高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第2节 波的反射和折射学案

这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第2节 波的反射和折射学案，共11页。
知识点一 波的反射
1．波面和波线
(1)波面：从波源发出的波，经过相同传播时间到达的各点所组成的面，称为波阵面或波面，如图所示．
波面和波线
(2)波线：用来表示波的传播方向的线．波线与各个波面总是垂直的．
2．波的分类
(1)球面波：波面是球面的波．如空气中的声波．
(2)平面波：波面是平面的波．如水波．
3．波的反射
(1)反射现象：波从一种介质传播到另一种介质表面时，返回原来介质传播的现象．
(2)反射定律：反射波线、入射波线和法线在同一平面内，反射波线和入射波线分别位于法线的两侧，反射角等于入射角．
波在均匀介质中传播时，波面的形状不变，波线保持为直线．
1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)只有平面波的波面才与波线垂直．(×)
(2)任何波的波线与波面都相互垂直．(√)
(3)反射波的频率、波速与入射波相同．(√)
知识点二 波的折射与惠更斯原理
1．波的折射
(1)折射现象：波在传播过程中，由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生偏折的现象．
(2)折射定律：eq \f(sin i,sin r)＝eq \f(v1,v2)，式中v1和v2分别是波在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的波速．
2．惠更斯原理
(1)内容：介质中波面上的每一个点，都可以看成一个新的波源，这些新波源发出子波，经过一定时间后，这些子波的包络面就构成下一时刻的波面．
(2)包络面：某时刻与所有子波波面相切的曲面．
(3)无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等，即与波源的振动频率相同．
子波的波速与频率跟初级波的波速与频率有怎样的关系？
提示：都相等．
2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)折射波的频率、波速与入射波相同．(×)
(2)据v＝λf知，波长λ与波速和频率有关．(√)
考点1 惠更斯原理
波面一定是平面吗？根据如图思考波线与波面的关系是怎样的．
提示：波面不一定是平面．波线与波面互相垂直，一定条件下由波面可确定波线，由波线可确定波面．
1．对波线与波面的理解
(1)波面不一定是面，如水波，它只能在水面传播，水波的波面是以波源为圆心的一簇圆．
(2)波线是有方向的一簇线，它的方向代表了波的传播方向．
(3)波线与波面互相垂直，一定条件下由波面可确定波线，由波线可确定波面．
2．惠更斯原理的实质：波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络面就是该时刻总的波动的波面．其核心思想是介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的．
3．惠更斯原理的局限性：光的直线传播、反射、折射等都能用此来进行较好的解释．但是，惠更斯原理是比较粗糙的，用它不能解释衍射现象与狭缝或障碍物大小的关系，而且由惠更斯原理推知有倒退波的存在，而倒退波显然是不存在的．
【典例1】 (多选)下列叙述中正确的是( )
A．空间点波源发出的球面波，其波面是一个球面，波线就是以波源为圆心的同心圆
B．平面波的波线是一条直线，其波线相互平行
C．根据惠更斯原理，波面各点都可看作一个子波源，子波前进的方向的包络面就是该时刻的波面
D．利用惠更斯原理，只要知道t时刻波面的位置和波速，就可确定t＋Δt时刻波面的位置
BCD [球面波的波线沿球面的半径方向，A错误；平面波的波线是一条直线，由于波线与波面垂直，故平面波的波线相互平行，B正确；由惠更斯原理可知，C正确；利用惠更斯原理，只要知道t时刻波面的位置和波速，就可确定另一时刻波面的位置，D正确．]
利用惠更斯原理解释波的传播的一般步骤
(1)确定一列波某时刻一个波面的位置．
(2)在波面上取两点或多个点作为子波的波源．
(3)选一段时间Δt．
(4)根据波速确定Δt时间后子波波面的位置．
(5)确定子波在波前进方向上的包络面，即为新的波面．
(6)由新的波面可确定波线及其方向．
[跟进训练]
1．(多选)关于对惠更斯原理的理解，下列说法正确的是( )
A．同一波面上的各质点振动情况完全相同
B．同一振源的不同波面上的质点的振动情况一定不同
C．球面波的波面是以波源为中心的一个个球面
D．无论怎样的波，波线始终和波面垂直
ACD [按照惠更斯原理：波面是由振动情况完全相同的点构成的面，而不同波面上质点的振动情况可能相同，如相位相差2π整数倍的质点的振动情况相同，故A对，B错；由波面和波线的概念，不难判定C、D对．故正确答案为A、C、D．]
考点2 波的反射
如图所示，一场大雪过后，人们会感到外面万籁俱静．这是怎么回事？难道是人的活动减少了吗？
提示：刚下过的雪是新鲜蓬松的，它的表面层有许多小气孔．当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射．由于气孔往往是内部大而口径小．所以，仅有少部分波的能量能通过口径反射回来，而大部分的能量则被吸收掉了．所以不是人的活动减少了．
1．对波的反射的理解
(1)波发生反射时波的传播方向发生了变化．
(2)反射波和入射波在同一介质中传播，介质决定波速，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＝eq \f(v,f)，可知波长也不改变．
2．波的反射现象的应用
(1)回声测距：
①当声源不动时，声波遇到了障碍物会返回来继续传播，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，则声源距障碍物的距离为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远离声源时，声源发声时障碍物到声源的距离s＝(v声－v)eq \f(t,2)．
(2)超声波定位：
蝙蝠能发出超声波，超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来，蝙蝠就根据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或食物位置，从而确定飞行方向．另外海豚、雷达也是利用波的反射来定位或测速的．
【典例2】 有一辆汽车以15 m/s的速度匀速行驶，在其正前有一陡峭山崖，汽车鸣笛2 s后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离多远？(v声＝340 m/s)
[解析] 若汽车静止，问题就简单了．现在汽车运动，声音传播，如图所示为汽车与声波的运动过程示意图．
设汽车由A到C路程为s1，C点到山崖B距离为s；声波由A到B再反射到C路程为s2，因汽车与声波运动时间同为t，则有s2＝s1＋2s，
即v声t＝v汽t＋2s
所以s＝eq \f(v声－v汽t,2)＝eq \f(340－15×2,2) m＝325 m．
[答案] 325 m
[跟进训练]
2．人耳只能区分相差0.1 s以上的两个声音，人要听到自己讲话的回声，人离障碍物的距离至少要大于多少米？(已知声音在空气中的传播速度为340 m/s)
[解析] 从人讲话到声音传到人耳的时间取0.1 s时，人与障碍物间的距离最小．单程考虑，声音从人传到障碍物或从障碍物传到人耳时t＝eq \f(0.1,2) s＝0.05 s，故人离障碍物的最小距离s＝vt＝340×0.05 m＝17 m．
[答案] 17 m
考点3 波的折射
如图所示，骆驼队白天在沙漠中行走时，队伍后面的喊声，队伍前面往往听不到，而夜晚就不同，听的比较清楚，这是什么原因？
提示：白天近地面的气温较高，声速较大，声速随离地面高度的增加而减小导致声音传播方向向上弯曲；夜晚地面温度较低，声速随离地面高度的增加而增加，声波的传播方向向下弯曲，这也是在夜晚声波传播地比较远的原因．
1．波的反射、折射现象中各量的变化
(1)波向前传播在两种介质的界面上会同时发生反射现象和折射现象，一些相关物理量变化如下：
(2)说明：
①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等于入射波的频率．
②波速v由介质决定，因反射波与入射波在同一介质中传播，故波速不变；折射波与入射波在不同介质中传播，波速变化．
③根据v＝λf，波长λ与v及f有关，即与介质和波源有关，反射波与入射波在同一介质中，波速相同、频率相同，故波长相同．折射波与入射波在不同介质中传播，v不同，f相同，故λ不同．
2．对折射定律的理解
(1)表达式：eq \f(sin i,sin r)＝eq \f(v1,v2)．
(2)理解
①折射的原因：波在两种介质中的传播速度不同．
②由于波在一种介质中的波速是一定的，所以eq \f(v1,v2)是一个只与两种介质的性质有关，与入射角、折射角均无关的常数，叫作第二种介质相对第一种介质的折射率，所以n21＝eq \f(v1,v2)．
③当v1>v2时，i>r，折射波的波线靠近法线；当v1