3.2 波的反射和折射（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（鲁科版2019）

第2节　波的反射和折射 核心 素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 知道波面、波线的概念，了解波的反射定律及折射定律。 掌握波的反射定律和折射定律，并能解释波的反射与折射现象。 能与他人合作进行水波实验，探究波的反射规律。 通过学习惠更斯原理及声呐的应用，体验探究科学的艰辛及伟大意义。 [对应学生用书P59] 知识点一 波的反射 1.波面和波线❶ (1)波面：从波源发出的波经过相同传播时间到达的各点所组成的面。 (2)波的分类 ①球面波：波面是球面。 ②平面波：波面是平面。 (3)波线：用来表示波的传播方向的线，波线与各个波面总是垂直的。 2．波的反射 (1)定义：波从一种介质传播到另一种介质表面时，返回原来介质传播的现象。 (2)反射定律❷：反射波的波线、入射波的波线和法线在同一平面内，反射波的波线和入射波的波线分别位于法线的两侧，反射角等于入射角。 1．只有平面波的波面才与波线垂直。(　　×　　) 2．任何波的波线都表示波的传播方向。(　　√　　) 3．反射波的频率、波速与入射波相同。(　　√　　) 知识点二 波的折射 1.波的折射 (1)折射现象：波在传播过程中，由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生偏折的现象。 (2)折射定律：＝❸。式中，v1和v2分别是波在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的波速。 2．惠更斯原理 (1)内容：介质中波面上的每一个点，都可视为一个新的波源。每个新波源发出子波，经过一定时间后，这些子波的包络面就构成了下一时刻的波面。 (2)包络面：某时刻与所有子波波面相切的曲面。 1．入射角与折射角的比等于入射波波速与折射波波速的比。(　　×　　) 2．折射波的频率、波速与入射波相同。(　　×　　) 批注❶： 批注❷： 批注❸： [对应学生用书P60] 探究点一　波的反射现象的理解与应用　(科学思维之提升) ►情境探究 (1)对着峭壁大喊一声能听到回声，这是什么原理呢？ 提示：因为可以接收到声波在峭壁上的反射。 (2)结合所学知识，请问当波传到两种介质交界面发生反射时，会遵循哪些规律呢？ 提示：①入射波的波线、法线、反射波的波线在同一平面内； ②入射波的波线与反射波的波线分居法线两侧； ③反射角等于入射角； ④反射波的波长、频率、波速与入射波相同。 ►探究归纳 1．波的反射现象的理解 (1)波发生反射时，波的传播方向发生了变化。 (2)反射波和入射波在同一介质中传播。介质决定波速，因此波速不变，波的频率是由波源决定的，因此波的频率也不改变，根据公式λ＝可知，波长也不改变。 2．波的反射现象的应用 (1)回声测距： ①当声源不动时，声波遇到了障碍物会返回来继续传播，而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。 ②当发声声源以速度v向静止的障碍物运动或障碍物以速度v向静止的发声声源运动时，障碍物到声源的距离为s＝(v声＋v)。 ③当发声声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离静止的发声声源时，障碍物到声源的距离为s＝(v声－v)。 (2)超声波定位： 蝙蝠能发出超声波，超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来，蝙蝠就是根据反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置，从而确定飞行方向。另外海豚、雷达也是利用波的反射来定位或测速的。 ►对点例练 甲、乙两人站在一堵墙前面，两人相距2a，距墙均为a。当甲开了一枪后，乙在经过时间t后听到第一声枪响，则乙在什么时候能听到第二声枪响(　　) A．听不到 B．甲开枪后3t时间 C．甲开枪后2t时间 D．甲开枪后t时间 C　解析：乙听到的第一声枪响必然是甲开枪的声音直接传到乙的耳中，故t＝。甲、乙二人及墙的位置如图所示，因此乙听到的第二声枪响必然是经墙反射传来的声音，由反射定律可知，声波的波线如图中AC和CB所示，由几何关系可得xAC＝xCB＝2a，故第二声枪响传到乙耳中的时间为t′＝＝＝2t。 [练1] 利用超声波可以探测鱼群的位置。现有一只装有超声波发射和接收装置的渔船，当它向选定的方向发射出频率为5.8×104 Hz的超声波后，经过0.64 s收到从鱼群反射回来的反射波。已知5.8×104 Hz的超声波在水中的波长为2.5 cm，则这群鱼跟渔船的距离为________ m。 答案：464 解析：设渔船跟鱼的距离为s，根据波的反射有t＝， 又v＝λf， 联立并代入数据得s＝464 m。 波的反射的应用技巧 (1)一般情况下的反射，反射波和入射波是遵从反射定律的，可用反射定律作图后再求解。 (2)回声测距是波的反射的一个重要应用，它的特点是声源正对障碍物，声源发出的声波与回声在同一条直线上传播。回声测距时，要特别注意声源是否运动，若声源运动，则声源发出的原声至障碍物再返回至声源处的这段时间，与声源的运动时间相同。 (3)解决波的反射问题，关键是根据物理情景规范做出几何图形，然后利用几何知识结合物理规律进行解题。 探究点二　波的折射现象的理解与应用　(科学思维之提升) ►情境探究 如图所示，波在传播过程中，从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生偏折的现象称为波的折射。问： (1)折射现象中，入射波的波线和折射波的波线以及法线具有什么特点？ 提示：入射波的波线、法线、折射波的波线在同一平面内，入射波的波线与折射波的波线分居法线两侧。 (2)在波的折射现象中，波速、频率和波长如何变化？ 提示：在波的折射现象中，频率不变，波速和波长均发生改变。 (3)波在介质1和介质2中的传播速度满足什么关系？ 提示：入射角的正弦与折射角的正弦之比等于波在第一种介质中的传播速度与波在第二种介质中的传播速度之比，即＝。 ►探究归纳 1．波的反射和折射的比较 波向前传播，在两种介质的交界面上同时发生了反射和折射现象，一些物理量相应的发生了变化，比较如下： 波的反射 波的折射 传播方向 改变， θ反＝θ入 改变， θ折≠θ入 频率f 不变 不变 波速v 不变 改变 波长λ 不变 改变 2.波的折射现象的理解 (1)表达式：＝，如图所示。 (2)理解 ①折射的原因：波在两种介质中的传播速度不同。 ②由于波在一种介质中传播的波速是一定的，所以是一个只与两种介质的性质有关，与入射角、折射角无关的常数，叫作第二种介质相对第一种介质的折射率，即n21＝。 ③当v1>v2时，i>r，折射波的波线靠近法线；当v1<v2时，i<r，折射波的波线远离法线；当入射波的波线垂直于界面入射(i＝0°)时，r＝0°，波的传播方向不变。 ►对点例练 如图所示，某列波以60°的入射角由甲介质射到乙介质，在两种介质的交界面上同时发生反射和折射。若反射波的波线与折射波的波线的夹角为90°，且该波在乙介质中的波速为1.2×105 km/s。求： (1)该波的折射角为多少？ (2)该波在甲介质中的传播速度为多少？ (3)该波在两种介质中的波长比为多少？ 答案：(1)30°　(2)2.08×105 km/s　(3) 解析：(1)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°。 (2)由波的折射定律得＝，所以v甲＝·v乙＝·v乙＝×1.2×105 km/s＝2.08×105 km/s。 (3)因波长λ＝，又因为波在两种介质中的频率相同，则＝＝＝。 [练2] 图中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　解析：波线1和2都在介质a中传播，故1和2的频率、波速、波长均相等，A、B错误；波线1和3是在两种不同的介质中传播，波速不同，但波源没变，因而频率相等，由λ＝得波长不同，C错误，D正确。 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，以解决有关波长的问题。 探究点三　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练3] (科技情景)(多选)下列关于波的认识，哪些是正确的(　　) A．潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，利用的是波的反射 B．隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的 C．雷达的工作原理利用了波的折射 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 ABD　解析：潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，声呐采用的是超声波，超声波的方向性好，遇到障碍物容易反射，应用了波的反射现象，A正确；隐形飞机的原理是通过降低飞机的声、光、电等可探测特征量，使雷达等防空探测器无法早期发现，所以隐形飞机在机身表面涂有高效吸收雷达电磁波的物质，使得雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，从而很难被发现，B正确；雷达的工作原理是利用波的反射，C错误；深水区和浅水区视为不同介质，因此 波的传播方向发生改变，属于波的折射，D正确。 [练4] (生活情景)已知医用B超仪发出的超声波频率为7.25×104 Hz，这种超声波在人体内部传播的波长为2 cm。现在给某患者的肝脏病变部分进行检测时(如图所示)，从探头发出的同一超声脉冲波经病变部分反射回到探头有两个信号，相隔时间为Δt＝32 μs。 问题：试计算患者病变部分的厚度。 答案：2.32 cm 解析：超声脉冲波在病变区的前后界面上会发生两次反射，忽略波速在肝脏中的速度变化，则有 v＝λf＝2×10－2×7.25×104 m/s＝1 450 m/s， 所以病变区的厚度为： h＝＝ m＝2.32 cm。 学科网（北京）股份有限公司 $$