波的干涉和衍射.doc

12.4 波的干涉和衍射 2012/5/19新課標(biāo)要求（一）知識與技能1知道什么是波的干涉、衍射現(xiàn)象。2知道波發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件及發(fā)生穩(wěn)定干涉的條件。3知道干涉、衍射是波的特有現(xiàn)象。（二）過程與方法能夠運用衍射條件進(jìn)行判斷。（三）情感、態(tài)度與價值觀了解波的衍射在生活中的應(yīng)用，感受物理與生活之間的聯(lián)系。教學(xué)過程（一）引入新課大家都熟悉“聞其聲不見其人”、“隔墻有耳”等現(xiàn)象，聲音為什么沒有被障礙物擋?。?“風(fēng)聲、雨聲、讀書聲”為什么沒有相互干擾，而是聲聲入耳呢？要了解這些現(xiàn)象的原理，必須學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容波的干涉和衍射。（二）進(jìn)行新課一、波的衍射在水塘里，微風(fēng)激起的水波遇到露出水面的小石頭、蘆葦?shù)燃?xì)小的障礙物，會繞過它們繼續(xù)傳播，好象它們并不存在一樣；水波通過橋洞時，也會繞過橋墩繼續(xù)向前傳播。這些都是衍射現(xiàn)象。1.波的衍射(1)定義：波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象叫做波的衍射?！狙菔尽吭谒ú劾锓乓粋€小擋板，讓波源發(fā)出的圓形波遇到小擋板，將實驗現(xiàn)象用投影儀投影在大屏幕上?，F(xiàn)象：水波繞過小擋板繼續(xù)傳播。將小擋板換成長擋板，重新做實驗。現(xiàn)想：水波不能繞到長擋板的背后傳播。這個現(xiàn)象說明什么？結(jié)論：發(fā)生衍生的條件與障礙物的大小有關(guān)。(2)說明：衍射是波特有的現(xiàn)象，一切波都會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象總是存在的，只有明顯與不明顯的差異。區(qū)分“明顯與不明顯”和“觀察到與觀察不到”。2.產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象的條件【演示】在水波槽里放兩塊小擋板，當(dāng)中留一狹縫，觀察波源發(fā)出的水波通過窄縫后怎樣傳播。(1)保持水波的波長不變，該變窄縫的寬度（由窄到寬），觀察波的傳播情況有什么變化。將實驗現(xiàn)象用投影儀投影在大屏幕上。觀察到的現(xiàn)象：在窄縫的寬度跟波長相差不多的情況下，發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。水波繞到擋板后面繼續(xù)傳播。（投影課本圖12.5-1甲）在窄縫的寬度比波長大得多的情況下，波在擋板后面的傳播就如同光線沿直線傳播一樣，在擋板后面留下了“陰影區(qū)”。（投影課本圖12.5-1乙） (2)保持窄縫的寬度不變，改變水波的波長（由小到大），將實驗現(xiàn)象用投影儀投影在大屏幕上?？梢钥吹剑涸谡p不變的情況下，波長越長，衍射現(xiàn)象越明顯。將課本圖12.5-2中的甲、乙、丙一起投影在屏幕上（如圖所示），它們是做衍射實驗時拍下的照片。甲中波長是窄縫寬度的3/10，乙中波長是窄縫寬度的5/10，丙中波長是窄縫寬度的7/10。通過對比可以看出：窄縫寬度跟波長相差不多時，有明顯的衍射現(xiàn)象。窄縫寬度比波長大得多時，衍射現(xiàn)象越不明顯。窄縫寬度與波長相比非常大時，水波將直線傳播，觀察不到衍射現(xiàn)象。結(jié)論：發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多，或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。(1) 障礙物或孔的尺寸大小，并不是決定衍射能否發(fā)生的條件，僅是發(fā)生明顯衍射的條件。(2) 一般情況下，波長較大的波容易產(chǎn)生顯著的衍射現(xiàn)象?！奥勂渎暡灰娖淙恕保驗槁暡úㄩL范圍是1.7cm17m之間，可見光的波長范圍約在0.4m0.7m之間。(3) 波傳到小孔(或者障礙物)時，小孔(或者障礙物)仿佛是一個新的波源，由它發(fā)出原來同頻率的波(稱為子波)，在小孔(或者障礙物)后傳播，于是就出現(xiàn)了偏離直線傳播方向的衍射現(xiàn)象。(4) 當(dāng)孔的尺寸遠(yuǎn)小于波長時，盡管衍射十分突出，但由于能量減弱，衍射現(xiàn)象不易觀察到。(5) 擋板前后(即衍射前后)波長、頻率、波速均不變。二、波的疊加教師：前面研究的波的衍射現(xiàn)象，是從波源發(fā)出的一列波的傳播特性。在實際情況中，常可看到幾列波同時在介質(zhì)中傳播。那么，兩列或幾列波在介質(zhì)中相遇時，將會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？設(shè)問把兩塊石子在不同的地方投入池塘的水中，就有兩列波在水面上傳播，兩列波相遇時，會不會像兩個小球相碰時那樣，都改變原來的運動狀態(tài)呢？ 演示取一根長繩，兩位同學(xué)在這根水平長繩的兩端分別向上抖動一下，學(xué)生觀察現(xiàn)象。學(xué)生敘述現(xiàn)象現(xiàn)象一：抖動一下后，看到有兩個凸起狀態(tài)在繩上相向傳播?，F(xiàn)象二：兩列波相遇后，彼此穿過，繼續(xù)傳播，波的形狀和傳播的情形跟相遇前一樣.教師總結(jié)兩列波相遇后，每列波都像相遇前一樣，保持各自原來的波形，繼續(xù)向前傳播，這是波的獨立傳播特性。多媒體模擬繩波相遇前和相遇后的波形相遇前1212相遇后21教師剛才，通過實驗，我們知道了兩列波在相遇前后，它們都保持各自的運動狀態(tài)，彼此都沒有受到影響，那么在兩列波相遇的區(qū)域里情況又如何呢？多媒體模擬繩波相遇區(qū)的情況教師總結(jié)在兩列波重疊的區(qū)域里，任何一個質(zhì)點同時參與兩個振動，其振動位移等于這兩列波分別引起的位移的矢量和。當(dāng)兩列波在同一直線上振動時，這兩種位移的矢量和簡化為代數(shù)和，這叫做波的疊加原理。1波的獨立傳播特性兩列波相遇后，每列波都像相遇前一樣，保持各自原來的波形，繼續(xù)向前傳播。例如：音樂會上，歌唱演員男女合唱，聽眾仍能區(qū)分開男女不同的聲音和特色；在眾人嘈雜的說話聲中，人們也能分辨出不同的人所說的話，這些都說明了聲波在相互交錯、疊加之后仍能保持原來的性質(zhì)向前傳播。2波的疊加原理幾列波相遇時能夠保持各自的運動狀態(tài)，繼續(xù)傳播，在它們重疊的區(qū)域里，任何一個質(zhì)點同時參與這幾列波的振動，質(zhì)點的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的矢量和。說明：波的獨立性是波的疊加的基礎(chǔ)。 相遇前后，各自保持原來的狀態(tài)，互不干擾。其中“原來的狀態(tài)”指各自的周期、頻率、振幅和振動方向；“互不干擾”指互不影響。兩列波在同一直線上振動時，位移的矢量和簡化為代數(shù)和。疊加區(qū)域的質(zhì)點的位移可能增大，也可能減小。如兩列同相的波疊加，振動加強，振幅增大；兩列反相的波疊加，振動減弱，振幅減小。疊加原理適用于一切波。三、波的干涉演示把兩根金屬絲固定在同一個振動片上，當(dāng)振動片振動時，兩根金屬絲周期性地觸動水面，形成兩個波源，觀察在兩列波相遇重疊的區(qū)域里出現(xiàn)的現(xiàn)象。教師說明由于這兩列波是由同一個振動片引起的，所以這兩個波源的振動頻率和振動步調(diào)相同.?，F(xiàn)象在振動的水面上，出現(xiàn)了一條條從兩個波源中間伸展出來的相對平靜的區(qū)域和激烈振動的區(qū)域，這兩種區(qū)域在水面上的位置是固定的，而且相互隔開。激烈振動的區(qū)域是振動加強的區(qū)域；相對平靜的區(qū)域是振動減弱的區(qū)域。強強強弱弱弱弱MNS1S2波的干涉示意圖1干涉現(xiàn)象頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動加強、某些區(qū)域的振動減弱，并且振動加強和振動減弱的區(qū)域相互間隔，這種現(xiàn)象叫波的干涉。形成的圖樣叫干涉圖樣。2解釋為什么會產(chǎn)生這種現(xiàn)象呢？我們可以用波的疊加原理來解釋。課本圖所示的是產(chǎn)生上述現(xiàn)象的示意圖。S1和S2表示兩列波的波源，它們所產(chǎn)生的波分別用兩組同心圓表示，實線圓弧表示波峰中央，虛線圓弧表示波谷中央。某一時刻，如果介質(zhì)中某點正處在這兩列波的波峰中央相遇處（課本圖12.63所示中的M點），則該點（M點）的位移是正向最大值，等于兩列波的振幅之和。經(jīng)過半個周期，兩列波各前進(jìn)了半個波長的距離，M點就處在這兩列波的波谷中央相遇處，該點（M點）的位移就是負(fù)向最大值。再經(jīng)過半個周期，M點又處在兩列波的波峰中央相遇處。這樣，M點的振幅就等于兩列波的振幅之和，所以M點的振動總是最強的。這些振動最強的點都分布在課本圖12.63中畫出的粗實線上。某一時刻，介質(zhì)中另一點如果正處在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇處（課本圖12.63中的N點），該點位移等于兩列波的振幅之差。經(jīng)過半個周期，該點就處在一列波的波谷中央和另一列波的波峰中央相遇處，再經(jīng)過半個周期，該點又處在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇處。這樣，該點振動的振幅就等于兩列波的振幅之差，所以該點的振動總是最弱的。如果兩列波的振幅相等，這一點的振幅就等于零。這就是為什么在某些區(qū)域水面呈現(xiàn)平靜的原因。這些振動最弱的點都分布在課本圖12.63中畫出的粗虛線上?？梢钥闯?，振動最強的區(qū)域和振動最弱的區(qū)域是相互間隔開的。3產(chǎn)生穩(wěn)定干涉的條件：頻率相同相位差恒定，即為相干波源。4干涉圖樣的說明：圖是某時刻兩列波傳播相遇的情況，下一時刻不同。兩列波的頻率相同，波長相等。加強區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變。加強區(qū)始終加強，減弱區(qū)始終減弱，即不隨時間變化。加強區(qū)、減弱區(qū)互相間隔。5加強點和減弱點的理解(1)加強點：以較大的振幅振動，A=A1+A2。對于同相的振源，波程差x=x2-x1=k (k=0，1，2，3)。加強點形成加強區(qū)，如教材圖中實線。(2)減弱點：以較大的振幅振動，A=|A1A2|。對于同相的振源，波程差x=x2-x1=(2k+1)/2(k=0，1，2，3)。減弱點都在教材圖中虛線上。(3)無論加強點還是減弱點，質(zhì)點都可以在波峰、波谷和平衡位置。只是加強點的振幅很大、減弱點振幅很小。只有當(dāng)A1=A2時，減弱點才總不動。問：能否說加強的質(zhì)點始終處于波峰或波谷？振動減弱的質(zhì)點一定不振動？(4)若振幅相差很大，干涉現(xiàn)象不明顯。振幅相差很大，則A1+A2和|A