物理3 波的反射、折射和衍射学案

这是一份物理3 波的反射、折射和衍射学案，共12页。学案主要包含了波的反射和折射，波的衍射等内容，欢迎下载使用。
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一、波的反射和折射
1.反射现象:波遇到介质界面会返回来继续传播的现象。
2.折射现象:波从一种介质射入另一种介质时,波的传播方向发生改变的现象。
二、波的衍射
如图,做水波的衍射实验时,P点的水没有振动起来,为使挡板左边的振动传到P点,可以采用的办法有哪些?
提示:N板上移或M板下移,也可以减小波的频率。
1.定义:波可以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。
(1)机械波在一个周期内传播的距离就是振幅的4倍。 (×)
(2)波速表示介质中质点振动的快慢。 (×)
(3)在横波中,两个波峰(或波谷)之间的距离为一个波长。 (×)
(4)在纵波中两个密部(或疏部)之间的距离为一个波长。 (×)
(5)振动在介质中传播一个波长的时间是一个周期。 (√)
关键能力·合作学习
知识点一 波的反射现象
1．回声测距：
(1)当声源不动时，声波遇到了静止障碍物会被反射回来继续传播，由于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。设经过时间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) 。
2．超声波定位：蝙蝠、海豚能发出超声波。超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来。蝙蝠、海豚就是根据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置，从而确定飞行或游动方向。
我们在山中、在大的空房间里大声说话时，都会听到回声，这属于波的什么现象？
提示：波的反射。
【典例】听者A、声源B和障碍物C在一条直线上，如图所示。声源在听者和障碍物之间，距听者12 m，距障碍物24 m，若听者能将先后两次发声区别开的时间间隔是0.1 s。试通过计算，说明听者能否把原声和回声区别开来？(已知声音在空气中的传播速度为344 m/s)
【解析】声音到达A的时间：
t1＝ eq \f(AB,v) ＝ eq \f(12,344) s
声音先到达障碍物C，然后到达A的时间：
t2＝ eq \f(BC＋CA,v) ＝ eq \f(24＋（24＋12）,344) s＝ eq \f(60,344) s
时间差：Δt＝t2－t1＝( eq \f(60,344) － eq \f(12,344) ) s≈0.14 s＞0.1 s，所以听者能把原声和回声区别开来。
答案：可以把原声和回声区别开来(计算过程见解析)
1．在波的反射中，关于入射角，下列说法中正确的是( )
A．入射波面与法线的夹角为入射角
B．入射波面与界面的夹角为入射角
C．入射波线与反射波线的夹角为入射角
D．反射角跟入射角相等
【解析】选D。入射波线与法线的夹角为入射角，A、B、C错误；根据反射定律可知在波的反射中，反射角和入射角相等，D正确。
2．已知声波的速度为340 m/s，有一辆汽车以15 m/s的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛2 s后司机听到回声，则汽车鸣笛时距山崖的距离有多远？若该汽车以10 m/s的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛时并同时以a＝10 m/s2的加速度加速，1 s后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离有多远？
【解析】画出汽车与声音运动过程示意图如图所示，
设汽车在A点鸣笛，在C点听到回声，汽车由A到C的位移为s1, C到山崖B的距离为s2，汽车从鸣笛到司机听到回声的时间为t，有t＝2 s。根据汽车运动的时间与声波运动的时间相等，则 eq \f(s1,v汽) ＝ eq \f(s1＋2s2,v声) ＝2 s，s1＝2×15 m＝30 m，2 s＝ eq \f(30 m＋2s2,340 m/s) ，解得：s2＝325 m，即汽车鸣笛时距山崖的距离为s＝s1＋s2＝(30＋325) m＝355 m。
同理：t′＝ eq \f(s1′＋2s2′,v声) ＝ eq \f(v0t′＋\f(1,2)at′2＋2s2′,v声)
解得：s2′＝162.5 m，即此时汽车距山崖的距离为162.5 m。
答案：355 m 162.5 m
【加固训练】
1．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0.5 s听到右边山坡反射回来的声音，又经过1.5 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．170 m B．340 m
C．425 m D．680 m
【解析】选C。t1＝0.5 s，t2＝2 s，d＝v· eq \f(t1＋t2,2) ＝425 m。
2．人耳只能区分相差0.1 s以上的两个声音，人要能听到自己讲话的回声，离障碍物的距离至少要大于( )
A．34 m B．17 m
C．100 m D．170 m
【解析】选B。声波在空气中传播的速度约为340 m/s，因此2s＝vt，s＝ eq \f(vt,2) ＝
17 m，B正确。
知识点二 波的折射现象
波的反射和折射的比较：
提醒：(1)频率f由波源决定。
(2)波速v由介质决定。因折射波与入射波在不同的介质中传播，所以波速变化。
(3)据v＝λf知，波长λ与v及f有关，即与介质和波源有关。
如图所示两波的示意图，波由介质Ⅰ进入介质Ⅱ时频率变化吗？波长变化吗？
提示：频率不变化，波长改变。

【典例】(2021·宿迁高二检测)关于波的反射与折射，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，波的频率、波长、波速均不变
C．波发生折射时，波的频率、波长、波速均发生变化
D．波发生折射时，波的频率、波长不变，但波速发生变化
【解题探究】
(1)波发生反射时，它的波长、频率、波速有什么变化？
提示：波的频率、波长、波速都不发生变化。
(2)波发生折射时，它的波长、频率、波速有变化吗？
提示：波的频率不变，波长和波速发生变化。
【解析】选B。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，A错误，B正确；波发生折射时，在不同种介质中运动，波速发生变化，但频率由振源决定，波的频率不变，由v＝λf可知波长也发生变化，C、D错误。
1．一列波在第一种均匀介质中的波长为λ1，在第二种均匀介质中的波长为λ2，且λ1＝3λ2，那么波在这两种介质中的频率之比和波速之比分别为( )
A．3∶1 1∶1 B．1∶3 1∶4
C．1∶1 3∶1 D．1∶1 1∶3
【解析】选C。同一列波频率不变，v＝λf， eq \f(v1,v2) ＝ eq \f(λ1,λ2) ＝ eq \f(3,1) ，故C选项正确。
2．以下关于波的认识，哪些是不正确的( )
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．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
【解析】选C。声呐探测水中的物体，利用了波的反射现象，故A正确；隐形飞机的原理是：通过降低飞机的声、光、电等可探测特征量，使雷达等防空探测器无法早期发现，所以隐形飞机可能在机身表面涂有高效吸收电磁波的物质，使用吸收雷达电磁波的材料，在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，很难被发现，故B正确；雷达发射电磁波，然后根据被障碍物返回的电磁波判断，故利用波的反射，C错误；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，故D正确。
3．一声波在空气中的波长为25 cm，速度为340 m/s，当折射进入另一种介质时，波长变为80 cm，求：
(1)声波在这种介质中的频率。
(2)声波在这种介质中的传播速度。
【解析】(1)声波由空气进入另一种介质时，频率不变，由v＝λf得f＝ eq \f(v,λ) ＝ eq \f(340,25×10－2) Hz＝1 360 Hz。
(2)因频率不变，有 eq \f(v,λ) ＝ eq \f(v′,λ′) ，
得：v′＝ eq \f(λ′,λ) v＝ eq \f(80×10－2,25×10－2) ×340 m/s＝1 088 m/s。
答案：(1)1 360 Hz (2)1 088 m/s
【加固训练】
在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话的声音要洪亮，是因为( )
A．室内空气不流动 B．室内声音多次反射
C．室内声音发生折射 D．室内物体会吸附声音
【解析】选B。在室内听到的声音洪亮是因为声波在室内墙壁上经过多次反射而得到加强。故选B。
知识点三 波的衍射现象
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。
光是一种波，如图为灯泡发光的情况。
讨论：(1)生活中见到的光的传播有何特点？
(2)生活中为什么很难观察到光的衍射现象？
提示：(1)沿直线传播。
(2)生活中的物体或孔洞比光波的波长大得多。
【典例】如图所示是水波遇到小孔或障碍物后的图像，图中每两条实线间的距离表示一个波长，其中正确的图像是( )
【解题探究】
(1)什么是衍射现象？
提示：衍射现象是波特有的现象，是指波绕过障碍物继续传播的现象。
(2)发生衍射的条件是什么？
提示：发生衍射没有条件，发生明显衍射的条件是障碍物或孔的尺寸大小远小于波长，或相差不大。
【解析】选D。当波的波长与小孔的尺寸相当，或大于小孔的尺寸，会发生明显的衍射，故A项错误；当波的波长比小孔的尺寸小，波表现为直线传播，故B项错误；波遇到与波长差不多的障碍物后，波能“绕过”障碍物继续向前传播，故C项错误，D正确。
1．关于波的衍射，下列说法中错误的是( )
A．一切波在任何情况下都有衍射现象
B．只有横波才能产生衍射现象，纵波不能产生衍射现象
C．“闻其声而不见其人”是波的衍射现象
D．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
【解析】选B。衍射是波特有的现象，所以一切波都会发生衍射现象，故A正确，B错误；“闻其声而不见其人”是波绕过障碍物而传播，所以为波的衍射现象，故C正确；据产生明显衍射现象的条件知，当障碍物的尺寸比波长大很多时，不能发生明显的衍射现象，故D正确。
2.如图所示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
【解析】选B。挡板左边是衍射波的波源，故A错误；在同一种介质中，机械波的波速相等，故B正确；波速不变，增大水波波源的频率，水波的波长将减小，而挡板间距没变，所以衍射现象将没有原来的明显，故C错误；在波长没改变的情况下，增大挡板间距，衍射现象将没有原来的明显，故D错误；故选B。
【加固训练】
1．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，如图所示，下列说法正确的是( )
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
【解析】选C。波衍射后不影响波的特性，即波长和频率不变，A错误；波的衍射是波特有的性质，故所有波都会发生衍射现象，B错误；从图中可知第1幅图衍射现象比较明显，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，无法得出缝宽一定时的衍射情况，故C正确，D错误。
2．关于波的衍射现象，下列说法错误的是( )
A．水波绕过障碍物继续传播的现象即为波的衍射现象
B．衍射现象是波特有的现象， 一切波都能发生衍射，只不过明显与否而已
C．“闻其声而不见其人”为声波的衍射现象
D．要发生衍射，必须满足一定的条件，否则波就不会发生衍射
【解析】选D。由波的衍射定义知，A、C正确。衍射是一切波特有的现象，发生明显的衍射现象是有条件的，只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象，故B对、D错。
【拓展例题】考查内容：反射现象在生产、生活中的应用
【典例】天空有近似等高的浓云层，为了测量云层的高度，在水平地面上与观测者的距离为d＝3.0 km处进行一次爆炸，观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差Δt＝6.0 s，试估算云层下表面的高度。已知空气中的声速v＝ eq \f(1,3) km/s。
【解析】如图所示，A表示爆炸点，O表示观测者所在处，h表示云层下表面的高度。用t1表示爆炸声直接传到O处所经时间，
则d＝vt1①
用t2表示爆炸声经云层反射到O处所经时间，因为入射角等于反射角，故有
2 eq \r(（\f(d,2)）2＋h2) ＝vt2②
已知t2－t1＝Δt③
联立①②③式可得：
h＝2.0×103 m。
答案：2.0×103 m
情境·模型·素养
某居住地A位于某山脉的一侧，山脉的另一侧P处建有无线电波发射站，如图所示。该发射站可发送频率为400 kHz的中波和400 MHz的微波，已知无线电波在空气中的传播速度都为3×108 m/s。
探究：
(1)该中波和微波的波长各是多少？
(2)发射站发出的电磁波是经过干涉还是衍射后到达居住地A处的？
(3)若两种波的接收效果不同，请说明哪一种波的接收效果更好。为什么？
【解析】(1)由λ＝ eq \f(c,f) 知，中波的波长为λ1＝750 m
微波的波长为λ2＝0.75 m。
(2)无线电波绕过山脉到达A处，发生了衍射现象；
(3)中波的接收效果更好，因为它的波长长，衍射现象更明显。
答案：(1)750 m 0.75 m (2)衍射
(3)中波的接收效果好，因为它的波长长，衍射效果更好
“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，入射角为i。
探究：肿瘤的反射面恰好与肝脏表面平行，则肿瘤离肝脏表面的深度h为多少？
【解析】根据光的折射、反射的规律，正确画出超声波折射的光路图，依据几何关系以及折射定律即可求解。
光路如图所示，
入射角为i，设折射角为r，根据题意，
由几何关系得：tan r＝ eq \f(\f(d,2),h) ，
根据折射定律： eq \f(sin i,sin r) ＝ eq \f(v1,v2) ，
而v2＝0.9v1，解得： h＝ eq \f(d\r(100－81sin2i),18sini)
答案： eq \f(d\r(100－81sin2i),18sini)
比较项目
波的反射
波的折射
传播方向
改变 i＝i′
改变 r≠i
频率f
不变
不变
波速v
不变
改变
波长λ
不变
改变