2018-2019高中物理第12章机械波12.4波的衍射和干涉课件新人教版选修3-4.ppt

4波的衍射和干涉,【自主预习】1.探究波的衍射现象:(1)定义:波可以_障碍物继续传播的现象。衍射是波特有的现象。(2)实验及其现象:实验器材:在水槽里放两块挡板,中间留个狭缝。,绕过,现象。a.狭缝宽度比波长大得多时,波的传播与光的传播一样,均沿_传播,在挡板后面产生一个_。b.狭缝宽度与波长相差不多或比波长还小时,波_挡板后面继续传播。,直线,阴影区,绕到,(3)发生明显衍射的条件:缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差_或比波长_。(4)_波都能发生衍射,衍射是波特有的现象。“闻其声而不见其人”是声波的_现象。,不多,更小,一切,衍射,2.探究波的现象干涉:(1)波的叠加原理:波的独立传播:几列波相遇时能够保持各自的_,继续传播,即各自的波长、频率等_。波的叠加:在几列波_的区域里,介质的质点_参与这几列波引起的振动,质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的_。,运动特,征,不变,重叠,同时,矢量和,(2)波的干涉:实验及其现象。a.实验:波源是固定在_振动片上的两根细杆,当振动片振动时,两根细杆周期性地触动水面,形成两个波源,这两个波源的_恒定、_相同、振动方向相同。,同一个,相位差,频率,b.现象:两列波相遇后,水面上出现了一条条相对_的区域和激烈振动的区域,这两种区域在水面上的位置是稳定不变的。,平静,实验现象的解释。a.加强点:两列波相遇引起的介质中的某些质点振动_加强,这些质点的振动最剧烈,它们振动的振幅等于两列波的_,即A=_。b.减弱点:两列波相遇引起的介质中的某些质点振动_相互削弱,它们振动的振幅等于两列波的_,即A=_;若两列波的振幅相同,则这些质点振动的合振幅就等于零,水面保持_。,始终,振幅之和,A1+A2,始终,振幅之,差,|A1-A2|,平静,干涉定义:频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动_、某些区域的振动_的现象。干涉条件。a.两列波的_相同。b.两个波源的_保持不变。一切波都能发生干涉,干涉是波_的现象。,加强,减弱,频率,相位差,特有,【预习小测】1.水波通过小孔,发生一定程度的衍射,为使衍射现象更明显,可()A.增大小孔尺寸,同时增大水波的频率B.增大小孔尺寸,同时减小水波的频率C.缩小小孔尺寸,同时增大水波的频率D.缩小小孔尺寸,同时减小水波的频率,【解析】选D。根据观察到明显衍射的条件是缝、小孔或障碍物的尺寸可与波长相比拟,或小于波长,因此应缩小小孔的尺寸或增大波的波长,选项A、B错误;根据公式v=f且水波的波速由介质决定,即水波的波速不变,则有=,可见减小频率可以使波长增大。故选项C错误,选项D正确。,2.(多选)波长为60m和17m的两列声波在空气中传播时,下列叙述中正确的是()A.波长60m的声波比波长17m的声波传播速度慢B.波长60m的声波比波长17m的声波频率小C.波长60m的声波比波长17m的声波易发生衍射D.波长17m的声波比波长60m的声波易发生衍射,【解析】选B、C。两列声波在同种介质中波速相同,选项A错误;由v=f得f=,波长越大,频率越小,选项B正确;波长越大越容易发生衍射,选项C正确、D错误。,3.两列波叠加时,关于介质中的任一质点的振动,下列说法正确的是()A.它的周期一定是两分振动周期之和B.它的频率一定是两分振动频率之和C.它的振幅一定是两分振动振幅之和D.它的位移一定是两分振动位移之和,【解析】选D。两列波叠加时,振动的周期和频率不一定等于两者之和。例如频率相同的两列波叠加,某点的振动频率可能等于每列波的频率,也可能不振动,A、B错误;某点的振幅可能等于两列波的振幅之和,也可能等于两列波的振幅之差。但位移一定是两分振动的位移之和,C错误、D正确。,主题一波的衍射【互动探究】在水塘里,微风激起的水波遇到小石块、芦苇等细小的障碍物,会绕过它们继续传播:(1)水波发生了什么现象?提示:水波发生了衍射现象。,(2)波遇到障碍物时,一定发生衍射现象吗?提示:波遇到障碍物时,一定发生衍射,衍射是波特有的现象,一切波都会发生衍射现象。(3)波遇到障碍物时,一定发生明显的衍射现象吗?提示:不一定发生明显的衍射现象,因为发生明显的衍射现象是有条件的。,(4)做“波长一定的水波通过宽度不同的狭缝”的实验,思考:保持水波的波长不变,改变狭缝的宽度,观察水波的传播情况有什么变化。提示:在狭缝宽度比波长大得多的情况下,波的传播如同光的直线传播一样,在挡板后面产生阴影区;在狭缝的宽度与波长相差不多或者狭缝宽度比波长更小的情况下,发生明显的衍射现象,水波可以绕到挡板后面继续传播。,若保持狭缝的宽度不变,将打击水面的振子振动频率增大,观察到的衍射现象有什么变化?此时水波的波长如何变化?若打击水面的振子振动频率减小呢?,提示:当打击水面的振子振动频率增大时,观察到衍射变得不明显;波速由介质决定,故水波的速度不变,当打击水面的振子振动频率增大时,水波频率f增大,根据v=f可知,减小;若打击水面的振子振动频率减小时,观察到衍射变得明显;根据v=f可知,当f减小时增大。,【探究总结】对波的衍射的理解(1)衍射是波特有的现象,即一切波都能发生衍射。(2)只有满足“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,衍射现象才明显。(3)我们通常所说的“衍射”,是指发生明显衍射现象的衍射,对于不明显的衍射现象,我们不能说该波不发生衍射。,(4)衍射是对一列波来说的。(5)当孔的尺寸远小于波长时,尽管理论上衍射十分明显,但衍射波的能量很弱,衍射现象不容易观察到。,【典例示范】(多选)下列说法中,正确的是()A.孔的尺寸比波长大得多时不会发生衍射现象B.孔的尺寸比波长小才发生衍射现象C.只有孔的尺寸跟波长相差不多或比波长更小时,才能观察到明显的衍射现象D.只有波才有衍射现象,【解题指南】解答本题应注意以下两点:(1)衍射是波的特有现象。(2)发生明显衍射现象的条件。,【解析】选C、D。波绕过障碍物的现象称为波的衍射现象,发生明显衍射的条件是孔或障碍物尺寸跟波长差不多或比波长更小。孔径大并不是不衍射,只是衍射现象不明显,所以A、B错误,C正确;衍射现象是波特有的现象,所以D正确。,【探究训练】1.(2018泰安高二检测)下列说法正确的是()A.只有横波能发生衍射,纵波不能发生衍射B.当波长比孔的宽度小得越多时,波的衍射越明显C.声波能发生衍射现象,光不能发生衍射现象D.声波易发生明显的衍射现象,光不易发生明显的衍射现象,【解析】选D。衍射是波特有的现象,一切波都能产生衍射现象,所以A错误;光也是一种波,因而光也能发生衍射现象,所以C错误;只有当障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多或更小时,才会发生明显的衍射现象,所以B错误;由于声波的波长较大,所以易发生明显的衍射现象,而光波的波长较小,所以很难观察到光波的明显衍射现象,D正确。,2.用2106Hz的超声波检查胆结石,该超声波在结石和胆汁中的波速分别为2250m/s和1500m/s,则该超声波在结石中的波长是胆汁中的倍。用超声波检查胆结石是因为超声波的波长较短,遇到结石时(选填“容易”或“不容易”)发生衍射。,【解析】根据v=f,在传播中,超声波的频率不变,所以波长与速度成正比,解得波长比为1.5。在结石中,超声波的波长为=1mm,因为波长太短,所以不容易发生明显衍射。答案:1.5不容易,【补偿训练】1.(多选)下列关于波的衍射的说法正确的是()A.衍射是一切波特有的现象B.对同一列波,缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或比波长小时,衍射现象明显C.只有横波才能发生衍射现象,纵波不能发生衍射现象D.要发生明显的衍射,必须满足一定的条件,【解析】选A、B、D。衍射是一切波特有的现象,不论横波、纵波都能发生衍射现象,A正确、C错误;发生明显的衍射现象是有条件的,只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或比波长更小时,才能观察到明显的衍射现象,即发生明显的衍射是有条件的,B、D正确。,2.一列波在传播过程中通过一个障碍物,发生了一定程度的衍射,以下哪种情况可以使衍射现象更明显()A.增大障碍物的尺寸,同时增大波的频率B.增大障碍物的尺寸,同时减小波的频率C.缩小障碍物的尺寸,同时增大波的频率D.缩小障碍物的尺寸,同时减小波的频率,【解析】选D。波在介质中传播时波速是由介质决定的,与波的频率无关,所以改变波的频率不会改变波速,但由v=f可知,当波速一定时,减小频率则波长增大。而发生明显衍射的条件是障碍物或孔、缝的尺寸比波长小或相差不多,要使衍射现象变得明显,可以通过缩小障碍物的尺寸,同时增大波长即减小波的频率来实现,D选项正确。,主题二波的干涉【互动探究】探究点1探究波的叠加如图所示,在一根水平长绳的两端分别向上抖动一下,演示两列波相向传播并相遇的现象。思考以下问题:,(1)两列绳波相遇时,发生了什么现象?提示:如图丙所示,相遇区的质点振动幅度加大了。(2)若绳两端持续上下抖动,两列绳波的振幅为A1、A2,则在两绳波的叠加区内,加强点和减弱点的振幅各多大?提示:两列绳波相遇时,加强点的振幅为两列绳波振幅之和,即为A1+A2,减弱点的振幅为两列绳波振幅之差|A1-A2|。,(3)在两绳波的叠加区内,如何求某一质点的位移?提示:当两个波源产生的两列波在同一介质中传播时,介质中的每个质点都要同时参与两个分运动。在任一时刻,第一列波使某个质点a振动所产生的位移为x1,第二列波同时使质点a振动所产生的位移为x2,则质点a的位移就是这两列波分别产生的位移的矢量和。如果位移x1、x2的方向相同,则a点的振动位移大小x=|x1+x2|,方向与x1、x2的方向相同;如果位移x1、x2的方向相反,则a点的振动位移大小x=|x1-x2|,方向与较大的位移方向相同。,(4)两列绳波相遇后,绳波的传播情况又怎样?提示:如图戊所示,两列绳波相遇后,彼此穿过,继续传播,波的形状和传播的情形都跟相遇前一样。也就是说,相遇后,它们都保持各自的运动状态,彼此都没有受到影响。,探究点2水波的干涉做“水槽中水波的干涉”实验,观察到如图所示的干涉图样。,(1)实验中两波源的条件是什么?提示:两波源的频率相同,振动方向相同,相位差保持不变。(2)怎样理解振动加强点和振动减弱点?提示:振动加强点和减弱点是指该点振动的振幅增大或减小,振幅增大的点为加强点,振幅减小的点为减弱点。,(3)加强点的位移始终最大,减弱点的位移始终最小吗?提示:不能认为加强点的位移始终最大,减弱点的位移始终最小。不论是振动加强点还是减弱点,它们均在振动,位移随时间不断变化,只是振幅不同。(4)“加强点”和“减弱点”的位置随时间变化吗?提示:介质中的“加强点”与“减弱点”的位置是固定的,它们不随时间改变。,(5)分析“波的干涉”的示意图并思考干涉图样有何特点。,提示:频率相同的两列波叠加时,某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,并且加强区和减弱区相互间隔。实线上各点都是始终加强,质点的振动最剧烈,振幅最大;虚线上各点都是始终减弱,质点的振动最平静,振幅最小。在实线和虚线之间的质点的振幅均在最大和最小之间,且越靠近虚线的质点,其振幅越小。,【探究总结】1.波的叠加与波的干涉:(1)波的叠加原理:几列不同波源产生的波,当它们在同一介质里传播时,在相遇处各质点的位移等于各个波单独存在时在该点所引起的位移的矢量和。叠加原理适用于一切波。(2)波的叠加是无条件的,任何频率的两列波在空间相遇都会叠加。,(3)对波的干涉的理解。干涉是有条件的。当两个波源的频率相同并且它们的相位差保持不变时,能够形成稳定的干涉图样。若两个波源的频率不同或它们的相位差不恒定,则不会形成稳定的干涉图样。我们所说的“干涉”是能形成稳定的干涉图样的波的叠加。干涉是波特有的现象,即一切波都能发生干涉。,2.振动加强点和振动减弱点的振动规律:(1)振动加强点和振动减弱点始终以振源的频率振动,其振幅不变(若是振动减弱的点,振幅可以为零),但其位移随时间发生变化。(2)振动加强点的振动总是加强,但并不是始终处于波峰或波谷,它们都在平衡位置附近振动,有的时候位移为零,只是振幅为两列波振幅之和,显得振动剧烈。,(3)振动减弱点的振动始终减弱,其位移的大小始终等于两列波分别引起的位移大小之差,即振幅为两列波振幅之差。如果两列波的振幅相同,则振动减弱点将会总是处于静止状态,并不振动。,【典例示范】(多选)如图表示两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇。图中实线表示某时刻的波峰,虚线表示的是波谷,下列说法正确的是(),A.a、c两点的振动加强,b、d两点的振动减弱B.e、f两点的振动介于加强点和减弱点之间C.经适当的时间后,加强点和减弱点的位置互换D.经半个周期后,原来位于波峰的点将位于波谷,原来位于波谷的点将位于波峰,【解题指南】解答本题应注意以下两点:(1)在波的干涉图样中,波峰和波峰(或波谷和波谷)相遇的点为加强点;波峰与波谷相遇的点为减弱点。(2)振动加强区域的点都是振动加强点,振动减弱区域的点都是振动减弱点。,【解析】选A、D。波的干涉示意图所示的仅是某一时刻两列相干波叠加的情况,形成干涉图样的所有介质质点都在不停地振动着,其位移的大小和方向都在不停地变化着。但要注意,对稳定的干涉,振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的。a点是波谷和波谷相遇的点,c点是波峰和波峰相遇的点,都是振动加强的点;而b、d两点都是波峰和波谷相遇的点,是振动减弱的点,A正确。e点位于加强点的连线上,仍为加强点;f点位于减弱点,的连线上,仍为减弱点,B错误。相干波叠加产生的干涉是稳定的,不会随时间变化,C错误。因形成干涉图样的介质质点也是不停地做周期性振动,经半个周期步调相反,D正确。,【探究训练】1.两列波相叠加发生了稳定的干涉现象,那么()A.两列波的频率不一定相同B.振动加强区域的各质点都在波峰上C.振动加强的区域始终加强,振动减弱的区域始终减弱D.振动加强的区域和振动减弱的区域不断周期性地交换位置,【解析】选C。两列波发生稳定的干涉的条件必须是两列波的频率相同且相位差恒定,振动加强区始终加强,振动减弱区始终减弱,形成稳定的干涉图样,C对,A、D错;振动加强区域的各质点只是振幅最大,它们也在自己的平衡位置附近振动,并不是只在波峰上,B错。,2.(2018南京高二检测)如图所示,在同一均匀介质中有S1和S2两个振动情况完全相同的波源,现将S1S2连线分成四等份,若每一等份恰好等于半个波长,则图中各等分点处质点P、Q、R的运动情况为(),A.Q质点总处于波谷B.P、R两质点总处于波峰C.Q质点总处于静止D.P、Q、R质点振动总是加强,【解析】选D。Q质点到达两波源的路程差为零,为振动加强点,加强点不是始终处于波谷,该点的振幅最大,故A、C错误;P、R两点距两波源的路程差都等于一个波长,为振动加强点,加强点不是始终处于波峰,故B错误;P、R两点距两波源的路程差都等于一个波长,Q距离两波源的路程差为0,知P、Q、R为振动加强点,振动总是加强,故D正确。,3.(多选)如图所示,S1、S2是振幅均为A的两个水波波源,某时刻它们形成的波峰和波谷分别由实线和虚线表示。则下列说法中正确的是(),A.两列波在相遇区域发生干涉B.两列波在相遇区域内发生叠加C.此时各点的位移是:xA=0,xB=-2A,xC=2AD.A处振动始终减弱,B、C处振动始终加强,【解析】选B、C。两列波发生干涉的条件是频率相同,相位差恒定。从题图上可知1=22,则2f1=f2,这两列波不是相干波,故不能产生干涉现象,A错误;两列机械波在相遇区域发生叠加,这是波的基本现象之一,其结果是任何一个质点的总位移,都等于这两列波引起的位移的矢量和,所以B、C正确;由于频率不同,叠加情况会发生变化,D错。,【补偿训练】1.(多选)两列波在某区域相遇,下列说法中正确的是()A.两列波相遇时能够保持各自的状态互不干