第5、6节 波的干涉与衍射 多普勒效应（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（教科版2019）

第5、6节　波的干涉与衍射　多普勒效应 核心素养导学 物理观念 (1)知道波的叠加、波的干涉现象。 (2)知道波的衍射现象。 (3)了解多普勒效应。 科学思维 (1)学会分析波的干涉问题。 (2)能用发生明显衍射的条件分析问题。 (3)能够解释生活中的多普勒现象。 科学探究 通过实验观察水波的干涉，探究发生干涉的条件和干涉图样的特点。 科学态度与责任 能体会物理学的技术应用对日常生活的影响，认识到科学、技术、社会和环境之间存在的相互联系。 一、波的叠加原理　波的干涉现象 1．波的叠加 (1)波的独立性原理：几列波相遇后彼此穿过，仍然_____各自原有的_____，继续传播。 (2)波的叠加原理：在几列波传播的重叠区域内，质点要____参与由几列波引起的振动，质点的总位移等于各列波单独存在时在该处引起的振动位移的_______。 保持 特性 同时 矢量和 2．波的干涉 (1)定义：______相同的两列波叠加，使介质中某些区域的质点振动加强，另一些区域的质点振动______，并且这两种区域互相隔开、位置_________的现象。 (2)干涉图样：波的干涉形成的稳定图样。 (3)稳定干涉条件：两列波的频率(或波长)必须_____。 二、波的衍射现象 1．定义：波能够绕到_______的后面传播的现象。 2．实验及现象 (1)实验器材：在水槽里放两块挡板，中间留一条_____。 频率 减弱 保持不变 相同 障碍物 狭缝 (2)现象 ①狭缝宽度比波长大得多时：波的传播如同光沿_____传播一样，挡板后面产生一个_______。 ②狭缝宽度与波长相差不多或狭缝宽度比波长更小时：波可以_____挡板后面继续传播。 ③当狭缝宽度一定时，改变水波的波长，当波长与狭缝宽度相差不多时，有_____的衍射现象，随着波长的______，衍射现象变得越来越不明显。 3．发生明显衍射的条件 当缝的宽度或障碍物的尺寸大小与波长_________或比波长___时，就能观察到明显的衍射现象。 直线 阴影区 绕到 明显 减小 相差不多 小 三、多普勒效应 1．定义：当观察者和波源之间有_________时，观测者测得的频率与波源频率不同。 2．产生的原因 (1)波源与观察者相对静止时，单位时间内通过观察者的完全波的个数是_____的，观察者接收到的频率______波源振动的频率。 (2)波源与观察者相互靠近时，单位时间内通过观察者的完全波的个数_____，观察者接收到的频率______波源振动的频率，即接收到的波的频率增大。 (3)波源与观察者相互远离时，接收到的波的频率______。 相对运动 一定 等于 增多 大于 减小 1．两列水波的干涉图样如图所示，观察其现象，判断下列说法是否正确。 (1)两列水波的频率一定相同。 ( ) (2)振动加强点始终处于波峰。 ( ) (3)同一位置振动加强与振动减弱交替出现。 ( ) (4)振动加强区与振动减弱区相互间隔。 ( ) (5)振动加强区的位移可以为零。 ( ) √ × × √ √ 2．我们常说“隔墙有耳”“未见其人先闻其声”，这些现象的发生是什么原因？ 提示：声波发生了衍射现象。 3．我国已经进入高铁时代，普通列车的时代已成过去。如图所示，列车匀速驶过，对于站在路旁的护路工人师傅，列车由远而近鸣喇叭时他会听到喇叭声的音调比较高，远去的列车鸣喇叭时他会听到喇叭声的音调比较低。请思考这是什么现象？具体分析产生这种现象的原因？ 提示：这属于多普勒现象，当列车靠近观察者时，频率增加，音调升高；当列车远离观察者时，频率减小，音调降低。 新知学习(一)|波的干涉现象的分析 [任务驱动] 蟋蟀是利用了一双翅膀的振动发出声音，某同学围绕蟋蟀走了一圈。 (1)他听到的声音有什么变化？ (2)试从他听到的声音判断属于什么现象？ 提示：(1)他会听到忽高忽低的蟋蟀声。 (2)这是声波的干涉现象，两翅膀的振动频率、振幅相同，形成相干波源，在周围出现振动加强与减弱的区域。　　　　 [重点释解] 1．关于干涉的条件 (1)波的叠加是无条件的，任何频率的两列波在空间相遇都会叠加。但稳定干涉图样的产生是有条件的，必须是两列同类的波，并且波的频率相同、振动方向在同一直线上、相位差恒定。 (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，这样不能形成稳定的振动加强点和减弱点。因此我们就看不到稳定的干涉图样，只能是一般的振动叠加现象。 2．关于加强点(区)和减弱点(区)的理解 加强点 在某些点两列波引起的振动始终加强，质点的振动最剧烈，振动的振幅等于两列波的振幅之和，A＝A1＋A2 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，A＝|A1－A2|，若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于零 3．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。 [典例体验] [典例]　将一端固定在墙上的轻质绳在中点位置分叉成相同的两股细绳，它们处于同一水平面上。在离分叉点相同长度处用左、右手在身体两侧分别握住直细绳的一端，同时用相同频率和振幅上下持续振动，产生的横波以相同的速率沿细绳传播。因开始振动时的情况不同，分别得到了如图甲和乙所示的波形。下列说法正确的是 (　 ) A．甲图中两手开始振动时的方向并不相同 B．甲图中绳子的分叉点是振动减弱的位置 C．乙图中绳子分叉点右侧始终见不到明显的波形 D．乙图只表示细绳上两列波刚传到分叉点时的波形 [解析]　题图甲中两手开始振动时的方向相同，则题图甲中分叉点是振动加强的位置，A、B错误；题图乙中两手开始振动时的方向恰好相反，则题图乙中分叉点是振动减弱的位置，则在分叉点的右侧始终见不到明显的波形，C正确，D错误。 [答案]　C /方法技巧/ 振动加强点与振动减弱点的判断方法 [针对训练] 1．两波源S1、S2在水槽中形成的波形如图所示，其中实线 表示波峰，虚线表示波谷，则 (　 ) A．在两波相遇的区域中会产生稳定干涉 B．在两波相遇的区域中不会产生稳定干涉 C．a点的振动始终加强 D．a点的振动始终减弱 解析：由题图可知，两列波的波长不相等，由v＝λf，知f不相等，不满足波产生稳定干涉的条件，故B正确。 答案：B 答案：C 新知学习(二)|波的衍射现象的分析 [任务驱动] 声波能绕过障碍物到达后面的情境如图所示。 请思考：衍射声波有什么特点？ 提示：衍射波与原波具有相同的频率，在传播过程中波形没变，只是传播范围进入到了障碍物后面的“阴影”区域。　　　　 [重点释解] 1．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。 [典例体验] [典例]　如图所示是水波遇到小孔或障碍物后的图像，图中每两条实线间的距离表示一个波长，其中正确的图像是 (　 ) [解析]　当波的波长与小孔的尺寸相当，或大于小孔的尺寸，会发生明显的衍射，故A项错误；当波的波长比小孔的尺寸小，波表现为直线传播，故B项错误；波遇到与波长差不多的障碍物后，波能“绕过”障碍物继续向前传播，故C项错误，D正确。 [答案]　D [针对训练] 1．关于波的衍射，下列说法中错误的是 (　 ) A．一切波在任何情况下都有衍射现象 B．只有横波才能产生衍射现象，纵波不能产生衍射现象 C．“闻其声而不见其人”是波的衍射现象 D．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 解析：衍射是波特有的现象，所以一切波都会发生衍射现象，故A正确，B错误；“闻其声而不见其人”是波绕过障碍物而传播，所以为波的衍射现象，故C正确；据产生明显衍射现象的条件知，当障碍物的尺寸比波长大很多时，不能发生明显的衍射现象，故D正确。 答案：B　 2．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．增大水波波源的频率，衍射现象将更明显 D．增大挡板之间的距离，衍射现象将更明显 解析：挡板左边是衍射波的波源，故A错误；在同一种介质中，机械波的波速相等，故B正确；波速不变，增大水波波源的频率，水波的波长将减小，而挡板间距没变，所以衍射现象将没有原来的明显，故C错误；在波长没改变的情况下，增大挡板间距，衍射现象将没有原来的明显，故D错误。 答案：B　 新知学习(三)|多普勒效应 [任务驱动] 科学家发现，当卫星向近地点运动时返回的信号频率增加，卫星向远地点运动时返回的信号频率降低。 (1)波源的频率由谁决定？ (2)观察者接收到的频率与哪些因素有关？ 提示：(1)由波源本身决定。(2)观察者接收到的频率与波源的频率、波源与观察者的相对运动有关。　　 [重点释解] 1．相对位置变化与频率的关系 相对位置 图示 结论 观察者A不动，波源S运动，由S→S2 f波源＜f观察者，音调变高 2．成因归纳 根据以上分析可知，发生多普勒效应时，一定是由于波源与观察者之间发生了相对运动。 [典例体验] [典例]　如图所示，向左匀速运动的小车发出频率为f的声波，车左侧A处静止的人感受到的声波的频率为f1，车右侧B处静止的人感受到的声波的频率为f2，则 (　 ) A．f1＜f，f2＜f B．f1＜f，f2＞f C．f1＞f，f2＞f D．f1＞f，f2＜f [解析]　由题意可知，声源靠近A处的人，由多普勒效应可知，A处的人接收到声波的频率变大，即f1＞f；声源远离B处的人，同理可知B处的人接收到声波的频率变小，即f2＜f，选项D正确。 [答案]　D /方法技巧/ 观察者接收到的频率的判断 (1)声音的音调取决于频率，频率高则音调高，频率低则音调低。 (2)当波源与观察者相互靠近时，观察者接收到的频率大于波源频率，音调变高；反之，观察者接收到的频率小于波源频率，音调变低。　　　 [针对训练] 1．(多选)下面哪些应用是利用了多普勒效应 (　 ) A．利用地球上接收到遥远星体发出的光波的频率来判断遥远星体相对于地球的运动速度 B．交通警察向行进中的汽车发射已知频率的电磁波，电磁波被运动的汽车反射回来，根据接收到的电磁波的频率发生的变化，就知道汽车的速度，以便于进行交通管理 C．铁路工人把耳朵贴在铁轨上可判断远处是否有火车驶来 D．有经验的战士从炮弹飞行的尖啸声判断飞行炮弹是接近还是远去 解析：凡是波都具有多普勒效应，因此利用光波的多普勒效应可以测定遥远星体相对于地球运动的速度，故A正确；被反射的电磁波，相当于一个运动的物体发出的电磁波，根据其频率的变化可以求出运动物体的速度，故B正确；铁路工人把耳朵贴在铁轨上可判断远处是否有火车驶来，是利用声音在固体中传播得快的特点，与多普勒效应无关，故C错误；炮弹飞行，与空气摩擦产生声波，人耳接收到的频率与炮弹的相对运动方向有关，故D正确。 答案：ABD 2．(多选)如图所示，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的说法正确的是 (　 ) 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 解析：由题图可知，女同学荡秋千的过程中，只要她有向右的速度，她就在靠近声源，根据多普勒效应，她接收到的哨声频率变高，音调变高；反之女同学向左运动时，她感到音调变低。A、D正确，B、C错误。 答案：AD　 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学思维——消除噪声污染 1．(选自鲁科版新教材课后练习)消除噪声污染是当前环境保护的一个重要课题。干涉型消声器可用来消弱高速气流产生的噪声。它的结构及气流运行情况如图所示，产生的波长为λ的声波沿水平管道自左向右传播。在声波到达a处时，分成两束相干波，它们分别通过r1和r2的路程，再在b处相遇。要达到消弱噪声的目的，路程差Δr＝r2－r1应为 (　 ) A．波长的整数倍 B．波长的奇数倍 C．半波长的奇数倍 D．半波长的偶数倍 解析：根据干涉特点知，某点到两相干涉波源的距离差为波长的整数倍时，此点为振动增强点，而消除噪声不能加强，A、B错误；距离差为半波长的奇数倍时，此点为振动减弱点，本题为消除噪声，要减弱声音，C正确，D错误。 答案：C 科学探究——多普勒效应实验 2．(选自鲁科版新教材“实验与探究”)用蜂鸣器等器材制作一个发声装置，可演示多普勒效应。为了保证安全，可将发声装置装入网球中，用结实的绳子捆绑好并在室外进行实验。 甲同学站在某位置，手持系有发声装置的绳子一端，使发声装置在头顶上空快速转动(如图)，此时，乙同学站在离甲同学几米之外的位置上静止不动，甲、乙两同学听到蜂鸣器发出的声音音调有什么变化？ 提示：转动蜂鸣器的同学甲由于与蜂鸣器的距离总保持不变，故该同学听到的声音的音调不发生变化；而站在旁边的乙同学由于离蜂鸣器的距离忽远忽近，听到的声音的音调也是忽低忽高。 科学探究——水波通过窄缝实验 3．(选自粤教版新教材“观察与思考”)在水波槽中放置两块挡板，两挡板成一直线，两者之间留一窄缝，使水波能通过窄缝。 (1)观察水波通过窄缝后是怎样传播的。 (2)保持水波的波长不变，改变窄缝的宽度，观察波的传播情况有什么变化。 (3)保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长，观察波的传播情况有什么变化。 提示：(1)水波可以绕到挡板后面继续传播。 (2)当窄缝的尺寸比波长大很多的情况下，波的传播方向基本不发生改变，在窄缝后面形成一个等宽的水波区域，而在挡板后面几乎没有水波；减小窄缝的间距，挡板后面出现水波的区域越来越大，可以观察到水波明显的衍射现象。 (3)保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长，可以观察到水波的波长越接近窄缝的宽度，水波的衍射现象越明显。 1．汽车无人驾驶技术已逐渐成熟，最常用的是ACC自适应巡航控制，它可以控制无人车在前车减速时自动减速、前车加速时自动跟上去。汽车使用的传感器主要是毫米波雷达，该雷达会发射和接收反射过的无线电波，再通过因波的时间差和多普勒效应造成的频率变化来测量目标的相对距离和相对速度。若该雷达发射的无线电波的频率为f，接收到的回波的频率为f′，则 (　 ) A．当f′＝f时，表明前车一定做匀速直线运动 B．当f′＝f时，表明前车一定处于静止状态 C．当f′＞f时，表明前车相对于无人车正在减速行驶 D．当f′＜f时，表明前车相对于无人车正在减速行驶 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 解析：当波源和观察者之间的距离不变时，观察者接收到的频率和波源发出的频率相等，故当f＝f′时，说明二者之间的距离不变，表明前车与无人车速度相同，但不一定做匀速直线运动，也不一定静止，故A、B错误；当f′＞f时，说明接收到的频率增大，说明两车距离减小，表明前车相对于无人车在减速行驶，故C正确；当f′＜f时，说明接收到的频率减小，说明两车距离增大，表明前车相对于无人车在加速行驶，故D错误。 答案：C　 2．(2023·浙江6月选考)如图所示，置于管口T前的声源发出一列单一频率声波，分成两列强度不同的声波分别沿A、B两管传播到出口O。先调节A、B两管等长，O处探测到声波强度为400个单位，然后将A管拉长d＝15 cm，在O处第一次探测到声波强度最小，其强度为100个单位。已知声波强度与声波振幅平方成正比，不计声波在管道中传播的能量损失，则(　 ) 40 A．声波的波长 λ＝15 cm B．声波的波长λ＝30 cm C．两声波的振幅之比为3∶1 D．两声波的振幅之比为2∶1 2．如图所示，S1和S2是同一均匀介质中同时起振、起振方向相同、频率相同的两个波源，它们发出的简谐波相向传播。在介质中S1和S2平衡位置的连线上有a、b、c三点，已知S1a＝ab＝bc＝cS2＝(λ为波长)。下列说法正确的是 (　 ) A．b点为振动加强点，a、c两点为振动减弱点 B．b点为振动减弱点，a、c两点为振动加强点 C．a、b、c三点都是振动加强点 D．a、b、c三点都是振动减弱点 解析：两列频率相同的简谐波叠加时，若点到两波源的波程差是波长的整数倍，则振动加强，若点到两波源的波程差是半波长的奇数倍，则振动减弱。已知S1a＝ab＝bc＝cS2＝(λ为波长)，则两波源到b点的路程相等，b点是振动加强点，两波源到a点、c点的波程差都为一个波长，因此这两点都是振动加强点，故a、b、c三点都为振动加强点，C正确。 相对位置 图示 结论 波源S和观察者A相对不动 f波源＝f观察者，音调不变 波源S不动，观察者A运动，由A→B或由A→C 若由A→B靠近波源，则f波源＜f观察者，音调变高；若由A→C远离波源，则f波源＞f观察者，音调变低 解析：分析可知A、B两管等长时，两声波在O处振动加强，将A管拉长d＝15 cm后，两声波在O处振动减弱，设沿A管传播的声波振幅为AA，沿B管传播的声波振幅为AB，根据题意可得2＝，解得＝3，C正确，D错误；把A管拉长d，在O处第一次探测到声波强度最小，故2d＝λ，解得λ＝60 cm，A、B错误。 答案：C　 $$