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设计

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设计，共14页。
2．掌握波的反射定律和折射定律，并能解释波的反射与折射现象。
3．能与他人合作用水波实验探究波的反射规律。
4．通过学习惠更斯原理及声呐的应用，体验探究科学的艰辛及伟大意义。
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：反射波的波线、入射波的波线和法线在同一平面内，反射波的波线和入射波的波线分别位于法线两侧，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
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：sinisinr＝v1v2，式中v1和v2分别是波在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的波速。
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。(√)
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。
考点1 波的反射
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＝vf，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t2。
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)t2。
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)t2。
(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1】 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] 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＝v声 -v汽t2＝340-15×22 m＝325 m。
[答案] 325 m
[跟进训练]
1．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＝0.12 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2 波的折射
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，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：sinisinr＝v1v2。
(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v1v2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n12＝v1v2。
③当v1>v2时，i>r，折射波的波线靠近法线；当v1r，则Ⅰ可能是空气，Ⅱ可能是水
C．若i>r，则Ⅰ可能是钢铁，Ⅱ可能是空气
D．在介质Ⅰ中的传播速度v1与在介质Ⅱ中的传播速度v2满足v1v2＝sinrsini
C [根据折射规律可得v1v2＝sinisinr，若i>r，则v1>v2，故A、D错误；又因声波在钢铁中的传播速度比在空气中的快，声波在空气中的传播速度比在水中的慢，故B错误，C正确。]
8．一列平面波，以30 °的入射角投射到两种介质的交界面，发生折射，折射角为45 °，若入射波的波长为10 cm，则折射波的波长是多少？
[解析] 根据折射定律sinisinr＝v1v2，又因为v＝λf，f1＝f2，
有sin30°sin45°＝λ1f1λ2f2＝λ1λ2＝10λ2
所以λ2≈14.14 cm。
[答案] 14.14 cm
9．一列声波在介质Ⅰ中的波长为0.2 m。当该声波从空气中以某一角度传入介质Ⅱ中时，波长变为0.6 m，如图所示，若介质Ⅰ中的声速为 340 m/s。
(1)求该声波在介质Ⅱ中传播时的频率；
(2)求该声波在介质Ⅱ中传播的速度；
(3)若另一种声波在介质Ⅱ中的传播速度为1 400 m/s，按图中的方向从介质Ⅰ射入介质Ⅱ中，求它在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的频率之比。
[解析] (1)声波在介质Ⅰ中传播时，由v＝λf得：
f＝v1λ1＝3400.2 Hz＝1 700 Hz，由于声波在不同介质中传播时，频率不变，所以声波在介质Ⅱ中传播时，频率为 1 700 Hz。
(2)由v＝λf得声波在介质Ⅱ中的传播速度为v2＝λ2f＝0.6×1 700 m/s＝1 020 m/s。
(3)波由介质Ⅰ到介质Ⅱ的过程中，只有频率不变，故当波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ时，其频率之比为1∶1。
[答案] (1)1 700 Hz (2)1 020 m/s (3)1∶1
比较项
波现象
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