3.3 波的反射、折射和衍射 教案-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第一册

该教案聚焦波的反射、折射和衍射核心知识点，通过彝族人唱山歌视频导入声波反射现象，进而过渡到水波反射探究，搭建生活现象与物理概念的学习支架，衔接前后知识脉络。 特色在于实验探究与情境设问深度融合，如发波水槽实验观察水波遇障碍物反射、不同介质折射，“隔墙有耳”情境引出衍射，培养科学探究和科学思维。例题结合“桥墩树叶振动”等实例，强化物理观念应用，备课资源融入衍射研究史，提升科学态度，助力学生理解规律，帮助教师高效教学。

第3节　波的反射、折射和衍射 教学分析 · 教学目标 1.通过观察实验，使学生能认识波的反射和折射现象。 2.通过用射线解释反射、折射现象,使学生认识波动中建构物理模型的方法。 3.通过观察波长一定的水波通过宽度不同狭缝或遇到障碍物时的现象,使学生知道波的衍射现象，清楚波产生明显衍射现象的条件。 · 教学重难点 波的衍射现象。 · 教学方法 实验法、讲授法、讨论法。 · 课时安排 1课时。 · 教学准备 多媒体辅助教学设备、学案等 教学设计 一、情境导入 【视频展示】彝族人在山中唱山歌,歌声缭绕不断。 【提出问题】为什么会发生上述现象? 【学生回答】彝族人的歌声传到山崖时,会反射回来,我们就会听到回声,这属于声波的反射现象。 【提出问题】水波在传播过程中遇到障碍物时,会不会发生反射现象呢? 【教师总结】板书呈现课题,配合课件使用,引导学生进入本课的学习过程,明确本课的基本教学目标。 二、讲授新课 (一)波的反射 【实验展示】在发波水槽中,把一根金属丝固定在振动片上。 a.让振动片振动起来,金属丝周期性地触动水面。 观察到的现象:在水面上从波源发出一列圆形水波。 b.在水槽中放一块长木板,观察水波遇到长木板后发生的现象。 观察到的现象:从波源发出的波遇到长木板后,有一列波被反射回来。 【提出问题】水波在传播过程中遇到障碍物会发生反射现象，水波的反射遵循什么样的规律呢? 【师生共同总结回答】水波的反射与光的反射遵循相同的规律。 【提出问题】为什么夏天的雷声会轰鸣不绝呢? 【学生回答】夏天的雷声会轰鸣不绝,是因为声波在云层里多次发生反射的结果。 (二)波的折射 【情境设问】 波的反射现象是反射波和入射波在同一种介质中,如果波由一种介质进入另一种介质,又会发生什么现象呢?其实除了光波、水波等机械波从一种介质进入另外一种介质时都会发生折射。 【教师总结】波由一种介质进入另一种介质时会发生折射现象。 【实验展示】 (1)在发波水槽的一部分底面上放一块玻璃板,把槽分成深水区和浅水区两部分。 (2)让水波由深水区传播到两个区域的界面上,观察发生的现象。 【提出问题】波由深水区进入浅水区会继续传播,我们能观察到什么现象? 【学生回答】传播的方向发生改变。 【教师总结】波从一种介质射入另一种介质时,传播的方向会发生改变,这种现象叫作波的折射。 波的折射定律： （1）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。 （2）当垂直界面入射时，传播方向不改变，属于折射中的特例。 （3）在波的折射中，波的频率不变，波速和波长都发生改变。 (三)波的衍射 【情境设问】“隔墙有耳”说的是隔着墙说话,墙那边的人也能听见，这是为什么呢？ 【实验展示】 【提出问题】水波通过宽度一定的狭缝后,我们能观察到什么现象? 【学生回答】水波可以绕到挡板的后面继续传播。 【教师总结】波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫作波的衍射。 【提出问题】水波遇到不同尺寸的狭缝后传播情况有什么不同? 【学生回答】狭缝越小,衍射现象越明显。 【教师总结】在不改变波源的条件下,将障碍物的尺寸由较大逐渐变小。可以看到波的衍射现象越来越明显。 【实验展示】 【提出问题】保持狭缝的宽度不变,波长不同的水波通过狭缝发生衍射现象,我们能观察到什么现象? 【学生回答】波长越长,衍射现象越明显。 【教师总结】当狭缝宽度不变时,波长越长,衍射现象越明显。 【教师总结提升】在不改变波源的条件下,将障碍物的尺寸由较大逐渐变小。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。 一切波都能发生衍射。衍射是波特有的现象。 三、例题展示 [例题1](多选) 下列属于明显衍射现象的是（　　） A.隔墙有耳 B.河中芦苇后面没有留下无波的区域 C.池中假山前有水波，假山后无水波 D.在大山前喊话，多次听到自己的声音 例题分析:考查对波的衍射现象的了解。 例题解答:C选项说明没有发生明显的衍射现象，D选项是波的反射现象。故选A、B。 [例题2] 小河中有一个实心桥墩P,A为靠近桥墩浮在平静水面上的一片树叶,俯视如图所示。现在S处以某一频率拍打水面,使形成的水波能带动树叶A明显振动起来,可以采用的方法是(　　) A.提高拍打水面的频率 B.降低拍打水面的频率 C.只要拍打,A就会振动起来 D.无论怎样拍打,A都不会振动起来 例题分析:使树叶A发生振动,考虑波传播到A点的条件,即明显衍射的条件。 例题解答:要使树叶振动起来,需要波衍射到树叶处,因为障碍物的尺寸较大,所以要增大水面波的波长才能较好发生衍射,故可降低拍打水面的频率,B正确。 本知识点设计说明:应用明显衍射的条件解决实际问题 评价反馈 1.下列现象属于波的衍射现象的是(　　) A.在空旷的山谷里喊叫,可以听到回声 B.只闻其声,不见其人 C.余音绕梁,三日而不绝 D.夏日的雷声有时轰鸣不绝 答案:B 2.下图是观察水面波衍射的实验装置。AC和BD是两块挡板,AB是一个孔,O是波源。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,则关于波经过孔之后的传播情况,下列描述正确的是(　　) A.此时能明显观察到波的衍射现象 B.频率不变,则孔越大,挡板后面的相邻波纹间距越大 C.频率不变,将孔扩大,可观察到更明显的衍射现象 D.孔的大小不变,使波源频率增大,可观察到更明显的衍射现象 答案:A 3.下图是利用水波槽观察到的水波衍射图像,从图像可知(　　) 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 答案:B 【反馈深化】 题号 1 2 3 考查点 波的反射、折射和衍射现象 明显衍射的条件 同一种介质中,波速不变 典型共 性错误 教师讲 解要点 课堂小结 【教师引导】回顾本节课的学习,总结波的反射、折射的规律。 教师提问,倾听学生回答,适当提示,适时指正。 【学生总结】本节课运用的方法:实验法,归纳法等,学生总结波的反射、折射的规律以及明显衍射的条件。 【教师引导】强化理解，根据明显衍射的条件解决实际问题。 布置作业 【掌握巩固】完成教材课后习题。 板书设计 第3节　波的反射、折射和衍射 1.波的反射:与光的反射遵循相同规律 2.波的折射:一切波都会发生 3.波的衍射:明显衍射的条件是障碍物或孔的大小比波长小,或者与波长相差不多 教学反思 课程设计 学生引导 教材挖掘 作业设计 自我鉴定 备课资源 波衍射现象的研究过程 衍射最早是由弗朗西斯科·格里马第(Francesco Grimaldi)发现并加以描述,他也是“衍射”一词的创始人。这个词源于拉丁语词汇“diffringere”,意为“成为碎片”,即波原来的传播方向被“打碎”、弯散至不同的方向。格里马第观察到的现象直到1665年才被发表,这时他已经去世。他提出光不仅会沿直线传播、折射和反射,还能够以第四种方式传播,即通过衍射的方式传播。 英国科学家艾萨克·牛顿对这些现象进行了研究,他认为光线发生了弯曲,并认为光是由粒子构成的。在19世纪以前,由于牛顿在学界的权威,光的粒子说在很长一段时间占据主流位置。这样的情况直到19世纪几项理论和实验结果的发表,才得以改变。1801年,托马斯·杨进行了一项非常著名的实验,这项实验展示了两条紧密相邻的狭缝造成的干涉现象,后人称之为“双缝干涉实验”。在这个实验中,一束光照射到具有紧挨的两条狭缝的遮光挡板上,当光穿过狭缝并照射到挡板后面的观察屏上时,可以产生明暗相间的条纹。他把这归因于两束狭缝衍射后的光发生干涉,并进一步推测光一定具有波动的性质。奥古斯丁·菲涅耳则对衍射做了更多权威的计算研究,他的研究结果分别于1815年和1818年被发表。 法国科学院曾经举办了一个关于衍射问题的有奖辩论会,菲涅耳赢得了这次辩论。作为反对光波动学说的西莫恩·德尼·泊松提出,如果菲涅耳声称的结论是正确的,那么当光射向一个球的时候,将会在球后面阴影区域的中心找到亮斑。结果,评审委员会安排了上述实验,并发现了位于阴影区域中心的亮斑(它后来被称为泊松亮斑)。这个发现极大地支持了菲涅耳的理论。他的研究为克里斯蒂安·惠更斯发展的光的波动理论提供了很大的支持。他与托马斯·杨的理论共同反驳了牛顿关于光是粒子的理论。 在对衍射现象的探索过程中,人们也不断积累了对于衍射光栅的认识。17世纪,苏格兰数学家、天文学家詹姆斯·格雷戈里(James Gregory)在鸟的羽毛缝间观察到了阳光的衍射现象。他是第一个发现衍射光栅原理的科学家。在1673年5月13日他写给约翰·科林斯(John Colins)的一封信中提到了此发现。1786年,美国天文学家戴维·里滕豪斯用螺丝和细线第一次人工制成了衍射光栅,细线的密度达到每英寸100线,他用这个装置成功地看到了太阳光的衍射现象。1821年,约瑟夫·夫琅禾费利用相似的装置(每厘米127线)验证了托马斯·杨的波动理论,并对衍射进行了许多重要研究。1867年,刘易斯·卢瑟福(Lewis Morris Rutherfurd)采用水轮机作为动力进行刻线、制作光栅。后来的亨利·奥古斯塔斯·罗兰改良了光栅的刻划技术,并在1882年发明了在凹形球面镜上进行刻划的凹面光栅。其后的罗伯特·伍德(Robert William Wood)改进了光栅的刻划形状,从而提高了光栅的衍射效率。近代的阿尔伯特·迈克耳孙提出利用干涉伺服系统控制光栅的刻划过程,于1948年实现了这一想法。20世纪下半叶,由于激光、光刻胶等新技术的出现,光栅制造技术取得很大的进步,制造成本显著降低,制造周期也得以缩短。 如果采用单色平行光,则衍射后将产生干涉结果。相干波在空间某处相遇后,因相位不同,相互之间产生干涉作用,引起相互加强或减弱的物理现象。衍射的结果是产生明暗相间的衍射花纹,代表着衍射方向(角度)和强度。根据衍射花纹可以反过来推测光源和光栅的情况。为了使光能产生明显的偏向,必须使“光栅间隔”具有与光的波长相同的数量级。用于可见光谱的光栅每毫米要刻有约500条线。 1912年,劳厄想到,如果晶体中的原子排列是有规则的,那么晶体可以当作是X射线的三维衍射光栅。X射线波长的数量级是10-8 cm,这与固体中的原子间距大致相同。果然实验取得了成功,这就是最早的X射线衍射。显然,在X射线一定的情况下,根据衍射的花样可以分析晶体的性质。但为此必须事先建立X射线衍射的方向和强度与晶体结构之间的对应关系。 波的衍射应用 可以通过双缝干涉实验来测定波的波长,可以应用X射线衍射研究晶体的原子分布。电子显微镜之所以能够使我们看到更微小的世界也运用了衍射原理。当然,是要减小衍射现象。德布罗意波(物质波)要比光波的波长更短,因此,要发生明显的衍射现象就需要更小的“孔”,而这些“孔”对于光波来说太小了,其干涉现象会使得清晰度大大降低,这就是电子显微镜比光学显微镜更厉害的原因了。 折射定律 反射与折射是当媒质1中的平面电磁波(入射波)投射到两种媒质(设都为线性、均匀、各向同性)的分界面(设它为无限薄、无限大的平面)时,一部分能量被反射回去,称为反射波;剩下的能量进入媒质2继续前进,称为折射波。如图所示,沿KI方向的一束入射波,在媒质1中引起一束沿KR方向的反射波和媒质2中沿KT方向的一束折射波。三者在同一平面上沿着不同方向的三条直线传播,这三条直线分别称为入射光线,反射光线和折射光线。三条射线构成的平面称为入射面,两种媒质的分界面称为反射面。这三条射线与反射面法线的夹角分别用θI、θR和θT表示,并分别称为入射角、反射角和折射角,见图。反射和折射不改变入射波的频率。根据反射定律，入射角等于反射角。即θI=θR。 折射定律中入射角与折射角满足如下关系: 这就是折射定律,又称斯奈尔定律。 入射波、反射波与折射波 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $