波的干涉和衍射.doc

12.4 波的干涉和衍射 2012/5/19新课标要求（一）知识与技能1知道什么是波的干涉、衍射现象。2知道波发生明显衍射现象的条件及发生稳定干涉的条件。3知道干涉、衍射是波的特有现象。（二）过程与方法能够运用衍射条件进行判断。（三）情感、态度与价值观了解波的衍射在生活中的应用，感受物理与生活之间的联系。教学过程（一）引入新课大家都熟悉“闻其声不见其人”、“隔墙有耳”等现象，声音为什么没有被障碍物挡住？ “风声、雨声、读书声”为什么没有相互干扰，而是声声入耳呢？要了解这些现象的原理，必须学习本节内容波的干涉和衍射。（二）进行新课一、波的衍射在水塘里，微风激起的水波遇到露出水面的小石头、芦苇等细小的障碍物，会绕过它们继续传播，好象它们并不存在一样；水波通过桥洞时，也会绕过桥墩继续向前传播。这些都是衍射现象。1.波的衍射(1)定义：波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射。【演示】在水波槽里放一个小挡板，让波源发出的圆形波遇到小挡板，将实验现象用投影仪投影在大屏幕上。现象：水波绕过小挡板继续传播。将小挡板换成长挡板，重新做实验。现想：水波不能绕到长挡板的背后传播。这个现象说明什么？结论：发生衍生的条件与障碍物的大小有关。(2)说明：衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象。衍射现象总是存在的，只有明显与不明显的差异。区分“明显与不明显”和“观察到与观察不到”。2.产生明显衍射现象的条件【演示】在水波槽里放两块小挡板，当中留一狭缝，观察波源发出的水波通过窄缝后怎样传播。(1)保持水波的波长不变，该变窄缝的宽度（由窄到宽），观察波的传播情况有什么变化。将实验现象用投影仪投影在大屏幕上。观察到的现象：在窄缝的宽度跟波长相差不多的情况下，发生明显的衍射现象。水波绕到挡板后面继续传播。（投影课本图12.5-1甲）在窄缝的宽度比波长大得多的情况下，波在挡板后面的传播就如同光线沿直线传播一样，在挡板后面留下了“阴影区”。（投影课本图12.5-1乙） (2)保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长（由小到大），将实验现象用投影仪投影在大屏幕上。可以看到：在窄缝不变的情况下，波长越长，衍射现象越明显。将课本图12.5-2中的甲、乙、丙一起投影在屏幕上（如图所示），它们是做衍射实验时拍下的照片。甲中波长是窄缝宽度的3/10，乙中波长是窄缝宽度的5/10，丙中波长是窄缝宽度的7/10。通过对比可以看出：窄缝宽度跟波长相差不多时，有明显的衍射现象。窄缝宽度比波长大得多时，衍射现象越不明显。窄缝宽度与波长相比非常大时，水波将直线传播，观察不到衍射现象。结论：发生明显衍射现象的条件：只有缝、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，才能观察到明显的衍射现象。(1) 障碍物或孔的尺寸大小，并不是决定衍射能否发生的条件，仅是发生明显衍射的条件。(2) 一般情况下，波长较大的波容易产生显著的衍射现象。“闻其声不见其人”，因为声波波长范围是1.7cm17m之间，可见光的波长范围约在0.4m0.7m之间。(3) 波传到小孔(或者障碍物)时，小孔(或者障碍物)仿佛是一个新的波源，由它发出原来同频率的波(称为子波)，在小孔(或者障碍物)后传播，于是就出现了偏离直线传播方向的衍射现象。(4) 当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射十分突出，但由于能量减弱，衍射现象不易观察到。(5) 挡板前后(即衍射前后)波长、频率、波速均不变。二、波的叠加教师：前面研究的波的衍射现象，是从波源发出的一列波的传播特性。在实际情况中，常可看到几列波同时在介质中传播。那么，两列或几列波在介质中相遇时，将会发生什么现象呢？设问把两块石子在不同的地方投入池塘的水中，就有两列波在水面上传播，两列波相遇时，会不会像两个小球相碰时那样，都改变原来的运动状态呢？ 演示取一根长绳，两位同学在这根水平长绳的两端分别向上抖动一下，学生观察现象。学生叙述现象现象一：抖动一下后，看到有两个凸起状态在绳上相向传播。现象二：两列波相遇后，彼此穿过，继续传播，波的形状和传播的情形跟相遇前一样.教师总结两列波相遇后，每列波都像相遇前一样，保持各自原来的波形，继续向前传播，这是波的独立传播特性。多媒体模拟绳波相遇前和相遇后的波形相遇前1212相遇后21教师刚才，通过实验，我们知道了两列波在相遇前后，它们都保持各自的运动状态，彼此都没有受到影响，那么在两列波相遇的区域里情况又如何呢？多媒体模拟绳波相遇区的情况教师总结在两列波重叠的区域里，任何一个质点同时参与两个振动，其振动位移等于这两列波分别引起的位移的矢量和。当两列波在同一直线上振动时，这两种位移的矢量和简化为代数和，这叫做波的叠加原理。1波的独立传播特性两列波相遇后，每列波都像相遇前一样，保持各自原来的波形，继续向前传播。例如：音乐会上，歌唱演员男女合唱，听众仍能区分开男女不同的声音和特色；在众人嘈杂的说话声中，人们也能分辨出不同的人所说的话，这些都说明了声波在相互交错、叠加之后仍能保持原来的性质向前传播。2波的叠加原理几列波相遇时能够保持各自的运动状态，继续传播，在它们重叠的区域里，任何一个质点同时参与这几列波的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。说明：波的独立性是波的叠加的基础。 相遇前后，各自保持原来的状态，互不干扰。其中“原来的状态”指各自的周期、频率、振幅和振动方向；“互不干扰”指互不影响。两列波在同一直线上振动时，位移的矢量和简化为代数和。叠加区域的质点的位移可能增大，也可能减小。如两列同相的波叠加，振动加强，振幅增大；两列反相的波叠加，振动减弱，振幅减小。叠加原理适用于一切波。三、波的干涉演示把两根金属丝固定在同一个振动片上，当振动片振动时，两根金属丝周期性地触动水面，形成两个波源，观察在两列波相遇重叠的区域里出现的现象。教师说明由于这两列波是由同一个振动片引起的，所以这两个波源的振动频率和振动步调相同.。现象在振动的水面上，出现了一条条从两个波源中间伸展出来的相对平静的区域和激烈振动的区域，这两种区域在水面上的位置是固定的，而且相互隔开。激烈振动的区域是振动加强的区域；相对平静的区域是振动减弱的区域。强强强弱弱弱弱MNS1S2波的干涉示意图1干涉现象频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强、某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域相互间隔，这种现象叫波的干涉。形成的图样叫干涉图样。2解释为什么会产生这种现象呢？我们可以用波的叠加原理来解释。课本图所示的是产生上述现象的示意图。S1和S2表示两列波的波源，它们所产生的波分别用两组同心圆表示，实线圆弧表示波峰中央，虚线圆弧表示波谷中央。某一时刻，如果介质中某点正处在这两列波的波峰中央相遇处（课本图12.63所示中的M点），则该点（M点）的位移是正向最大值，等于两列波的振幅之和。经过半个周期，两列波各前进了半个波长的距离，M点就处在这两列波的波谷中央相遇处，该点（M点）的位移就是负向最大值。再经过半个周期，M点又处在两列波的波峰中央相遇处。这样，M点的振幅就等于两列波的振幅之和，所以M点的振动总是最强的。这些振动最强的点都分布在课本图12.63中画出的粗实线上。某一时刻，介质中另一点如果正处在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇处（课本图12.63中的N点），该点位移等于两列波的振幅之差。经过半个周期，该点就处在一列波的波谷中央和另一列波的波峰中央相遇处，再经过半个周期，该点又处在一列波的波峰中央和另一列波的波谷中央相遇处。这样，该点振动的振幅就等于两列波的振幅之差，所以该点的振动总是最弱的。如果两列波的振幅相等，这一点的振幅就等于零。这就是为什么在某些区域水面呈现平静的原因。这些振动最弱的点都分布在课本图12.63中画出的粗虚线上。可以看出，振动最强的区域和振动最弱的区域是相互间隔开的。3产生稳定干涉的条件：频率相同相位差恒定，即为相干波源。4干涉图样的说明：图是某时刻两列波传播相遇的情况，下一时刻不同。两列波的频率相同，波长相等。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，即不随时间变化。加强区、减弱区互相间隔。5加强点和减弱点的理解(1)加强点：以较大的振幅振动，A=A1+A2。对于同相的振源，波程差x=x2-x1=k (k=0，1，2，3)。加强点形成加强区，如教材图中实线。(2)减弱点：以较大的振幅振动，A=|A1A2|。对于同相的振源，波程差x=x2-x1=(2k+1)/2(k=0，1，2，3)。减弱点都在教材图中虚线上。(3)无论加强点还是减弱点，质点都可以在波峰、波谷和平衡位置。只是加强点的振幅很大、减弱点振幅很小。只有当A1=A2时，减弱点才总不动。问：能否说加强的质点始终处于波峰或波谷？振动减弱的质点一定不振动？(4)若振幅相差很大，干涉现象不明显。振幅相差很大，则A1+A2和|A