向．
③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．
(4)无论是球形波，还是平面波，同一波面上的各质点振动情况完全相同．
2．惠更斯原理的应用
(1)应用惠更斯原理解释波现象的步骤：
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．
(2)利用惠更斯原理解释波的传播
如图甲所示，以O为球心的球面波在时刻t的波面为γ，按照惠更斯原理，γ面上每个点都是子波的波源．设各个方向的波速都是v，在Δt时间之后各子波的波面如图中虚线所示，虚线圆的半径是vΔt.γ′是这些子波波面的包络面，它就是原来球面波的波面γ在时间Δt后的新位置．可以看出，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．
与此类似，可以用惠更斯原理说明平面波的传播(如图乙所示)．
1．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
E．子波的波速与频率等于初级波的波速和频率
【解析】 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．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，E对．
【答案】 BCE
2．人耳只能区分相差0.1 s以上的两个声音，人要听到自己讲话的回声，人离障碍物的距离至少要大于________．(已知声音在空气中的传播速度为340 m/s)
【解析】 从人讲话到声音传到人耳的时间取0.1 s时，人与障碍物间的距离最小．单程考虑，声音从人传到障碍物或从障碍物传到人耳时t＝ s＝0.05 s，故人离障碍物的最小距离x＝vt＝340×0.05 m＝17 m.
【答案】 17 m
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．
知识点二| 波的反射和折射
1．波的反射
(1)定义
波在传播的过程中，遇到两种介质的分界面时返回到原介质继续传播的现象叫做波的反射．
(2)波的反射定律
当波传播到两种介质的交界处发生反射时，入射线、法线、反射线在同一平面内，入射线与反射线分别位于法线两侧，而且反射角等于入射角；反射波的波长、频率和波速都与入射波相同．
2．波的折射
(1)定义
波在传播过程中，从一种介质进入另一种介质时，波传播的方向发生偏折的现象叫做波的折射．
(2)波的折射定律
波在介质中发生折射时，入射线、法线、折射线(即折射波线)在同一平面内，入射线与折射线分别位于法线两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于波在第一种介质中的传播速度跟波在第二种介质中的传播速度之比．对给定的两种介质，该比值为常数，即＝.
(3)波的折射特点
在折射中，波的频率保持不变，波速和波长都会发生变化，根据λ＝，当波进入新的介质后，若波速增大，则波长变大；若波速减小，则波长减小．
1．入射波的波线与界面的夹角叫入射角． (×)
2．反射波的频率、波速与入射波相同． (√)
3．折射波的频率、波速与入射波相同． (×)
4．发生波的折射时，折射角的大小一定和入射角成正比. (×)
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．你能说出其中的道理吗？
【提示】 当用手附在耳旁时，手就可以反射一部分声波进入人耳，以提高耳的接收能力．
2．折射角和入射角总是相等吗？
【提示】 由公式＝，因在不同介质中波传播速度一般不同，因而入射角与折射角不相等．
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：
波现象
波的反射
波的折射
传播方向
改变 i＝i′
改变r≠i
频率f
不变
不变
波速v
不变
改变
波长λ
不变
改变
2.回声测距
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.
3．惠更斯原理对波的反射的解释
如图中a、b、c是入射波的波线，a′、b′、c′是反射波的波线．过a的入射点A作AB，在波面AB上找三点A、C、B作为子波源；设波速为v，取时间间隔Δt＝；作Δt时间后子波源A、C、B发出的子波波面如图；画出子波波面的包络面A′B′，根据波线与波面的方位关系画出反射波线如图．
在直角三角形AB′B和直角三角形B′AA′中，AB′是公共边，由于波从B传播到B′所用的时间与波从A传播到A′所用的时间是一样的．而波在同种介质中的波速相同，故B′B＝AA′.因此直角三角形AB′B≌直角三角形B′AA′，所以∠A′AB′＝∠BB′A，入射角i和反射角i′分别为∠BB′A和∠A′AB′的余角，所以i′＝i，也就是说，在波的反射中，反射角等于入射角．
3．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直线传播
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
E．声呐仪利用的是波的折射现象
【解析】 声呐、雷达都是利用接收反射波来进行定位，A正确，C、E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．
【答案】 ABD
4．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.
(1)该波的频率为________Hz，在海水中的波速为__________m/s；
(2)若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？
(3)若物体以5 m/s的速度由海面向海底运动，则经过多长时间听到回声？
【解析】 (1)由f＝得：f＝ Hz＝340 Hz.因波的频率不变，则在海水中的波速为v海＝λf＝4.5×340 m/s＝1 530 m/s.
(2)入射声波和反射声波用时相同，则海水深为
s＝v海＝1 530× m＝382.5 m.
(3)物体与声音运动的过程示意图如图所示．
设听到回声的时间为t，则
v物t＋v海t＝2s.
代入数据解得t＝0.498 s.
【答案】 (1)340 1 530 (2)382.5 m
(3)0.498 s
处理波的折射问题的三点技巧
1．弄清折射现象发生的条件：当波从一种介质斜射入另一种介质时，波才发生折射现象．(当波垂直入射时不发生折射现象)
2．抓住入射波与折射波的区别与联系：波的频率相同、波速不同、波长不同．
3．计算时，注意公式“＝”中角度与速度的对应；另外，可结合v＝λf及频率不变的特点，将公式转化为波长与角度的关系(＝)解决有关波长的问题．
课时分层作业(九)
(建议用时：45分钟)
[基础达标练]
1．下列叙述属于波的反射现象的是( )
A．夏日的雷声有时会轰鸣不绝
B．在空房间里讲话，会感到声音比在野外响
C．水波从深水区入射到浅水区方向变化
D．讲话者又听到自己的回声
E．声波从空气中进入水中速度变大
【解析】 选项A、B、D都属于波的反射现象，C、E属于波的折射现象．
【答案】 ABD
2．下列说法正确的是( )
A．任何波的波线都表示波的传播方向
B．波面表示波的传播方向
C．只有横波才有波面
D．波传播中某时刻任一波面上各子波波面的包络面就是新的波面
E．子波的波速、频率等于初级波的波速、频率
【解析】 波线表示波的传播方向，故A选项正确，B选项错误；所有的波都具有波面，故C选项错误；由惠更斯原理可知，D选项正确；根据惠更斯原理，子波的波速和频率等于初级波的波速和频率，E正确．
【答案】 ADE
3.如图为某列波从介质1入射到介质2的波线分布，已知该波在介质1中的周期T1、频率f1、波长λ1、波速v1，在介质2中的周期T2、频率f2、波长λ2、波速v2，则下列判断正确的是( )
A．T1＞T2 B．f1＞f2 C．v1＞v2 D．λ1>λ2 E．f1＝f2
【解析】 折射现象中，折射前后，波的周期与频率不变，A、B错，E正确．从题图可知入射角i大于折射角r，由折射定律公式＝得，v1＞v2，C正确．再结合v＝λf知，λ1＞λ2，D正确．
【答案】 CDE
4．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
E．波面可以表示波的传播方向
【解析】 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．只有波线才能表示波的传播方向，E错误．
【答案】 ACD
5．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，波面各点都可看做一个子波源，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
E．不同波面上的质点振动情况一定不相同
【解析】 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．不同波面上质点的振动情况可能相同，如相位差相差2π整数倍的质点的振动情况相同，故E错误．
【答案】 BCD
6．声波从声源发出，在空中向外传播的过程中( )
A．波速不变 B．频率不变
C．振幅在逐渐变小 D．波长在逐渐变小
E．波长在逐渐变大
【解析】 声波在空中向外传播时，不管是否遇到障碍物引起反射，其波速只由空气决定．频率(由声源决定)和波长(λ＝)均不变，所以A、B对，D、E错；又因为机械波是传递能量的方式，能量在传播过程中会减小，故其振幅也就逐渐变小，C正确．
【答案】 ABC
7．如图所示，某列波以60°的入射角由甲介质射到乙介质的界面上同时产生反射和折射，若反射波的波线与折射波的波线的夹角为90°.该波的折射角为______．
【解析】 由反射定律可得反射角为60°，由题图的几何关系可得折射角为r＝30°.
【答案】 30°
[能力提升练]
8．下列说法中正确的是( )
A．惠更斯原理能解释波的衍射现象
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
E．横波和纵波都能形成球面波
【答案】 ABE
9．下列说法正确的是( )
A．波在介质中传播过程中，振动相同的点连接起来组成的面就叫做波面
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做一个个新的小波源，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
E．同一波面上的各质点振动情况完成不同
【解析】 振动相同的质点在同一时刻组成的面，叫做波面，故A错；波线表示波的传播方向，波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，可以看做相同的一个个新的小波源，这些波往前传播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．由惠更斯原理可知E错误．
【答案】 BCD
10.如图是一列机械波从一种介质进入另一种介质中发生的现象，已知波在介质Ⅰ中的波速为v1，波在介质Ⅱ中的波速为v2，则v1∶v2为________．
【解析】 由折射定律知：
＝＝ .
【答案】
11．一列声波在介质Ⅰ中的波长为0.2 m．当该声波从空气中以某一角度传入介质Ⅱ中时，波长变为0.6 m，如图所示，若介质Ⅰ中的声速为340 m/s.
(1)求该声波在介质Ⅱ中传播时的频率；
(2)求该声波在介质Ⅱ中传播的速度；
(3)若另一种声波在介质Ⅱ中的传播速度为1 400 m/s，按图中的方向从介质Ⅰ射入介质Ⅱ中，求它在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的频率之比．
【解析】 (1)声波在介质Ⅰ中传播时，由v＝λf得：f＝＝ Hz＝1 700 Hz，由于声波在不同介质中传播时，频率不变，所以声波在介质Ⅱ中传播时，频率为1 700Hz.
(2)由v＝λf得声波在介质Ⅱ中的传播速度为v2＝λ2f＝0.6×1 700 m/s＝1 020 m/s.
(3)波由介质Ⅰ到介质Ⅱ的过程中，只有频率不变，故当波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ时，其频率之比为1∶1.
【答案】 (1)1 700 Hz (2)1 020 m/s (3)1∶1
