3-3-波的反射、折射和衍射(人教版2019版選擇性必修第一冊(cè))-(解析版)

3.3波的反射、折射和衍射學(xué)習(xí)目標(biāo)：1．知道什么是波的反射、折射和衍射現(xiàn)象，知道發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件。2．掌握反射定律和折射定律。3．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。重點(diǎn)：反射定律、折射規(guī)律。難點(diǎn)：衍射現(xiàn)象。知識(shí)點(diǎn)一、波的反射1．反射現(xiàn)象：波遇到介質(zhì)界面會(huì)返回來繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。2．反射角與入射角（1）入射角：入射波的波線與法線的夾角，如圖中的α。（2）反射角：反射波的波線與法線的夾角，如圖中的β。3．反射定律：反射波線、法線、入射波線在同一平面內(nèi)，且反射角等于入射角。如圖所示。反射波與折射波在同一介質(zhì)中傳播，介質(zhì)決定了波速，因此波速不變。波的頻率是由波源決定的。因此波的頻率也不改變，根據(jù)公式λ＝v/f，我們可知波長也不改變。注意：反射波與入射波的波長、頻率、波速都相等，但由于反射面吸收一部分能量，反射波傳播的能量將減少。4.波的反射現(xiàn)象的應(yīng)用（1）回聲測(cè)距：①當(dāng)聲源不動(dòng)時(shí)，聲波遇到了障礙物會(huì)返回來繼續(xù)傳播，反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，因此，入射波和反射波在傳播距離一樣的情況下，用的時(shí)間相等，設(shè)經(jīng)過時(shí)間t聽到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲eq\f(t,2)。②當(dāng)聲源以速度v向靜止的障礙物運(yùn)動(dòng)或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝（v聲＋v）eq\f(t,2)。③當(dāng)聲源以速度v遠(yuǎn)離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠(yuǎn)離聲源時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離s＝（v聲－v）eq\f(t,2)。（2）超聲波定位：蝙蝠、海豚能發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物或捕食目標(biāo)時(shí)會(huì)被反射回來。蝙蝠、海豚就是根據(jù)接收到反射回來的超聲波來確定障礙物或食物位置，從而確定飛行或游動(dòng)方向。（3）波的反射應(yīng)用技巧：利用回聲測(cè)距是波的反射的一個(gè)重要應(yīng)用，它的特點(diǎn)是聲源正對(duì)障礙物，聲源發(fā)出的聲波與回聲在同一條直線上傳播。①若是一般情況下的反射，反射波和入射波是遵從反射定律的，可用反射定律作圖后再求解。②利用回聲測(cè)距時(shí)，要特別注意聲源是否運(yùn)動(dòng)，若聲源運(yùn)動(dòng)，聲源發(fā)出的原聲至障礙物再返回至聲源的這段時(shí)間與聲源的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同。③解決波的反射問題，關(guān)鍵是根據(jù)物理情景規(guī)范作出幾何圖形，然后利用幾何知識(shí)結(jié)合物理規(guī)律進(jìn)行解題?！绢}1】某物體發(fā)出的聲音在空氣中的波長為1m，波速為340m/s，在海水中的波長為4.5m。（1）該波的頻率為________Hz，在海水中的波速為________m/s。（2）若物體在海面上發(fā)出的聲音經(jīng)過0.5s聽到回聲，則海水深為多少？（3）若物體以5m/s的速度由海面向海底運(yùn)動(dòng)，則經(jīng)過多長時(shí)間聽到回聲？【答案】（1）3401530（2）382.5m（3）0.498s【解析】（1）由f＝eq\f(v,λ)得f＝eq\f(340,1)Hz＝340Hz，因波的頻率不變，則在海水中的波速為v海＝λ′f＝4.5×340m/s＝1530m/s。（2）入射聲波和反射聲波用時(shí)相同，則海水深為h＝v海eq\f(t,2)＝1530×eq\f(0.5,2)m＝382.5m。（3）物體與聲音運(yùn)動(dòng)的過程示意圖如圖所示，設(shè)聽到回聲的時(shí)間為t′，則v物t′＋v海t′＝2h代入數(shù)據(jù)解得t′＝0.498s?！绢}2】某測(cè)量員是這樣利用回聲測(cè)距離的：他站在兩平行墻壁間某一位置鳴槍，經(jīng)過1.00s第一次聽到回聲，又經(jīng)過0.5s再次聽到回聲，已知聲速為340m/s，則兩墻壁間的距離為多少？【答案】425m【解析】設(shè)測(cè)量員離較近的前墻壁的距離為x，則他到后墻壁的距離為（s－x），2x＝vt1，2（s－x）＝vt2＝v（t1＋Δt）Δt＝0.5s，t1＝1s，t2＝1.5s，代入數(shù)據(jù)得：s＝425m。【題3】如圖所示，圖a是高速公路上用超聲波測(cè)速儀測(cè)量車速的示意圖，測(cè)速儀發(fā)出并接收超聲波脈沖信號(hào)，根據(jù)發(fā)出和接收的信號(hào)間的時(shí)間差，測(cè)出被測(cè)物體的速度。圖b中P1、P2是測(cè)速儀發(fā)出的超聲波信號(hào)，n1，n2分別是P1、P2由汽車反射回來的信號(hào)，設(shè)測(cè)速儀勻速掃描，P1、P2之間的時(shí)間間隔Δt＝1.0s，超聲波在空氣中傳播速度是v＝340m/s，若汽車是勻速行駛的，則根據(jù)圖b可知，汽車在接收到P1、P2兩個(gè)信號(hào)之間的時(shí)間內(nèi)前進(jìn)的距離是________m，汽車的速度是________m/s?！敬鸢浮?7.9m/s【解析】設(shè)汽車在接收到P1、P2兩個(gè)信號(hào)時(shí)距測(cè)速儀的距離分別為s1、s2則有：2s1－2s2＝vΔt′其中Δt′＝eq\f(3.5－0.5－4.4－1.7,3.5－0.5)s＝0.1s汽車在接收到P1、P2兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi)前進(jìn)的距離為：s1－s2＝eq\f(vΔt′,2)＝eq\f(340×0.1,2)m＝17m已知測(cè)速儀勻速掃描，由圖b記錄數(shù)據(jù)可求出汽車前進(jìn)（s1－s2）這段距離所用時(shí)間為Δt″＝Δt－eq\f(Δt′,2)＝（1.0－eq\f(0.1,2)）s＝0.95s，汽車運(yùn)動(dòng)的速度v＝eq\f(s1－s2,Δt″)＝eq\f(17,0.95)m/s≈17.9m/s。知識(shí)點(diǎn)二、波的折射1．定義：波在傳播過程中，從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，波傳播的方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象叫作波的折射。由概念可知，波在折射中傳播方向發(fā)生變化。由于入射波與折射波在兩種不同的介質(zhì)中傳播，因此波速會(huì)發(fā)生變化。波的頻率由波源決定，即頻率不變，由公式λ＝v/f，可知波長發(fā)生變化。如圖。2．說明（1）頻率（f）由波源決定：故無論是反射波還是折射波都與入射波的頻率相等，即波源的振動(dòng)頻率相同。（2）波速（v）由介質(zhì)決定：故反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播，波速不變，折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，波速變化。（3）據(jù)v＝λf知，波長λ與波速v及頻率f有關(guān)，即與介質(zhì)及波源有關(guān)，反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播，頻率相同、波速相同，故波長相同。折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，f相同，v不同，故λ不同?！咎貏e提醒】（1）波在兩種介質(zhì)的界面上發(fā)生折射的原因是波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同。（2）對(duì)于入射角為零的特殊現(xiàn)象，折射角也為零，即沿原方向傳播，但介質(zhì)發(fā)生了變化，其波長和波速也相應(yīng)發(fā)生變化。3．一切波都會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象?！绢}4】（多選）下列說法正確的是A．波發(fā)生反射時(shí)波的頻率不變，波速變小，波長變短B．波發(fā)生反射時(shí)頻率、波長、波速均不變C．波發(fā)生折射時(shí)的頻率不變，但波長、波速發(fā)生變化D．波發(fā)生折射時(shí)波的頻率、波長、波速均發(fā)生變化【答案】BC【解析】波發(fā)生反射時(shí)因介質(zhì)未變，故頻率、波長、波速均不變；波發(fā)生折射時(shí)因波源不變而介質(zhì)變，故頻率不變，波長和波速均發(fā)生變化。B、C兩項(xiàng)正確。3．比較：波向前傳播在兩種介質(zhì)的界面上可以同時(shí)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，一些物理量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，比較如下：波的反射波的折射傳播方向改變，θ反＝θ入改變，θ折≠θ入頻率f不變不變波速v不變改變波長λ不變改變【題5】甲、乙兩人站在一堵墻前面，兩人相距2a，距墻均為eq\r(3)a。當(dāng)甲開了一槍后，乙在t時(shí)間后聽到第一聲槍響，則乙在什么時(shí)候能聽到第二聲槍響A．聽不到 B．甲開槍后3t時(shí)間C．甲開槍后2t時(shí)間 D．甲開槍后eq\f(\r(3)＋\r(7),2)t時(shí)間思路點(diǎn)撥：根據(jù)反射定律畫出聲波傳播的示意圖，再用速度公式求時(shí)間?！敬鸢浮緾【解析】乙聽到的第一聲槍響必然是甲開槍的聲音直接傳到乙的耳中，故t＝eq\f(2a,v).甲、乙二人及墻的位置如圖所示，乙聽到的第二聲槍響必然是經(jīng)墻反射傳來的槍聲，由反射定律可知，波線如圖中AC和CB，由幾何關(guān)系可得AC=CB＝2a，故第二聲槍響傳到乙耳中的時(shí)間為t′＝＝eq\f(4a,v)＝2t?！绢}6】一列聲波從空氣傳入水中，已知水中波長較大，則A．聲波頻率不變，波速變小B．聲波頻率不變，波速變大C．聲波頻率變小，波速變大D．聲波頻率變大，波速不變【答案】B【解析】該題考查波在發(fā)生折射時(shí)，波速、波長、頻率是否變化的問題。由于波的頻率由波源決定，因此波無論在空氣中還是在水中頻率都不變，故C、D錯(cuò)。又因波在水中速度較大，由公式v＝λf可得，波在水中的波長變大，故A錯(cuò)，B正確。知識(shí)點(diǎn)三、波的衍射1．定義：波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播，這種現(xiàn)象叫作波的衍射。2．兩個(gè)實(shí)驗(yàn)（1）實(shí)驗(yàn)一、水波的衍射現(xiàn)象及在波長一定的情況狹縫寬對(duì)衍射實(shí)驗(yàn)的影響。實(shí)驗(yàn)裝置：在水槽里放兩塊擋板，中間留一個(gè)狹縫?，F(xiàn)象：水波繞過小孔或障礙物繼續(xù)傳播。①狹縫寬度比波長大得多時(shí)：波的傳播如同光沿直線傳播一樣，擋板后面產(chǎn)生“陰影區(qū)”。②狹縫寬度與波長相差不多或狹縫寬度比波長更小時(shí)：水波繞到擋板后面繼續(xù)傳播。（2）實(shí)驗(yàn)二、在狹縫寬度一定的情況下，波長對(duì)衍射實(shí)驗(yàn)的影響。結(jié)論：①障礙物較大時(shí)對(duì)波有影響，較小時(shí)對(duì)波沒有影響，即障礙物比較小時(shí)能發(fā)生明顯衍射。窄縫寬度跟波長相差不多時(shí)，有明顯的衍射現(xiàn)象。②窄縫寬度比波長大得越多，衍射現(xiàn)象越不明顯。③窄縫寬度跟波長相比非常大時(shí)，水波將直線傳播，觀察不到衍射現(xiàn)象．3．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(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。（1）對(duì)條件的說明：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，僅是衍射現(xiàn)象是否明顯的條件。一般情況下，波長較大的波容易產(chǎn)生顯著的衍射現(xiàn)象。②當(dāng)孔的尺寸遠(yuǎn)小于波長時(shí)盡管衍射十分突出，但由于衍射波的能量很弱，衍射現(xiàn)象不容易觀察到。③如果障礙物或孔的尺寸比波長大得多，則衍射現(xiàn)象不明顯，波近似直線傳播。（2）對(duì)明顯衍射發(fā)生條件的理解①波的衍射是波在傳播過程中所具有的特征之一，衍射是否明顯，通常的衡量就是孔或縫的寬度d與波長λ的比值，比值越小，衍射現(xiàn)象相對(duì)越明顯。②孔、縫的寬度或障礙物的尺寸與波長的關(guān)系僅是衍射能否明顯發(fā)生的條件，波的衍射沒有條件。③明顯衍射發(fā)生時(shí)，并不一定能清楚地感受到，如當(dāng)孔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水波波長時(shí)，衍射應(yīng)當(dāng)非常明顯，但因孔很小，單位時(shí)間內(nèi)通過的能量很小，又分布到很大的區(qū)域上，水波非常弱，將看不清楚?！绢}7】（多選）一列波在傳播過程中通過一個(gè)障礙物，發(fā)生了一定程度的衍射，以下哪種情況可以使衍射現(xiàn)象更明顯A．增大障礙物的尺寸B．減小波的頻率C．縮小障礙物的尺寸D．增大波的頻率【答案】BC【解析】波在介質(zhì)中傳播時(shí)波速是由介質(zhì)決定的，與波的頻率無關(guān)，所以改變波的頻率不會(huì)改變波速，但由v＝λf可知，當(dāng)波速一定時(shí)，減小頻率則波長增大。而發(fā)生明顯衍射的條件是障礙物或孔、縫的尺寸比波長小或相差不多，要使衍射現(xiàn)象變得明顯，可以通過縮小障礙物的尺寸，同時(shí)增大波長即減小波的頻率來實(shí)現(xiàn)，BC選項(xiàng)正確。4．波的衍射現(xiàn)象分析：波傳到小孔（或障礙物）時(shí)，小孔（或障礙物）仿佛是一個(gè)新的波源，由它發(fā)出與原來同頻率的波（稱為子波），在孔后傳播，于是就出現(xiàn)了偏離直線傳播的衍射現(xiàn)象．波的直線傳播是衍射不明顯時(shí)的近似情形?！绢}8】（多選）如圖所示是觀察水面波衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，AC和BD是兩塊擋板，AB是一個(gè)孔，O是波源，圖中已畫出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每?jī)蓷l相鄰波紋（圖中曲線）之間距離表示一個(gè)波長，則對(duì)于波經(jīng)過孔之后的傳播情況，下列描述正確的是A．此時(shí)能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象B．擋板前后波紋間距離相等C．如果將孔AB擴(kuò)大，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象D．如果孔的大小不變，使波源頻率增大，能更明顯地觀察到衍射現(xiàn)象【答案】ABC【解析】從題圖中可以看出，孔的大小與波長相差不多，故能夠發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，選項(xiàng)A正確；由于在同一均勻介質(zhì)中，波的傳播速度沒有變化，又因?yàn)椴ǖ念l率是一定的，又根據(jù)λ＝eq\f(v,f)可得波長λ沒有變化，選項(xiàng)B正確；當(dāng)將孔擴(kuò)大后，孔的寬度和波長有可能不滿足發(fā)生明顯衍射的條件，選項(xiàng)C正確；如果孔的大小不變，使波源頻率增大，則波長減小，孔的寬度將比波長大，孔的寬度和波長有可能不滿足發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，選項(xiàng)D錯(cuò)誤?！绢}9】（多選）如圖所示，S為在水面上振動(dòng)的波源，M、N為水面上的兩塊擋板，其中N板可以移動(dòng)，兩板中間有一狹縫，此時(shí)測(cè)得A處水沒有振動(dòng)．為使A處水也能發(fā)生振動(dòng)，可采用的方法是A．使波源的頻率增大B．使波源的頻率減小C．移動(dòng)N使狹縫的距離增大D．移動(dòng)N使