第3章 4.波的干涉5.多普勒效应(教用Word)-【赢在微点·轻松课堂】2024-2025学年高中物理选择性必修第一册（人教版2019）

4.波的干涉 5.多普勒效应 学习目标 情境导入 1.通过实验,了解波的干涉现象。 2.理解波的叠加原理,知道波的干涉是一种特殊的叠加现象。 3.理解形成稳定干涉图样的条件。(难点) 4.了解多普勒效应。 　　警车鸣笛从你身边飞速驶过,对于警车向你靠近和警车远离的过程,你会听到警笛的声音在变化。 　　(1)你听到警笛的音调有何不同? (2)实际上警笛的音调会变化吗? (3)听到音调发生变化的原因是什么?这就是我们这节课解决的问题。 课前新知初探 知|识|梳|理 一、波的叠加原理 1.波的独立传播:几列波相遇时能够保持各自的运动特征,继续传播。即各自的波长、频率等保持不变。 2.波的叠加:在几列波重叠的区域里,介质的质点同时参与这几列波引起的振动,质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。 二、波的干涉 1.定义:频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时,某些区域的振动总是加强,某些区域的振动总是减弱,这种现象叫作波的干涉。形成的稳定图样叫作干涉图样。 2.干涉条件:两列波的频率必须相同;两个波源的相位差必须保持不变(恒定)。 3.一切波都能发生干涉,干涉是波特有的现象。 三、多普勒效应 1.多普勒效应。 波源与观察者互相靠近或者互相远离时,接收到的波的频率都会发生变化的现象。 2.多普勒效应产生的原因。 (1)当波源与观察者相对静止时,1 s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的,观察到的频率等于波源振动的频率。 (2)当波源与观察者相向运动时,1 s内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加(填“增加”或“减小”),观察者接收到的频率升高(填“升高”或“降低”);反之,当波源与观察者互相远离时,观察者接收到的频率降低(填“升高”或“降低”)。 预|习|自|检 1.判断正误(正确的画“√”,错误的画“×”) (1)两列波相叠加就能形成稳定的干涉图样。 (×) (2)在操场上不同位置听到学校同一喇叭的声音大小不同,是声波的干涉现象。 (×) (3)两个人一起说话,不会发生干涉现象。 (√) (4)发生多普勒效应时,波源的频率发生了变化。　 (×) (5)当波源和观察者向同一个方向运动时,一定发生多普勒效应。 (×) 2.两列相干波在空间相遇,以下说法正确的是 (　　) A.振动加强区域内的介质质点的位移始终最大 B.振动减弱区域内的介质质点的振幅随时间变化 C.振动加强区域内的介质质点某时刻可以处于平衡位置 D.振动加强区域内的介质质点,在任何时刻一定比振动减弱区域内的介质质点位移大 解析　振动加强点也在做简谐运动,只是振幅变大了,某个时刻可能在平衡位置,位移为零,A项错误,C项正确;振动减弱区域内的介质质点的振幅是固定的,B项错误;振动加强区域内的介质质点比振动减弱区域内的介质质点的振幅大,但不一定在任何时刻一定比振动减弱区域内的介质质点位移大,D项错误。 答案　C 课堂合作探究 　 探究一　波的叠加 波的叠加原理是波具有独立传播性的必然结果,由于总位移是几个位移的矢量和,所以叠加区域的质点的位移可能增大,也可能减小。如两列振动方向相同的波的叠加,振动加强,振幅增大;两列振动方向相反的波叠加,振动减弱,振幅减小。 【例1】　波源甲、乙分别在一根水平放置的绳的左右两端,两波源发出的波在绳中的传播速度均是1 m/s。在t=0时刻绳上的波形如图(a)所示。则根据波的叠加原理,以下叙述正确的是　 (　　) A.当t=2 s时,波形如图①所示;当t=4 s时,波形如图②所示 B.当t=2 s时,波形如图①所示;当t=4 s时,波形如图③所示 C.当t=2 s时,波形如图②所示;当t=4 s时,波形如图①所示 D.当t=2 s时,波形如图②所示;当t=4 s时,波形如图③所示 解析　当t=2 s时,根据传播速度可知,它们相互重叠,由于振动方向相反,则振动减弱,波形如图②所示;当t=4 s时,各自传播了4 m,由于互不干扰,所以波形如图③所示,D项正确。 答案　D 【针对训练1】　(多选)如图所示,波源S1在绳的左端发出频率为f1、振幅为A1的半个波形a,同时另一个波源S2在绳的右端发出频率为f2、振幅为A2的半个波形b,且f1<f2,P为两个波源连线的中点。已知机械波在介质中传播的速度只由介质本身的性质决定。下列说法正确的是 (　　) A.两列波比较,a波将先到达P点 B.两列波在P点叠加时,P点的位移最大可达A1+A2 C.b的波峰到达P点时,a的波峰还没有到达P点 D.两列波相遇时,绳上位移可达A1+A2的点只有一个,此点在P点的左侧 解析　因两列波波速相等,故两列波能同时到达P点,A项错误;因f1<f2,由λ=可知,λ1>λ2,故当两列波同时到达P点时,a波的波峰离P点的距离比b波的波峰离P点的距离大,因此两波峰不能同时到达P点,两波峰应相遇在P点左侧,此位置对应的位移为A1+A2,位移最大,综上所述,B项错误,C、D两项正确。 答案　CD 探究二　波的干涉 1.对波的干涉现象的理解。 (1)波的叠加是无需条件的,任何频率的两列波在空间相遇都会叠加。 (2)稳定干涉图样的产生是有条件的,必须是两列波的频率相同、相位差恒定,如果两列波的频率不相等,在相遇的区域里不同时刻各质点叠加的结果都不相同,看不到稳定的干涉图样。 (3)明显的干涉图样和稳定的干涉图样意义是不同的,明显的干涉图样除了满足相干条件外,还必须满足两列波振幅差别不大。振幅越是接近,干涉图样越明显。 (4)振动加强的点和振动减弱的点始终以振源的频率振动,其振幅不变(若是振动减弱点,振幅可为0),但其位移随时间发生变化。 (5)振动加强的点的振动总是加强,但并不是始终处于波峰或波谷,它们都在平衡位置附近振动,有的时刻位移为零。 (6)振动减弱的点的振动始终减弱,位移的大小始终等于两列波分别引起位移的大小之差,振幅为两列波的振幅之差。如果两列波的振幅相同,则振动减弱点总是处于静止状态,并不振动。 2.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。 【例2】　(多选)如图所示是水波干涉的示意图,S1、S2是两波源,A、D、B三点在一条直线上,两波源的频率相同,振幅相等,则下列说法正确的是 (　　) A.A点一会儿在波峰,一会儿在波谷 B.B点一会儿在波峰,一会儿在波谷 C.C点一会儿在波峰,一会儿在波谷 D.D点一会儿在波峰,一会儿在波谷 解析　在波的干涉中,振动加强区域里的质点总在自己的平衡位置两侧做简谐振动,只是质点的振幅较大,为A1+A2。本题中由于A1=A2,故振动减弱区的质点并不振动,而此时A点是波峰与波峰相遇,B点是波谷与波谷相遇,都是加强点,又因为A、D、B三点在一条振动加强线上,这条线上任一点的振动都是加强的,故此三点都为加强点,且都是一会儿在波峰,一会儿在波谷。而C点是波峰与波谷相遇点,是减弱点,故不再振动。A、B、D三项错误。 答案　ABD 干涉现象中加强点和减弱点的判断法 (1)条件判断法。 振动频率相同、振动步调完全相同的两波源的波叠加时,设某点到两波源的距离差为Δr。 ①当Δr=k·λ(k=0,1,2,…)时为加强点。 ②当Δr=(2k+1)·时为减弱点(k=0,1,2,…)。 若两波源振动步调相反,则上述结论相反。 (2)现象判断法。 若某点总是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇,该点为加强点;若某点总是波峰与波谷相遇,则为减弱点。 若某点是平衡位置和平衡位置相遇,则让两列波再传播T,看该点是波峰和波峰(波谷与波谷)相遇,还是波峰和波谷相遇,从而判断该点是加强点还是减弱点。 【针对训练2】　(多选)如图所示为两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇时产生的干涉图样。图中实线表示某时刻的波峰,虚线表示波谷。下列说法正确的是 (　　) A.a、c两点的振动加强,b、d两点的振动减弱 B.e、f两点的振动介于加强点和减弱点之间 C.经适当的时间后,加强点和减弱点的位置互换 D.经半个周期后,原来位于波峰的点将位于波谷,原来位于波谷的点将位于波峰 解析　波的干涉示意图所示的仅是某一时刻两列相干波叠加的情况,形成干涉图样的所有介质质点都在不停地振动着,其位移的大小和方向都在不停地变化着。但要注意,对稳定的干涉,振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的。a点是波谷和波谷相遇的点,c点是波峰和波峰相遇的点,都是振动加强的点;而b、d两点都是波峰和波谷相遇的点,是振动减弱的点,A项正确;e位于加强点的连线上,仍为加强点,f位于减弱点的连线上,仍为减弱点,B项错误;相干波叠加产生的干涉是稳定的,不会随时间变化,C项错误;因形成干涉图样的介质质点也是不停地做周期性振动,经半个周期步调相反,D项正确。 答案　AD 探究三　多普勒效应 多普勒效应产生的原因分析。 1.相对位置变化与频率的关系(规律)。 相对位置 图示 结论 波源S和观察者相对静止,如图所示 f观察者=f波源,音调不变 波源S不动,观察者运动,由A→B或A→C,如图所示 若靠近波源,由A→B,则f观察者>f波源,音调变高;若远离波源,由A→C,则f观察者<f波源,音调变低 观察者不动,波源S运动,由S→S',如图所示 f观察者>f波源,音调变高 2.成因归纳。 根据以上分析可以知道,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,且两者间距发生变化。 【例3】　关于多普勒效应,下列说法正确的是 (　　) A.发生多普勒效应时,波源频率发生了变化 B.要发生多普勒效应,波源和观察者必须有相对运动且两者间距发生变化 C.火车向你驶来时,你听到的汽笛声音调变低,火车离你远去时,你听到的汽笛声音调变高 D.只有声波才能发生多普勒效应 解析　发生多普勒效应时,波源频率并没有发生变化,波源和观察者必须有相对运动,且两者间距发生变化才能发生多普勒效应,A项错误,B项正确;根据多普勒效应可知,当波源和观察者间距变小,观察者接收到的频率一定比波源频率高,听到的声音音调变高,当波源和观察者间距变大,观察者接收到的频率一定比波源频率低,听到的声音音调变低,故C项错误;所有波都能发生多普勒效应,故D项错误。 答案　B 　　(1)当波源与观察者相互接近,观察者接收到的频率f观察者升高,反之观察者接收到的频率f观察者降低。 (2)发生多普勒效应时,不论观察者接收到的频率发生了怎样的变化,波源的真实频率并不会发生任何变化。 (3)多普勒效应的应用。 测量车辆速度;测量天体运动情况;检查病变;跟踪目的物(如导弹、云层)等。 【针对训练3】　公路巡警开车在高速公路上以100 km/h的恒定速度巡查,在同一车道上巡警车向前方的一辆轿车发出一个已知频率的超声波,结果该超声波被那辆轿车反射回来时,巡警车接收到的超声波频率比发出的低。 (1)此现象属于 (　　) A.波的衍射 B.波的干涉 C.多普勒效应 D.波的反射 (2)若该路段限速为100 km/h,则该轿车是否超速? (3)若该轿车以20 m/s的速度行进,反射回的频率应怎样变化? 解析　(1)巡警车接收到的超声波频率比发出的低,此现象为多普勒效应,C项正确。 (2)因巡警车接收到的频率低,由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离,而巡警车车速恒定且在后面,可判断轿车车速比巡警车车速大,故该轿车超速。 (3)若该轿车以20 m/s的速度行进,此时巡警车与轿车在相互靠近,由多普勒效应知反射回的频率应偏高。 答案　(1)C　(2)超速　(3)偏高 随堂达标自测 　 1.两个固定声源发出的声波1和声波2在空气中传播。已知声波1的频率是声波2的3倍,则　 (　　) A.声波1的传播速度是声波2的3倍 B.声波1的波长是声波2的3倍 C.两列波相遇会产生稳定的干涉现象 D.远离这两个声源的观察者,听到的这两列波的频率均比声源发出的频率低 解析　波速由介质决定,声波在空气中的传播速度相同,A项错误;根据波速、波长和频率的关系v=λf,则声波2的波长是声波1的3倍,B项错误;两列波发生干涉的必要条件是频率相同,两声波频率不同,不会产生稳定的干涉现象,C项错误;由于多普勒效应,远离这两个声源的观察者,听到的这两列波的频率均比声源发出的频率低,D项正确。 答案　D 2.(多选)关于两列波的稳定干涉现象,下列说法正确的是 (　　) A.任意两列波都能产生稳定的干涉现象 B.发生稳定干涉现象的两列波,它们的频率一定相同 C.在振动减弱的区域,各质点都处于波谷 D.在振动加强的区域,有时质点的位移等于零 解析　两列波叠加产生稳定干涉现象是有条件的,不是任意两列波都能产生稳定的干涉现象。两列波叠加产生稳定干涉现象的一个必要条件是两列波的频率相同,A项错误,B项正确;在振动减弱的区域里,两列波引起质点的振动始终是减弱的,质点振动的振幅等于两列波的振幅之差,如果两列波的振幅相同,质点振动的振幅就等于零,不可能是各质点都处于波谷,C项错误;在振动加强的区域里,两列波引起质点的振动始终是加强的,质点振动得最剧烈,振动的振幅等于两列波的振幅之和,但这些点始终是振动着的,因而有时质点的位移等于零,D项正确。 答案　BD 3.(多选)如图所示,表示两列同频率相干水波在t=0时刻的叠加情况,图中实线表示波峰,虚线表示波谷。已知两列波的振幅均为2 cm,波速均为2 m/s,波长均为0.4 m,E点为B、D连线和A、C连线的交点,下列说法正确的是 (　　) A.A、C两点是振动减弱点 B.A、C、E点是振动加强点 C.B、D两点在该时刻的竖直高度差为8 cm D.t=0.05 s时,E点离平衡位置的位移大小为4 cm 解析　题图中B、D均为振动加强点,E位于B、D的中线上,故E也是振动加强点,而A、C两点为波峰与波谷相遇,故是振动减弱点。题图中所示时刻,B点偏离平衡位置-4 cm,而D点偏离平衡位置4 cm,故二者竖直高度差为8 cm,再过0.05 s,两列波的波峰恰在E点相遇,故E点偏离平衡位置的距离将达到4 cm,而D在平衡位置,A、C、D三项正确。 答案　ACD 4.如图所示,在公路的十字路口东侧路边,甲以速度v1向东行走,在路口北侧,乙站在路边,一辆汽车以速度v2通过路口向东行驶并鸣笛,已知汽车笛声的频率为f0,车速v2>v1。甲听到的笛声的频率为f1,乙听到的笛声的频率为f2,司机自己听到的笛声的频率为f3,则此三人听到笛声的频率由高至低依次为　　　　。  解析　由于v2>v1,所以汽车和甲的相对距离减小,甲听到的频率变大,即f1>f0。由于乙静止不动,汽车和乙的相对距离增大,乙听到的频率变小,即f2<f0。由于司机和声源相对静止,所以司机听到的频率不变,即f3=f0,综上所述,三人听到笛声的频率由高至低依次为f1、f3、f2。 答案　f1、f3、f2 核心素养微专题 降噪耳机的原理 　　我们在选购耳机的时候,经常会看见这样一种描述——主动降噪(ANC)。什么是主动降噪?它的原理是什么?我们是否需要买具有主动降噪功能的耳机?它会不会伤耳朵?今天,我们一起来聊聊这个话题。 要说清楚“主动降噪”,我们先来了解什么是“被动降噪”。当你用双手捂住耳朵,是不是发现外界的声音小了,这就是典型的被动降噪,被动降噪就是用某种方法隔绝外界噪音而实现降噪。“主动降噪”顾名思义就是主动出击降低噪声。就是通过麦克风,采集周围环境噪音,通过数字化分析,以反相位声波与原噪音声波发生干涉现象,实现声波的抵消,完成降噪。 主动降噪耳机对于低频噪声(地铁轰鸣、环境嘈杂声等)都能较好地进行处理,佩戴后开启降噪能明显感觉到效果。但对于中高频噪声(人声、突发噪音等),不能做到完全处理。中高端的降噪耳机,目前能做到部分降低此类噪音。 【快乐体验】　生活中手机小孔位置内安装了降噪麦克风,其原理是通过其降噪系统产生与外界噪音相位相反的声波叠加从而实现降噪的效果。图乙表示的是理想情况下的降噪过程,实线对应环境噪声,虚线对应降噪系统产生的等幅反相声波。则 (　　) 甲 乙 A.降噪过程利用了声波的干涉原理 B.降噪过程可以使外界噪音的能量消失 C.降噪过程可以消除通话中的所有背景杂音 D.如图乙所示介质中的P点处于平衡位置,动能最大 解析　由题图可知,降噪声波和环境声波波长相等,频率相同,且等幅反相,两边叠加时发生干涉,振动减弱,起到降噪的作用,但是并不能使外界噪音的能量消失,A项正确,B项错误;降噪过程不可以消除通话中的所有背景杂音,只能消除或降低与噪声波频率相同的环境背景杂音,C项错误;P点处于平衡位置,但是两波等幅反相,合振幅为零,此时P点静止不动,动能为零,D项错误。 答案　A 学科网（北京）股份有限公司 $$