3.4-3.6波的反射、折射、干涉、衍射、多普勒效应 课件-2024-2025学年高二上学期物理教科版（2019）选择性必修第一册

3.4 波的反射与折射 在水波槽中，直线形水波遇到直线界面反射后的波形如图 （a）所示。 圆形水波遇到直线界面反射后的波形仍然为同心圆形，如图 （b）所示。 波动中的几个概念 1. 波面： 在波的传播过程中，振动相位相同的点组成的面。 平 面 波 3. 波线： 沿着波的传播方向画出的带箭头的线称为波线，它表示波的传播方向。 t 时刻的波前 t +Δt 时刻的波前 最前面的波面叫做波前。 2. 波前： 圆 形 波 O 波线与波面垂直。 反射波线与法线的夹角 入射角（i）： 入射波线与法线的夹角 反射角（i’）： 法线 界面 用一条射线代表入射波的入射方向（入射波线） 用另一条射线代表反射波的反射方向（反射波线） 波的反射 反射规律： ①入射波线、法线、反射波线在同一平面内 ②入射波线与反射波线分居法线两侧 ③反射角等于入射角 ①反射波的频率、波速和波长都不变. ②波遇到两种介质界面时，总存在反射. 注意： 波的反射的应用：回声测距 1.当声源不动时，声波遇到了障碍物后会返回继续传播，反射波与入射波在同一介质中传播速度相同，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，设经时间t听到回声，则声源到障碍物的距离为s＝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s＝(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s＝(v声－v)· 。 波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生了改变的现象叫做波的折射。 波的折射 实验:水波的折射 在矩形水槽底部垫一块厚度均匀的玻璃板，形成深水区和浅水区。利用振动发生器激起水波。观察水波从深水区传播到浅水区。 波的折射 8 水波的折射 入射线、法线、折射线在同一平面内，入射线与折射线分居法线两侧．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。 波产生折射的原因是波速不同。 波的折射 波现象 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 波的反射和折射 惠更斯原理 介质中任意波面上的各点都可看做新的波源。从这一点发出球面形状的子波，其后任意时刻,这些子波波前的包络面就是新的波面。 . . . . . . . . . t 时刻的波面（波前） t Δ + t 时刻的波面（波前） 子波波源 t v Δ 确定下一时刻球面波的波面 . . . . . . . . . . . . . . . . 子波波源 t Δ + t 时刻 的波面 t 时刻 的波面 t v Δ 波的反射定律证明： A B a c b a` c` b` 由惠更斯原理，A、B为同一波面上的两点经t后，B点发射的子波到达界面处B`点，A点发射的子波到达A`点。同种介质，波速不变。 证毕 A` B` 在波的反射中，波的频率、波速、波长都不发生改变。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 13 由惠更斯原理，A、B为同一波面上的两点经t后，B点发射的子波到达界面处D点，A点的到达C点。 证毕 折射的原因：波在不同介质中速度不同 在波的折射中，波的频率不改变，波速、波长都发生改变。 波的折射定律证明： 3.5 波的干涉与衍射 在平静的水面上，下落的雨滴激起层层涟漪，形成了复杂而美丽的图案。这种图案是怎样产生的呢？ 在介质中常常有几列波同时传播。两列波相遇时，会不会像两个小球相碰时那样，改变各自的运动特征呢？ 1、波传播的独立性： 几列波相遇后，彼此穿过，继续传播，波的形状和传播的情形都跟相遇前一样，也就是说，相遇后，它们都保持各自的运动状态，彼此不受影响。(波长和频率保持不变） 2、波的叠加原理: 重叠的区域里，介质的质点同时参与这几列波所产生的振动，质点振动的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。 3、叠加、传播过程中，每一质点仍然是在各自的平衡位置附近做振动。 振动加强 振幅增大 振动减弱 振幅减小 峰 峰 谷 峰 同相波叠加 反相波叠加 两列周期相同（频率相同）的波相遇时，在它们重叠的区域里会发生什么现象？我们先观察，然后再作解释。 1、定义：频率相同,振动方向相同,相位差恒定的两列波叠加，某些区域振动始终加强（合振幅大），某些区域的振动始终减弱（合振幅小），且加强和减弱的区域互相间隔该现象叫波的（稳定的）干涉，形成图样叫做干涉图样。 2、形成稳定干涉图样的条件: (1)两波源的频率（或波长）相同。 (2)振动方向相同（相反也可以）。 (3)相位差恒定。 备注：波的干涉是波的叠加的特殊情形， 一切波都能发生干涉，干涉是波的特有现象。 波的干涉 相干波 S1 S2 峰、峰 谷、谷 峰、谷 振动加强区 振动减弱区 若振幅A1=A2， 则减弱区如何？ 出现和刚才现象完全相同的结果：稳定；间隔； 23 3、干涉图样的特点： ②振动加强点和振动减弱点间隔出现。 ③振动加强点是指振幅较大的点， 不是位移始终最大。 ④干涉图样中，不止只有振动加强 的质点和振动减弱的质点。 ①振动加强点始终加强，振动减弱点始终减弱。 波的干涉 　(多选)(2024·达州市高二月考)如图所示是水平面上两列频率相同的简谐波在某时刻的叠加情况，图中实线为波峰，虚线为波谷。已知两列波的振幅均为2 cm，波速均为2 m/s，波长均为8 cm，E点是B、D和A、C连线的交点。下列说法正确的是 A.A、C两处质点是振动加强的点 B.B、D两处质点在该时刻的竖直高度差是8 cm C.E处质点是振动减弱的点 D.经0.02 s，B处质点通过的路程是8 cm 例2 √ √ 如图A、B是两个振动情况相同的波源，两列波的波长均为λ，在两列波的叠加区域有一P点，点P 到A、B距离分别是S1 和S2 ，设AC=BP，当波源B产生波峰时，波源A同时也产生波峰。 探究：振动加强点和减弱点的条件 ①当波源B产生的某一波峰恰传到P点时，波源A同时产生的那一波峰传播到哪个位置？ ②如图，两列波的波程差为CP，若CP=nλ（n=1、2……），则当波源B产生的某一波峰恰传到P点时，则A波传到P点的是波峰还是波谷？ 结论：已知A、B是两个振动情况相同的波源 P点到两列波的波源的距离差等于波长的整数倍时，振动始终加强。 P点到两列波的波源的距离差等于半个波长的奇数倍时， 振动始终减弱。 探究：振动加强点和减弱点的条件 若A、B振动情况相反， 结论相反。 　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 例3 √ 　如图(a)，在xOy平面内有两个沿z方向(z方向垂直xOy平面，图中未画出)做简谐运动的点波源S1(0,4 m)和S2(0，－2 m)。两波源的振动图线分别如图(b)和图(c)所示。两列波的波速均为1.00 m/s。 例4 (1)两列波波源起振方向______(填“相同”或“相反”)。 相反 (2)两列波到A点(4 m,1 m)的路程差为____ m，两列波引起质点A的振动总是______(填“加强”或“减弱”)。两列波到B点(0,0.5 m)的路程差为____ m，两列波引起质点B的振动总是_____(填“加强”或“减弱”)。两列波到C点(8 m，－2 m)的路程差为____ m，两列波引起质点C的振动总是______(填“加强”或“减弱”)。 0 减弱 1 加强 2 减弱 1、波绕过障碍物继续传播的现象叫做波的衍射。 说明：衍射是波特有的现象 波在什么条件下能够发生明显的衍射现象呢？ 波的衍射 说明：继续传播：波的传播速度、频率、波长均不变。 2、一切波都能发生衍射 波长λ不变，狭缝宽度d与波长相差不多时，衍射现象更明显。 波的衍射 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相差不多，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。 3.6 多普勒效应 一、多普勒效应 当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离你远去时，感觉音调变低。 （音调由频率决定，频率高音调高，频率低音调低） 由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者测得的频率与波源频率不同的现象叫做多普勒效应． 现象： 多普勒效应： 二、多普勒效应的成因 声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数。 观察者听到的声音的音调，是由观察者接收到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。 1、当波源和观察者相对介质都静止不动 即二者没有相对运动时 单位时间内波源发出几个完整波数目，观察者在单位时间内就接收到完整波数目，观察者接收到的频率等于波源的频率。 图1：波源 S 和观测者 A 都不动， 设波源频率为20 Hz， 则波源每秒发出 20个完整波， 观测者每秒接收到 20个完整波。 二、多普勒效应的成因 当观测者朝着波源运动时，它在单位时间内接收到的完整波数目增多，表明测得的频率大于波源振动的频率。 当观测者远离波源运动时，它在单位时间内接收到的完整波数目减少，表明测得的频率小于波源振动的频率。 图2：波源 S 不动，观测者在1s内由位置 A 移至位置 B， A、B 相距一个波长。波源每秒发出 20个完整波，但观测者每秒接收到 21个完整波 。 2、波源相对介质静止不动，观察者相对波源运动时 二、多普勒效应的成因 3、观察者相对介质静止不动，波源相对观察者运动 图3：波源向右移动引起的多普勒效应 在波源前进的方向上，波纹压缩，波长变短，因此运动波源前方的观测者（波源接近观测者）测得的水波频率变大 ； 在波源后方，波纹间距变大，波长变长，因此在波源后方的观测者（波源远离观测者）测得的水波频率变小。 二、多普勒效应的成因 总结： 当观测者与波源相互接近时，接收到的频率将大于波源的频率 ； 当观测者与波源相互远离时， 接收到的频率将小于波源的频率。 注意： 1.在多普勒效应中，波源的频率是不改变的，只是由于波源和观察者之间有相对运动，观察者接收到的频率发生了变化。 2.多普勒效应是波动过程共有的特征，不仅机械波，电磁波也会发生多普勒效应。 1．交通：多普勒效应在测定人造卫星位置的变化、测定流体的流速、检查车速等方面也有广泛的应用。在公路上安装多普勒测速仪，便可监视到过往车辆的行驶速度是否符合要求。 2．测天体运动：在天文学上，由地球上接收到遥远天体发出的光波的频率可以判断遥远的天体相对于地球的运动速度。 3．医疗：医院里用超声波的多普勒效应测定血流的速度，可以检查大脑、眼底等处的血管病变． 二、多普勒效应的应用 Lavf58.29.100 Lavf57.83.100 Lavf57.83.100 Lavf58.29.100 Lavf58.20.100 新录音 3 com.apple.VoiceMemos (iPhone Version 16.5.1 (Build 20F75)) $$