高中物理 12.4 波的衍射和干涉课件 新人教版选修34.ppt

一 正确理解衍射现象 1 衍射是波特有的现象 一切波都可以发生衍射 凡能发生衍射现象的就是波 2 波的衍射总是存在的 只有 明显 与 不明显 的差异 波长较长的波容易发生明显的衍射现象 3 波传到小孔 障碍物 时 小孔 障碍物 仿佛一个新波源 由它发出与原来同频率的波在孔 障碍物 后传播 就偏离了直线方向 因此 波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况 1 障碍物的尺寸的大小不是发生衍射的条件 而是发生明显衍射的条件 波长越大越易发生明显衍射现象 2 当孔的尺寸远小于波长时 尽管衍射十分突出 但衍射波的能量很弱 也很难观察到波的衍射 典例1 如图是观察水面波衍射的实验装置 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 之间距离表示一个波长 则波经过孔之后的传播情况 下列描述中正确的是 a 此时能明显观察到波的衍射现象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 能更明显地观察到衍射现象 解题指导 能发生衍射和能发生明显的衍射不同 波的衍射是不需要条件的 而要发生明显的衍射必须满足一定的条件 标准解答 选a b c 根据发生明显衍射现象的条件 障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不多 从题图中可看出孔ab的尺寸与波长相差不多 所以此时能明显地观察到波的衍射现象 a正确 因为穿过挡板小孔后的波速不变 频率相同 所以波长也相同 b正确 若将孔ab扩大 将可能不满足明显衍射现象的条件 就有可能观察不到明显的衍射现象 c正确 若将波源频率增大 由于波速不变 所以波长变小 将可能不满足明显衍射现象的条件 也有可能观察不到明显的衍射现象 d错误 变式训练 2011 惠州高二检测 在做水波通过小孔衍射的演示实验时 激发水波的振子振动频率为5hz 水波在水槽中传播速度为0 05m s 为使实验效果更明显 使用小孔直径d应为多少米 解析 由发生明显衍射现象的条件知 当d 时满足要求 由v f得 0 01m 又d 所以d 0 01m 答案 d 0 01m 二 对波的干涉现象的理解 1 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 2 稳定干涉图样的产生是有条件的 必须是两列同类的波 并且波的频率相同 振动方向在同一直线上 相位差恒定 如果两列波的频率不相等 在同一种介质中传播时其波长就不相等 这样不能形成稳定的振动加强点和减弱点 因此我们就看不到稳定的干涉图样 只能是一般的振动叠加现象 3 明显的干涉图样和稳定的干涉图样意义是不同的 明显的干涉图样除了满足相干条件外 还必须满足两列波振幅差别不大 振幅越是接近 干涉图样越明显 4 振动加强的点和振动减弱的点始终在以振源的频率振动 其振幅不变 若是振动减弱点 振幅小 但其位移随时间发生变化 5 干涉图样及其特征 1 干涉图样 如图所示 2 特征 加强区和减弱区的位置固定不变 加强区始终加强 减弱区始终减弱 加强区与减弱区不随时间变化 加强区与减弱区互相间隔 1 振动加强的点的振动总是加强 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 有的时刻位移也为零 只是振幅为两列波振幅之和 显得振动剧烈 2 振动减弱点的振动始终减弱 位移的大小始终等于两列波分别引起位移的大小之差 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 典例2 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 解题指导 求解此题应把握以下四点 标准解答 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 相干波源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 规律方法 振动加强点与振动减弱点的判断方法 1 振动加强点和振动减弱点的理解 不能认为振动加强点的位移始终最大 振动减弱点的位移始终最小 而应该是振幅增大的点为振动加强点 其实这些点也在振动着 位移可为零 振幅减小的点为振动减弱点 2 条件判断法 振动情况完全相同的两波源产生的波叠加时 加强 减弱条件如下 设点到两波源的路程差为 r 当 r 2k k 0 1 2 时为振动加强点 当 r 2k 1 k 0 1 2 时为振动减弱点 若两波源振动步调相反 则上述结论相反 3 现象判断法 若某点总是波峰与波峰 或波谷与波谷 相遇 该点为振动加强点 若总是波峰与波谷相遇 则为振动减弱点 变式训练 如图所示 在同一均匀介质中有s1和s2两个波源 这两个波源的频率 振动方向均相同 且振动的步调完全一致 s1和s2之间相距两个波长 b点为s1和s2连线的中点 今以b点为圆心 r bs1为半径画圆 问在该圆周上 s1和s2两波源除外 共有几个振动加强的点 解析 首先分析s1和s2两波源的连线上共有几个振动加强的点 由对称性可直接判断b点为振动加强点 又as2 as1 cs1 cs2 故a与c两点也为振动加强点 如图所示 即s1和s2连线上共有三个加强点 再过a b c三点作三条加强线 表示三个加强区域 交于圆周上a1 a2 b1 b2 c1 c2六点 显然这六个点也为加强点 故圆周上共有六个振动加强点 答案 6个 变式备选 如图所示是甲 乙两列相互垂直传播的波 实线表示波峰 虚线表示波谷 箭头表示波传播的方向 则图中p点 小正方形中央的一点 是 a 振动加强点b 振动减弱点c 既不是加强点也不是减弱点d 条件不足无法判断 解析 选b 如图所示 p点处在减弱点连线ef上 故p点为振动减弱点 典例 关于波的干涉和衍射 下列说法中错误的是 a 只有横波才能产生干涉 纵波不能产生干涉b 任何两列波 都能产生干涉和衍射c 不管是横波还是纵波 只要叠加的两列波的频率相等 振动情况相同 相位差恒定就能产生稳定的干涉d 波长很小的波可以产生衍射 不能产生干涉 标准解答 选a d 干涉是波的特有现象 只要满足两列波的频率相等 振动情况相同 相位差恒定就能产生稳定的干涉 选项a d错误 c正确 发生干涉和衍射不需要条件 所以任何波都能发生干涉和衍射 发生明显的衍射现象要求障碍物或孔的尺寸和波长相差不大 所以选项b正确 一 选择题1 下列现象或事实属于衍射现象的是 a 风从窗户吹进来b 雪堆积在背风的屋后c 水波前进方向上遇到凸出在水面上的小石块 小石块对波的传播没有影响d 晚上看到水中月亮的倒影 解析 选c 波在传播过程中偏离直线传播绕过障碍物的现象称为波的衍射 c与衍射现象相符 2 2010 上海高考 利用发波水槽得到的水面波形如图a b所示 则 a 图a b均显示了波的干涉现象b 图a b均显示了波的衍射现象c 图a显示了波的干涉现象 图b显示了波的衍射现象d 图a显示了波的衍射现象 图b显示了波的干涉现象 解析 选d 由波的干涉和衍射概念知 图a是一列波的传播 显示了波的衍射现象 图b是两列波的传播 显示了波的干涉现象 3 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扰b 由于这两列波相遇时叠加 当它们分开时波的频率 振幅都会发生变化c 如果这两列波叠加以后使某些区域振动加强 某些区域振动减弱 那么这两列波发生明显干涉d 两列波重叠的区域里 任何一点的总位移都等于两列波分别引起的位移的矢量和 解析 选a d 两列波相遇满足独立传播和叠加原理 波的干涉是出现稳定的振动加强和振动减弱相互间隔的现象 两列波叠加时 任何一点的位移都等于两列波分别引起的位移的矢量和 故a d正确 4 2011 漳州高二检测 蝉是利用了a发出声音 某同学围绕蝉歇息的树干走了一圈 听到忽高忽低的蝉鸣声 这是由于声波的b现象 请选择a b组合正确的是 a 蝉的嘴干涉b 蝉的翅膀干涉c 蝉的翅膀共振d 蝉的嘴共振 解析 选b 蝉是依靠一双翅膀的振动发声 两翅膀的振动频率 振幅相同 形成相干波源 在周围出现振动加强与减弱的区域 5 波长为60m和17m的两列声波在空气中传播时 下列叙述正确的是 a 波长60m的声波比17m的声波传播速度慢b 波长60m的声波比17m的声波频率小c 波长60m的声波比17m的声波易发生衍射d 波长60m的声波不能被反射 解析 选b c 不管波长为多少 声波在空气中传播速度都约为340m s 由波长 波速 频率关系v f可知 波长越长 频率越小 所以a错 b对 由发生明显衍射的条件可知 波长较长 发生衍射较容易 c对 任何波都可以发生反射 d错 6 如图所示 甲 乙两平面波是振幅相同的相干波 甲波沿x轴正方向传播 乙波沿y轴正方向传播 图中实线表示某一时刻的波峰位置 虚线表示波谷位置 对图中正方形中央的a b c d四点的振动情况 正确的判断是 a a b点振动加强 c d点振动减弱b a c点振动加强 b d点振动减弱c a d点振动加强 b c点振动减弱d a b c d点的振动都加强 解析 选b 当两列波出现干涉现象时 要产生干涉图样 形成加强线 减弱线 即加强线 减弱线彼此相间的稳定的干涉图样 在图中设定a b c d四点 实线相交点 即波峰与波峰相遇 都是振动加强点 可知b d决定的直线为加强线 过a c两点且平行bd直线的两条直线也应是加强线 a c两点在bd直线上 故a c点是振动加强点 分别过b d点且平行于bd直线的两条直线均在两加强线之间 应为减弱线 故b d两点的振动是减弱的 方法技巧 确定振动加强点和减弱点的技巧波峰与波峰 或波谷与波谷 相遇的点为振动加强点 波峰与波谷相遇点为振动减弱点 在波的传播方向上 加强点的连线为加强区 减弱点的连线为减弱区 不管波如何叠加 介质中的各质点均在各自的平衡位置附近振动 二 非选择题7 如图所示为声波干涉演示仪的原理图 两个u形管a和b套在一起 a管两侧各有一个小孔 声波从左侧小孔传入管内 被分成两列频率 的波 当声波分别通过a b传播到右侧小孔时 若两列波传播的路程相差半个波长 则此处声波的振幅 若传播的路程相差一个波长 则此处声波的振幅 解析 由同一波源分成的两列波频率相同 这符合两列波干涉的条件 当两波的路程差等于半波长的奇数倍时 振动减弱 当路程差等于波长的整数倍时 振动加强 答案 相同减小增大 8 2010 新课标全国卷 波源s1和s2振动方向相同 频率均为4hz 分别置于均匀介质中x轴上的o a两点处 oa 2m 如图所示 两波源产生的简谐横波沿x轴相向传播 波速为4m s 已知两波源振动的初始相位相同 求 1