3.3 波的反射、折射和衍射 -【帮课堂】2024-2025学年高二物理同步学与练（ 人教版2019选择性必修第一册）

3.3 波的反射、折射和衍射 ( 01 学习目标 ) 物理素养 学习目标 1.物理观念：知道波的反射、折射和衍射现象，知道明显衍射的条件。 2.科学思维：理解波的反射定律和折射定律，能进行简单计算。 3.科学探究：经历探究波的明显衍射现象条件的过程。 4.科学态度与责任：利用波的几种现象实例培养观察、分析和归纳的习惯。 1.通过实验认识波的反射和折射现象。 2.通过用射线解释反射、折射现象，认识波动中建构物理模型的方法。 3.知道波的衍射现象和波产生明显衍射现象的条件。 重点关注：①反射和折射②衍射现象③产生明显衍射现象的条件 ( 0 2 思维导图 ) ( 0 3 知识梳理 ) （一）课前研读课本，梳理基础知识 一、波的反射和折射 1．波的反射 (1)反射现象：波遇到介质界面(如水波遇到挡板)时会返回原介质继续传播的现象。 (2)反射规律：反射线、法线与入射线在__________内，反射线与入射线分居__________两侧，反射角__________入射角。 2．波的折射 (1)波的折射：光从一种介质____________________时会发生折射，同样，其他波从一种介质进入另一种介质时也发生__________。 (2)水波的折射：一列水波在__________不同的水域传播时，在交界面处将发生__________。 二、波的衍射 1．波的衍射：波____________________继续传播的现象。 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__________，或者比波长__________时，才能观察到明显的衍射现象。 3．波的衍射的普遍性：一切波都能发生衍射，__________是波特有的现象。 （二）辨析 1. 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会明显地减弱,这是为什么? 2. 一列声波从空气中传入水中,已知水中声速较大,则声波频率和波长如何变化? 3. 日常生活中“闻其声不见其人”的物理现象的原因是什么? 4. 只有障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时,才能发生衍射现象,这句话对吗? ( 0 4 题型精讲 ) 【题型一】波的反射和折射 ( 【点拨】 波的反射和折射中各物理量的变化 (1)波的频率是由振 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，波反射时是在同一均匀介质中传播，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＝ vf 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＝ vf 可知波长变长，反之变短。 ) 【典型例题1】（23-24高二下·山西太原·期末）蟾蜍在池塘边平静的水面上鸣叫，某时形成如图所示的水波。若蟾蜍的鸣叫频率不变，下列选项正确的是（　　） A．岸边的人接收到鸣叫的声波是横波 B．水波从浅水区传入深水区，频率变小 C．水面上的落叶遇到水波后做受迫振动 D．水波遇到大石头比遇到小石头更容易发生衍射现象 【对点训练1】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、波速均发生变化 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 【题型二】波的衍射 ( 【点拨】 波的反射和折射中各物理量的变化 1. 衍射只有“明显”与“不明显”之分，障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多，或比波长小，是产生明显衍射的条件。 2 .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 发生显著的衍射现象。 (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,衍射现象不容易被观察到。 ) 【典型例题1】（23-24高二下·安徽·期中）在水槽中放两块挡板，中间留一个狭缝，观察水波通过狭缝后的传播情况，保持狭缝的宽度不变，改变水波的波长，得到三幅照片如甲、乙、丙所示，对应的水波波长分别为、 、，下列说法正确的是（　　） A．这是水波的反射现象 B．这是水波的折射现象 C．对应的波长关系为 D．对应的波长关系为 【对点训练1】（23-24高二上·陕西西安·期末）如图所示，S为波源，M、N为两块挡板，其中M板固定，N板可上下移动，两板中间有一狭缝，此时测得A点没有振动，为了使A点能发生振动，可采用的方法有：①增大波源的频率；②减小波源的频率；③将N板向上移动一些；④将N板向下移动一些。以上方法正确的是（　　） A．①④ B．②③ C．①③ D．②④ ( 0 5 强化训练 ) 【基础强化】 1．（23-24高二下·宁夏石嘴山·期中）关于波的反射与折射，下列说法正确的是（　　） A．波发生反射时，波的频率不变，波速大小变小，波长变短 B．波发生反射时，波的频率、波长、波速大小均不变 C．波发生折射时，波的频率、波长、波速大小均发生变化 D．波发生折射时，波的频率发生改变，但波长、波速大小不变 2．在用水波槽做衍射实验时，若打击水面的振子振动频率是6Hz，水波在水槽中的传播速度为0.6m/s，为观察到明显的衍射现象，小孔的直径d应为（　　） A．d<10cm B．50cm C．d>10cm D．10cm 3．机械波在传播过程中遇到障碍物时会发生反射，如果用射线表示波的传播方向，下列说法正确的是（　　） A．入射线与反射线一定在同一平面内，法线与这一平面垂直 B．入射线与反射线可能在法线同侧 C．“回声”是声波的反射现象 D．“回声”是声波的折射现象 4．（23-24高二上·江苏泰州·期末）如图所示是利用水波槽观察到的水波衍射图样，从图样可知（　　） A．B侧波是衍射波 B．A侧相邻波纹间距大于B侧相邻波纹间距 C．如果孔的大小不变，减小水波波源的频率，衍射现象将更明显 D．增大挡板之间的间隙，衍射现象将更明显 5．（23-24高二上·山东青岛·期末）图，挡板M固定，挡板N可自由移动，将M、N两板间空隙当做一个“小孔”做水波的衍射实验，出现了图示中的图样。实验中观测到P点水面没有振动，为了使P点处能发生振动，可采用的办法是（　　） A．增大波源的频率 B．减小波源的周期 C．将N板水平向左移动一些 D．将N板水平向上移动一些 【素养提升】 6．如图是观察水面波衍射的实验装置，AC和BD为两块挡板，AB是—个孔，O是波源，图中已画出波源所在区域波的传播情况，每两条相邻波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长，则对于波经过孔之后的传播情况，下列描述正确的是（　　） A．此时不能观察到波的衍射现象 B．如果将孔AB扩大，有可能观察不到明显的衍射现象 C．挡板前后波及间距可能不相等 D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，能更明显地观察到衍射现象 7．海豚在水里通过声波的反射来定位，判断前方是否有猎物或障碍物。科学家通过实验发现，海豚能辨别出大小只有5mm的障碍物。请估算海豚发出的声波频率的范围并说明理由（已知声波在水中的传播速度约为1500m/s）。 【能力培优】 8．如图所示是一个可观察水波衍射的水波发生槽，振源的频率是可以调节的，槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔，观察水波的传播，也可以在水槽中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播。思考下列问题： （1）水波遇到小孔时，会观察到什么现象？依次减小小孔尺寸，观察到的现象有什么变化？ （2）当水波遇到较大的障碍物时，会观察到什么现象？当障碍物较小时，会观察到什么现象？ 9．平静的湖面有相距为1m的两个小木块A、B，距小木块A左侧3m处有一波源在时刻开始向上振动，经4s小木块A第一次达到波峰，再经3s小木块B第一次达到波谷，波源和小木块A、B在一条直线上。 （1）求这列横波的周期和波速； （2）求这列横波的波长； （3）若此波在传播过程中遇到一根竖立的芦苇杆，是否会发生明显的衍射现象。 ( 6 )原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$ 3.3 波的反射、折射和衍射 ( 01 学习目标 ) 物理素养 学习目标 1.物理观念：知道波的反射、折射和衍射现象，知道明显衍射的条件。 2.科学思维：理解波的反射定律和折射定律，能进行简单计算。 3.科学探究：经历探究波的明显衍射现象条件的过程。 4.科学态度与责任：利用波的几种现象实例培养观察、分析和归纳的习惯。 1.通过实验认识波的反射和折射现象。 2.通过用射线解释反射、折射现象，认识波动中建构物理模型的方法。 3.知道波的衍射现象和波产生明显衍射现象的条件。 重点关注：①反射和折射②衍射现象③产生明显衍射现象的条件 ( 0 2 思维导图 ) ( 0 3 知识梳理 ) （一）课前研读课本，梳理基础知识 一、波的反射和折射 1．波的反射 (1)反射现象：波遇到介质界面(如水波遇到挡板)时会返回原介质继续传播的现象。 (2)反射规律：反射线、法线与入射线在同一平面内，反射线与入射线分居法线两侧，反射角等于入射角。 2．波的折射 (1)波的折射：光从一种介质进入另一种介质时会发生折射，同样，其他波从一种介质进入另一种介质时也发生折射。 (2)水波的折射：一列水波在深度不同的水域传播时，在交界面处将发生折射。 二、波的衍射 1．波的衍射：波绕过障碍物继续传播的现象。 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，才能观察到明显的衍射现象。 3．波的衍射的普遍性：一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象。 （二）辨析 1. 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会明显地减弱,这是为什么? 【答案】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,外面传入室内的声音就显著地减弱了。 2. 一列声波从空气中传入水中,已知水中声速较大,则声波频率和波长如何变化? 【答案】由于波的频率由波源决定,因此波无论在空气中还是在水中频率都不变。又因波在水中速度较大,由公式v=λf可得,波在水中的波长变大。 3. 日常生活中“闻其声不见其人”的物理现象的原因是什么? 【答案】声波在空气中的波长较长,跟一般障碍物的尺寸相差不多,很容易发生明显衍射现象,绕过障碍物传入人耳。而光波由于波长很短,障碍物或孔的尺寸远大于光的波长,光不能绕过障碍物发生明显衍射,所以只能听到声音而看不到说话的人。 4. 只有障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时,才能发生衍射现象,这句话对吗? 【答案】这句话不对,一切波遇到障碍物都会发生衍射现象,但有明显与不明显的区别,当障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时,会发生明显的衍射现象。 ( 0 4 题型精讲 ) 【题型一】波的反射和折射 ( 【点拨】 波的反射和折射中各物理量的变化 (1)波的频率是由振 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，波反射时是在同一均匀介质中传播，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＝ vf 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＝ vf 可知波长变长，反之变短。 ) 【典型例题1】（23-24高二下·山西太原·期末）蟾蜍在池塘边平静的水面上鸣叫，某时形成如图所示的水波。若蟾蜍的鸣叫频率不变，下列选项正确的是（　　） A．岸边的人接收到鸣叫的声波是横波 B．水波从浅水区传入深水区，频率变小 C．水面上的落叶遇到水波后做受迫振动 D．水波遇到大石头比遇到小石头更容易发生衍射现象 【答案】C 【详解】A．声波是纵波，可知，岸边的人接收到鸣叫的是纵波，故A错误； B．频率由波源决定，可知，水波从浅水区传入深水区，频率不变，故B错误； C．水面上的落叶遇到水波后，落叶在声波的干扰之下发生振动，落叶做的是受迫振动，故C正确； D．当波长与障碍物的尺寸相差不多时，能够发生明显衍射现象，可知，波长一定时，水波遇到大石头比遇到小石头更不容易发生衍射现象，故D错误。 故选C。 【对点训练1】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、波速均发生变化 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 【答案】C 【详解】AB．波发生反射时，在同一种介质中运动，因此波长、波速和频率都不发生变化，故AB错误； CD．波发生折射时，频率不变，波长和波速均发生变化，故C正确，D错误。 故选C。 【题型二】波的衍射 ( 【点拨】 波的反射和折射中各物理量的变化 1. 衍射只有“明显”与“不明显”之分，障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多，或比波长小，是产生明显衍射的条件。 2 .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 发生显著的衍射现象。 (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,衍射现象不容易被观察到。 ) 【典型例题1】（23-24高二下·安徽·期中）在水槽中放两块挡板，中间留一个狭缝，观察水波通过狭缝后的传播情况，保持狭缝的宽度不变，改变水波的波长，得到三幅照片如甲、乙、丙所示，对应的水波波长分别为、 、，下列说法正确的是（　　） A．这是水波的反射现象 B．这是水波的折射现象 C．对应的波长关系为 D．对应的波长关系为 【答案】C 【详解】AB．这是水波的衍射现象，A错误；B错误； CD．随着波长的减小，当波长与狭缝宽度相比非常小时，水波将沿直线传播，衍射现象变得不明显，所以对应的波长关系为 C正确；D错误。 故选C。 【对点训练1】（23-24高二上·陕西西安·期末）如图所示，S为波源，M、N为两块挡板，其中M板固定，N板可上下移动，两板中间有一狭缝，此时测得A点没有振动，为了使A点能发生振动，可采用的方法有：①增大波源的频率；②减小波源的频率；③将N板向上移动一些；④将N板向下移动一些。以上方法正确的是（　　） A．①④ B．②③ C．①③ D．②④ 【答案】B 【详解】根据题意可知，测得A点没有振动，说明波没有发生明显的衍射现象，原因是MN间的缝太宽或波长太小，因此若使A处质点振动，可采用N板上移减小间距或增大波的波长，即减小波源频率，故②③正确，①④错误。 故选B。 ( 0 5 强化训练 ) 【基础强化】 1．（23-24高二下·宁夏石嘴山·期中）关于波的反射与折射，下列说法正确的是（　　） A．波发生反射时，波的频率不变，波速大小变小，波长变短 B．波发生反射时，波的频率、波长、波速大小均不变 C．波发生折射时，波的频率、波长、波速大小均发生变化 D．波发生折射时，波的频率发生改变，但波长、波速大小不变 【答案】B 【详解】AB．波发生反射时，波在同一种介质中传播，波的频率、波长、波速大小均不变，故A错误，B正确； CD．波发生折射时，波速发生变化，波的频率由波源决定，则波的频率不变，波长发生变化，故CD错误。 故选B。 2．（21-22高二上·辽宁锦州·期末）在用水波槽做衍射实验时，若打击水面的振子振动频率是6Hz，水波在水槽中的传播速度为0.6m/s，为观察到明显的衍射现象，小孔的直径d应为（　　） A．d<10cm B．50cm C．d>10cm D．10cm 【答案】A 【详解】水波的波长为 要观察到明显的衍射现象，则小孔的尺寸应比水波的波长小或者与波长相差不多，故选A。 3．机械波在传播过程中遇到障碍物时会发生反射，如果用射线表示波的传播方向，下列说法正确的是（　　） A．入射线与反射线一定在同一平面内，法线与这一平面垂直 B．入射线与反射线可能在法线同侧 C．“回声”是声波的反射现象 D．“回声”是声波的折射现象 【答案】C 【详解】AB．波的反射遵守波的反射定律，即反射线在入射线和法线所决定的平面内，分居法线两侧，故AB错误； CD．声波遇到障碍物时可发声反射，形成回声，因此 “回声”是声波的反射现象，故C正确，D错误。 故选C。 4．（23-24高二上·江苏泰州·期末）如图所示是利用水波槽观察到的水波衍射图样，从图样可知（　　） A．B侧波是衍射波 B．A侧相邻波纹间距大于B侧相邻波纹间距 C．如果孔的大小不变，减小水波波源的频率，衍射现象将更明显 D．增大挡板之间的间隙，衍射现象将更明显 【答案】C 【详解】A．由图可知，A侧波是衍射波，选项A错误； B．两侧的波的频率和波速相同，波长相同，即A侧相邻波纹间距等于B侧相邻波纹间距，选项B错误； C．当孔的尺寸与波长差不多或者小于波长时会产生明显的衍射现象，则如果孔的大小不变，减小水波波源的频率，则波长变大，衍射现象将更明显，选项C正确； D．增大挡板之间的间隙，衍射现象将变得不明显，选项D错误。 故选C。 5．（23-24高二上·山东青岛·期末）图，挡板M固定，挡板N可自由移动，将M、N两板间空隙当做一个“小孔”做水波的衍射实验，出现了图示中的图样。实验中观测到P点水面没有振动，为了使P点处能发生振动，可采用的办法是（　　） A．增大波源的频率 B．减小波源的周期 C．将N板水平向左移动一些 D．将N板水平向上移动一些 【答案】D 【详解】P点的水没有振动起来，说明在P点，波没有明显衍射过去，原因是M、N间的缝太宽或波长太小，因此若使P点的水振动起来，可采用N板上移减小小孔的间距；也可以增大水波的波长，由 可知，减小振源的频率或者增大波源的周期。故ABC错误；D正确。 故选D。 【素养提升】 6．如图是观察水面波衍射的实验装置，AC和BD为两块挡板，AB是—个孔，O是波源，图中已画出波源所在区域波的传播情况，每两条相邻波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长，则对于波经过孔之后的传播情况，下列描述正确的是（　　） A．此时不能观察到波的衍射现象 B．如果将孔AB扩大，有可能观察不到明显的衍射现象 C．挡板前后波及间距可能不相等 D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，能更明显地观察到衍射现象 【答案】B 【详解】A．不管孔的大小，衍射都会存在，所以此时能观察到衍射现象，故A错误； B．如果将孔AB扩大，孔的尺寸远大于波的波长，可能观察不到明显的衍射现象，故B正确； C．波通过孔后，波速、频率、波长不变，则挡板前后波纹间的距离相等，故C错误； D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，因为波速不变，根据 可知波长变小，所以不能更明显地观察到衍射现象，故D错误。 故选B。 7．海豚在水里通过声波的反射来定位，判断前方是否有猎物或障碍物。科学家通过实验发现，海豚能辨别出大小只有5mm的障碍物。请估算海豚发出的声波频率的范围并说明理由（已知声波在水中的传播速度约为1500m/s）。 【答案】3×105Hz，理由见解析 【详解】海豚通过声波的反射来定位，这要求发出的声波遇到障碍物不能发生明显的衍射现象。已知障碍物的尺寸为5mm，则海豚发出的声波波长要小于5mm。 根据公式：，可得 所以，海豚发出的声波频率应高于3×105Hz。 【能力培优】 8．如图所示是一个可观察水波衍射的水波发生槽，振源的频率是可以调节的，槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔，观察水波的传播，也可以在水槽中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播。思考下列问题： （1）水波遇到小孔时，会观察到什么现象？依次减小小孔尺寸，观察到的现象有什么变化？ （2）当水波遇到较大的障碍物时，会观察到什么现象？当障碍物较小时，会观察到什么现象？ 【答案】(1)水波遇到小孔时，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”，小孔的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显；(2)当水波遇到较大的障碍物时，将会返回，当障碍物较小时，波能继续向前传播 【详解】(1)水波遇到小孔时，发生衍射现象，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”，小孔的尺寸减小时，衍射现象越明显，即水波到达“阴影区”的现象更加明显。 (2)当水波遇到较大的障碍物时，将会返回，当障碍物较小时，波能绕过障碍物继续向前传播。 9．平静的湖面有相距为1m的两个小木块A、B，距小木块A左侧3m处有一波源在时刻开始向上振动，经4s小木块A第一次达到波峰，再经3s小木块B第一次达到波谷，波源和小木块A、B在一条直线上。 （1）求这列横波的周期和波速； （2）求这列横波的波长； （3）若此波在传播过程中遇到一根竖立的芦苇杆，是否会发生明显的衍射现象。 【答案】（1）4s，1m/s；（2）4m；（3）会发生明显的衍射现象 【详解】 （1）令x1=3m，x2=1m，波速为v，周期为T，由题意有 ， 解得 ， （2）该横波波长为 （3）由于大于竖立芦苇杆的直径，所以当波通过竖立的芦苇杆时会发生明显的衍射现象。 ( 9 )原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 $$