物理选择性必修 第一册3 波的反射、折射和衍射学案设计

3．波的反射、折射和衍射

[核心素养·明目标]

知识点一　波的反射

1．反射现象：波遇到介质界面(如水波遇到挡板)时会返回原介质继续传播的现象。

2．反射规律：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。

　反射波的波长、频率、波速与入射波的相关量相同吗？

提示：相同。

1：思考辨析(正确的打√，错误的打×)

(1)入射波的入射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。 (√)

知识点二　波的折射

1．波的折射：光从一种介质进入另一种介质时会发生折射，同样，一切波都会发生折射现象。

2．水波的折射：水波在深度不同的水域传播时，在交界处将发生折射。

　波的折射现象中，波在两种介质中的波长、频率、波速相同吗？

提示：频率相同，波长、波速发生变化。

2：思考辨析(正确的打√，错误的打×)

(1)波在同一种介质中也能发生折射现象。 (√)

(2)一切波都能发生反射，但不一定发生折射。 (×)

(3)在波的折射现象中波速是不变的。 (×)

知识点三　波的衍射

1．波绕过障碍物继续传播的现象。

2．发生明显衍射的条件：障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小。

3．一切波都能发生衍射。衍射是波特有的现象。

　在水波的衍射现象中，波在通过障碍物(或小孔)前后的频率、波速、波长相同吗？

提示：频率、波长、波速相同。

3：思考辨析(正确的打√，错误的打×)

(1)“隔墙有耳”指的是声波的衍射现象。 (√)

(2)狭缝的宽度远大于水波的波长时，有明显的衍射现象。 (×)

(3)一切波遇到障碍物都会发生衍射现象。 (√)

考点1　波的反射和折射

1．波的反射和折射中物理量变化

2.对波的三点说明

(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，即都与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。

【典例1】　甲、乙两人站在一堵墙前面，两人相距2a，距墙均为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＝。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＝＝2a，故第二声枪响传到乙耳中的时间为t′＝＝＝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。

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＝得f＝ 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＝1 530× 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

考点2　波的衍射

1．波的衍射的条件：应该说衍射是没有条件的，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，障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多，或比波长小是产生明显衍射的条件。

2．波的衍射的实质：波传到小孔(障碍物)时，小孔(障碍物)仿佛是一个新波源，由它发出的与原来同频率的波在小孔(障碍物)后传播，就偏离了直线方向。波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况。

3．衍射现象与观察的矛盾：当孔的尺寸远小于波长时尽管衍射十分突出，但由于衍射波的能量很弱，衍射现象不容易观察到。

【典例2】　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，下列描述不正确的是(　　)

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

D　[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＝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)障碍物的尺寸与波长大小的关系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。

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．关于波的反射与折射，下列说法正确的是(　　)

A．入射波的波长一定等于反射波的波长，其频率不变

B．入射波的波长一定小于反射波的波长，其频率不变

C．入射波的波长一定大于折射波的波长，其频率不变

D．入射波的波长一定小于折射波的波长，其频率不变

A　[入射波与反射波在同种介质中波速相同，频率由波源决定，频率相同，由v＝λf知波长相同，选项A正确，B错误；因不知介质情况，入射波与折射波波长无法比较，选项C、D错误。]

2．(多选)关于波的衍射现象，下列说法正确的是(　　)

A．当孔的尺寸比波长大时，一定不会发生衍射现象

B．只有孔的尺寸与波长相差不多时，或者比波长还小时才会观察到明显的衍射现象

C．只有波才有衍射现象

D．衍射是波特有的现象

BCD　[衍射是波特有的现象。当孔的尺寸比波长大时，会发生衍射现象，只不过不明显。只有当孔、缝或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才会发生明显的衍射现象，切不可把此条件用来判断波是否发生了衍射现象。]

3．一块小石子投入河水中激起一列水波，遇到障碍物后能发生明显衍射现象，障碍物是(　　)

A．静止在河面的渔船 B．静止在河面的货船

C．竖立在河中的竹竿 D．竖立在河中的桥墩

C　[河水中激起一列水波，遇到障碍物后能发生明显衍射现象，依据发生明显的衍射现象的条件是障碍物的尺寸与波长相差不大或者比波长小，故该障碍物的尺寸较小，故C正确，A、B、D错误。故选C。]

4．(新情境题，以医学“B超”检测为背景考查反射和折射现象)

“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＝(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＝，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＝，

所以h＝。

[答案]　

回归本节知识，自我完成以下问题：

1．波在两种介质的界面处能否同时发生折射和反射现象？

提示：能。

2．在波的反射和折射现象中频率是否发生变化？

提示：不变。

3．明显衍射现象的条件是什么？

提示：波长大于障碍物或小孔的尺寸(或相差不多)。

回声、混响和建筑声学

各种波在传播过程中如果遇到大的障碍物，都会发生反射，声波也是这样。声波遇到普通房间的墙壁、地面、天花板也会反射，但是由于回声和原声几乎同时到达，而人耳只能分辨相差0.1 s以上的两个声音，所以在房间里不能听到回声，只会感到声音比在野外时大些；同时由于墙壁、地面、天花板对声波的多次反射，当声源停止发声后，声音要经过一段时间才会消失，这种现象叫作混响，这段时间叫作混响时间。混响时间的长短是音乐厅、剧院、礼堂等建筑物的重要声学特性。对讲演厅来说，混响时间不能太长。我们平时讲话，每秒大约发出2至3个音节，如果混响时间太长，发出下一个音节的时候上一个音节的声音还很强，那就不容易听清楚。混响时间也不能太短，太短了听起来声音太小，就像在旷野里说话，同样听不清。处理各种建筑物的声学特性，取得好的声音效果，这门学问叫作建筑声学。北京回音壁是皇穹宇的围墙，墙高3.72米，厚0.9米，直径61.5米，周长193.2米。墙壁是用磨砖对缝砌成的，墙头覆着蓝色琉璃瓦。围墙的弧度十分规则，墙面极其光滑整齐，对声波的反射是十分规则的。只要两个人分别站在东、西配殿后，贴墙而立，一个人靠墙向北说话，声波就会沿着墙壁连续折射前进，传到一、二百米的另一端，无论说话声音多小，也可以使对方听得清清楚楚，而且声音悠长，堪称奇趣，给人造成一种“天人感应”的神秘气氛。所以称之为“回音壁”。

问题

1．声波在传播过程中遇到障碍物能发生反射现象吗？

提示：能。

2．北京回音壁有回音效果的原因是什么？

提示：围墙由磨砖对缝砌成，光滑平整，圆周率精确，有利于声波的规则反射。