高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册3 波的反射、折射和衍射优秀导学案及答案

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、折射和衍射优秀导学案及答案，共11页。

一、波的反射和折射
1．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。
2．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。
1．在波的反射和折射现象中，反射波与入射波、折射波与入射波的频率相同吗？波长相同吗？
答案 在波的反射和折射现象中，反射波和入射波的频率都与波源的频率相同；反射现象是在同种介质中传播，波速相同，由v ＝λf 可知，波长也相同，而折射现象是在不同介质中传播，波速不同，波长也不同。
2．波在发生折射过程中，方向一定改变吗？
答案 不一定，如果入射波垂直于交界面时，传播方向保持不变。
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＝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)可知波长变长，反之变短。
例1 一列声波在介质Ⅰ中的波长为0.2 m。当该声波从介质Ⅰ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中的声速是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。
答案 (1)1 700 Hz (2)1 020 m/s (3)1∶1
解析 (1)声波在介质Ⅰ中传播时，由v＝λf得：
f＝eq \f(v1,λ1)＝eq \f(340,0.2) 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)同一种声波由介质Ⅰ到介质Ⅱ的过程中，频率不变，故该声波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ时，其频率之比为1∶1。
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，声波遇到障碍物经时间t返回，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，声波遇到障碍物经时间t返回，声源发声时障碍物到声源的距离为s＝(v声－v)eq \f(t,2)。
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
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：
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？
答案 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。
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。
说明：衍射只有“明显”与“不明显”之分，障碍物或小孔的尺寸跟波长相差不多，或比波长小，是产生明显衍射的条件。
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．喇叭播放的音乐中，高音(频率大)和低音(频率小)的声波哪个更容易绕过高墙？
答案 低音，由v＝λf得λ＝eq \f(v,f)，由此可知，声速相同情况下，低音的频率小，波长长，在障碍物相同的情况下，低音更容易发生衍射现象，因此低音更容易绕过高墙。
2．俗话说：“隔墙有耳”，我们可以听到从墙外传过来的声音，却看不到人，说明声波可以发生衍射，光波不能发生衍射，这种说法对吗？(提示：声波波长较长，一般为1.7～17 m，可见光波长较短，一般为0.39～0.77 μm)
答案 不对。声波波长较长，遇到与其波长相差不大的障碍物可发生明显的衍射现象。光波波长较短，其波长比一般障碍物小得多，衍射现象不明显。
(1)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。( × )
(2)夏日雷声有时轰鸣不绝，这是声波的衍射现象。( × )
(3)“闻其声不见其人”，是指声波的衍射现象。( √ )
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＝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2 如图所示，一小型渔港的防波堤两端M、N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两处小船完全不受波浪影响
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70 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70 m，则A、B两处小船明显受到波浪影响
答案 D
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，当缝隙MN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D正确。
例4 (多选)(2023·长春外国语学校高二月考)沙尘暴是由于土地的沙化引起的一种恶劣的气象现象，发生沙尘暴时能见度只有几十米，天空变黄发暗，这是由于在这种情况下( )
A．只有波长较短的一部分光才能到达地面
B．只有波长较长的一部分光才能到达地面
C．只有频率较高的一部分光才能到达地面
D．只有频率较低的一部分光才能到达地面
答案 BD
解析 根据光发生明显衍射现象的条件知，发生沙尘暴时，只有波长较长的一部分光能到达地面，据λ＝eq \f(c,f)知，到达地面的光是频率较低的一部分光，故选项B、D正确。
课时对点练

考点一 波的反射和折射
1．(2023·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.图中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，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 波发生反射时，在同一种介质中传播，因此波长、波速和频率不变，A、B错误；波发生折射时，频率不变，波速变，波长变，故C错误，D正确。
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＝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．(2023·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．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A、B错误；由λ＝eq \f(v,f)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。
6．(2023·河北玉田县一中高二月考)如图所示是利用水波槽观察到的水波衍射图样，从图样可知( )
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
答案 B
解析 挡板左边是衍射波的波源，故A错误；在同一种介质水中，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。
7．(2022·唐山市高二上期中)在水波槽的衍射实验中，击打水面的振子振动频率是10 Hz，水波在槽中的传播速度为0.5 m/s。为能观察到明显的衍射现象，小孔的宽度可以为( )
A．0.15 m B．0.05 m
C．0.5 m D．5 m
答案 B
解析 根据v＝λf，有λ＝eq \f(v,f)＝eq \f(0.5 m/s,10 Hz)＝0.05 m，只有当缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或者比波长更小时，才能够观察到明显的衍射现象，所以只有0.05 m符合要求。故选B。
8．(2022·临沂市高二上期末)小河中有一个实心桥墩P，A为靠近桥墩浮在水面上的一片树叶，俯视图如图所示，小河水面平静。现在S处以某一频率拍打水面，要使形成的水波能带动树叶A振动起来，可以采用的方法是( )
A．无论怎样拍打，A都能明显振动起来
B．无论怎样拍打，A都不会振动起来
C．降低拍打水面的频率
D．提高拍打水面的频率
答案 C
解析 要使树叶振动起来，需要波衍射到树叶处，因为障碍物的尺寸较大，所以要增加水面波的波长才能发生明显衍射，故可降低拍打水面的频率，故选C。
9．(多选)如图，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)的尺寸跟波长差不多甚至比波长还小。题图A中孔的尺寸比水波的波长差不多大两倍，衍射现象不明显，故A错误；题图B中孔的尺寸比水波的波长还小，能发生明显的衍射现象，故B正确；题图C中障碍物的尺寸比水波的波长大好几倍，衍射现象不明显，故C错误；题图D中障碍物的尺寸比水波的波长还小，能发生明显的衍射现象，故D正确。
10．(2023·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12 m。它们传播时若遇到宽约为13 m的障碍物，能发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＝vT1＝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,f2)＝eq \f(340,104 ) m＝0.034 m，发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能发生明显的衍射现象，②不能发生明显的衍射现象。波长为12 m的声波，障碍物宽度为13 m，与该声波波长相差不大，故③能发生明显的衍射现象。因此，能发生明显的衍射现象的是①和③，故C正确，A、B、D错误。
11．(多选)在观察水波衍射实验的时候，在水槽盛有一定深度的水，改变波源的频率和狭缝的宽度，分别拍摄了以下四幅照片。对于照片上出现的情景，下列判断正确的是( )
A．已知甲、乙中水波波长相同，由图可知狭缝的宽度越大衍射现象越明显
B．已知甲、乙中水波波长相同，由图可知狭缝的宽度越小衍射现象越明显
C．已知丙、丁中狭缝宽度一样，由图可知波长越短的水波衍射现象越明显
D．已知丙、丁中狭缝宽度一样，由图可知波长越长的水波衍射现象越明显
答案 BD
解析 已知甲、乙中水波波长相同，由题图可知题图乙的衍射现象更明显，可知狭缝的宽度越小衍射现象越明显，则A错误，B正确；已知丙、丁中狭缝宽度一样，由题图可知题图丙的衍射现象更明显，可知波长越长的水波衍射现象越明显，则D正确，C错误。
12．(2022·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＝eq \f(1,3) 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＝2eq \r(h2＋\f(d,2)2)
声音经云层反射传来的时间为t1＝eq \f(s,v)
声音直接传来的时间为t2＝eq \f(d,v)
则Δt＝t1－t2
联立以上各式并代入数据，解得h＝2.0 km。
13．(2023·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＝eq \f(1,2)v·eq \f(1.7－0.5,3.5－0.5)Δt＝0.2vΔt＝68 m
s2＝eq \f(1,2)v·eq \f(4.4－3.5,3.5－0.5)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＝eq \f(\f(3.5＋4.4,2)－\f(0.5＋1.7,2),3.5－0.5)Δt＝0.95 s。
汽车的速度v＝eq \f(s,t)＝eq \f(17,0.95) m/s≈17.9 m/s。