第3节 机械波的传播现象（课件PPT）-【新课程学案】2024-2025学年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 核心素养导学 物理观念 (1)知道机械波的衍射与惠更斯原理。 (2)知道机械波的反射和折射。 (3)知道波的叠加原理和波的干涉现象。 科学思维 (1)能够用波的反射、折射现象解释生活中的现象。 (2)能清楚哪些现象是常见的波的衍射现象。 (3)学会分析机械波的干涉现象。 科学探究 (1)观察水波的衍射，探究发生明显衍射现象的条件。 (2)实验观察波的干涉及图样特点。 一、机械波的衍射与惠更斯原理 1．波的衍射 (1)定义：波能绕过________或穿过______继续向前传播的现象。 (2)实验观察： 在水槽里放两块挡板，中间留个窄缝，让水波通过窄缝，可以发现： a．窄缝宽度比波长大得多时：波的传播如同光沿_____传播一样，在窄缝后面形成一个______的水波区域，挡板后面几乎没有水波。 障碍物 小孔 直线 等宽 b．窄缝宽度与波长相差不多或窄缝宽度比波长更小时：波可以______挡板后面继续传播。 c．当窄缝宽度一定时，改变水波的波长，当波长与窄缝相差不多时，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 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。 (4)一切波都能发生衍射，衍射是波______的现象。 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。 绕到 明显 减小 相差不多 更小 特有 二、机械波的反射和折射 1．波的反射和折射现象 当机械波从介质1传播到介质2时，有一部分波被_____回来，另一 部分波继续_____传播，这就是机械波在两种介质界面上的反射和 折射现象。 2．波的反射和折射现象中频率、波速和波长的变化 (1)在波的反射现象中，波的频率、波速和波长都______。 (2)在波的折射现象中，波的频率______，波速和波长发生改变。反射和折射是波的普遍性质。光波和_______波也具有这种性质。 反射 向前 不变 不变 电磁 波的反射是在同种介质中传播，波的折射是在两种不同介质中传播。　　 三、机械波的干涉 1．波的叠加原理：两列波在相遇叠加时，每列波都是独立地保持原有的特性，相遇区域中各点的位移，就是这两列波引起的位移的_____。 2．波的干涉：频率相同的两列波，在相遇区域里，会出现稳定的相对_____的区域和__________的区域，这两个区域的位置是固定的，且互相隔开的现象。 3．波的干涉图样：波干涉时形成的一种加强和减弱相间的图样。 (1)干涉条件：频率_____，相位差______，振动方向相同。 (2)干涉是波特有的现象，一切波都能够发生干涉。 合成 平静 剧烈振动 相同 恒定 1.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。 2. 人们听不清对方说话时，除了让一只耳朵转向对方，还习惯性地把 同侧的手附在耳旁，这样做是利用声波的什么特点提高耳朵的接收 能力？ 提示：在耳郭原有形状、面积的基础上增加一个手的面积是为了增 加波的反射来提高耳朵的接收能力。 3．两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。 ( ) √ × × √ √ 新知学习(一)|衍射现象的理解与分析 [任务驱动] 如图所示，水波可以通过堤坝的狭窄缺口绕过堤坝，形成半圆形的水波继续向外扩散；雄伟的大桥下，悠悠江面上层层波浪绕过桥墩“若无其事”地向前传播。 . (1)什么相当于堤坝内水波的波源？ (2)桥墩阻挡了水波的传播吗？ 提示：(1)堤坝的狭窄缺口。 (2)桥墩没有阻挡水波的传播，好像桥墩不存在一样。　　　　 [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。 [解析]　根据发生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不多。从题图中可看出孔AB的尺寸与波长相差不多，所以此时能明显地观察到波的衍射现象，A正确；因为穿过挡板间的小孔后波速不变，频率相同，所以波长也相同，B正确；若将孔AB扩大，将可能不满足发生明显衍射现象的条件，就有可能观察不到明显的衍射现象，C正确；若将波源频率增大，由于波速不变，所以波长变小，将可能不满足发生明显衍射现象的条件，也有可能观察不到明显的衍射现象，D错误。 [答案]　ABC [针对训练] 1．如图所示各图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(①、②图)或障碍物(③、④图)，其中能发生明显衍射现象的有 (　 ) A．②④　　　　　　　　　 B．①④ C．②③ D．①③ 解析：发生明显衍射现象的条件是障碍物或小孔的尺寸比波长小，或与波长相差不大，由题图可知，②、④图能发生明显衍射现象，而①、③图不能，A正确。 答案：A 2．如图所示，在空旷的广场上有一堵较高大的墙MN，在墙的一侧 有一个正在播放男女合唱歌曲的声源O，某人从A点走到墙后的 B点，在此过程中，如从衍射的角度来考虑，他会听到 (　 ) A．声音变响，男声比女声更响 B．声音变响，女声比男声更响 C．声音变弱，男声比女声更弱 D．声音变弱，女声比男声更弱 解析：由题意可知，某人从图中A点走到墙后的B点，能听到声音，是由于声波的衍射现象，但强度变弱。由于男声的频率低于女声，在同一介质中，传播速度相同，则其波长大于女声的波长，更容易发生衍射，故D正确，A、B、C错误。 答案：D　 新知学习(二)|波的反射和折射 [任务驱动] 我们一般都有这样的体验： (1)如图甲所示，我们在山中对着山谷大声“你好……”时会听到“连绵不断”的“你好……”的回声；如图乙所示，在空旷的大房间里大声说话时，会听到“嗡嗡”的回声，导致不容易听清声音，这些属于波的什么现象？ (2)如图丙所示，我们对着家中的鱼缸大喊，会看见鱼缸中的鱼儿的游泳速度发生突然变化，好像听到了我们的喊声。这属于波的什么现象？ 提示：(1)都是声波的反射现象。(2)是声波的折射现象。 [重点释解] 1．波的反射 (1)入射角与反射角 ①入射角：入射线与法线的夹角，如图中的α。 ②反射角：反射线与法线的夹角，如图中的β。 (2)反射规律 ①波又回到原介质中； ②β＝α； ③反射线、法线与入射线三线共面，且反射线与入射线分居法线两侧。 3．波的反射与折射的比较 波现象 比较项目　　　 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 (1)频率f由波源决定，故无论是反射波还是折射波都与入射波的频率，即波源的振动频率相同。 (2)波速v由介质决定，因反射波与入射波在同一介质中传播，故波速不变；而折射波与入射波在不同介质中传播，所以波速变化。 (3)据v＝λf知，波长λ与v及f有关，即与介质及波源有关，反射波与入射波在同一介质中传播，f、v相同，故λ相同。折射波与入射波在不同介质中传播，f相同，v不同，故λ不同。 [答案]　BD [针对训练] 1．如图中1、2、3分别代表入射线、反射线、折射线，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 解析：由于波的频率由波源决定，因此波在不同介质中传播时，频率保持不变。波在不同介质中传播时，波速发生变化，由v＝λf可知波长也发生变化。由此可知只有D选项正确。 答案：D　 2． 随着我国经济的快速增长，旅游业迅速发展，其中回归大 自然的滨海游、生态游等休闲度假游，备受人们的喜爱。 如图所示，一艘汽船以4 m/s的速度在无风河面上航行，船 上发出一声鸣笛，旅客在3 s后听到前方悬崖反射回来的声音，则悬崖离汽船原来位置的距离为(已知声速为340 m/s) (　 ) A．258 m　　　　　　　　　　 B．340 m C．516 m D．680 m 答案：C 新知学习(三)|波的干涉现象的理解与分析 [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 (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。 3．干涉图样及其特征 (1)干涉图样：如图所示。 [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 解析：由图像可知，D点为两列波的波谷相遇点，是振动加强点，A错误；此时A点在加强后的最高点，D点在加强后的最低点，由波的叠加原理可知A、D的高度差为14 cm，B正确；由于两列波的频率相等，叠加后会产生稳定的干涉现象，所以A、D点始终是振动加强点，B、C点始终是振动减弱点，C错误；质点C为振动减弱点，振幅为A1－A2＝1 cm，D正确。 答案：BD 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(　 ) 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 一、好素材分享——看其他教材如何落实核心素养 科学探究——波的衍射 1．(选自人教版新教材课后练习) 如图，挡板M是固定的，挡板N可以 上下移动。现在把M、N两块挡板中的空隙当作一个“小孔”做水 波的衍射实验，出现了图示中的图样，P点的水没有振动起来。为 了使挡板左边的振动传到P点，可以采用什么办法？ 提示：当障碍物(或小孔)的尺寸比波长小或差不多时，才会发生明显的衍射现象，所以要使挡板左边的振动传到P点，可以采用减小两板间的空隙的方法。 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 二、新题目精选——品立意深处所蕴含的核心价值 1．音箱装饰布网既美观又能阻止灰尘进入音箱内部，但是它又有不利的一面，对于音箱发出的声音来说，布网就成了障碍物，它阻碍了声音的传播，造成了声音失真，有的生产厂家就把装饰布网安装了子母扣，这样听音乐时就可以把布网卸下来，从而获得高保真的听觉效果。听同样的音乐不卸下布网和卸下布网相比较，你认为声音损失掉的主要是 (　 ) A．高频部分 B．低频部分 C．中频部分 D．不能确定 解析：由v＝λf知，波速一定时，频率越高、波长越小。波长越小，越不易发生衍射现象，故不卸布网损失掉的主要是高频部分，A正确。 答案：A　 [典例体验] [典例]　(多选)如图是观察水面波的衍射现象的实验装置，AC和BD是两块挡板，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。则波经过孔之后的传播情况，下列描述中正确的是 (　 ) A．此时能明显观察到波的衍射现象 B．挡板前后波纹间距离相等 C．如果将孔AB扩大，有可能观察不到明显的衍射现象 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 2．波的折射 (1)折射角(r)：折射波的折射线与两介质界面法线的夹角r叫作折射角，如图所示。 (2)折射定律：入射线、法线、折射线在同一平面内，入射线与折射线分居在法线两侧。入射角的正弦跟折射角的正弦之比等于波在第一种介质中的速度跟波在第二种介质中的速度之比，即＝。 [典例体验] [典例]　(多选)如图所示，一机械波由介质Ⅰ射入介质Ⅱ，在界面MN上发生折射。下列说法正确的是 (　 ) A．波在介质Ⅰ中传播的速度大 B．波在介质Ⅱ中传播的速度大 C．波在介质Ⅰ中和介质Ⅱ中传播的速度之比为 D．波在介质Ⅱ中和介质Ⅰ中传播的速度之比为 [解析]　由波的折射定律＝，可知v1<v2，且＝＝＝，故B、D正确。 解析：如图所示，汽船发出鸣笛声时在B处，旅客听到回声时位置在A处，即3 s内汽船前进了A、B间距离l，则声波经过2s－l的距离。 v声t＝2s－l＝2s－v船t， 得s＝＝ m＝516 m，C正确。 [针对训练] 1.(多选)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表示同一时刻两列波的波峰(实线)和波谷(虚线)；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在该时刻的高度差为 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 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　 科学思维——消除噪声污染 2．(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 2.“B超”可用于探测人体内脏的病变状况，如图是超声波从肝脏表面入射，经折射与反射，最后从肝脏表面射出的示意图。超声波在进入肝脏发生折射时遵循的规律与光的折射规律类似，可表述为＝(式中θ1是入射角，θ2是折射角，v1、v2分别是超声波在肝外和肝内的传播速度)，超声波在肿瘤表面发生反射时遵循的规律与光的反射规律相同。已知v2＝0.9v1，入射点与出射点之间的距离是d，入射角为i。假设肿瘤的反射面恰好与肝脏表面平行，则肿瘤离肝脏表面的深度h为多少？ 解析：根据光的折射、反射的规律，正确画出超声波折射的光路图，依据几何关系以及折射定律即可求解。光路如图所示，入射角为i，设折射角为r，根据题意，由几何关系得：tan r ＝， 根据折射定律：＝， 而v2＝0.9v1，解得：h＝。 答案： $$