高中物理人教版选修3-4 学案 第十二章 第4节 波的衍射和干涉 Word版含解析
文档属性
| 名称 | 高中物理人教版选修3-4 学案 第十二章 第4节 波的衍射和干涉 Word版含解析 |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 200.4KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（新课程标准） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2019-12-27 09:45:17 | ||
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文档简介
第4节 波的衍射和干涉
1．理解什么是波的衍射现象，知道波发生明显衍射现象的条件。
2．知道波的独立传播特点，理解波的叠加原理，知道波的干涉是波叠加的结果。
3．知道波的干涉图样的特点，理解波形成稳定干涉图样的条件，知道振动加强点、减弱点的振动情况。
一、波的衍射
1．定义：波绕过障碍物继续传播的现象。
2．实验及现象
(1)实验器材：在水槽里放两块挡板，中间留个狭缝。
(2)现象
①狭缝宽度比波长大得多时：波的传播如同光沿直线传播一样，挡板后面产生一个阴影区。
②狭缝宽度与波长相差不多或狭缝宽度比波长更小时：波绕到挡板后面继续传播。
3．发生明显衍射的条件
缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长小。
4.一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象。
二、波的叠加
1．波的独立性原理
两列波相遇后彼此穿过，仍然保持各自的运动特征，继续传播。
2．波的叠加原理
在几列波重叠的区域里，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。如图所示。
三、波的干涉
1．定义：频率相同的两列波叠加时，某些区域的振幅加大、某些区域的振幅减小的现象。
2．稳定干涉的必要条件
(1)两列波的频率必须相同。
(2)两个波源的相位差必须保持不变。
3．干涉的普遍性：一切波都能够发生干涉，干涉是波特有的现象。
判一判
(1)在操场上不同位置听到学校喇叭声音的大小不同，是声波的干涉现象。( )
(2)两列频率不同的水波不能发生波的干涉现象。( )
(3)不是所有的两列波之间都能发生干涉。( )
提示：(1)× (2)√ (3)√
想一想
(1)当障碍物的尺寸比波长大时，不能发生衍射现象，对吗？
提示：错。障碍物尺寸比波长大时，也能发生衍射现象，只是现象不明显。
(2)在波的干涉中，振动加强的点始终位于波峰吗？
提示：否。振动加强点的振幅大，而不是始终位于波峰。
课堂任务 波的衍射
1．定义
波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射。
2．衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象，当波碰到障碍物时，衍射现象总是存在的，只是有的明显有的不明显而已。
3．发生明显衍射的条件
障碍物或孔的尺寸比波长小，或跟波长差不多。
(1)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。
(2)波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)处仿佛一个新的波源，由它发出与原来同频率的波(称为子波)在孔后传播，于是，就出现了偏离直线传播的衍射现象。
(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。
例1 (多选)下列说法中正确的是( )
A．孔的尺寸比波长大得多时不会发生衍射现象
B．孔的尺寸比波长小才发生衍射现象
C．只有孔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
D．只有波才有衍射现象
(1)发生明显衍射现象的条件是什么？
提示：障碍物或孔的尺寸比波长小，或跟波长差不多。
(2)只有波才有衍射现象吗？
提示：衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象。
[规范解答] 波绕过障碍物继续传播的现象称为波的衍射现象，发生明显衍射的条件是孔或障碍物尺寸跟波长差不多或者比波长更小，孔径大并不是不发生衍射，只是波的衍射现象不明显，A、B错误，C正确；衍射现象是波特有的现象，D正确。
[完美答案] CD
衍射现象的判断方法
判定一些熟悉的现象是否是波的衍射现象，首先要看现象中是否有波，其次是看波从波源传出后是否偏离了直线传播，即是否“拐弯”，这两个条件都满足时才有波的衍射现象发生。
(多选)如图所示，S是振源，M、N是挡板，其中N固定，M可以上下移动，为了使原来不振动的A点振动起来，可采用的办法是( )
A．增大S的振动频率
B．减小S的振动频率
C．M下移
D．M上移
答案 BC
解析 要使A振动起来，则S振动产生的波必须经窄缝发生明显衍射，原来A未振动，说明窄缝的宽度太大，所以应使窄缝的宽度减小，C正确，D错误；当然A未振动的另一个原因是波长太小，在传播速度一定的前提下，要增大波长则必须减小S的振动频率，B正确，A错误。
课堂任务 波的叠加原理与波的干涉
一、波的叠加
1．波的独立传播特性
几列波相遇时能够保持各自的运动特征，继续传播。即各自的波长、频率等保持不变。
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。
二、波的干涉
1．定义：频率相同的两列波叠加时，某些区域的振幅加大，某些区域的振幅减小，这种现象叫波的干涉。
2．产生稳定干涉的两个必要条件
(1)两列波的频率必须相同。
(2)相位差必须保持不变。
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。但稳定干涉图样的产生是有条件的，否则我们就看不到稳定的干涉图样。
3．关于加强点(区)和减弱点(区)
(1)加强点：在某些点两列波引起的振动始终加强，质点的振动最剧烈，振动的振幅等于两列波的振幅之和，A＝A1＋A2。
(2)减弱点：在某些点两列波引起的振动始终相互削弱，质点振动的振幅等于两列波的振幅之差，A＝|A1－A2|，若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于零。
4．加强点、减弱点的位置
图中S1、S2两个波源频率、相位相同，则：
若C点到两波源的距离之差Δs＝|CS1－CS2|＝nλ(n＝0,1,2，…)，则C点为振动加强点；
若D点到两波源的距离之差
Δs＝|DS1－DS2|＝(2n＋1)(n＝0,1,2，…)，则D点为振动减弱点。
5．干涉图样及其特征
(1)干涉图样：如图所示。
(2)特征
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。
例2 如图所示，MN是水池的边缘，S1和S2是水池中两个振动情况完全相同的相干波源，它们激起的水波波长为2 m，S1和S2连线垂直于MN，它们与MN的距离分别是8 m和3 m，设MN足够长，则在水池边界MN上有几处水面是平静的( )
A．1处 B．3处
C．5处 D．无数处
(1)“水面平静”对应的物理语言是什么？水面平静处应满足什么条件？
提示：“水面平静”即振动减弱，振动减弱点满足该点与S1、S2的距离之差等于的奇数倍。
(2)两波源到MN上一点的路程差设为Δx，则Δx的取值范围是什么？
提示：0<Δx≤5 m。
[规范解答] 水池边界MN上任一点P到S1、S2的距离PS1、PS2之差Δx小于等于S1S2，如图所示。因此Δx的范围是0＜Δx≤5 m，λ＝2 m，＝1 m，因此在Δx的范围内振动减弱点能取到3个，而根据对称可知，1 m和3 m这两个距离之差应是分别为两个，故共有5点。
[完美答案] C
振动加强点与振动减弱点的判断方法
(1)条件判断法：振动情况完全相同的两波源产生的波叠加时，加强、减弱条件如下：设点到两波源的路程差为Δx，当Δx＝2k·(k＝0,1,2，…)时为振动加强点；当Δx
＝(2k＋1)·(k＝0,1,2，…)时为振动减弱点。若两波源振动相位相反，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。
(多选)如下图所示为两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇时产生的干涉图样。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
答案 AD
解析 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正确。e点位于加强点的连线上，仍为加强点，f点位于减弱点的连线上，仍为减弱点，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。因形成干涉图样的质点都在不停地做周期性振动，经半个周期相位相反，D正确。
1．理解什么是波的衍射现象，知道波发生明显衍射现象的条件。
2．知道波的独立传播特点，理解波的叠加原理，知道波的干涉是波叠加的结果。
3．知道波的干涉图样的特点，理解波形成稳定干涉图样的条件，知道振动加强点、减弱点的振动情况。
一、波的衍射
1．定义：波绕过障碍物继续传播的现象。
2．实验及现象
(1)实验器材：在水槽里放两块挡板，中间留个狭缝。
(2)现象
①狭缝宽度比波长大得多时：波的传播如同光沿直线传播一样，挡板后面产生一个阴影区。
②狭缝宽度与波长相差不多或狭缝宽度比波长更小时：波绕到挡板后面继续传播。
3．发生明显衍射的条件
缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长小。
4.一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象。
二、波的叠加
1．波的独立性原理
两列波相遇后彼此穿过，仍然保持各自的运动特征，继续传播。
2．波的叠加原理
在几列波重叠的区域里，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。如图所示。
三、波的干涉
1．定义：频率相同的两列波叠加时，某些区域的振幅加大、某些区域的振幅减小的现象。
2．稳定干涉的必要条件
(1)两列波的频率必须相同。
(2)两个波源的相位差必须保持不变。
3．干涉的普遍性：一切波都能够发生干涉，干涉是波特有的现象。
判一判
(1)在操场上不同位置听到学校喇叭声音的大小不同，是声波的干涉现象。( )
(2)两列频率不同的水波不能发生波的干涉现象。( )
(3)不是所有的两列波之间都能发生干涉。( )
提示：(1)× (2)√ (3)√
想一想
(1)当障碍物的尺寸比波长大时，不能发生衍射现象，对吗？
提示：错。障碍物尺寸比波长大时，也能发生衍射现象，只是现象不明显。
(2)在波的干涉中，振动加强的点始终位于波峰吗？
提示：否。振动加强点的振幅大，而不是始终位于波峰。
课堂任务 波的衍射
1．定义
波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射。
2．衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象，当波碰到障碍物时，衍射现象总是存在的，只是有的明显有的不明显而已。
3．发生明显衍射的条件
障碍物或孔的尺寸比波长小，或跟波长差不多。
(1)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。
(2)波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)处仿佛一个新的波源，由它发出与原来同频率的波(称为子波)在孔后传播，于是，就出现了偏离直线传播的衍射现象。
(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。
例1 (多选)下列说法中正确的是( )
A．孔的尺寸比波长大得多时不会发生衍射现象
B．孔的尺寸比波长小才发生衍射现象
C．只有孔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
D．只有波才有衍射现象
(1)发生明显衍射现象的条件是什么？
提示：障碍物或孔的尺寸比波长小，或跟波长差不多。
(2)只有波才有衍射现象吗？
提示：衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象。
[规范解答] 波绕过障碍物继续传播的现象称为波的衍射现象，发生明显衍射的条件是孔或障碍物尺寸跟波长差不多或者比波长更小，孔径大并不是不发生衍射，只是波的衍射现象不明显，A、B错误，C正确；衍射现象是波特有的现象，D正确。
[完美答案] CD
衍射现象的判断方法
判定一些熟悉的现象是否是波的衍射现象，首先要看现象中是否有波，其次是看波从波源传出后是否偏离了直线传播，即是否“拐弯”，这两个条件都满足时才有波的衍射现象发生。
(多选)如图所示，S是振源，M、N是挡板，其中N固定，M可以上下移动，为了使原来不振动的A点振动起来，可采用的办法是( )
A．增大S的振动频率
B．减小S的振动频率
C．M下移
D．M上移
答案 BC
解析 要使A振动起来，则S振动产生的波必须经窄缝发生明显衍射，原来A未振动，说明窄缝的宽度太大，所以应使窄缝的宽度减小，C正确，D错误；当然A未振动的另一个原因是波长太小，在传播速度一定的前提下，要增大波长则必须减小S的振动频率，B正确，A错误。
课堂任务 波的叠加原理与波的干涉
一、波的叠加
1．波的独立传播特性
几列波相遇时能够保持各自的运动特征，继续传播。即各自的波长、频率等保持不变。
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。
二、波的干涉
1．定义：频率相同的两列波叠加时，某些区域的振幅加大，某些区域的振幅减小，这种现象叫波的干涉。
2．产生稳定干涉的两个必要条件
(1)两列波的频率必须相同。
(2)相位差必须保持不变。
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。但稳定干涉图样的产生是有条件的，否则我们就看不到稳定的干涉图样。
3．关于加强点(区)和减弱点(区)
(1)加强点：在某些点两列波引起的振动始终加强，质点的振动最剧烈，振动的振幅等于两列波的振幅之和，A＝A1＋A2。
(2)减弱点：在某些点两列波引起的振动始终相互削弱，质点振动的振幅等于两列波的振幅之差，A＝|A1－A2|，若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于零。
4．加强点、减弱点的位置
图中S1、S2两个波源频率、相位相同，则：
若C点到两波源的距离之差Δs＝|CS1－CS2|＝nλ(n＝0,1,2，…)，则C点为振动加强点；
若D点到两波源的距离之差
Δs＝|DS1－DS2|＝(2n＋1)(n＝0,1,2，…)，则D点为振动减弱点。
5．干涉图样及其特征
(1)干涉图样：如图所示。
(2)特征
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。
例2 如图所示，MN是水池的边缘，S1和S2是水池中两个振动情况完全相同的相干波源，它们激起的水波波长为2 m，S1和S2连线垂直于MN，它们与MN的距离分别是8 m和3 m，设MN足够长，则在水池边界MN上有几处水面是平静的( )
A．1处 B．3处
C．5处 D．无数处
(1)“水面平静”对应的物理语言是什么？水面平静处应满足什么条件？
提示：“水面平静”即振动减弱，振动减弱点满足该点与S1、S2的距离之差等于的奇数倍。
(2)两波源到MN上一点的路程差设为Δx，则Δx的取值范围是什么？
提示：0<Δx≤5 m。
[规范解答] 水池边界MN上任一点P到S1、S2的距离PS1、PS2之差Δx小于等于S1S2，如图所示。因此Δx的范围是0＜Δx≤5 m，λ＝2 m，＝1 m，因此在Δx的范围内振动减弱点能取到3个，而根据对称可知，1 m和3 m这两个距离之差应是分别为两个，故共有5点。
[完美答案] C
振动加强点与振动减弱点的判断方法
(1)条件判断法：振动情况完全相同的两波源产生的波叠加时，加强、减弱条件如下：设点到两波源的路程差为Δx，当Δx＝2k·(k＝0,1,2，…)时为振动加强点；当Δx
＝(2k＋1)·(k＝0,1,2，…)时为振动减弱点。若两波源振动相位相反，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。
(多选)如下图所示为两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇时产生的干涉图样。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
答案 AD
解析 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正确。e点位于加强点的连线上，仍为加强点，f点位于减弱点的连线上，仍为减弱点，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。因形成干涉图样的质点都在不停地做周期性振动，经半个周期相位相反，D正确。