高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 波的反射、折射和衍射导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 波的反射、折射和衍射导学案，共9页。


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.
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，其他波从一种介质进入另一种介质时也发生折射.
2．水波的折射：水波在深度不同的水域传播时，在交界面处发生折射.
三、波的衍射
1．波的衍射：波绕过障碍物继续传播的现象.
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．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.
判断下列说法的正误．
(1)一切波都能发生折射和衍射现象．( √ )
(2)水波的反射不遵从反射定律．( × )
(3)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．( × )
(4)“闻其声不见其人”，是指声波的衍射现象．( √ )
(5)波从一种介质进入另一种介质时波的频率发生变化．( × )
一、波的反射和折射
1．波的反射遵从反射定律，即入射线、反射线及法线位于同一平面内，入射线、反射线分别位于法线的两侧，反射角等于入射角．
2．波的频率是由振源决定的，介质中各个质点的振动都是受迫振动，因此不论是反射还是折射，波的频率是不改变的．
3．波速是由介质决定的，波反射时是在同一介质中传播，因此波速不变，波折射时是在不同介质中传播，因此波速改变．
4．波长是由频率和波速共同决定的，即在波的反射中，由于波的频率和波速均不变，根据公式λ＝eq \f(v,f)可知波长不改变；在波的折射中，当进入新的介质中波速增大时，由λ＝eq \f(v,f)可知波长变大，反之变小．
图1中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则( )
图1
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
答案 D
解析 波线1、2都在介质a中传播，故1、2的频率、波速、波长均相等，A、B错；波线1、3是在两种不同介质中传播，波速不同，但波源没变，因而频率相等，由λ＝eq \f(v,f)得波长不同，故C错，D对．
某测量员利用回声测距，他站在两平行竖直墙壁间某一位置鸣枪，经过1 s第一次听到回声，又经过0.5 s再次听到回声，已知声速为340 m/s，则两墙壁间的距离为多少？
答案 425 m
解析 设两墙壁间的距离为s，测量员离较近的墙壁的距离为x，则他离较远的墙壁的距离为s－x，
第一次听到回声时，2x＝vt1
第二次听到回声时，2(s－x)＝v(t1＋Δt)
其中Δt＝0.5 s，t1＝1 s，代入数据解得：s＝425 m.
回声测距的三种情况
1．当声源不动时，声波遇到了障碍物后会返回继续传播，反射波与入射波在同一介质中传播速度相同，因此，入射波和反射波在传播距离一样的情况下用的时间相等，设经时间t听到回声，则声源到障碍物的距离为s＝v声·eq \f(t,2).
2．当声源以速度v向静止的障碍物运动或障碍物以速度v向静止的声源运动时，声源发声时障碍物到声源的距离为s＝(v声＋v)·eq \f(t,2).
3．当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离静止的声源时，声源发声时障碍物到声源的距离为s＝(v声－v)·eq \f(t,2).
二、波的衍射
导学探究
如图2所示是一个可观察水波衍射的发波水槽，振源的频率是可以调节的，槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔，观察水波的传播，也可以在水槽中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播．思考下列问题：
图2
(1)水波遇到小孔时，会观察到什么现象？依次减小小孔尺寸，观察到的现象有什么变化？
(2)当水波遇到较大的障碍物时，会观察到什么现象？当障碍物较小时，会观察到什么现象？
答案 (1) 水波遇到小孔时，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”，小孔的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显
(2)当水波遇到较大的障碍物时，将会返回，当障碍物较小时，波能继续向前传播
知识深化
1．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．声波波长较长，一般在1.7 cm～17 m.
3．波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况．
(多选)如图3所示是观察水波衍射的实验装置．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( )
图3
A．此时能观察到波明显的衍射现象
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，能观察到更明显的衍射现象
答案 ABC
解析 观察题图可知孔的尺寸与波长差不多，能观察到波明显的衍射现象，故A对；因波的传播速度不变，频率不变，故波长不变，即挡板前后波纹间距离应相等，故B对；若将孔AB扩大，且孔的尺寸远大于波长，则可能观察不到明显的衍射现象，故C对；若f增大，由λ＝eq \f(v,f)，知λ变小，衍射现象变得不明显了，故D错．
针对训练 (2020·北京东城区期末)如图4所示为观察水面波衍射的实验示意图，CA、BD是挡板，它们之间有一窄缝，A、B分别为窄缝边缘的两点．S点表示波源，相邻两波纹之间的距离表示一个波长，已知A、B间的距离与波长相差不多，则波穿过窄缝之后( )
图4
A．波纹之间距离变大
B．波的振幅变大
C．波仅在SA与SB两直线之间的扇形区域内传播
D．波能传播到SA、SB两直线外侧的区域
答案 D
解析 穿过窄缝之后，波的频率不变，波速不变，所以波长不变，即波纹间距不变，振幅不变，故选项A、B错误；波衍射后偏离直线传播路径，故C错误，D正确．
1．(波的反射与折射)(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，波的频率不变，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
答案 BC
解析 波发生反射时，在同一种介质中运动，因此波长、波速和频率都不发生变化；波发生折射时，频率不变，波速和波长均发生变化，故B、C正确，A、D错误．
2．(波的衍射)某同学观察到波长相同的水波通过两个宽度不同的狭缝时的现象，如图5所示，下列说法正确的是( )
图5
A．水波通过狭缝后波长变短
B．这是水波的衍射现象，有些波不能发生衍射现象
C．此现象可以说明，波长一定，缝越窄衍射现象越明显
D．此现象可以说明，缝宽一定，波长越长衍射现象越明显
答案 C
解析 波衍射后不影响波的特性，即波长不变，A错误；波的衍射是波特有的性质，所有波都会发生衍射现象，B错误；由题图可知图甲衍射现象比较明显，所以波长一定，缝越窄衍射现象越明显，由于题中给出的是波长一定的情况，无法比较缝宽一定时不同波长的波的衍射情况，C正确，D错误．
3.(波的衍射)(多选)(2020·上海交大附中期中)如图6所示，图中S为水面上振动的波源，M、N是水面上的两块挡板，其中N板可以上下移动，两板中间有一狭缝，此时测得A处水面没有振动，为使A处水面也能发生振动，可采用的方法是( )
图6
A．使波源的频率增大
B．使波源的频率减小
C．移动N使狭缝的间距增大
D．移动N使狭缝的间距减小
答案 BD
解析 要发生明显的衍射现象，狭缝的宽度要比波长小或与波长相差不多，要使狭缝满足发生明显衍射现象的条件，可移动N使狭缝间距变小，或将波长变长，即使波源的频率减小，B、D正确．
考点一 波的反射与折射
1．(多选)以下关于波的认识，正确的是( )
A．潜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．超声波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
2．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
答案 A
解析 入射波与反射波在同种介质中传播，波速相同，频率由波源决定，频率相同，由λ＝eq \f(v,f)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．
3．(2020·宜昌一中期中)当一个探险者进入一个山谷后，为了估测出山谷的宽度，他吼一声后，经过0.3 s听到右边山坡反射回来的声音，又经过1.6 s后听到左边山坡反射回来的声音，若声速为340 m/s，则这个山谷的宽度约为( )
A．221 m B．442 m
C．374 m D．646 m
答案 C
解析 右边的声波从发出到反射回来所用时间为t1＝0.3 s，左边的声波从发出到反射回来所用的时间为t2＝1.9 s．山谷的宽度s＝eq \f(1,2)v(t1＋t2)＝eq \f(1,2)×340×2.2 m＝374 m，故C正确．
考点二 波的衍射
4．(多选)下列说法正确的是( )
A．波的衍射现象必须具备一定的条件，否则不可能发生衍射现象
B．要观察到水波明显的衍射现象，必须使狭缝的宽度远大于水波波长
C．波长越长的波，越容易发生明显的衍射现象
D．只有波才有衍射现象
答案 CD
解析 衍射是波特有的现象，即任何波都会发生衍射现象，只不过存在明显与不明显的差别而已，只有当障碍物或孔的尺寸跟波长差不多或者比波长小时，才会观察到明显的衍射现象，选项C、D正确．
5.如图1所示，正中心O点是水面上一波源，实、虚线分别表示该时刻的波峰、波谷，A是挡板，B是小孔．不考虑波的反射因素，经过一段时间后，水面上的波形将分布于( )
图1
A．整个区域
B．阴影Ⅰ以外的区域
C．阴影Ⅱ以外的区域
D．阴影Ⅰ和Ⅱ以外的区域
答案 B
解析 小孔的宽度与水面波波长差不多，而挡板的长度却比水面波波长大得多，故经过一段时间，区域Ⅱ会因为衍射而弥漫水面波，区域Ⅰ却不能发生明显衍射现象，故选B.
6.(2020·淮北一中期中)如图2所示是利用水波槽观察到的水波衍射图像，从图像可知( )
图2
A．B侧水波是衍射波
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，衍射现象更明显
答案 B
解析 B侧水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，选项A错误；同种机械波在相同介质中的传播速度相同，选项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，选项C错误；因为只有当挡板间距离跟波长差不多，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，衍射现象不会更明显，选项D错误．
7．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，容易产生衍射
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，故选项A、B错误；由v＝λf知，v一定，f小，λ大，则频率低的声波波长较长，易发生衍射，能在较远处被人听到，故C正确，D错误．
8．在水波槽的衍射实验中，若打击水面的振子振动的频率是5 Hz，水波在水波槽中的传播速度是0.05 m/s，为观察到显著的衍射现象，小孔直径d应为( )
A．10 cm B．5 m
C．d>1 cm D．d≤1 cm
答案 D
解析 设水波波长为λ，当d≤λ时会发生明显的衍射现象，由题意知水波的波长λ＝eq \f(v,f)＝
eq \f(0.05,5) m＝0.01 m＝1 cm，即孔直径d≤1 cm，故选D.
9.(多选)如图3所示，一小型渔港的防波堤两端MN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( )
图3
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发生明显的衍射现象，波浪能传播到A、B处，当障碍物或缝隙的尺寸比波长小或跟波长差不多的时候，会发生明显的衍射现象，故A、D正确．
10．(2021·天津市静海一中高二月考)已知空气中的声速为340 m/s.现有几种声波：①周期为eq \f(1,20) s；②频率为104 Hz；③波长为10 m．它们传播时若遇到宽约为13 m的障碍物，能产生明显的衍射现象的是( )
A．①和② B．②和③
C．①和③ D．都可以
答案 C
解析 由公式v＝eq \f(λ,T)得，周期为eq \f(1,20) s的声波的波长为λ1＝vT＝340×eq \f(1,20) m＝17 m；由公式v＝λf得频率为104 Hz的声波的波长为λ2＝eq \f(v,f)＝eq \f(340,104 ) m＝0.034 m，产生明显衍射现象的条件是孔径、障碍物的尺寸小于波长或者与波长相差不大，故①能产生明显的衍射现象，②不能产生明显的衍射现象．波长为10 m的声波，障碍物宽度为13 m，与该声波波长相差不大，故③能产生明显的衍射现象．因此，能产生明显的衍射现象的是①和③，故C正确，A、B、D错误．