3.3波的反射、折射和衍射 讲义-2021-2022学年【新教材】人教版（2019）高中物理选择性必修第一册word版含答案

第三章机械波
第3节波的反射、折射和衍射
【素养目标】
1.通过观察水波的衍射现象,认识衍射现象的特征。知道衍射现象是波特有的现象,知道什么是波的衍射现象和发生明显衍射现象的条件。
2.了解波的叠加原理。通过实验认识波的干涉现象和波的干涉图样。
3.知道干涉现象是波所特有的现象。知道波发生干涉现象的必要条件。
【必备知识】
.波的反射和折射
波的反射
波在传播过程中遇到障碍物会返回来继续传播的现象，叫波的反射。
入射线和反射线
①入射线：代表波的入射方向的射线。
②反射线：代表波的反射方向的射线。
波的反射规律：反射线、法线和入射线在同一平面内，反射线和入射线分居法线两侧，反射角等于入射角。
波的折射
折射现象：波在传播过程中，从一种介质进入另一种介质时，传播方向会发生偏折的现象叫波的折射。
一切波都会发生折射现象。
【点睛】波反射和折射时的物理量变化
项目
波的反射
波的折射
传播方向
改变
改变
频率f
不变
不变
波速v
不变
改变
波长λ
不变
改变
二、波的衍射
1、定义:波可以绕过障碍物而继续传播的现象叫作波的衍射。
2、发生明显衍射现象的条件:只有缝、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,才能发生明显的衍射现象。
3、衍射是波特有的现象,故一切波均可发生衍射现象。“闻其声而不见其人”是声波的衍射。
4、当孔、缝或障碍物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，也很难观察到衍射现象。
【课堂检测】
1.在均匀弹性介质中，S1、S2是两个振动步调总相同的相干波源．
如图所示，在S1、S2的连线上S1A=AB=BC=CS2
，
且都等于半波长．由此可知（??
）
A.?B
点振动总是最强，A，C
总是最弱????????????????????B.?B
点振动总是最弱，A，C
总是最强
C.?A，B，C
点的振动总是最弱???????????????????????????????D.?A，B，C
点的振动总是最强
【答案】
D
【解析】解：已知S1A=AB=BC=CS2=
?（λ为波长），则两波到B点的路程相等，则该点是振动加强点；而两波到A点的光程差为一个波长，则也是振动加强点；两列波到C点的光程差也为一个波长，则此点也是振动加强点．因此A、B、C三点的振动都总是最强，故D正确，ABC错误；
故选：D．
【分析】两列频率相同的简谐波在某点相遇时，若它们的波程差是波长的整数倍，则振动是加强区；
若它们的波程差是半波长的整数倍，则振动是减弱区．
2.一条弹性绳子呈水平状态，M为绳子中点，两端P、Q同时开始上下振动，一小段时间后产生的波形如图所示，对于其后绳上各点的振动情况，下列判断正确的是（??
）
A.?左边的波先到达中点M???????????????????????????????????????B.?两列波波速之比为1：2
C.?中点M的振动总是加强的????????????????????????????????????D.?绳的两端点P、Q开始振动的方向相同
【答案】
D
【解析】解：A、因波速由介质决定，则它们的传播速度相同，因此两波同时到达中点M，A不符合题意；
B、波速由介质决定，与波长和频率无关，两列波波速之比为1：1，B不符合题意；
C、由于波的频率不同，故两列波并不能干涉，M点并不是振动加强点，C不符合题意；
D、由图可知，左边波向右传播，而右边的波向左，依据上下坡法，那么它们起振方向相同，再依据波产生的原理：带动、重复、滞后，即可判定P、Q开始振动的方向相同，D符合题意；
故答案为：D．
【分析】
本题关键明确驻波产生的原理，
两列波在相遇时，振动方向相同，则振动加强；振动方向相反，则振动减弱．并满足矢量叠加原理．
【素养作业】
1.下列说法正确的是（??
）
A.?公共场合使用的非接触式测温仪利用的是紫外线
B.?在地球上利用接收遥远天体发出光波的频率判断遥远天体相对于地球的运动速度，利用的是多普勒效应
C.?军队过桥需要迈着整齐的步伐，防止共振对桥造成伤害
D.?在机械波的干涉现象中，振动加强点始终位于波峰位置
【答案】
B
【解析】A．非接触式测温仪是通过接受身体表面辐射出来的红外线来测温的，A不符合题意；
B．多普勒效应是指波源或观察者发生移动，而使两者间的距离发生变化，在地球上利用接收遥远天体发出光波的频率判断遥远天体相对于地球的运动速度，利用了多普勒效应，B符合题意；
C．军队过桥需要迈着整齐的步伐，产生共振，不能防止共振对桥造成的伤害，C不符合题意；
D．振动加强点的振幅大，而不是始终位于波峰位置，D不符合题意。
故答案为：B。
2.如图所示，两个完全相同的波源在介质中形成的波相叠加而发生的干涉的示意图，实线表示波峰，虚线表示波谷，则（??
）
A.?A点为振动加强点，经过半个周期，这一点振动减弱
B.?B点为振动减弱点，经过半个周期，这一点振动加强
C.?C点为振动加强点，经过半个周期，这一点振动仍加强
D.?D点为振动减弱点，经过半个周期，这一点振动加强
【答案】
C
【解析】解：A、A点是波峰和波峰叠加，为振动加强点，且始终振动加强。A不符合题意。
B、B点是波峰与波谷叠加，为振动减弱点，且始终振动减弱。B不符合题意。
C、C点处于振动加强区，振动始终加强。C符合题意。
D、D点为波峰与波谷叠加，为振动减弱点，且始终振动减弱。D不符合题意。
故答案为：C。
3.如图所示，S1、S2为水波槽中的两个波源，它们分别激起两列水波，图中实线表示波峰，虚线表示波谷。已知两列波的波长分别为λ1、λ2
，
且λ1＜λ2
，
图示时刻a点为两列波的波峰与波峰相遇，则以下叙述中正确的是（??
）
A.?a点的振动始终加强?????????????????????????????????????????????????????B.?a点的振动始终减弱
C.?因为λ1＜λ2
，
所以a点的振动不遵守波的叠加原理?????D.?a
点的振动遵守波的叠加原理
【答案】
D
【解析】AB．如图所示，此时a点正好是波峰与波峰的相遇点，随着时间推移，a点的位移发生变化，由于波长不同，两列波的频率不同，所以a点的振动不是始终加强的，也不是始终减弱的，AB不符合题意；
CD．虽然波长不同，但均属于波，都有波的特性，遵守波的叠加原理，C不符合题意，D符合题意。
故答案为：D。
4.关于机械波的特性，下列说法正确的是（??
）
A.?频率不同的同类机械波相遇时，可以叠加，但不会发生干涉现象
B.?机械波在进入两种不同介质界面前后，波速不变，频率随波长变化
C.?只有波长比障碍物的尺寸小或相差不多的时候才会发生明显的衍射现象
D.?火车鸣笛时向我们驶来，听到的笛声频率将比声源发出的频率低，声音变得低沉
【答案】
A
【解析】A．频率相同是发生干涉现象的必要条件，故频率不同的同类机械波相遇时，可以叠加，但不会发生干涉现象。A符合题意；
B．机械波在进入两种不同介质界面前后，频率不变，波长与波速变化。B不符合题意；
C．发生明显的衍射现象的条件是障碍物的尺寸比波长小或相差不多。C不符合题意；
D．火车鸣笛时向我们驶来，距离变小，听到的笛声频率将比声源发出的频率高，声音变得高亢。D不符合题意。
故答案为：A。
5.如图所示，S1、S2为两个振动情况完全相同的波源，两列波的波长都为λ，它们在介质中产生干涉现象，S1、S2在空间中共形成了5个振动加强的区域，如图中实线所示。P是振动加强区域中的一点，从图中可看出（??
）
A.?P点到两波源的距离差等于1.5λ
B.?S1的传播速度大于S2的传播速度
C.?P点此时刻振动最强，过半个周期后，振动变为最弱
D.?当一列波的波峰传到P点时，另一列波的波峰也一定传到P点
【答案】
D
【解析】A．由题意可知，S1、S2在空间共形成5个振动加强的区域，则P点到两波源的距离差等于λ的整数倍，A不符合题意；
B．S1、S2为振动情况完全相同的波源，在同一种介质中传播，则S1的传播速度等于S2的传播速度，B不符合题意；
C．若P点此时刻振动最强，过半个周期后，振动仍为最强，C不符合题意；
D．因P点是振动加强区，当一列波的波峰传到P点时，另一列波的波峰也一定传到P点，D符合题意。
故答案为：D。
6.关于波的衍射和多普勒效应，下列说法正确的是（
??）
A.?当障碍物的尺寸比波长大得多时能观察到明显的衍射现象
B.?当障碍物的尺寸跟波长相差不多时能观察到明显的衍射现象
C.?当波源与观察者相互远离时，观察者接收到的频率比波源的频率大
D.?当波源与观察者相向运动时，观察者接受到的频率比波源的频率小
【答案】
B
【解析】AB．当障碍物的尺寸比波长小，或者跟波长相差不多时能观察到明显的衍射现象，A不符合题意，B符合题意；
C．当波源与观察者相互远离时，观察者接收到的频率比波源的频率小，C不符合题意；
D．当波源与观察者相向运动时，观察者接受到的频率比波源的频率大，D不符合题意。
故答案为：B
7.两列机械波在介质中产生干涉现象，它们的振幅分别为A1和A2
，
某一时刻介质中质点P的位移大小为A1+A2
，
则（??
）
A.?质点P的振幅一直为A1+A2?????????????????????????????????B.?质点P的振幅再过半个周期为|A1-A2|
C.?质点P的位移大小一直为A1+A2??????????????????????????D.?质点P的位移大小再过半个周期为零
【答案】
A
【解析】对于两列振动方向相同、振幅分别为A1和A2的相干简谐横波相遇，波峰与波峰相遇处质点的振幅等于两列波振幅之和，即振幅一直为A1+A2
．
但质点离开平衡位置的位移不总是最大的，某一时刻介质中质点P的位移大小为A1+A2
，
则再过半个周期质点P的位移大小仍为A1+A2
，
所以A符合题意，BCD不符合题意；
故答案为：A；
8.物理学原理在现代科技中有许多重要应用．例如，利用波的干涉，可将无线电波的干涉信号用于飞机降落的导航．如图所示，两个可发射无线电波的天线对称地固定于飞机跑道两侧，它们类似于杨氏干涉实验中的双缝．两天线同时都发出波长为λ1和λ2的无线电波．飞机降落过程中，当接收到λ1和λ2的信号都保持最强时，表明飞机已对准跑道．下列说法正确的是（　　）
A.?天线发出的两种无线电波必须一样强???????????????????B.?导航利用了λ1与λ2两种无线电波之间的干涉
C.?两种无线电波在空间的强弱分布稳定???????????????????D.?两种无线电波各自在空间的强弱分布完全重合
【答案】
C
【解析】解：A、干涉要求两波源的频率相同，而强度没有要求，A不符合题意．
B、由于无线电波以光速传播，根据
知，波长不同，频率不同，所以两种无线电波之间不会发生干涉，B不符合题意．
C、空间中某点加强与减弱取决于到两波源的距离差为半波长的奇、偶数倍．所以两种电波的干涉强弱分布是固定的，而且λ1≠λ2
，
所以两种干涉分布不重合，不过中垂线都是加强点，C符合题意，D不符合题意．
故答案为：C