3.3 波的干涉和衍射&3.4 多普勒效应及其应用（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3节　波的干涉和衍射 第4节　多普勒效应及其应用 核心 素养 物理观念 科学思维 科学探究 科学态度与责任 能认识波的干涉、衍射及多普勒效应等现象；能解释身边与机械波有关的物理现象；具有与机械波相关的运动和相互作用观念及能量观念。 掌握波的衍射现象和发生明显衍射的条件，会分析波的干涉中振动加强点和减弱点的振动情况。 探究发生明显衍射现象的条件。 了解波的干涉在生活中的应用，会应用多普勒效应解释相关的现象。 [对应学生用书P63] 知识点一 波的叠加原理、波的干涉现象 1.波的叠加原理：在几列波相遇的区域里，介质中的质点同时参加相遇的波列的振动，质点的位移等于相遇波列单独存在时在该处引起的位移的矢量和❶。 2．波的干涉现象 (1)定义：振动频率和振动方向相同的两列波叠加后，振动加强和振动减弱的区域互相间隔、稳定分布的现象❷。 (2)稳定干涉的条件：频率和振动方向相同的波❸。 (3)干涉现象是波的重要特征之一。 1．只有频率相同的两列波才可以叠加。(　　×　　) 2．两列频率不同的水波不能发生波的干涉现象。(　　√　　) 3．在振动减弱的区域，各质点都处于波谷。(　　×　　) 知识点二 波的衍射现象❹ 1.定义：波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象。 2．发生明显衍射现象的条件：障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差不大，或者比波长更小。 3．衍射是波特有的现象，一切波都能产生衍射现象。 1．一切波遇到障碍物都会发生衍射现象。(　　√　　) 2．狭缝的宽度远大于水波的波长时，会有明显的衍射现象。(　　×　　) 3．“隔墙有耳”指的是声波的衍射现象。(　　√　　) 知识点三 多普勒效应及其应用 1.多普勒效应：因波源与观察者之间有相对运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象。 2．多普勒效应产生的几种情况 (1)波源与观察者没有发生相对运动时，观察者接收到的波的频率不变，即等于波源的频率。 (2)当波源与观察者相互靠近时，观察者接收到的波的频率会增大。 (3)当波源与观察者相互远离时，观察者接收到的波的频率会减小。 3．多普勒效应的应用：测量汽车速度❺；医学诊断❻。 1．发生多普勒效应时，说明波源的频率变大或变小了。(　　×　　) 2．只有声波才能发生多普勒效应。(　　×　　) 批注❶：波的独立传播性 几列波在介质中传播，相遇后仍能保持各自原有的运动特征不变并继续传播。 批注❷：干涉图样：波的干涉中所形成的图样，如图所示。 批注❸：任何频率的波都能够相互叠加，但是只有频率和振动方向相同的波才能够发生干涉。 批注❹：波的衍射现象分析 波传到孔隙(或障碍物)时，孔隙(或障碍物)仿佛是一个新的波源，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。波的直线传播是衍射不明显时的近似情形。 批注❺：测速仪向行进的汽车发射某个频率的无线电波，无线电波遇到车辆发生反射，车辆相当于反射波的波源。测速仪接收到反射波，通过分析反射波的频率就可显示出车辆的行驶速度。 批注❻：向人体组织发射高频率的超声波，再根据接收的反射超声波频率变化来测定心脏跳动、血管血流快慢等情况，依此对病变作出诊断。 [对应学生用书P64] 探究点一　波的干涉的理解　(科学思维之提升) ►情境探究 (1)两个运动的小球相遇后会发生碰撞而各自改变运动状态，那么在空间传播的两列波相遇后又会发生什么现象呢？ 提示：两列波相遇区域的质点振动幅度会变大。 (2)相遇后的两列波是否也会像两个小球那样各自改变原来的运动状态呢？ 提示：两列波相遇后不会像两个小球一样因碰撞而改变原来的运动状态，它们都保持各自的运动状态，彼此都没有受到影响。 ►探究归纳 1．干涉条件的理解 (1)波的叠加是无条件的，任何频率的两列波在空间中相遇时都会叠加。但稳定的干涉现象的产生是有条件的：必须是两列同类型的波，且波的频率要相同、振动方向要在同一直线上、相位差要恒定。 (2)如果两列波的频率不相等，在同一种介质中传播时其波长就不相等，这样就不能形成稳定的振动加强点和减弱点。因此我们也就看不到稳定的干涉现象，只能是一般的振动叠加现象。 2．加强点(区)和减弱点(区)的理解 (1)加强点：在某些点，两列波引起的振动始终相互加强，质点的振动最剧烈，振动的振幅等于两列波的振幅之和，即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，即A＝|A1－A2|，若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于零，即保持静止。 3．干涉图样及其特征的理解 (1)干涉图样：如图所示(实线为波峰，虚线为波谷)。 (2)特征： ①加强点和减弱点的位置固定不变。 ②加强点始终加强，减弱点始终减弱(加强点与减弱点不随时间变化)。 ③加强点与减弱点互相间隔。 ►对点例练 (2021·江苏扬州大桥高级中学高二月考)如图所示是水面上两列频率相同的波在某时刻的叠加情况，以波源S1、S2为圆心的两组同心圆弧分别表示同一时刻两列波的波峰(实线)和波谷(虚线)。已知S1的振幅A1＝4 cm，S2的振幅A2＝3 cm，则下列说法正确的是(　　) A．质点D是振动减弱点 B．质点A、D在任何时刻的高度差都是14 cm C．再过半个周期，质点B、C是振动加强点 D．质点C的振幅为1 cm D　解析：质点D是谷谷相遇点，是振动加强点，A错误；质点A是峰峰相遇点，是振动加强点，而D点也是振动加强点，在该时刻的高度差为2(A1＋A2)＝14 cm，但任意时刻的高度差不一定是14 cm，B错误；质点B、C是振动减弱点，则再过半个周期，质点B、C还是振动减弱点，C错误；质点C的振幅为A＝A1－A2＝1 cm，D正确。 [练1] (2021·江苏沛县教师发展中心高二月考)如图所示，实线与虚线分别表示振幅、频率均相同的两列简谐横波的波峰和波谷，此刻，M是波峰与波峰的相遇点。设这两列波的振幅均为A，则下列说法正确的是(　　) A．此时刻位于O处的质点正处于平衡位置 B．P、N两处的质点始终处在平衡位置 C．随着时间的推移，M处的质点将向O处移动 D．从此时刻起，经过四分之一个周期，M处的质点到达平衡位置，且往上运动 B　解析：O是波谷与波谷的相遇点，此时刻位于O处的质点正处于波谷位置，A错误；P、N两处是波峰与波谷相遇点，是振动减弱的点，两列波的振幅又相同，故该处的质点始终处在平衡位置，B正确；M处的质点始终在平衡位置上下振动，不会随波移动，C错误；从此时刻起，经过四分之一个周期，M处的质点到达平衡位置，且往下运动，D错误。 振动加强点和减弱点的判断 (1)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、减弱的条件如下：设某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…)时该点为减弱点；若两波源振动的方向始终相反，则上述结论正好相反。 (2)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，则该点为振动加强点；若某时刻某点是波峰与波谷相遇，则该点为振动减弱点。 探究点二　波的衍射现象　(科学思维之提升) ►情境探究 如图所示是一个可观察水波衍射现象的水波发生槽，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狭缝，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)水波遇到狭缝时，会观察到什么现象？依次减小狭缝尺寸，观察到的现象有什么变化？ 提示：水波遇到狭缝时，水波能穿过狭缝，并能到达挡板后面的“阴影区”；狭缝的尺寸减小时，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，会观察到什么现象？当障碍物较小时，会观察到什么现象？ 提示：当水波遇到较大的障碍物时，将会返回；当障碍物较小时，水波会绕过障碍物继续向前传播。 ►探究归纳 1．发生明显衍射的条件 障碍物或孔隙的尺寸比波长小，或跟波长差不多。 (1)障碍物或孔隙尺寸的大小，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明显的衍射现象。 (2)波传到孔隙(或障碍物)时，孔隙(或障碍物)仿佛一个新的波源，由它发出与原来同频率的波(称为子波)在孔隙(或障碍物)后传播，于是就出现了偏离直线传播的衍射现象。 (3)当孔隙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，衍射现象也不容易观察到。 2．波的衍射和干涉的比较 波的衍射 波的干涉 定义 波可以绕过障碍物或通过孔隙继续传播，这种现象叫作波的衍射 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，这种现象叫作波的干涉 涉及的波 源个数 一个波源 两个波源 现象 波能偏离直线而传播到直线以外的空间 形成振动加强区和振动减弱区相间隔存在的稳定的干涉图样 可观察 到现象 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更小时，能观察到明显的衍射现象 两列波的频率和振动方向相同，且两个波源的相位差保持不变 相同点 干涉和衍射都是波特有的现象 ►对点例练 (2021·北京海淀101中学高一期末)如图所示，S是在水面上振动的波源，M、N是水面上的两块挡板，其中N板可以上下移动，两板中间有一狭缝，此时测得A处水面没有振动，为使A处水面也能发生振动，可采用的方法是(　　) A．使波源的频率增大 B．使波源的频率减小 C．使波源的周期减小 D．移动N板使狭缝的间距增大 B　解析：当波源频率增大时，波长减小，衍射现象会变弱，振动减弱，A错误；当波源频率减小时，波长增大，可以使衍射现象更加明显，B正确；当波源的周期减小时，波源频率增大，波长减小，衍射现象会变弱，振动减弱，C错误；当移动N使狭缝的间距增大时，衍射现象会变弱，振动减弱，D错误。 [练2] (2021·山东青岛高二期末)如图是一观察水面波衍射的实验装置，其中AC和BD是两块挡板，AB是一个孔，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)之间的距离表示一个波长，相邻波纹间距离与AB间距相等。下列说法正确的是(　　) A．水面波经过孔后，波速减小 B．水面波经过孔后，波纹间距离可能变大 C．若波源频率增大，衍射现象会更明显 D．如果将孔扩大，可能观察不到明显的衍射现象 D　解析：在同一介质中，波速不变，A错误；频率由波源决定，保持不变，由λ＝可知波长不变，即水面波经过孔后波纹间距离不变，B错误；若波源频率增大，波长变短，孔的尺寸大于波长，衍射现象会变得不明显，C错误；如果将孔扩大，大于波长，衍射现象会变得不明显，可能观察不到明显的衍射现象，D正确。 使波产生明显衍射的两种方法 (1)在波长不变的情况下改变障碍物或孔隙的大小。 (2)在障碍物或孔隙不变的情况下改变波长。 探究点三　多普勒效应及其应用　(科学思维之提升) ►情境探究 警车鸣笛从你身边飞速驶过，在警车向你靠近和远离的过程中，你会听到警笛的声音在变化。思考下列问题： (1)你听到警笛的音调有何不同？ 提示：警车靠近时，音调变高；警车远离时，音调变低。 (2)实际上警笛的音调会变化吗？ 提示：实际上警笛的音调不会变化。 (3)听到音调发生变化的原因是什么？ 提示：警车与观察者如果相互靠近，观察者接收到的频率增大；二者如果相互远离，观察者接收到的频率减小，因此观察者会感觉警笛音调发生变化。 ►探究归纳 1．发生多普勒效应时几种情况的比较 相对位置 图示 结论 波源S和观察者A无相对运动 f波源＝f观察者，接收频率不变 波源S不动，观察者A运动，由A→B或由A→C 若靠近波源，由A→B则f波源＜f观察者，接收频率变高； 若远离波源，由A→C则f波源＞f观察者，接收频率变低 若观察者A不动，波源S运动，由S1→S2 f波源＜f观察者，接收频率变高 2.当波源与观察者相互接近，观察者接收到的频率变大；反之，观察者接收到的频率变小。 3．发生多普勒效应时，不论观察者接收到的频率发生了怎样的变化，波源的真实频率都没有发生任何变化。 ►对点例练 (多选)如图甲所示，男同学站立不动吹口哨，一位女同学坐在秋千上来回摆动，下列关于女同学的感受，说法正确的是(　　) A．女同学从A向B运动过程中，她感觉哨声音调变高 B．女同学从E向D运动过程中，她感觉哨声音调变高 C．女同学在C点向右运动时，她感觉哨声音调不变 D．女同学在C点向左运动时，她感觉哨声音调变低 AD　解析：女同学荡秋千的过程中，只要她有向右的速度，她就有靠近声源的趋势，根据多普勒效应，她就能感到哨声音调变高；反之，女同学向左运动时，她就能感到音调变低，A、D正确，B、C错误。 [练3] 假如一辆汽车在静止时，喇叭发出的声音频率是300 Hz，那么在汽车向你驶来又擦身而过的过程中，下列说法正确的是(　　) A．当汽车向你驶来时，听到声音的频率等于300 Hz B．当汽车向你驶来时，听到声音的频率小于300 Hz C．当汽车和你擦身而过后，听到声音的频率大于300 Hz D．当汽车和你擦身而过后，听到声音的频率小于300 Hz D　解析：汽车在静止时喇叭发出声音的频率是300 Hz，根据多普勒效应，当汽车向你驶来时，两者间距变小，则听到喇叭声音的频率大于300 Hz，A、B错误；当汽车和你擦身而过后，两者间距变大，则听到喇叭声音的频率小于300 Hz，C错误，D正确。 探究点四　解决实际问题　(科学态度与责任之落实) [练4] (科技情景)(2021·江苏常州高二期末)噪声会影响我们的日常生活，佩戴具有主动降噪功能的耳机可以有效降低噪声干扰。这种耳机的消音原理如图所示，耳机内设有麦克风收集周围环境中的噪声信号，耳机的处理器能根据噪声情况，产生相应的反噪声声波，使合成后声音的响度大大降低。下列关于主动降噪耳机的说法中正确的是(　　) A．主动降噪耳机是根据声波的多普勒效应制成的 B．反噪声声波与噪声振幅、频率相同，步调相反 C．反噪声声波与噪声振幅、频率相同，步调相同 D．只要反噪声声波频率是噪声频率的整数倍，都可以有效降噪 B　解析：主动降噪耳机是根据声波的干涉现象制成的，A错误；反噪声声波与噪声振幅、频率相同，步调相反，使合成后声音的响声大大降低，B正确，C错误；有效降噪必须使反噪声声波与噪声振幅、频率相同，步调相反，D错误。 [练5] (科技情景)(多选)下列选项中的说法与多普勒效应有关的是(　　) A．科学家用激光测量月球与地球间的距离 B．医生利用超声波探测病人血管中血液的流速 C．技术人员用超声波探测金属、陶瓷、混凝土中是否有气泡 D．交通警察向车辆发射超声波并通过测量反射波的频率来确定车辆行进的速度 BD　解析：当观察者与测量对象无相对运动时，不发生多普勒效应，A、C错误；当观察者与测量对象有相对运动时，发生多普勒效应，根据接收频率的变化可以进行测速，B、D正确。 [练6] (生活情景)(2021·福建莆田高二期末)分析下列物理现象：①“空山不见人，但闻人语响”；②围绕发声的双股音叉走一圈，听到声音忽强忽弱；③当正在鸣笛的火车背离我们急驶而去时，我们听到汽笛声的音调变低；④雷声在云层里轰鸣不绝。这些物理现象分别属于波的(　　) A．衍射、干涉、多普勒效应、反射 B．衍射、多普勒效应、干涉、折射 C．折射、干涉、多普勒效应、反射 D．衍射、折射、多普勒效应、干涉 A　解析：“空山不见人，但闻人语响”即听到声音，却看不见人，这是波的衍射；围绕发声的双股音叉走一圈，听到声音忽强忽弱，这是因为音叉发出两个相同频率的声波相互叠加，从而出现加强区与减弱区，是波的干涉；当正在鸣笛的火车背离我们急驶而去时，我们听到汽笛声的音调变低，这是多普勒效应；雷声在云层里轰鸣不绝，这是波的反射，由于传播距离不同，雷声传到人耳的时间不同，A正确，B、C、D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $$