第三章 3．波的反射、折射和衍射-【金版新学案】2024-2025学年新教材高二物理选择性必修第一册同步课堂高效讲义配套课件（人教版2019）

　　　　 第三章　机械波 3．波的反射、折射和衍射 1．了解常见的碰撞现象，知道人类对碰撞的探究历程。 2．掌握在同一条直线上运动的两个物体碰撞前后速度的测量方法。 3．通过实验得到一维碰撞中不变量的表达式。 4．理解动量概念及其矢量性，会计算一维情况下物体的动量变化量。 素养目标 知识点一　波的反射和折射 1 知识点二　波的衍射 2 课时测评 4 随堂达标演练 3 内容索引 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 知识点一　波的反射和折射 返回 情境导学 1．如图甲所示，我们在山中对着山谷大声喊出“你好……”时会听到“连绵不断”的“你好……”的回声；我们在较大的空旷房间里说话时也会听到回声。这些属于波的什么现象？ 提示：属于声波的反射现象。 2．如图乙所示，我们对着家中的鱼缸大喊时 会看见鱼缸中的鱼儿受到“惊吓”而急速游动， 好像听到了我们的喊声。这属于波的什么现象？ 提示：属于声波的折射现象。 自主学习 教材梳理 (阅读教材P71－P72完成下列填空) 1．波的反射 (1)定义：波传播过程中遇到介质界面会______继续传播的现象。 (2)波的反射定律：波的反射与初中学过的光的反射遵循同样的规律，即： 反射线、法线与入射线在同一______内，反射线与入射线分居______两侧，反射角______入射角，如图所示。 (3)波遇到两种介质的界面时总会发生反射。 2．波的折射 (1)定义：波从一种介质进入另一种介质时，波的__________发生改变的现象。 (2)波的折射规律：入射线和折射线分居在法线两侧并且在同一个平面内。 (3)一切波都会发生______现象。 平面 法线 返回来 等于 传播方向 折射 问题探究　观察如下两幅示意图。 (1)在波的反射中，反射波与入射波的频率 相同吗？波长相同吗？ 提示：在波的折射现象中，反射波和入 射波的频率都与波源的频率相同；反射现象是在同种介质中传播，波速相同，由v ＝λf 可知，波长也相同。 (2)在波的折射现象中，折射波与入射波的频率相同吗？波长相同吗？ 提示：在波的折射现象中，波从一种介质进入另一种介质，频率不变，由于介质不同，故波速不同，由λ＝ 可知，波长也不同。 合作探究 角度一　波的反射与折射的理解 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、波长相等 D．3与1的频率相等，波速、波长均不等 例1 √ 反射波的波长、频率、波速与入射波都应该相等，故A错误，B错误；折射波的波长、波速与入射波都不等，但频率相等，故C错误，D正确。 波的反射与折射的比较 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 探究归纳 针对练．一列水波在深度不同的水域传播时，在交界面 处发生图示的现象，这是水波的 ______现象。 深度不同，则水压不同，水密度不同。水波在不同密度的水中传播速度不同，会发生折射现象。 折射 角度二　回声测距问题 天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度，在水平地面上与观测者的距离为d＝3.0 km处进行一次爆炸，观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射回来的爆炸声时间上相差Δt＝6.0 s。已知空气中的声速v＝ km/s。试估算云层下表面的高度。 如图所示，设A表示爆炸处，O表示观测者所在处，B表示 云层反射点，用h表示云层下表面的高度，用t1表示爆炸声 直接经地面传到观测处所用的时间，则有d＝vt1 用t2表示爆炸声经云层反射后到达O处所经时间，因为入射角等于反射角，故有2 已知t2－t1＝Δt 联立解得h＝2.0×103 m。 例2 答案：2.0×103 m 回声测距常见的三种情况 1．当声源不动时，声波遇到了静止障碍物会被反射回来继续传播，由于反射波与入射波在同一介质中的传播速度相同，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。设经过时间t听到回声，则声源距障碍物的距离为x＝v声· 。 2．当声源以速度v向静止的障碍物运动或障碍物以速度v向静止的声源运动时，声源发声时障碍物到声源的距离为x＝(v声＋v)· 。 3．当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离静止的声源时，声源发声时障碍物到声源的距离为x＝(v声－v) 。　　 探究归纳 针对练．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t时间后听到第一声枪响，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 √ 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，乙听到的第二声枪响 必然是经墙反射传来的枪声，由反射定律可知，波线如图中AC 和CB所示，由几何关系可得 ＝ ＝2a，故第二声枪响传到乙 耳中的时间为t′＝ ＝2t，故C正确。 返回 知识点二　波的衍射 返回 情境导学　我们常说“隔墙有耳”“未见其人，先闻其 声”，这些属于什么现象？ 提示：声波的衍射现象。 自主学习 教材梳理 (阅读教材P72－P73完成下列填空) 1．波的衍射：波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫作波的衍射。 2．发生明显衍射现象的条件：只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长__________，或者比波长________，才能观察到明显的衍射现象。 3．一切波都能发生______，______是波特有的现象。 相差不多 更小时 衍射 衍射 问题探究　如图是发波水槽，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小孔，或者在水 槽中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播情况。 (1)水波遇到小孔时，会观察到什么现象？依次减小小孔尺寸， 观察到的现象有什么变化？ 提示：水波遇到小孔时，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”，小孔的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显。 (2)水波遇到挡板时，会观察到什么现象？依次减小挡板尺寸，观察到的现象有什么变化？ 提示：水波遇到挡板时，水波能绕过挡板，并能到达挡板后面的“阴影区”， 挡板的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显。 合作探究 (2023·江苏盐城期中)某同学观察到波 长不同的水波通过三个宽度相同的狭缝时的 现象，在甲、乙、丙三幅照片中，波长分别 是狭缝宽度的 、 、 ，下列说法正确的是 A．水波通过狭缝后波长变短 B．这是水波的衍射现象，有些波不能发生衍射现象 C．此现象可以说明，波长一定， 缝越窄衍射现象越明显 D．此现象可以说明，缝宽一定，波长越长衍射现象越明显 例3 水波通过狭缝后波长不变，选项A错误；这是水波的衍射现象，衍射是波特有的性质，任何波都能发生衍射现象，选项B错误；该实验的狭缝宽度相等，波长不等，则此现象可以说明，缝宽一定，波长越长衍射现象越明显，选项C错误，D正确。故选D。 √ 1．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。 2．波的衍射的实质：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．理解衍射现象的两点注意 (1)波的衍射是不需要条件的，但要发生明显的衍射必须满足一定的条件。 (2)波长比小孔(或障碍物)尺寸大得越多，衍射现象越明显。但是当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射明显，但衍射波的能量很弱，不容易观察。　　 探究归纳 针对练1．如图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(图①、②)或障碍物(图③、④)，其中能发生明显衍射现象的有 A．只有①④ B．只有①②④ C．只有②③ D．只有①③ 一列水波在传播过程中遇到了小孔，题图①、②图都符合孔尺寸比水波的波长要小得多或相差不大，所以都能发生明显的衍射；一列水波在传播过程中遇到了阻碍物，④的阻碍物的尺寸与波长相差不大，题图③则大得多，所以题图④能发生明显的衍射，题图③则不能发生明显的衍射，故能发生明显衍射现象的有①②④，B正确。 √ 针对练2．(多选)如图是观察水面波衍射的实验装置，AC 和BD是两块挡板，AB是一个小孔，O是波源，图中已画 出波源所在区域的传播情况，每两条相邻的波纹(图中曲 线)之间的距离表示一个波长，则对于波经过孔之后的传 播情况，下列描述正确的是 A．此时能观察到波明显的衍射现象 B．如果将孔AB 扩大，有可能观察不到明显的衍射现象 C．挡板前后波纹之间距离相等 D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，一定能观察到明显的衍射现象 √ √ √ 由题图可看出孔的尺寸跟波长相差不多，所以能观察到 波明显的衍射现象，A正确；如果将孔扩大到跟波长相 差很多，则观察不到明显的衍射现象，B正确；衍射不 改变波的频率，在同种介质中波的传播速度不变，由 v＝λf知，波长不变，C正确；若增大波源频率，则波长减小，有可能观察不到明显的衍射现象，D错误。 返回 随堂达标演练 返回 1．(鲁科版选择性必修第一册·P79·T2)(多选)下列说法正确的是 A．潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，利用了波的反射原理 B．隐形飞机的表面涂上特殊隐形物质，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的 C．雷声轰鸣不绝是声波的衍射现象形成的 D．水波从深水区传到浅水区时传播方向发生改变的现象，是波的折射现象 √ 潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，是利用了波的反射原理，A正确；隐形飞机的表面涂上特殊隐形物质，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的，B正确；雷声轰鸣不绝是声波的多次反射形成的，C错误；水波从深水区传到浅水区时传播方向发生改变的现象，是波的折射现象，D正确。 √ √ 2．(多选)以下关于波的认识，正确的是 A．潜水艇利用声呐探测周围物体的分布情况，用的是波的反射原理 B．隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊吸波材料，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的 C．雷达的工作原理是利用波的直线传播 D．水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象，是波的折射现象 声呐、雷达都是利用接收反射波来进行定位的，故A正确，C错误；隐形飞机是通过减少波的反射来达到隐形的目的，故B正确；水波的传播方向发生改变属于波的折射现象，故D正确。 √ √ √ 3．(2023·福建厦门高二月考)如图是利用水波槽观察到的 水波衍射图样，从图样可知 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 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。 √ 4．当一个探险者进入一个山谷后，为了估测出山谷的宽度，他吼一声后，经过0.5 s听到右边山坡反射回来的声音，又经过1.5 s后听到左边山坡反射回来的声音，若声速为340 m/s，则这个山谷的宽度约为 A．170 m B．340 m　 C．425 m D．680 m 由d＝v· ，可得山谷的宽度约为d＝425 m，故选项C正确。 √ 返回 课 时 测 评 返回 1．(2023·湖南长沙高二期中)如图所示，蟾蜍在 池塘边平静的水面上鸣叫，形成了水波。已知 水波的传播速度与水的深度成正相关，蟾蜍的 鸣叫频率f＝1 451 Hz。下列说法正确的是 A．水波从浅水区传入深水区，频率变大 B．池塘水面上的落叶做的是受迫振动 C．在浅水区，水波更容易发生衍射现象 D．若水波两个相邻波峰间距离为0.5 cm，则此处水波的波速约为73 m/s √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 蟾蜍声带的振动产生了在空气中传播的声波和在 池塘中传播的水波，无论是声波还是水波，它们 都是由声带振动产生的，所以其频率都应该等于 声带的振动频率，故A错误；池塘水面上的落叶 随着水波而振动，做的是受迫振动，故B正确； 由已知水波的传播速度与水的深度成正比，可 知水波的波长与水深有关，深水区的波长大，所以更容易发生衍射现象，故C错误；蟾蜍的鸣叫频率f＝1 451 Hz，且水波波长λ＝0.5 cm＝0.005 m，则波速v＝λf＝0.005×1 451 m/s≈7.3 m/s，故D错误。故选B。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2．(2023·山东济南高二月考)人在室内讲话的声音比在空旷的室外讲话声音要洪亮，是因为 A．室内空气不流动 B．室内声音多次被反射 C．室内声音发生折射 D．室内物体会吸收声音 √ 在室内说话，说话的声音传到墙壁上又反射回来，时间差太短，我们不能分辨出回声与原声，我们听到的是回声与原声的混合；在空旷的场合我们说话，声音传播出去，周围没有高大的建筑物，声音不能反射回来，我们听到的只是原声，因此听起来就没有室内响亮，综上分析，A、C、D错误，B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 3．(2023·江苏南京高二月考)如图所示，P为桥墩，A 为靠近桥墩浮在水面的叶片，波源S连续振动，形成 水波，此时叶片A静止不动。为使水波能带动叶片振 动，可用的方法是 A．降低波源频率 B．增大波源振幅 C．减小波源距桥墩的距离 D．增大波源距桥墩的距离 √ 水波波速不变，根据v＝λf可知，降低波源频率，波长增大，衍射现象更明显，可以使水波能带动叶片振动，而与波源距桥墩的距离、波源振幅无关，故B、C、D错误，A正确。故选A。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 4．在山中伐木时发出的声音既含有频率较高的声波，也含有频率较低的声波，其中只有频率较低的“嘭”“嘭”声才能被远处的人听到，这是因为 A．频率较低的“嘭”“嘭”声能量大，能传到很远 B．频率较低的“嘭”“嘭”声速度快，最先到达 C．频率较低的“嘭”“嘭”声波长较长，容易发生明显衍射现象 D．以上说法均不对 √ 机械波的能量是由振幅决定的，声波在空气中的传播速度都相同，故A、B错误；由λ＝ 知，v一定，f越低，λ越大，则频率低的声波波长较长，容易发生明显衍射现象，能在较远处被人听到，故C正确，D错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 5．(2023·湖南长沙高二期末)测速仪安装有超声波发 射和接收装置，如图所示，B为测速仪，A为汽车，两 者相距335 m。某时刻B发出超声波，同时A由静止开 始做匀加速直线运动。当B接收到反射回来的超声波信号时A、B相距355 m，已知声速为340 m/s，则下列说法正确的是 A．经1 s，B接收到返回的超声波 B．超声波追上A车时，A车前进了10 m C．A车加速度的大小为10 m/s2 D．A车加速度的大小为5 m/s2 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 从B发出超声波到接收到超声波过程中，汽 车A的运动情况如图所示，B发出超声波时， 小车在C位置，小车反射超声波时，小车在D位置，B接收到超声波时，小车在E位置，经分析可知tCD＝tDE，xCE＝20 m，由运动学规律得xCD∶xDE＝1∶3，所以xCD＝5 m，xDE＝15 m，tCD＝ s＝1 s，可见B接收到返回的超声波需2 s。对小车A，有xDE－xCD＝Δx＝ ，所以a＝10 m/s2，由以上可知只有选项C正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 6．(多选)观察水波衍射实验时，在发波 水槽盛有一定深度的水，改变波源的频 率和狭缝的宽度，分别拍摄了以下四幅 照片。对于照片上出现的情景，下列判断正确的是 A．已知甲、乙中水波波长相同，由图可知狭缝的宽度越小，衍射现象越明显 B．已知甲、乙中水波波长相同，由图可知狭缝的宽度越大，衍射现象越明显 C．已知丙、丁中狭缝宽度一样，由图可知波长越短的水波衍射现象越明显 D．已知丙、丁中狭缝宽度一样，由图可知波长越长的水波衍射现象越明显 √ √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 已知题图甲、乙中水波波长相同，题 图乙的衍射现象更明显，可知狭缝的 宽度越小衍射现象越明显，A正确， B错误；已知题图丙、丁中狭缝宽度一样，题图丙的衍射现象更明显，可知波长越长的水波衍射现象越明显，D正确，C错误。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 7．声波是一种机械波，在空气中传播速度约为340 m/s，人能听到的声波频率在20 Hz到20 000 Hz 之间，对于波长为34 m的声波，下列说法正确的是 A．在水中它比波长为20 m的声波传播得更快一些 B．不能产生衍射现象 C．它不能被人听到 D．不能产生反射现象 √ 波速由介质决定，在同一介质中波速相同，故A错误；声波具有波的特性，能发生波的反射、衍射和折射，故B、D错误；根据v＝λf，代入数据解得f＝10 Hz，所以该波为次声波，人不能听见，故C正确。故选C。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 8．我国第24次南极科考队经过长达13天，4 000多海里 航行，已安全到达中国南极长城站。在考察途中“雪龙 号”(如图所示)经历了各种考验，并进行了海冰观测、 地磁观测、气象观测、极光及高空物理观测，在海面上 航行时，它还不时地探测海洋的深度，在它上面配有一种十分先进的声呐探测系统，其原理是：向海底发射超声波，超声波就会从海底反射回来，通过这种方式测海底深度。已知超声波在海水中认为是匀速直线运动，且知其速度为1 400 m/s，船静止时测量，从发射超声波到接收到反射回来的超声波所用的时间为7 s，则“雪龙号”所在位置的海水深度为 A．19 600 m B．9 800 m C．4 900 m D．2 450 m √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 超声波的运行可认为匀速直线运动，则传播距离为 x＝vt＝1 400×7 m＝9 800 m，又因为海水深度为 声波传播距离的一半，所以h＝ m＝ 4 900 m，故选C。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 9．如图所示，正中心O点是水面上一波源，实、虚线分 别表示该时刻的波峰、波谷，A是挡板，B是小孔。不考 虑波的反射，经过一段时间后，水面上的波形将分布于 A．整个区域 B．阴影Ⅰ以外的区域 C．阴影Ⅱ以外的区域 D．阴影Ⅰ和Ⅱ以外的区域 √ 小孔B的宽度与水面波波长差不多，区域Ⅱ、Ⅲ会因为衍射而弥漫水面波，而挡板A的长度比水面波波长大得多，不能发生明显衍射现象，故经过一段时间，水面上的波形将分布于除阴影Ⅰ以外的区域，故B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 10．一只汽船以4 m/s的速度在无风的河面上航行，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，设声音在空气中的传播速度为340 m/s。则悬崖距离汽船鸣笛的位置 A．504 m B．516 m C．1 008 m D．1 032 m √ 汽船向悬崖靠近，3 s行驶了L＝v船t＝12 m，声波3 s内传播的距离v声t＝2x－L，所以悬崖离汽船的鸣笛位置x＝ ＝516 m，故B正确。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 11．(2023·天津市静海一中高二月考)已知空气中的声速为340 m/s。现有几种声波：①周期为 s；②频率为104 Hz；③波长为12 m。它们传播时若遇到宽约为13 m的障碍物，能发生明显的衍射现象的是 A．①和② B．②和③ C．①和③ D．都可以 由公式v＝ 得，周期为 s的声波的波长为λ1＝vT1＝340× m＝17 m；由公式v＝λf得频率为104 Hz的声波的波长为λ2＝ m＝0.034 m。发生明显衍射现象的条件是缝、孔或障碍物的尺寸小于波长或者与波长相差不大，故①能发生明显的衍射现象，②不能发生明显的衍射现象。波长为12 m的声波，障碍物宽度为13 m，与该声波波长相差不大，故③能发生明显的衍射现象。因此，能发生明显的衍射现象的是①和③，故C正确，A、B、D错误。 √ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 12．(16分)(2023·黄冈中学月考)如图甲是在高 速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图， 测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出 和接收的信号间的时间差，测出被测车辆的速 度。图乙中P1、P2是测速仪发出的超声波信号， n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描，P1、P2之间的时间间隔Δt＝1.0 s，超声波在空气中传播的速度是v＝340 m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图乙可知，汽车在接收到P1、P2两个信号的时间间隔内前进的距离是____m，汽车的速度是______m/s。 17 17.9 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 设汽车在接收到P1、P2两个信号时距测速仪的距离分别为s1、s2，则 s1＝ Δt＝68 m s2＝ Δt＝51 m 汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的 距离为s＝s1－s2＝17 m。 已知测速仪匀速扫描，由题图乙记录的数据可求出汽车前进这段距离所用时间为 t＝ Δt＝0.95 s。 汽车的速度v ＝ ＝ m/s≈17.9 m/s。 返回 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 谢 谢 观 看 ！ 第三章　 　机械波 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 ＝vt2 ＝ ＋v· at ＝ ＝ v· v· $$