3.3 机械波的传播现象（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年新教材高中物理选择性必修第一册（粤教版2019）

第三节　机械波的传播现象 课程内容要求 核心素养提炼 1.知道波的衍射现象和发生明显衍射的条件． 2．了解惠更斯原理． 3．了解机械波的反射和折射现象． 4．知道波的干涉现象．了解干涉的条件和干涉图样的特点. 1.物理观念：波的衍射、反射、折射、干涉． 2．科学思维：对比分析波的衍射、干涉现象． 3．科学探究：通过实验观察波传播中的衍射、干涉等现象. 一、机械波的衍射与惠更斯原理 1．波的衍射 (1)定义：波绕过障碍物继续传播的现象． (2)两种衍射现象 ①在水波槽中，在波源的前方放一个障碍物，使波源振动产生水波．当障碍物较大时波被阻挡，在靠近障碍物后面没有波，只是在障碍物较远处，波才稍微有些绕到“影子”区域里，如图甲所示，虽然发生衍射现象，但不明显． 当障碍物较小时波能绕过障碍物继续前进，如同障碍物不存在一样，如图乙所示，衍射现象明显． ②在水波槽中，在波源前方放一个有孔的屏，使波源振动产生水波．当孔较大时发现水波经过孔后在连接波源与孔的两边的两条直线所限制的区域里传播，如图丙所示．当孔较小时发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波，如图丁所示，衍射现象明显． (3)发生明显衍射现象的条件 只有当缝、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． 2．惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可以看作是发射子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波的包络就形成新的波面． [思考] 观察甲、乙两图，水波通过甲、乙两缝时传播情况为什么不同？ 提示　甲图中缝的宽度比水波波长大的多，衍射现象不明显．乙图中缝的宽度跟水波波长差不多，可以发生明显的衍射现象． 二、机械波的反射和折射 1．反射、折射现象 若一列机械波从一种介质入射到另一种介质的界面上时，波的一部分发生反射，另一部分会发生折射． 2．反射、折射的规律 (1)反射波的频率、波长和波速都与入射波相同． (2)折射波的频率与入射波的频率相同．波长和波速都发生了变化． 三、机械波的干涉 1．波的叠加原理：几列波相遇时能够保持各自的运动特征，继续传播，在它们重叠的区域里，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． 2．波的干涉 (1)定义 波的干涉：频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时，某些区域的振动总是加强、某些区域的振动总是减弱的现象． (2)稳定干涉条件 ①两列波的频率必然相同． ②两个波源的相位差必须恒定． ③两列波振动方向相同． [思考] 如图，两个波源产生的两列水波相遇后形成了稳定的干涉图样．那么这两列水波具有哪些相同的特征？ 提示　频率相同，相差恒定，振动方向相同三个特征． 探究点一　波的衍射现象 光是一种波，如图为灯泡发光的情况． (1)生活中见到的光的传播有何特点？ (2)满足什么条件才能使光发生明显的衍射现象？ 提示　(1)沿直线传播． (2)障碍物或孔的尺寸与光的波长相差不多． 1．关于衍射的条件 应该说衍射是没有条件的，衍射是波特有的现象，一切波都可以发生衍射．衍射只有“明显”与“不明显”之分，障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多，或比波长小是产生明显衍射的条件． 2．波的衍射实质分析 波传到小孔(障碍物)时，小孔(障碍物)仿佛是一个新波源，由它发出的与原来同频率的波在小孔(障碍物)后传播，就偏离了直线方向．波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况． 3．衍射现象与观察的矛盾 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． 如图所示，O是水面上一波源，实、虚线分别表示该时刻的波峰、波谷，A是挡板，B是小孔，经过一段时间，水面上的波形将分布于(　　) A．整个区域　　　　　　 B．阴影Ⅰ以外区域 C．阴影Ⅱ以外区域 D．阴影Ⅲ以外区域 B　[由题图中可直观看出，半波长为实虚两圆半径之差，且可看出挡板A的尺寸比波长大得多，而小孔B与波长长度差不多．据波发生明显衍射的条件知，该波在挡板A处的衍射现象很不明显，即可认为波沿直线传播，故Ⅰ区内水面无波形，故A、C、D选项不正确；该波的波长与小孔B差不多，能够发生明显的衍射，故在阴影区Ⅲ、Ⅱ之内明显存在衍射波的波形，故B选项正确．] [变式]　在[例1]中，若使图中Ⅰ区域的水面振动起来，在不去掉挡板A的情况下，可采取的措施是什么？ 提示　方法一是减小挡板A的宽度，使挡板A的宽度与水波的波长相差不多． [训练1]　小河中有一个实心桥墩P，A为靠近桥墩浮在水面上的一片树叶，俯视图如图所示，小河水面平静．现在S处以某一频率拍打水面，要使形成的水波能带动树叶A振动起来，可以采用的方法是(　　) A．提高拍打水面的频率 B．降低拍打水面的频率 C．无论怎样拍打，A都不会振动起来 D．无需拍打，A也会振动起来 B　[使形成的水波能带动树叶A振动起来，必须使水面形成的水波波长足够长，衍射现象明显，可以采用的方法是降低拍打水面的频率，选项B正确．] 探究点二　波的反射、折射问题 (1)对着山崖或高墙说话时，能听到回声；夏日的雷声在云层间轰鸣不绝，这属于什么现象？ 提示　这属于声波的反射现象． (2)如图所示两波的示意图，波由介质Ⅰ进入介质Ⅱ时频率变化吗？波长变化吗？ 提示　频率不变化，波长改变． 1．波的反射、折射现象的对比 波现象 比较项　　　　　 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 (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). 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 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．] [训练2]　人在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话的声音要洪亮，是因为(　　) A．室内空气不流动　　　 B．室内声音多次反射 C．室内声音发生折射 D．室内物体会吸附声音 B　[人在室内听到的声音洪亮是因为声波在室内被室内物体、墙壁反射甚至经过多次反射而得到加强．因而显得声音洪亮，B项正确．] 探究点三　干涉图样的特征及形成 在介质中常常有几列波同时传播．例如，把两块石子在不同的地方投入池塘的水中，就有两列波在水面上传播．两列波相遇时会不会像两个小球相碰时那样，都能改变原来的运动状态呢？在什么条件下会形成稳定的干涉图样呢？ 提示　不会改变原来的运动状态．波的传播具有独立性，两列波会保持原来的特征继续传播．若两列波频率相等，相差恒定，振动方向相同，则在叠加区域形成稳定的干涉图样． 1．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． 2．振动加强点和减弱点的判断 (1)从振幅判断：振幅为两列波的振幅之和的点为加强点，加强点连成的区域为加强区；振幅为两列波的振幅之差的点为减弱点，减弱点连成的区域为减弱区． (2)从条件上判断：振动方向始终相同的两波源产生的波叠加时，加强、减弱条件如下：设点到两波源的距离之差为Δr，那么当Δr＝kλ(k＝0,1,2，…)时该点为加强点，当Δr＝kλ＋(k＝0,1,2，…)时为减弱点，若两波源振动方向始终相反，则上述结论正好相反． (3)从现象上判断：若某时刻某点是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇，该点为振动加强点；若某时刻某点是波峰与波谷相遇，则该点为振动减弱点． 如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，虚线表示波谷，下列说法正确的是(　　) ①a、c两点的振动加强，b、d两点的振动减弱　②e、f两点的振动介于加强点和减弱点之间　③经适当的时间后，加强点和减弱点的位置互换　④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 A．①③　　　　　　　　　 B．②③ C．①④ D．②④ C　[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两点是波峰和波谷相遇的点，都是振动减弱的点，①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，②错误；相干波源叠加产生的干涉是稳定的，不会随时间变化，③错误；因形成干涉图样的质点都在不停地做周期性振动，经半个周期步调相反，④正确．] [训练3]　(多选)如图所示，S1、S2为两个振动情况完全一样的波源，两列波的波长都为λ，它们在介质中产生干涉现象，S1、S2在空间共形成6个振动减弱的区域(图中虚线处)，P是振动减弱区域中的一点，从图中可看出(　　) A．P点到两波源的距离差等于1.5λ B．P点始终不振动 C．P点此时刻振动最弱，过半个周期后，振动变为最强 D．当一列波的波峰传到P点时，另一列波的波谷也一定传到P点 ABD　[振动减弱点到两波源距离差等于半波长的奇数倍，根据P点所处虚线的位置可知，P点到S1、S2的距离之差为1.5λ，选项A正确；两波源振动情况相同，故P点振幅为零，P点始终为振动减弱点，选项B正确，选项C错误；两列波在P点合位移为零，故其中一列波的波峰传播到P点时，另一列波的波谷也一定传播到P点，选项D正确．] 1.(波的反射和折射)(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 BC　[波发生反射时，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，波速和波长发生变化．故B、C正确，A、D错误．] 2.(波的衍射)如图所示是利用水波槽观察到的水波衍射图像，从图像可知(　　) A．B侧波是衍射波 B．A侧波速与B侧波速相等 C．减小挡板间距离，衍射波的波长将减小 D．增大挡板间距离，衍射现象将更明显 B　[B侧波在传播过程中遇到带有窄缝的挡板后发生衍射，A侧水波是衍射波，A错误；同种机械波在相同介质中的传播速度相同，B正确；减小挡板间距离，衍射现象会更明显，但是衍射波的波速不变，频率不变，故波长不变，C错误；因为只有当挡板间距跟波长差不多，或者比波长更小时，衍射现象才明显，所以当增大挡板间距离时，衍射现象将变得不明显，D错误．] 3.(波的干涉图样)如图所示是两个完全相同的波源在介质中叠加而成的干涉的示意图，实线表示波峰，虚线表示波谷，则下列说法正确的是(　　) 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 C　[A、C连线所在区域为振动加强区域，经过任意时间，该区域仍然是振动加强区域，A错误，C正确；B、D连线所在区域为振动减弱区域，经过任意时间，该区域仍然是振动减弱区域，B、D错误．] 4.(波长和干涉减弱点的判断)波源S1和S2振动方向相同，频率均为4 Hz，分别置于均匀介质中的x轴上的O、A两点处，OA＝2 m，如图所示．两波源产生的简谐横波沿x轴相向传播，波速为4 m/s.已知两波源振动的初始相位相同．求： (1)简谐横波的波长； (2)OA间合振动振幅最小的点的位置． 解析　(1)设简谐横波波长为λ，频率为f，则v＝λf 代入已知数据，得λ＝1 m. (2)以O为坐标原点，设P为OA间的任意一点，其坐标为x，则两波源到P点的波程差Δl＝x－(2－x)，0≤x≤2.其中x、Δl以m为单位． 合振动振幅最小的点的位置满足Δl＝k＋λ，k为整数，所以x＝k＋ 可得－≤k≤，故k＝－2、－1、0、1 解得x＝0.25 m,0.75 m,1.25 m,1.75 m. 答案　(1)1 m　(2)距O点0.25 m、0.75 m、1.25 m、1.75 m 学科网（北京）股份有限公司 $$