第3章 03第三节 第1课时 机械波的衍射、反射和折射-【金版教程】2025-2026学年高中物理选择性必修第一册创新导学案Word（粤教版）

该高中物理导学案聚焦机械波的衍射、反射、折射及惠更斯原理，通过“师生互动”活动导入，如观察水波遇湖心岛和小石块的传播差异，引导学生思考衍射条件，搭建从生活现象到物理概念的学习支架，衔接波动基本特征与传播现象的知识脉络。 资料以“判一判”夯实基础认知，“课堂任务”结合图片观察与问题探究（如分析窄缝宽度、波长对衍射的影响），例题和练习题联系声波、水波等实际情境，助力学生通过科学探究形成运动和相互作用的物理观念，培养模型建构与科学推理的科学思维，提升解决实际问题的能力。

物理 选择性必修 第一册(粤教) 第三节　机械波的传播现象 第1课时　机械波的衍射、反射和折射 1．知道波的衍射现象和波产生明显衍射现象的条件，知道衍射是波特有的现象.2.了解惠更斯原理.3.了解波的反射、折射现象． 一　机械波的衍射与惠更斯原理 1．波的衍射：波绕过障碍物或穿过小孔继续向前传播的现象． 2．发生明显衍射现象的条件：当缝、孔的宽度或者障碍物的尺寸跟波长相近或者比波长更小时，能观察到明显的衍射现象． 3．波的衍射的普遍性：一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象． 4．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． 二　机械波的反射和折射 1．一列机械波从一种介质入射到另一种介质的界面上时，波的一部分发生反射，另一部分发生折射，继续传播． 2．在波的反射中，波的频率、波速和波长都不变；在波的折射中，频率不变，波速和波长发生改变． 3．反射和折射是波的普遍性质． 判一判 (1)波向前传播，在两介质的界面上可能同时发生反射和折射．(　　) (2)水波的反射遵从反射定律．(　　) (3)波发生折射时，波的频率、波长、波速均发生变化．(　　) (4)只有当障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时，才会发生衍射现象．(　　) (5)当小孔大小一定时，波的频率越大，衍射现象越明显．(　　) 提示：(1)√　(2)√　(3)×　(4)×　(5)× 课堂任务　机械波的衍射与惠更斯原理 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：在湖泊里，微风激起的水波分别遇到湖心岛和小石块，湖心岛和小石块后面有水波吗？ 提示：湖心岛后面几乎没有水波，小石块后面有水波． 活动2：上述水波绕过障碍物继续传播的现象叫作波的衍射．在水波槽中放置两块挡板，两挡板成一直线，两者之间留一窄缝，使水波能通过窄缝．观察水波通过窄缝后是怎样传播的． 提示：水波可以绕到挡板后面继续传播 活动3：在活动2中，若保持水波的波长不变，改变窄缝的宽度，如图甲所示，观察波的传播情况有什么变化． 提示：当窄缝的尺寸比波长大很多的情况下，波的传播方向基本不发生改变，在窄缝后面形成一个等宽的水波区域，而在挡板后面则几乎没有水波；减小窄缝的间距，挡板后面出现水波的区域越来越大，可观察到水波明显的衍射现象． 活动4：如图乙，保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长，观察波的传播情况有什么变化． 提示：对比这三张照片会再次看到，波长比窄缝宽度小很多时，衍射现象不明显，随着波长的增大，衍射现象变得明显．可以推测，当波长与窄缝宽度相比非常小时，水波将沿直线传播，观察不到明显的衍射现象；当两者相差不多时，有明显的衍射现象． 1．波的衍射 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．波能够发生明显衍射现象的条件 (1)孔、缝的宽度或障碍物的尺寸比波长小或与波长相差不多． (2)忽略能量的因素，波长越长衍射越明显，障碍物的尺寸或孔、缝的宽度越小衍射越明显． (3)通常的声波，波长为1.7 cm～17 m，跟一般障碍物的尺寸相当，所以声波能绕过一般障碍物，“隔墙有耳”就是声波衍射的例证． 3．对衍射现象的解释——惠更斯原理 (1)惠更斯原理 波动的起源是波源的振动，波动的传播是由于介质中质点之间的相互作用．如果介质是连续分布的，介质中任何一点的振动将直接引起邻近各点的振动，因而在波动中任何一点都可以看作新的波源．由此可得出惠更斯原理：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． (2)波的衍射的实质分析：波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)处仿佛是一系列新的波源，由它们发出与原来同频率的波在孔后传播，于是，就出现了偏离直线传播的衍射现象，如图所示． (3)惠更斯原理对任何波动过程都是适用的． 例1　已知空气中的声速为340 m/s，现有周期为 s和频率为1×104 Hz的两种声波，当它们传播时若遇到宽度约为13 m的障碍物，哪种声波发生的衍射现象较明显？ 衍射现象较明显的条件是什么？ 提示：孔、缝的宽度或障碍物的尺寸比波长更小或跟波长相差不多． [规范解答]　由公式v＝得，周期为 s的声波的波长λ1＝vT＝340× m＝17 m， 由公式v＝λf得，频率为1×104 Hz的声波的波长λ2＝＝ m＝0.034 m. 因为障碍物的宽度约为13 m，所以周期为 s的声波的衍射现象较明显． [答案]　周期为 s的声波 判断衍射现象明显不明显，要看障碍物的尺寸或孔、缝的宽度是否与波长相差不多或比波长更小． 　如图所示，O是水面上一波源，实、虚线分别表示该时刻相邻的波峰、波谷组成的波面，A是挡板，B是小孔，经过一段时间，水面上的波形将分布于(　　) A．整个区域 B．阴影Ⅰ以外区域 C．阴影Ⅱ、Ⅲ以外区域 D．上述选项均不对 答案　B 解析　从图中可以看出挡板A的尺寸比该波的波长大得多，因此波不会绕过挡板A，而小孔B的大小与该波的波长相差不多，能发生明显的衍射现象，故波能够传播到阴影Ⅰ以外的区域，B正确． 课堂任务　机械波的反射和折射 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”． 活动1：将两根不同的弹簧连接，产生一列机械波在连接的两根弹簧上传播，如图甲所示，观察机械波在这两根弹簧上的传播情况． 提示：当机械波从介质1传播到介质2时，有一个比初始传播的波(入射波)的振幅小的波(反射波)被反射回来，另一个比入射波的振幅小的波(折射波)继续向前传播． 活动2：普遍情况下，如图乙所示，一列机械波从介质Ⅰ入射到介质Ⅱ的界面上时，机械波会怎样传播？ 提示：波的一部分发生反射，另一部分会发生折射，继续传播． 活动3：波的反射和折射中，波的频率、波速和波长怎么变化？ 提示：在波的反射中，波的频率、波速和波长都不变；在波的折射中，频率不变，波速和波长发生改变． 1．波的反射 (1)波的反射是指波遇到了障碍物就会返回来继续传播，因此波的传播方向发生了变化．反射波与入射波在同一介质中传播，介质决定了波速，因此波速不变．波的频率是由波源决定的，因此波的频率也不改变，根据公式λ＝，可知波长也不改变． (2)波的反射遵从反射定律 如果用一条射线代表波的入射方向(入射线)，用另一条射线代表波的反射方向(反射线)，可以发现：反射线、法线与入射线在同一平面内，反射线与入射线分居法线两侧，反射角等于入射角． 2．波的折射 与光的折射类似，波在折射时传播方向一般发生变化．由于入射波与折射波在两种不同的介质中传播，因此波速会发生变化．波的频率由波源决定，即频率不变，由公式λ＝，可知波长发生变化． 注：与光线类似，波线也是一种物理模型，是为了研究问题方便而提出的，实际并不存在． 例2　图中1、2、3分别代表入射线、反射线、折射线，则(　　) A．2与1对应的波的波长、频率相等，波速不等 B．2与1对应的波的波速、频率相等，波长不等 C．3与1对应的波的波速、频率、波长均相等 D．3与1对应的波的频率相等，波速、波长均不等 (1)波发生反射和折射时，频率是否变化？为什么？ 提示：不变．波的频率f由波源决定，故无论是反射波的频率还是折射波的频率都与入射波的频率相同，即与波源的振动频率相同． (2)波发生反射和折射时，波速是否发生变化？为什么？ 提示：反射波的波速不变，折射波的波速发生变化．波速v由介质决定，因反射波与入射波在同一介质中传播，故波发生反射时，波速不变；而折射波与入射波在不同介质中传播，所以波发生折射时，波速发生变化． [规范解答]　1、2对应的波都在介质a中传播，故1、2对应的波的频率、波速、波长均相等，A、B错误；1、3对应的波是在两种不同的介质中传播，波速不同，但波源相同，因而频率相同，由λ＝得波长不同，故C错误，D正确． [答案]　D 波的反射和折射的比较 现象 比较项 波的反射 波的折射 传播方向 改变，θ反＝θ入 改变，θ折≠θ入（非垂直入射） 频率f 不变 不变 波速v 不变 改变 波长λ 不变 改变 　(多选)关于波的反射和折射，下列说法正确的是(　　) A．在空旷的山谷里叫喊，可以听到回音，这是声波的反射现象 B．地震波在向上传播的过程中，传播速度发生了改变，则同时发生了折射 C．波的传播方向发生了改变，一定是发生了折射 D．波的传播方向发生了改变，一定是发生了反射 答案　AB 解析　在空旷的山谷里叫喊，可以听到回音，这是声波的反射现象，A正确；地震波在向上传播的过程中，传播速度发生了改变，则传播的介质发生了变化，一定同时伴随波的折射现象，B正确；波的传播方向发生了改变，可能是发生了折射，也可能是发生了反射，C、D错误． 1．(机械波的反射)(多选)下列现象中属于声波反射现象的是(　　) A．隔着墙能听到房间外面有人讲话 B．在峡谷中能够听到回声 C．夏日的雷声有时轰鸣不绝 D．在水里的人能听到岸上的声音 答案　BC 解析　隔着墙能听到房间外的人讲话，不属于声波反射现象，A错误；在峡谷中能够听到回声，是声波的反射现象，B正确；夏日的雷声有时轰鸣不绝，是声波的反射现象，C正确；水里的人能听到岸上的声音，是声波的折射现象，故D错误． 2．(机械波的折射)关于机械波的折射现象，下列说法正确的是(　　) A．一切波都能发生折射现象 B．发生折射时，波的传播方向一定会发生改变 C．不是所有的波都能发生折射 D．波发生折射时，波长、频率和波速都会发生变化 答案　A 解析　折射是波特有的性质，一切波都能发生折射，故A正确，C错误．发生折射时，若波的传播方向跟两种介质的界面垂直，则传播方向不变，故B错误．波从一种介质传播进入另一种介质时，频率不变，波速发生变化，而波长λ＝随着波速变化而变化，故D错误． 3.(发生明显衍射的条件)在水波槽的衍射实验中，若打击水面的振子的振动图像如图所示，水波在水槽中的传播速度为0.05 m/s，为观察到明显的衍射现象，小孔直径d应为(　　) A．10 cm B．7 cm C．5 cm D．小于或等于1 cm 答案　D 解析　水波槽中激发的水波波长为λ＝vT＝0.05×0.2 m＝0.01 m＝1 cm.要发生明显的衍射现象，应使孔的尺寸比波长小或者跟波长差不多，故选D. 4．(机械波的衍射)在空旷的广场上有一堵较高大的墙MN，墙的一侧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点，在此过程中，如果从声波的衍射来考虑，则会听到(　　) A．声音变响，男声比女声变响得明显 B．声音变响，女声比男声变响得明显 C．声音变弱，男声比女声变弱得明显 D．声音变弱，女声比男声变弱得明显 答案　D 解析　从声波的衍射来考虑，从A点走到墙后的B点，会听到声音变弱．由于女声比男声音调高，频率高，波长短，所以衍射更不明显，会听到女声比男声变弱得明显．故D正确． 5.(机械波的衍射)如图所示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．减小挡板间距离，衍射波的波长将减小 D．增大挡板间距离，衍射现象将更明显 答案　B 解析　由图样可知，B侧波在传播过程中遇到带有窄缝的挡板后发生衍射，A侧水波是衍射波，A错误；同种机械波在相同介质中的传播速度相同，B正确；减小挡板间距离，衍射现象会更明显，但是衍射波的波速不变，频率不变，故波长不变，C错误；因为只有当挡板间距跟波长差不多，或者比波长更小时，衍射现象才明显，所以当增大挡板间距离时，衍射现象将变得不明显，D错误． 6.(机械波的衍射)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，可采用的方法是(　　) A．增加波源距桥墩的距离 B．减小波源距桥墩的距离 C．提高波源的振动频率 D．降低波源的振动频率 答案　D 解析　为使水波能带动叶片振动，则要使水波发生明显衍射，根据发生明显衍射的条件可知，增加或减小波源距桥墩的距离，都不能影响水波衍射的明显程度，故A、B错误；提高波源的振动频率，根据λ＝，波速不变，频率增大，波长减小，水波的衍射现象变得更不明显，反之降低波源的振动频率，波长增大，水波的衍射现象变得更明显，故C错误，D正确． 7．(机械波的衍射)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，容易发生衍射 D．以上说法均不对 答案　C 解析　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v＝λf知，v一定，f小则λ大，故频率较低的声波波长较长，易发生衍射，能在较远处听到，故C正确，D错误． 8．(机械波的反射和折射的应用)(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隐形物质，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折射 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 答案　ABD 解析　声呐利用了超声波反射原理，A正确；隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质都是为了减少其对波的反射，B正确；雷达的工作原理是利用波的反射，C错误；水波从深水区传到浅水区时，可把深水区域和浅水区域视为不同介质，故发生的是波的折射现象，D正确． 9.(机械波的衍射的应用)(多选)如图所示，一小型渔港的防波堤两端M、N相距约60 m，在防波堤后A、B两处有两个小船进港躲避风浪．某次海啸引起的波浪沿垂直于防波堤的方向向防波堤传播，下列说法正确的有(　　) A．假设波浪的波长约为10 m，则A、B两处小船基本上不受波浪影响 B．假设波浪的波长约为10 m，则A、B两处小船明显受到波浪影响 C．假设波浪的波长约为55 m，则A、B两处小船基本上不受波浪影响 D．假设波浪的波长约为55 m，则A、B两处小船明显受到波浪影响 答案　AD 解析　A、B两处小船明显受到波浪影响，是因为水波通过M、N时发生明显的衍射现象，波浪能传播到A、B处，当障碍物或孔、缝的尺寸比波长小或跟波长相差不多时，会发生明显的衍射现象，故A、D正确． 10．(机械波的衍射的应用)用2×106 Hz的超声波检查胆结石，该超声波在结石和胆汁中的波速分别为2250 m/s和1500 m/s，则该超声波在结石中的波长是胆汁中的________倍．用超声波检查胆结石是因为超声波的波长较短，遇到结石时________(填“容易”或“不容易”)发生衍射． 答案　1.5　不容易 解析　由v＝λf知，超声波在结石中的波长λ1＝，在胆汁中的波长λ2＝，则波长之比＝＝1.5.超声波遇到结石时，其波长远小于结石的线度，则超声波遇到结石时不容易发生衍射现象． 11．(机械波的反射规律的应用)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.由此可估算出云层下表面的高度为________ m. 答案　2.0×103 解析　如图所示，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表示爆炸声由空气直接传到O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处所用的时间，因为入射角等于反射角，故有2＝vt2，已知t2－t1＝Δt，联立以上三式，可得h＝，代入数据解得h＝2.0×103 m. 12.(机械波的反射和折射)一列声波在空气中的波长为0.2 m．当该声波从空气中以某一角度传入介质Ⅱ中时，波长变为0.6 m，如图所示，若空气中的声速是340 m/s.求： (1)该声波在介质Ⅱ中传播时的频率； (2)该声波在介质Ⅱ中传播的速度； (3)若声波垂直进入介质Ⅱ，经0.4 s返回空气，则介质Ⅱ的深度为多少？ 答案　(1)1700 Hz　(2)1020 m/s (3)204 m 解析　(1)声波在空气中传播时，由v＝λf得： f＝＝ Hz＝1700 Hz. 由于声波在不同介质中传播时，频率不变，所以声波在介质Ⅱ中传播时，频率为1700 Hz. (2)由v＝λf得，声波在介质Ⅱ中的传播速度为v2＝λ2f＝0.6×1700 m/s＝1020 m/s. (3)声波经＝0.2 s传至介质Ⅱ底部，故介质Ⅱ的深度h＝v2·＝1020×0.2 m＝204 m. 13．(机械波的衍射的应用)甲、乙两人分别乘两只小船在湖中钓鱼，两船相距24 m．有一列水波在湖面上传播，使每只船每分钟上下浮动20次，当甲船位于波峰时，乙船位于波谷，这时两船之间还有5个波峰．求： (1)此水波的波长为多少？波速为多少？ (2)若此波在传播过程中遇到一根竖立的电线杆，是否会发生明显的衍射现象？ (3)若该波经过一跨度为30 m的桥洞，桥墩直径为3 m，桥墩后能否看到明显衍射现象？若该桥下为一3 m宽的涵洞，洞后能否发生明显衍射现象？ 答案　(1) m　 m/s　(2)会 (3)能　能 解析　(1)由题意知：周期T＝ s＝3 s， 设波长为λ，则5λ＋＝24 m，解得λ＝ m， 由v＝得，v＝ m/s＝ m/s. (2)由于λ＝ m，大于竖立电线杆的直径，所以此波遇到竖立的电线杆时会发生明显的衍射现象． (3)由于λ＝ m>3 m，所以此波无论是通过直径为3 m的桥墩，还是通过宽为3 m的涵洞，都能发生明显的衍射现象． 6 学科网（北京）股份有限公司 $$