高中物理 第2章 机械波 第2节 波的反射和折射教学案 鲁科版选修3-4

第2节 波的反射和折射1惠更斯原理：介质中波阵面上的每一个点，都可以看成一个新的波源，这些新波源发出子波，经过一定时间后，这些子波的包络面就构成下一时刻的波面。2波的反射定律：反射波线、入射波线和法线在同一平面内，反射波和入射波分别位于法线的两侧，反射角等于入射角。3波由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生偏折，入射角i和折射角r及波速之间满足。惠更斯原理1.波面和波线(1)概念：波面：从波源发出的波，经过同一传播时间到达的各点所组成的面，如图221所示。图221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：球面波：波面是球面的波。如空气中的声波。平面波：波面是平面的波。如水波。2惠更斯原理(1)内容：介质中波阵面上的每一个点，都可以看成一个新的波源，这些新波源发出子波，经过一定时间后，这些子波的包络面就构成下一时刻的波面。(2)应用：如果知道某时刻一列波的某个波面的位置，还知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个波面的位置，从而可确定波的前进方向。学后自检(小试身手)下列说法中正确的是()A只有平面波的波面才与波线垂直B有些波的波线与波面相互平行C任何波的波线都表示波的传播方向D有些波的波面表示波的传播方向解析：选C不管是平面波，还是球面波，其波面与波线均垂直，选项A、B错误；只有波线才表示波的传播方向，选项C正确，D错误。波的反射自读教材抓基础1波的反射波遇到障碍物时会返回来继续传播的现象，如图222所示。图2222反射规律反射波的频率、波长和波速都与入射波相同。3反射定律反射波线、入射波线和法线在同一平面内，反射波线和入射波线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。跟随名师解疑难波的反射现象的特点(1)波速不变：波速由介质决定，而反射波与入射波在同一种介质中传播。(2)频率不变：波的频率由波源决定。(3)波长不变：由可知，因v、f不变，故不变。(4)传播能量减少：波反射时，反射面要吸收一部分能量。学后自检(小试身手)一列波遇到障碍物发生反射，反射后它的()A只有波长不变B只有波速不变C只有频率不变D波长、波速、频率均不发生变化解析：选D波在发生反射时，入射波和反射波都在同一种介质中传播，所以入射波和反射波的波速相等，由惠更斯原理可知子波源的频率与波源的频率是相等的，故入射波和反射波的频率相等，从而二者的波长也是相等的。波的折射自读教材抓基础1波的折射波在传播过程中，由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生偏折的现象，如图223所示。2232折射规律折射波的频率与入射波的频率相同。波长和波速都发生了变化。3折射定律(1)内容：入射角的正弦跟折射角的正弦之比，等于波在第种介质中的波速与波在第种介质中的波速之比。(2)公式：。跟随名师解疑难波的折射现象的特点(1)传播方向改变，波由一种介质进入另一种介质时传播方向发生变化的现象即为波的折射现象。(2)波速改变，波速由介质决定，波在两种介质中传播的速度不同。(3)频率不变，波的频率由波源决定与介质无关。(4)波长改变，由可知，f 不变，v改变，也改变。学后自检(小试身手)一列声波从空气传入水中，已知水中声速较大，则()A声波频率不变，波长变小B声波频率不变，波长变大C声波频率变小，波长变大 D声波频率变大，波长不变解析：选B波的频率由波源决定，因此波无论在空气中还是在水中频率都不变，C、D错；又因波在水中速度较大，由公式vf可得，波在水中的波长变大，故A错，B正确。波的反射的应用回声测距(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 sv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s(v声v)典题例析1某物体发出的声音在空气中的波长为1 m，波速为340 m/s，在海水中的波长为4.5 m。(1)该波的频率为_ Hz，在海水中的波速为_m/s。(2)若物体在海面上发出的声音经 0.5 s 听到回声，则海水深为多少？(3)若物体以 5 m/s 的速度由海面向海底运动，则经过多长时间听到回声？思路点拨同一列波在不同介质中波速不同，在同一介质中波速相同。解析：(1)由f得f Hz340 Hz因波的频率不变，则在海水中的波速为v海f4.5340 m/s1 530 m/s。(2)入射声波和反射声波用时相同，则海水深为sv海1 530 m382.5 m。(3)物体与声音运动的过程示意图如图所示。设听到回声的时间为t，则v物tv海t2s代入数据解得t0.498 s。答案：(1)3401 530(2)382.5 m(3)0.498 s探规寻律求解回声测距问题的技巧(1)求解反射波的波速是解题的基础。(2)正确画出声波及物体运动过程的几何关系图是解题的突破口。(3)由svt求得声波及物体运动的距离并列出几何关系方程是解题的关键。跟踪演练利用超声波可以探测鱼群的位置，在一只装有超声波发射和接收装置的渔船上，当它向选定方向发射出频率为5.8104Hz的超声波后，经过0.64 s收到从鱼群反射回来的反射波，已知频率为5.8104 Hz的超声波在水中的波长为2.5 cm，则这群鱼跟渔船的距离为_m。解析：设鱼跟渔船的距离为x，根据波的反射有t，超声波在水中的波速vf，由以上两式可求得x464 m。答案：464 m对折射定律的考查典题例析2如图224所示，某列波以60的入射角由甲介质射到乙介质的界面上同时产生反射和折射，若反射波的波线与折射波的波线的夹角为90，此波在乙介质中的波速为1.2105 km/s。图224(1)该波的折射角为_。(2)该波在甲介质中的传播速度为多少？(3)该波在两种介质中的波长比为多少？思路点拨解答本题时应把握以下三点：(1)由几何关系求折射角。(2)由折射定律求波速。(3)由vf及波在两种介质中频率相同求波长之比。解析：(1)由反射定律可得反射角为60，由题图的几何关系可得折射角为r30。(2)由波的折射规律，所以v甲v乙v乙1.2105 km/s2.08105 km/s。(3)因波长，又因为波在两种介质中的频率相同，则答案：(1)30(2)2.08105 km/s(3)探规寻律(1)波在反射或折射后，其频率不变，故我们听到的回声与原声相同，花样游泳运动员在水下与水上听到的音乐曲调相同。(2)在应用公式计算时，i(r)为介质1(2)中波线与法线的夹角，v1(v2)是波在介质1(2)中的传播速度，一定注意比值中角度与速度的对应性。跟踪演练若某一列声波从空气射入水中，入射角i从零开始增大时，折射角r也随着增大，下列说法中正确的是()A比值不变B比值变化C比值是一个大于1的常数D比值是一个小于1的常数解析：选D由波的折射定律，知是由介质决定的常数，且v水v空，所以1。课堂双基落实1在波的反射现象中，反射波跟入射波不相同的量是()A波长B波速C频率 D振幅解析：选D反射波跟入射波波速相同(由介质决定)、频率相同(由波源决定)、波长相同(由决定), 所以A、B、C相同；波在传播及反射过程中能量有损失，故振幅逐渐变小，D不相同。2关于惠更斯原理的理解，下列说法不正确的是()A同一波面上的各质点振动完全相同B同一振源的不同波面上的质点的振动情况一定不同C球面波的波面是以波源为中心的一个个球面D无论怎样的波，波线始终和波面垂直解析：选B按照惠更斯原理，波面是由振动情况完全相同的点构成的面(或线)，而不同波面上质点的振动可能相同，故A说法正确、B说法不正确；由波面和波线的概念，不难判断C、D说法正确；故只有B说法错误。3.如图225所示，是声波从介质进入介质的折射情况，由图判断下面说法中正确的是()图225A入射角大于折射角，声波在介质中的波速大于它在介质中的波速B入射角大于折射角，可能是空气，可能是水C入射角小于折射角，可能是钢铁，可能是空气D介质中波速v1与介质中波速v2满足：解析：选A图中MN为介质界面，虚线为法线，i为入射角，r为折射角，从图可直接看出入射角大于折射角(ir)，则C错误；根据折射规律有1，所以v1v2，D错误，A正确；声波在液体、固体中的速度大于在气体中的速度，B错误。4.渔船常利用超声波来探测远处鱼群的方位。已知某超声波频率为1.0105 Hz，某时刻该超声波在水中传播的波动图像如图226所示。现测得超声波信号从渔船到鱼群往返一次所用时间为4 s，求鱼群与渔船间的距离。(忽略船和鱼群的运动)图226解析：由波形图读出波长：15103 m，由波速公式得：vf151031.0105 m/s1 500 m/s鱼群与渔船的距离为：svt，解得：s3 000 m。答案：3 000 m课下综合检测(时间：30分钟满分：50分)一、选择题(共6小题，每小题5分，共30分，每小题只有一个选项正确。)1下列说法正确的是()A声波的反射遵从与光波反射类似的反射定律B声波发生折射时，频率、波长、波速均要改变C声波是横波D一个剧院满座时交响乐混响时间比空座时长解析：选A声波是纵波，反射时遵从反射定律，所以A正确，C错误；声波折射时，频率不发生变化，B错误；满座时，声音会比空座时吸收的多，所以混响时间短，D错误。2在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话的声音要洪亮，是因为()A室内空气不流动B室内声音多次反射C室内声音发生折射 D室内物体会吸收声音解析：选B在室内听到的声音洪亮是因为声波在室内墙壁上经过多次反射而得到加强。故B正确。3图1中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则()图1A2与1的波长、频率相等，波速不等B2与1的波速、频率相等，波长不等C3与1的波速、频率、波长均相等D3与1的频率相等，波速、波长均不等解析：选D反射波的波长、频率、波速与入射波的都应该相等，故A、B错；折射波的波长、波速与入射波的都不等，但频率相等，故C错，D正确。4图2是一列机械波从一种介质进入另一种介质中发生的现象。已知波在介质中的波速为v1，波在介质中的波速为v2，则v1v2为()图2A1B.1C. D.解析：选C根据图知入射角i60，折射角r45，由折射定律得。故C对。5一个圆弧形的海湾，人不论站在海湾的哪个方位，都会看到海浪向岸边传来(所谓“惊涛拍岸”)，下面的解释中正确的是()A这说明海边的风都是海湾中心向岸边吹来的B这说明海浪是从海湾中心发出而向四周传播的C这是由于靠近海边处海水逐渐变浅，海浪向岸边传播过程中，不断发生折射而造成的D这是由于海浪从岸边反射回来的波与原来的波叠加而形成的解析：选C海浪是一种水波，它的传播速度与水的深度有关，海浪向岸边传播过程中，由于波速逐渐变化而要发生折射，传播方向不断向法线靠拢，因此看到岸边海浪的传播方向几乎与岸边垂直。6. “B超”可用于探测人体内脏的病变状况。图3是超声波从肝脏表面入射，经折射与反射，最后从肝脏表面射出的示意图。超声波在进入肝脏发生折射时遵循的规律与光的折射规律类似，可表述为(式中1是入射角，2是折射角，v1、v2分别是超声波在肝外和肝内的传播速度)，超声波在肿瘤表面发生反射时遵循的规律与光的反射规律相同。已知v20.9v1，入射点与出射点之间的距离是d，入射角为i，肿瘤的反射面恰好与肝脏表面平行，则肿瘤离肝脏表面的深度h为()图3A.B.C. D.解析：选D如图所示。由题意知得sin r sin i由几何知识有sin r解得h二、非选择题(共2小题，共20分)7(10分)一声波在空气中的波长为25 cm，速度为340 m/s，当折射入另一种介质时，波长变为80 cm，求：(1)声波在这种介质中的频率；(2)声波在这种介质中的传播速度。解析：(1)声波由空气进入另一种介质时，频率不变。由vff Hz1 360 Hz(2)因频率不变，有得v2v1340 m/s1 088 m/s答案：(1)1 360 Hz(2)1 088 m/s8(10分)天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度，在