第3章 第3节 波的反射、折射和衍射-【重难点手册】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（人教版2019）

第三章 机械波么组 第3节 波的反射、折射和衍射 重点和难点 课标要求 重点：1，通过演示实验，观察波的反射现象，了解入射线 1,知道什么是波的反射现象，知道波的反射遵 和反射线的特点 筛的规律 2通过演示实验，观察波的折射现象，了解入射线 2.知道什么是波的折射现象，知道入射方向和 和折射线的特点。 折射方向不共线 3.通过演示实验，理解衍射的定义和产生明显衍 3.知道什么是波的衍射现象，了解发生明显衍 射的条件，知道波的衍射是波特有的现象. 射现象的条件」 -01-必备知识梳理。 基础梳理 知识点1波的反射和折射 1.反射现象：波遇到介质界面会返回来继续传播的现象。 卫提个醒 2.入射角和反射角 1.波的折射中，波的频率 不变，波速和波长发生改变 (1)入射角：入射波的波线与界面 入射布：法线反射角 入射被线 反射波线 2.波发生折射的原因是 法线的夹角，如图中 波在不同介质中的传搭速度 (2)反射角：反射波的波线与界面 77777/777777 不同. 法线的夹角，如图中 3.反射规律 (1)入射线、法线、反射线在同一平面内. (2)入射线与反射线分居法线两侧. (3)反射角等于入射角， (4)反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同. 4.折射现象：波从一种介质射入另一种介质时，波的传播方 向发生改变的现象，如图所示，在折射现象中，入射角A和折射角 a的关系为a≠02. 入射角 折射角 149 国雕食手细高中物理选择性必修第一册则 例①在野外做引爆实验，距爆炸点较远的地面站两次听到 冒敲黑板 同一次爆炸的声音，先是从爆炸处直接传来，后是经空中云层反 1.波向前传播在两介质的 射而来.设地面站离爆炸处10m,测得听到两次爆炸声的时间间 界面上要么发生反射，要么发 隔为10s,声速为330m/s,声波从水平云层底面反射也遵循光的 生折射，二者不会同时发生， 反射定律，则云层离地高度为( (×) A.5.0×103m B.4.4×103m 2.波发生反射时波的频 C.3.72×10m D.1.56×103m 率不变，波速变小，波长变短 解析作出反射图像如图所示爆炸声在地面传播的时间为4= (×) 言9380、爆炸声在云层反射传精的时间为台=有十108爆炸声在 5=10000 3。波发生折射时波的频率 不变，但波长、波速发生变化 云层反射传播的距离为=2=330X 10000+10) 330 m=13300m. (/) 根据反射定律和几何知识可知该三角形为等腰三角形，其中腰长 为4=号=6650m,底边的-半为4=氵-5000m根据勾股定 理可得三角形的高为h=√G一≈4400m,故选B. 云层 地 答泰B 知识点2波的衍射 1.定义 波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫作波的衍射.例如。 我们看到水波通过两山之间的狭缝后，可以形成半圆形的水波绕 过小山向外扩散， 2.两种衍射现象 (1)波遇到障碍物的情况 水波槽中，在波源的前方放一障碍物，使波源振动产生水波 当障碍物较大时波被阻挡，在靠近障碍物的后面没有波，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 然发生了衍射，但不明显.当障碍物较小时发现波绕过障碍物继 续前进，如同障碍物不存在一样，如图乙所示，衍射现象明显. 150 第三章 机械波么鱼 (2)波遇到小孔的情况 2划重点 水波槽中，在波源前方放一有孔的屏，使波源振动产生水波， 解决有关衍射现象的问 当孔较大时发现水波经过孔后，在连接波源和孔的两边的直线所 题时，应注意以下几点： 限制的区域里传播，如图甲所示.当孔较小时发现孔后的整个区 1.一切波都能发生新射 域里传播着以孔为中心的圆形波，如图乙所示，衍射现象明显 现象，但有的衍射现象明显， 有的不明显， 2.牢记发生明显衍射现 象的条件，即障碍物的尺寸跟 波长差不多，或远小于波长， 3.抓住波的特点以及公 2 中 式v=入∫等进行综合分析. 3.发生明显衍射的条件 (1)条件：只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多， 或者远小于波长时，才能观察到明显的衍射现象。 (2)理解 ①一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象 ②波遇到障碍物或小孔发生衍射现象时，波的频率不发生改变 例②(2024·江苏南通海安高级中学高 二阶段练习)观察水面波衍射的实验装置如图 所示，O是波源，AC和BD是两块挡板，AB 是两块挡板间的空隙，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.关于波经过空隙之后的传播情况，下列说法正确的是 (). A.挡板前相邻波纹间距大于挡板后相邻波纹间距 B.此时能观察到明显的衍射现象 C.两挡板AB间空隙增大10倍，衍射现象会更明显 D.波源振动频率增大10倍，衍射现象会更明显 解析波通过孔后，波速、频率、波长不变，则挡板前后波纹间 的距离相等，故A错误；因为波长与孔的尺寸差不多，所以能够观 察到明显的衍射现象，故B正确：如果将孔AB增大，孔的尺寸会 大于波的波长，不能观察到明显的衍射现象，故C错误：如果孔的 大小不变，使波源振动频率增大，因为波速不变，根据入=子可知 波长减小，可能观察不到明显的衍射现象，故D错误. 答秦B 151 重雅点手细高中物理选择性必修第一册划 02关键能力提升。 题型1利用波的反射计算距离 题型2对波的衍射条件的理解 利用回声测距是波的反射的一个重要应 例②如图所示是观察水面波衍射的实验 用，它的特点是声源正对障碍物，声源发出的 装置.AC和BD是两块挡板，AB是一个孔，O 声波与回声在同一条直线上传播. 是波源.图中已画出波源所在区域波的传播情 (1)若是一般情况下的反射，反射波和入 况，每两条相邻波纹（图中曲线）之间的距离表 示一个波长.关于波经过孔之后的传播情况， 射波是遵循反射定律的，可用反射定律作图后 下列描述中正确的是( ). 再求解 A.此时能明显观察到波 (2)利用回声测距时，要特别注意声源是 的衍射现象 否运动，若声源运动，声源发出的原声至障碍 B.频率不变，则AB孔越 物再返回至声源的这段时间与声源的运动时 大，挡板后面的相邻波纹间距 间相同. 越大 (3)解决波的反射问题，关键是根据物理 C.频率不变，将孔扩大，可观察到更明显 情景规范作出几何图形，然后利用几何知识结 的衍射现象 合物理规律进行解题， D.孔的大小不变，使波源频率增大，可观 例①甲、乙两人平行站在一堵墙前面，二 察到更明显的衍射现象 人相距2a,距离墙均为3a,当甲开了一枪后， 解析]当孔、缝的宽度与波长差不多或者 比波长还小时，就能够观察到明显的衍射现 乙在时间后听到第一声枪响，则乙听到第二 象，A正确：由于同一列波的频率不变，而衍射 声枪响的时间为( 前后波速相同，因此衍射前后波长相同，即挡 A.听不到 板前后的相邻波纹之间的距离相等，B错误；频 B.甲开枪3t后 率不变，波速不变，波长不变，如果将孔扩大 C.甲开枪2t后 Za 有可能使孔的宽度大于波的波长，这样可能观 D.甲开枪5后 察不到明显的衍射现象，C错误；如果孔的大小 2 不变，使波源频率增大，因为波速不变，由入 解析乙听到的第一声 号可知，波长减小，有可能使孔的宽度大于波的 枪响必然是甲放枪的声音直接传到乙的耳中， 波长，可能观察不到明显的衍射现象，D错误 故1=织甲，乙二人及墙的位置知图所示，乙 答案A 听到的第二声枪响必然是墙反射的枪声，由反 方法总鱼 射定律可知，波线如图中AC和CB,由几何关 关于衍射现象需要注意两，点：①障碍物 系可得AC=CB=2a,故第二声枪响传到乙 的尺寸不是发生衍射的条件，而是发生明显 的耳中的时间为1=AC+CB=4如=2，故C 衍射的条件，波长越长，越容易发生明显衍射 2 现象；②当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射 正确. 容易发生，但衍射波的能量很弱，也很难观察 答案C 到波的衍射， 152 第三章机械波么 口03学业质量测评。 A基础过关练 测试时间：15分钟 示，则( 1.(多选)下列对波的认识中正确的是( A.潜艇利用声呐探测周围物体的分布及运 动情况，利用的是波的反射定律和波的多 普勒效应 A.图甲、乙均显示了波的干涉现象 B.隐形飞机外形奇特并在表面涂特殊隐形 B.图甲、乙均显示了波的衍射现象 的物质，是为了增加波的衍射效果，从而 C.图甲显示了波的干涉现象，图乙显示了波 达到隐形的目的 的衍射现象 C.雷达的工作原理是利用波的折射 D.图甲显示了波的衍射现象，图乙显示了波 D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向 的干涉现象 的现象，是波的折射现象 5.在空旷的广场上有一堵较高大的墙MN,墙 2.(多选)关于波的衍射，下列说法正确的是 的一侧O点有一个正在播放男女声合唱歌 (). 曲的声源.某人从图中A点走到墙后的B A波遇到障碍物时，一定会发生明显的衍射 点，在此过程中，如果从声波的衍射角度来 现象 考虑，则会听到( B· B.当障碍物的尺寸比波长大得多时，会发生 MI 明显的衍射现象 0 C.当孔的大小比波长小时，会发生明显的衍 A.声音变响，男声比女声更响 射现象 B.声音变响，女声比男声更响 D.通常讲话产生的声波，经过尺寸为1m左 C.声音变弱，男声比女声更弱 右的障碍物时会发生明显的衍射现象 D.声音变弱，女声比男声更弱 3.发波水槽中产生一列水波，用一支圆珠笔插 ●B综合提能练 测试时间：30分钟 入水中（如图所示），则笔对波的传播( 6.在用水波槽做衍射实验时，若打击水面的振 子的振动频率是5Hz,水波在水槽中的传播 速度为0.05m/s,为观察到明显的衍射现 象，小孔的直径d应为( ). A.有影响，水波发生明显衍射现象 A.d=10 cm B.d=5 cm B.有影响，水波不发生明显衍射现象 C.d≥1cm D.d<1 cm C.无影响，水波发生明显衍射现象 7.(多选)如图，沿x轴正方向传播的一列横波 D.无影响，水波不发生明显衍射现象 在某时刻的波形图为一正弦曲线，其波速为 4.利用发波水槽得到的水面波形如图甲、乙所 200m/s.下列说法正确的是(). 153 国雕食手细高中物理选择性必修第一册划 4yein C.若质点M在t到t2时间内所走路程为 180cm,则相同时间内O点三次到达波谷 D.该简谐横波所有可能周期的最大值是0.8s 9.甲、乙二人分乘两只船在湖中钓鱼，两船相 A.从图示时刻开始，经0.01s质点a通过的 距24m,有一列水波在湖面上传播，使每只 路程为40cm,相对平衡位置的位移为0 船每分钟上下浮动10次，当甲船位于波峰 B.图中质点b的加速度在增大 时，乙船位于波谷，这时两船之间还有一个 C.若产生明显的衍射现象，该波所遇到障碍 波峰，则此水波的波速为多少？若此波在传 物的尺寸为20m 播过程中遇到一根竖立的电线杆，是否会发 D.从图示时刻开始，经0.01s质点b位于平 生明显的衍射现象？ 衡位置上方，并沿y轴正方向振动做减速 运动 8.(多选)如图所示，实线是一列简谐横波在 时刻的波形图，M是平衡位置距O点5m的 质点，虚线是2=t1十0.2s时刻的波形图. 下列说法中正确的是( wcm 20 A.该波遇到长度为3m的障碍物时将会发 生明显的衍射现象 B.若波速为35m/s,该波沿着x轴正方向传播 154参考答采与解析次 =△十，△r=1.5m(n=0.l2.…, 多时，能发生明显的衍射现象.故选D.] 7.BD[由题图可知波长为A=4m,又波速为=200m/s, 又=h=t,联立解得5m一8n=1.分析可知，当m= 5、=3时，x=1.0m处的质点偏离平衡位置的位移 则该列波的周期为T=A=0.02s,那么经过0.01s,质点 为0.16m,经过时间最短.将m=5代入1=士m风 a振动了半个周期，质点a通过的路程为40cm,应在负向 最大位移处，所以A错误：根据同侧法可以判断b质点 解得t=5.4s 此时正沿y轴负方向振动，也就是远离平衡位置，所以 第3节波的反射、折射和衍射 回复力在增大，加速度在增大，所以B正确：由题图可 L.AD[潜水艇利用声呐探测周围物体的分布情况及运 知该波的波长是4，要想发生明显的衍射现象，要求 动情况，用的是波的反射现象和波的多普勒效应，故A 障碍物的尺寸与机械波的波长差不多或更小，所以障 正确：隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质是 碍物的尺寸为20m时不能观察到明显的衍射现象，所 为了诚少波的反射，从而达到隐形的目的，故B错误： 以C错误：经过0.01s,质点b振动了半个周期，图示 雷达的工作原理是利用波的反射，故C错误：深水区域 时刻质点正沿y轴负方向振动，所以可知过半个周 和浅水区域应视为不同介质，波在传播过程中遇到不 期后，质点b在平衡位置上方且沿y轴正方向振动，速 同介质时方向要发生改变，是波的折射现象，故D正 确.故选AD.] 度在减小，所以D正确.] 2.CD[波发生明显衍射的条件是：孔、缝的宽度或障碍 8.AD[由题图可以读出该横波波长为4m,故该波遇到 物的尺寸与波长相比差不多或者比波长更小，当障碍 长度为3m的障碍物时将发生明显衍射现象，故A正 物的尺寸比波长大得多时，就不能发生明显的衍射现象， 确，由题干知，经过0,2s内横波的位移为(1十4)m 故AB错误，C正确.人耳能识别的颜率范围是20一 (波沿x轴正方向传播)或(3十4n)m(波沿x轴负方向 20kHz,人通常讲话产生的声波频率范围在200~ 传插.因此波速为=产-装2安装智 0.2 m/s,n为 700kHz左右，按空气中声波的波速o=340m/s计算， 通常讲话产生的声波波长在0.9~1.7m之间，所以 正整数，若被速为35m/,则表达式智ms中1 经过尺寸为1m左右的障碍物时会发生明显的衍射现 1,可知该波沿者x轴负方向传播，故B错误.若质点M 象，这也是“隔墙有耳”的原因，故D正确.了 在t到t2时间内所走路程为180m=9A,则M点振动 3.C[发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸比 2T则相同时同内0点两次到达波谷，故C错溪若 波长小，或跟波长相差不多，圆珠笔的尺寸跟水波的波 长差不多，故能发生明显的衍射现象，对水波的传播无 被沿x轴正方向传插，娟T=合=十0m,当n=0 影响，C正确.] 时可得最大周期为Tm=0.8s:若波沿x轴负方向传 4.D[题图甲中可以看出只有·条狭缝，水波发生明显 的衍射：题图乙中有两个振源，有些区域振动加强，有 插，则T=名-5千20s当=0时可得最大周期为 4 些区域振动减弱，是干涉现象.故D正确.] 工=言<0,8飞则该简谐横波所有可能周期的最大 5.D[由于MN很高大，故衍射现象比较弱：由于女声 值是0.8s故D正确.] 音调高，波长更小，故衍射更不明显.] 6.D[水波的频率与振子的频率一样，根据波速公式得 9由题意可知T=船=6心设此波的被长为A,则有 A一号1m,当小孔的尺寸比波长小或与波长相差不 24=A+交A=16m 25 重雅点手册高中物理选择性必修第一册®) 所以v产-普m/s-号m 5.如图所示. ◆3cm 由于入=16m大于竖立电线杆的尺寸，所以当波通过 竖立的电线杆时会发生明显的衍射现象。 8 cm 第4节波的干涉 -2 1.B[波峰和波峰叠加，为振动加强点，且始终振动加 6BD[波从波源发出后，向x轴正负方向传播，向相反 强；波谷与波谷叠加，振动也始终加强，而波谷与波谷 方向传播的波不会相遇，不会发生干涉，故A错误：由 叠加，为振动减弱点，且始终振动减弱.故A错误，波被峰 图可知，波的波长=1m,由题意可知0.1s内波传播 与波峰叠加的点在经过半个周期后将是波谷与波谷在 该点相遇，且振动始终最强，故B正确.振动最强的点 四分之一波长，可得=-0.1s,解得T=0,4s,根据同 经过四分之一周期后刚好经过平衡位置，它们的振动 侧法可知，波源的振动方向向上，1=0.42s,即T<t 仍然相同，因此也是振动加强，故C错误.若两相干波 平时，波源向上振动，位移为正，故B正确：波的波速 源振幅不相等，则振动最弱的点仍将出现，故D错误] 2.CD[频率相同的两列波才能产生干涉现象，故A错 =产=2.5m/s,波源停止振动，到质点。停止振动的 误，C正确：两列波发生干涉现象时，振动加强区域即 时间11=1.75，一0.25、=0.6s>0.25s,即质点a还在 2.5 为振动方向始终相同的区域，所以不一定只是被蜂和 波峰或波谷和波谷相遇的点才是加强点，故B错误：平 继续振动，t=2.1s到=2.25s,经过时间=0.155， 衡位置与平衡位置相遇，既可能是加强点也可能是减 即？<<号，结合题图可知质点a位移为正且向y轴 弱点，故D正确.故选CD.] 正方向运动，故C错误：波传到质点b所需的时间3= 3.AC[a质点处是两列波波峰与波谷叠加的地方，振动 2一5s=0,3s,在0一28内，质点6振动的时间为4 0.75 始终诚弱，而b、c质点是两列波波峰与波峰，波谷与波 谷叠加的地方，振动始终加强，故A正确，B错误.此时 28-0.3s=1.7s=子T.质点6运动总路程=17A 刻6质点在波峰位登.质点在波谷位置，则再过于后 17×0.15m=2.55m,故D正确.故选BD.] 的时刻，b、c两质点都将处于各自的平衡位置，但振动 7.CD[由题可知波速为w一齐=1m/,经6s,两波沿 是加强的，故C正确.由于两个波源的振幅相同，所以 传播方向传播6m,而M点离左、右两波源距离均为 α质点是振动诚弱点，振幅为0，则静止不动，一直在平 7m,所以此时M点未振动，故A错误：8s时，两波均 衡位置.b,c两质点的振动始终是加强的，但它们仍在 已经过M点，M点到两波源距离相等，是振动加强点， 振动，位移随时间做周期性变化，不是静止不动的，故 但位移不是始终最大，做周期性变化，故B错误：10s D错误.] 后，两列波到达P点时，路程差是半波长的奇数倍，是 4.ABC[a点振动产生的机械波最先到达e点，根据关 振动减弱点，位移始终是0，故C正确：10.5s时，S1波 系式u=平可知波速0=些=2m/s,A正确：由于 刚好传播到Q点，S波使Q点振动了10.5s =子，则入=T=2m/sX1s=2m,B正确：c点的波 2-85=7s=1子T,S波使Q点向下振动：Q点 程差△x=x一ac=2m=入，使c点振动加强，由于两列 在S2波的波峰，则Q点在平衡位置上方1cm处，故D 机械波频率相同相干涉，故c点总是振动加强点，C正 正确，故选CD.] 确，D错误.故选ABC.] 8.C[在同一介质中传播的横波波速相同，由题图(b)可 26