高中物理新教材同步选修第一册课件+讲义 第3章 3.3　波的反射、折射和衍射

高中物理新教材特点分析及教学策略

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3　波的反射、折射和衍射

[学习目标]　1.了解波的反射和折射现象，知道波的反射和折射规律.2.知道波的衍射现象和波发生明显衍射的条件．

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：一列水波在深度不同的水域传播时，在交界面处将发生折射. 

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. 

1．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规律．(　×　)

(3)只有当障碍物的尺寸与波长相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频率发生变化．(　×　)

2．(多选)下列判断正确的是(　　)

A．北京天坛回音壁的回音是由声波的衍射形成的

B．北京天坛回音壁的回音是由声波的反射形成的

C．在墙外能听到墙内人讲话，这是声波反射形成的

D．在墙外能听到墙内人讲话，这是声波衍射形成的

答案　BD

解析　北京天坛回音壁的回音是由声波的多次反射形成的，故A错误，B正确；在墙外能听到墙内人讲话，这是声波的衍射形成的，故C错误，D正确．

一、波的反射和折射

导学探究

如图甲，在水槽中，点波源所发出的圆形水波遇直线界面反射后的波形仍为同心圆．图乙为圆形波反射的示意图．请举例说明生活中波的反射现象．

答案　①对着远处的峭壁或高墙说话会听到回声．②夏日的雷声轰鸣不绝，是因为声波在云层界面多次反射．

知识深化

1．波的反射遵从反射规律，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．波的反射和折射中各物理量的变化

(1)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．

(2)波速是由介质决定的，波反射时是在同一均匀介质中传播，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．

(3)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＝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＝可知波长变长，反之变短．

例1　图中1、2、3分别代表入射线、反射线、折射线，则(　　)

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，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，波速不同，但波源没变，因而频率相等，波速改变，由λ＝得波长改变，故C错，D对．

例2　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(不是中间位置)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·.

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)·.

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)·.

针对训练1　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，此时汽车距山崖的距离有多远？(v声＝340 m/s)

答案　325 m

解析　汽车匀速行驶，速度为v车＝15 m/s，声音在空气中传播速度不变，汽车从鸣笛到听到回声，二者运动时间相同，如图所示．

设汽车在A点鸣笛，A点到山崖B的距离为x1，汽车运动到C点听到回声，设AC距离为x2，CB距离为x，因二者运动时间相同，则有x1＝x2＋x①

x1＋x＝v声t②

x2＝v车t③

联立①②③得x＝325 m.

二、波的衍射

导学探究

如图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．回答下列问题：

(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，波能绕过障碍物继续向前传播．

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，一般为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．

例3　(多选)如图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(　　)

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相等，故B对；若将孔AB扩大，且孔的尺寸大于波长，则可能观察不到明显的衍射现象，故C对；若f增大，由λ＝，知λ变小，衍射现象变得不明显了，故D错．

针对训练2　(多选)下列各图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(A、B图)或障碍物(C、D图)，其中能发生明显衍射现象的有(　　)

答案　BD

解析　发生明显衍射现象的条件是障碍物或孔的尺寸比波长小，或和波长相差不多．由图中两个波纹间的距离，B、D选项波纹间的距离比障碍物或孔的尺寸大，能发生明显衍射现象，故B、D正确．

考点一　波的反射与折射

1．(2022·昆明一中月考)以下关于波的认识，不正确的是(　　)

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　C

解析　潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，利用了波的反射原理，A正确；隐形飞机隐形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发现，可在隐形飞机机身表面涂高效吸收电磁波的物质，或使用吸收雷达电磁波的材料，或利用自身怪异的外形改变反射电磁波的方向，这样在雷达屏幕上显示的反射信息很小、很弱，使得隐形飞机很难被发现，B正确；超声雷达发射超声波，然后根据被障碍物反射回的波判断状况，即利用波的反射，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，D正确．

2．(多选)下列说法正确的是(　　)

A．波发生反射时，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．

3．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＝v(t1＋t2)＝×340×2.2 m＝374 m，故C正确．

考点二　波的衍射

4．(2022·晋江一中月考)下列现象中属于波的衍射的是(　　)

A．敲响一音叉，另一个完全相同的音叉也响了起来

B．挂在同一水平绳上的几个单摆，当一个振动后，另外几个也跟着一起振动起来

C．打雷时听见空中雷声会轰鸣一段时间

D．水波向前传播时，遇到突出水面的小树枝不受影响地继续向前传播

答案　D

解析　敲响一个音叉，另一个完全相同的音叉也响起来，这种现象是共振现象，故A错误；挂在同一水平绳上的几个单摆，当一个振动后，另外几个也跟着一起振动，这种现象是受迫振动，故B错误；打雷时，经常听到雷声轰鸣不绝，这是由于雷声经过多次反射，故C错误；水波向前传播时，遇到突出水面的小树枝不受影响地继续向前传播，属于波的衍射现象，故D正确．

5.(多选)如图所示，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(　　)

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50 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50 m，则A、B两处小船明显受到波浪影响

答案　AD

解析　A、B处小船受到波浪影响是因为水波发生明显的衍射，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相差不多的时候，会发生明显的衍射现象．假设波浪的波长约为10 m，则不能发生明显的衍射现象，而当波浪的波长约为50 m时，则能发生明显的衍射现象．故选A、D.

6.如图所示，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，经过一段时间后，水面上的波形将分布于(　　)

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B的宽度与水面波波长差不多，区域Ⅱ会因为衍射而弥漫水面波，而挡板A的长度比水面波波长大得多，不能发生明显衍射现象，故经过一段时间，水面上的波形将分布于除阴影Ⅰ以外的区域，故选B.

7.(2021·佛山一中期中)如图所示，P为桥墩，A为靠近桥墩浮在水面的叶片，波源S连续振动，形成水波，此时叶片A静止不动．为使水波能带动叶片振动，可用的方法是(　　)

A．增大波源距桥墩的距离

B．减小波源距桥墩的距离

C．增大波源的振动频率

D．减小波源的振动频率

答案　D

解析　为使水波能带动叶片振动，则要使得水波发生明显衍射现象，根据发生明显衍射现象的条件可知，增大或减小波源距桥墩的距离，都不可行，选项A、B错误；S振动时，水波中的质点上下振动，形成的波向前传播，提高波源的振动频率，根据λ＝知，波速不变，频率增大时，波长减小，衍射现象不明显，反之，频率减小，波长增大，衍射现象更明显，故C错误，D正确．

8．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，容易发生明显衍射现象

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λ＝知，v一定，f越低，λ越大，则频率低的声波波长较长，容易发生明显衍射现象，能在较远处被人听到，故C正确，D错误．

9．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，狭缝宽度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λ＝＝ m＝0.01 m＝1 cm，即狭缝宽度d≤1 cm，故选D.

10．(2022·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 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＝得，周期为 s的声波的波长为λ1＝vT1＝340× m＝17 m；由公式v＝λf得频率为104 Hz的声波的波长为λ2＝＝ 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．

11．(2022·团风中学月考)在空旷的广场上有一堵较高大的墙，墙的一侧有一个正在播放男女声合唱歌曲的声源．某人从墙的另一侧远离墙的A点走到靠近墙的B点，在此过程中，如果从声波的衍射来考虑，则会听到(　　)

A．声音变响，男声比女声更响

B．声音变响，女声比男声更响

C．声音变弱，男声比女声更弱

D．声音变弱，女声比男声更弱

答案　D

解析　由于墙很高大，故衍射现象比较弱，由于女声频率更高，波长更小，所以衍射现象更不明显，故选D.

12．(2021·长沙市长郡中学模拟)天空有近似等高的浓云层．为了测量云层的高度，在水平地面与观测者距离为d＝3.0 km处进行一次爆炸实验，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，试估算云层下表面距水平地面的高度．(已知空气中的声速v＝ km/s)

答案　见解析

解析　由题意画出声波传播平面图，如图所示．

设云层下表面距水平地面的高度为h，则由云层反射来的爆炸声传播的距离为s＝2，

声音经云层反射传来的时间为t1＝，

声音直接传来的时间为t2＝，

则Δt＝t1－t2，

联立以上各式并代入数据，解得h＝2.0 km.

13．(2022·黄冈中学月考)如图甲是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收的信号间的时间差，测出被测车辆的速度．图乙中P1、P2是测速仪发出的超声波信号，n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号．设测速仪匀速扫描，P1、P2之间的时间间隔Δt＝1.0 s，超声波在空气中传播的速度是v＝340 m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图乙可知，汽车在接收到P1、P2两个信号的时间间隔内前进的距离是____________ m，汽车的速度是________ m/s.

答案　17　17.9

解析　设汽车在接收到P1、P2两个信号时距测速仪的距离分别为s1、s2，则

s1＝v·Δt＝0.2vΔt＝68 m

s2＝v·Δt＝0.15vΔt＝51 m

汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离为s＝s1－s2＝17 m.

已知测速仪匀速扫描，由题图乙记录的数据可求出汽车前进这段距离所用时间为

t＝Δt＝0.95 s.

汽车运动的速度v＝＝ m/s≈17.9 m/s.