高中人教版 (2019)3 波的反射、折射和衍射学案

这是一份高中人教版 (2019)3 波的反射、折射和衍射学案，共9页。


☆ 阅读本节教材，回答第66页“问题”并梳理必要知识点．教材第66页问题提示：注意过．波的反射遵从反射定律．
一、波的反射
1．反射现象
波遇到介质界面会返回来继续传播的现象．
2．反射角与入射角
(1)入射角：入射波的波线与法线的夹角，如图中的α.
(2)反射角：反射波的波线与法线的夹角，如图中的β.
3．反射定律
反射波线、法线、入射波线在同一平面内，且反射角等于入射角．
注意：反射波与入射波的波长、频率、波速都相等，但由于反射面吸收一部分能量，反射波传播的能量将减少．
二、波的折射
1．波在传播过程中，从一种介质进入另一种介质时，波传播的方向发生偏折的现象叫作波的折射．
2．一切波都会发生折射现象．
三、波的衍射
1．定义
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．
3．一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)入射波的波线与界面的夹角叫入射角．(×)
(2)入射波的波长和反射波的波长相等．(√)
(3)孔的尺寸比波长大得多时就不会发生衍射现象．(×)
(4)衍射是波的特有现象．(√)
2．(多选)下列说法正确的是( )
A．波发生反射时波的频率不变，波速变小，波长变短
B．波发生反射时频率、波长、波速均不变
C．波发生折射时的频率不变，但波长、波速发生变化
D．波发生折射时波的频率、波长、波速均发生变化
BC [波发生反射时因介质未变，故频率、波长、波速均不变；波发生折射时因波源不变而介质变，故频率不变，波长和波速均发生变化．B、C两项正确．]
3．(多选)一列波在传播过程中通过一个障碍物，发生了一定程度的衍射，以下哪种情况可以使衍射现象更明显( )
A．增大障碍物的尺寸
B．减小波的频率
C．缩小障碍物的尺寸
D．增大波的频率
BC [波在介质中传播时波速是由介质决定的，与波的频率无关，所以改变波的频率不会改变波速，但由v＝λf可知，当波速一定时，减小频率则波长增大．而发生明显衍射的条件是障碍物或孔、缝的尺寸比波长小或相差不多，要使衍射现象变得明显，可以通过缩小障碍物的尺寸，同时增大波长即减小波的频率来实现，BC选项正确．]
(a) (b)
如图(a)在水槽中，点波源所发出的圆形水波遇直线界面反射后的波形仍为同心圆形．图(b)为圆形波反射的示意图．请举例说明生活中波的反射现象．
提示：①回声是声波的反射现象，原因是：对着山崖或高墙说话，声波传到山崖或高墙时，会被反射回来继续传播．
②夏日的雷声轰鸣不绝，原因是：声波在云层界面多次反射．
③在空房间里讲话声音更响亮，原因是：声波在房间里遇到墙壁、地面或天花板发生反射时，由于距离近，原声与回声几乎同时到达人耳．人耳只能区分相差0.1 s以上的声音，所以人在房间里讲话感觉声音比在空旷处大．如果房间里有幔帐、地毯、衣物等，它们会吸收声波，从而使声音减弱．
波向前传播在两种介质的界面上可以同时发生反射和折射现象，一些物理量也会相应发生变化，比较如下：
名师点睛：(1)频率(f)由波源决定：故无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等，即波源的振动频率相同．
(2)波速(v)由介质决定：故反射波与入射波在同一介质中传播，波速不变，折射波与入射波在不同介质中传播，波速变化．
(3)据v＝λf知，波长λ与波速和频率有关．反射波与入射波，频率同、波速同，故波长相同，折射波与入射波在不同介质中传播，频率同，波速不同，故波长不同．
【例1】 甲、乙两人站在一堵墙前面，两人相距2a，距墙均为eq \r(3)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eq \f(\r(3)＋\r(7),2)t时间
思路点拨：根据反射定律画出声波传播的示意图，再用速度公式求时间．
C [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＝eq \f(2a,v).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，由几何关系可得eq \x\t(AC)＝eq \x\t(CB)＝2a，故第二声枪响传到乙耳中的时间为t′＝eq \f(\x\t(AC)＋\x\t(CB),v)＝eq \f(4a,v)＝2t.]
波的反射应用技巧——回声测距
利用回声测距是波的反射的一个重要应用，它的特点是声源正对障碍物，声源发出的声波与回声在同一条直线上传播．
(1)若是一般情况下的反射，反射波和入射波是遵从反射定律的，可用反射定律作图后再求解．
(2)利用回声测距时，要特别注意声源是否运动，若声源运动，声源发出的原声至障碍物再返回至声源的这段时间与声源的运动时间相同．
(3)解决波的反射问题，关键是根据物理情景规范作出几何图形，然后利用几何知识结合物理规律进行解题．
eq \([跟进训练])
1．某物体发出的声音在空气中的波长为1 m，波速为340 m/s，在海水中的波长为4.5 m.
(1)该波的频率为________Hz，在海水中的波速为________ m/s.
(2)若物体在海面上发出的声音经过0.5 s听到回声，则海水深为多少？
(3)若物体以5 m/s的速度由海面向海底运动，则经过多长时间听到回声？
[解析] (1)由f＝eq \f(v,λ)得f＝eq \f(340,1) Hz＝340 Hz，
因波的频率不变，则在海水中的波速为
v海＝λ′f＝4.5×340 m/s＝1 530 m/s.
(2)入射声波和反射声波用时相同，则海水深为
h＝v海eq \f(t,2)＝1 530×eq \f(0.5,2) m＝382.5 m.
(3)物体与声音运动的过程示意图如图所示，设听到回声的时间为t′，则v物t′＋v海t′＝2h
代入数据解得t′＝0.498 s.
[答案] (1)340 1 530 (2)382.5 m (3)0.498 s
声波能绕过障碍物到达后面，衍射声波有什么特点？
水波能到达挡板的后面，衍射水波有什么特点？
提示：衍射波与原波具有相同的频率，传播过程中波形没变．
1．发生明显衍射现象的条件
(1)水波遇到障碍物的情况
当障碍物较小时发现波绕过障碍物继续前进，如同障碍物不存在一样．如图甲所示，衍射现象明显．
甲 乙
(2)水波遇到小孔的情况
当孔较小时发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波．如图乙所示，衍射现象明显．
(3)产生明显衍射的条件
产生明显衍射现象，必须具备一定的条件：障碍物或孔的尺寸比波长小，或者跟波长相差不多．
名师点睛：障碍物或孔的尺寸大小并不是决定衍射能否发生的条件，仅是衍射现象是否明显的条件，一般情况下，波长较大的波容易发生明显衍射现象．
2．波的衍射现象分析
波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)仿佛是一个新的波源，由它发出与原来同频率的波(称为子波)，在孔后传播，于是就出现了偏离直线传播的衍射现象．波的直线传播是衍射不明显时的近似情形．
【例2】 (多选)如图所示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．此时能明显观察到波的衍射现象
B．挡板前后波纹间距离相等
C．如果将孔AB扩大，有可能观察不到明显的衍射现象
D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，能更明显地观察到衍射现象
ABC [从题图中可以看出，孔的大小与波长相差不多，故能够发生明显的衍射现象，选项A正确；由于在同一均匀介质中，波的传播速度没有变化，又因为波的频率是一定的，又根据λ＝eq \f(v,f)可得波长λ没有变化，选项B正确；当将孔扩大后，孔的宽度和波长有可能不满足发生明显衍射的条件，选项C正确；如果孔的大小不变，使波源频率增大，则波长减小，孔的宽度将比波长大，孔的宽度和波长有可能不满足发生明显衍射现象的条件，选项D错误．]
衍射现象的两点提醒
(1)障碍物的尺寸的大小不是发生衍射的条件，而是发生明显衍射的条件，波长越大越易发生明显衍射现象．
(2)当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射十分突出，但衍射波的能量很弱，也很难观察到波的衍射．
eq \([跟进训练])
2．(多选)如图所示，S为在水面上振动的波源，M、N为水面上的两块挡板，其中N板可以移动，两板中间有一狭缝，此时测得A处水没有振动．为使A处水也能发生振动，可采用的方法是( )
A．使波源的频率增大
B．使波源的频率减小
C．移动N使狭缝的距离增大
D．移动N使狭缝的距离减小
BD [要使A处水发生振动，应使波的衍射现象更明显，而波能发生明显衍射的条件是狭缝的宽度跟波长相差不多或者比波长更小．因此可将狭缝变小，或将波长变大，而减小波源的频率可以使波长变大，故B、D正确．]
1．物理观念：波的反射现象、折射现象及波的衍射．
2．科学思维：分析波的明显衍射现象发生的条件．
3．科学探究：探究水波的衍射现象．
1．下列现象或事实属于衍射现象的是( )
A．风从窗户吹进来
B．雪堆积在背风的屋后
C．水波前进方向上遇到凸出在水面上的小石块，小石块对波的传播没有影响
D．晚上看到水中月亮的倒影
C [波可以绕过障碍物继续传播的现象称为波的衍射．C与衍射现象相符．]
2．如图所示是利用发波水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．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
B [小孔相当于衍射波的波源，A侧波是衍射波，A错误；在同一种介质中，波速相等，故B正确；根据波速、波长和频率的关系式v＝λf，由于波速和频率不变，故波长不变，故C错误；在波长无法改变的情况下减小挡板间距会使衍射现象更明显，故D错误．]
3．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、波长均相等
D．3与1的频率相等，波速、波长均不等
D [波发生反射时，在同一种介质中运动，因此波长、波速和频率不变，故选项A、B错误；波发生折射时，频率不变，波速变，波长变，故选项C错误，选项D正确．]
4．(多选)关于波的反射，下列说法正确的是( )
A．波在反射前后，仍在同种介质中传播
B．波发生反射时，波的频率不变，波速变小，波长变短
C．波发生反射时，波的频率、波长、波速均不变
D．波发生反射时，反射角始终等于入射角
ACD [波的反射是波在介质界面上反射回同一种介质中继续传播的现象；由于传播介质不变，所以波速、频率、波长均不变．由反射定律知，反射角等于入射角．故A、C、D正确．]
5．[思维拓展]情境：“B超”可用于探测人体内脏的病变状况．如图是超声波从肝脏表面入射，经折射与反射，最后从肝脏表面射出的示意图．超声波在进入肝脏发生折射时遵循的规律与光的折射规律类似，可表述为eq \f(sin θ1,sin θ2)＝eq \f(v1,v2)(式中θ1是入射角，θ2是折射角，v1、v2分别是超声波在肝外和肝内的传播速度)，超声波在肿瘤表面发生反射时遵循的规律与光的反射规律相同．已知v2＝0.9v1，入射点与出射点之间的距离是d，入射角是i，肿瘤的反射面恰好与肝脏表面平行．
问题：肿瘤离肝表面的深度h为多少？
[解析] 超声波沿如图所示的路线传播，根据eq \f(sin i,sin θ)＝eq \f(v1,v2)，又因为v2＝0.9v1，所以sin θ＝0.9sin i．又因为在直角三角形中，sin θ＝eq \f(\f(d,2),\r(\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(\f(d,2)))2＋h2))，所以h＝eq \f(d\r(100－81sin2i),18sin i).
[答案] eq \f(d\r(100－81sin2i),18sin i)波的反射和折射
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
波的衍射