高二物理波的干涉 多普勒效应知识精讲 人教版

高二物理波的干涉 多普勒效应知识精讲 人教版一. 本周教学内容：第五节 波的干涉第六节 多普勒效应第七节 次声波和超声波二. 知识要点：知道波的叠加原理。知道什么是波的干涉现象和干涉图样，知道干涉是波特有的现象。知道波源的频率与观察者接收到的频率的区别，知道什么是多普勒效应，知道它是在波源与观察者之间有相对运动时产生的现象，了解多普勒效应的应用。知道次声波和超声波的频率范围，了解次声波和超声波的特点及其应用。三. 重点难点解析：1. 波的叠加原理（1）波的独立传播特性：几列波相遇时，每一列波都能保持各自的状态继续沿原来的传播方向向前传播，彼此之间互不影响，好像没有遇到其它波一样。（2）波的叠加原理：在几列波重叠的区域里，介质中的每一个质点同时参与几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独存在时所引起的振动位移的矢量和。当两列波在同一介质中传播时，介质中的每一个质点都要同时参与两个分运动，在任一时刻，第一列波使某质点a振动的位移是，第二列波同时使质点a振动产生的位移是，则质点a的位移就是与的矢量和，如果、方向相同，则质点振动位移就是与的和。如果、方向相反，则质点振动位移的大小是与之差，方向与较大的方向相同，下列两图为两列波相遇示意图，虚线为每列波使质点振动的波形，实线为合成后的波形。 波的叠加原理是波动基本原理，对一切波都适用。2. 波的干涉 频率相同的两列波叠加，使某些区域振动加强，某些区域的振动减弱，而且振动加强区域和减弱区域相互隔开，这种现象叫做波的干涉，所形成的图样叫干涉图样。干涉的本质是波在大范围内叠加的结果。能产生干涉的两列波叫相干波，其波源叫相干波源。产生干涉的条件：两列波的频率相同，振动方向相同。在水面上的S1S2两点有波源，产生频率相同的波，两个波源产生的波沿水平面向外传播，实线代表波峰，虚线代表波谷，两个波在相遇处，在某时刻，a点两列波峰相遇点，经半个周期就变成波谷相遇点。波峰与波峰相遇，质点位移最大，等于两列波振幅之和。波谷和波谷相遇点质点位移也最大，等于两列波振幅之和，在这一点，两列波引起的振动始终是加强的，质点的最激烈振动的振幅等于两列波的振幅之和。在某一时刻，b点是两波的波峰与波谷相遇，经半个周期变为波谷与波峰相遇点。在这一点两列波引起的振动始终是减弱的，质点振动的振幅等于两列波的振幅之差。如果两列波的振幅相等，质点的振幅等于零。图中实线相交点，虚线相交点为振动加强中心点，这些加强中心点在一条曲线上。实线、虚线交点为振动减弱中心点。这样的点在一条曲线上。振动加强线与振动减弱线相间隔。可见频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，总是加强，某些区域减弱总是减弱的，在水面上能见到稳定的，图案叫干涉图样。若两列波的频率不等，某一点在某时刻为振动加强，下一时刻就不再是振动加强，因而不能形成稳定的加强区域和振动减弱区域。两列波相遇点的运动仍是振动，某时刻位移最大，也有时刻位移为零。3. 干涉加强与减弱的判断由波的传播图可以直接判断某点振动是加强还是减弱。也可由质点到两波源距离的关系判断。当两波源的振动相同时，介质中的质点到波源距离差值为波长的整数倍，质点振动为加强点。公式表示为（，1，2，）若质点到波源的距离之差为半波长的奇数倍则质点振动为减弱点，（，1，2，）当两波源振动步调相反时，为加强点。当两波源振动步调相反时，为减弱点。4. 多普勒效应由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者接收到的频率发生变化的现象，叫做多普勒效应。多普勒效应的成因，波源与接收者之间有相向运动接收到的频率增大。观察者与波源相背离运动，接收到的频率减小。利用多普勒效应，观察运动物体。5. 声波及分类及应用 声波是指人耳能接收的声波频率范围是20Hz20000Hz。频率大于20000Hz叫超声波，低于20Hz叫次声波。超声波有很重要的特征，它的频率高、波长短，衍射现象不明显，基本沿直线传播，在导体中传播比电波远得多。超声波穿透能力强。在液体中能使液体雾化。应用这些特性可以做成声纳在水中找寻目标，医学上利用超声波进行定位和成像，确定组织病变，利用超声波聚焦杀死恶性肿瘤细胞。次声波在水中能传播很远的距离做成声纳进行水下探查和定位，是其它方法不能替代的。【典型例题】例1 如图所示，橡皮绳上甲波峰向右传播，乙波峰向左传播，若它们的振幅和波长都相同，则它们相遇时互相叠加，此时图中的M是N、x、y等质点的振动方向是（ ）A. M向上，N向下B. M向下，N向上C. x、y均静止D. x、y均向上解析：橡皮绳上甲、乙两个半波在传播中保持波形不变，一直向前平移，在相遇处叠加，质点振动由两列波单独存在的合运动来决定。甲波传到C图位置，M点是向下运动，乙波传到C图位置M点也是向下运动，合运动方向是向下的。同理N点是向上的。B选项正确，由于x点在波峰，波谷左侧，与M点运动方向相同，y与N点运动方向相同，A、C、D都是错误的。点评：找叠加的振动方向关键是找准每列波使质点振动方向。例2 如图中S1和S2是两个相干波源，由它们发出的波相互叠加，实线表示波峰，虚线表示波谷，则对a、b、c三处质点的振动情况，下列判断中正确的是（ ）A. b处的振动永远互相减弱B. a处永远是波峰与波峰相遇C. b处在这时刻是波谷与波谷相遇D. c处的振动永远相互减弱分析解答：从图中可以看出，b处此刻是波谷和波谷相遇，位移为负的最大值，振动是加强的。故选项A错误，选项C正确。a处此刻是波峰与波峰相遇，但过半个周期后会变成波谷与波谷相遇，虽然始终是振动加强的点，但并非永远是波峰与波峰相遇的点，因此选项B是错误的。c处此刻是波峰与波谷相遇，过半个周期后是波谷与波峰相遇，它们的振动永远互相减弱，选项D是正确的。综上所述，该题的正确答案是选项C、D。解后反思：波动的过程是动态的过程，在某一时刻，介质中某个点可能是波峰，而在一段时间后，它可能成为波谷。振动加强的点并不总是波峰或波谷，还有可能在某一时刻位移为零，而振动减弱的点有可能位移总是零。例3 如图所示，MN表示足够长的直线湖岸，S1、S2表示湖面上相距3m的两个完全相同的水波波源，激起的水波波长为2m。S1、S2的连线垂直于湖岸，S2距湖岸5m，则湖岸处水面总保持平静的地方共有（ ）A. 3处B. 5处C. 15处D. 无数处分析解答：所谓“平静”是指两个波源在该点的振动叠加后互相抵消，由于两个波源是完全相同的，因此在波峰与波谷相遇的地方就是所求的“平静的地方”。这些点到两个波源的距离之差应等于半波长的奇数倍。连接S1、S2并延长交MN于O点。O点到两个波源S1、S2的距离之差为3m，等于半波长的3倍，符合振动相消的条件，因此O点是振动最弱的点。在ON之间任取一点P，连接S1P、S2P构成一个三角形S1S2P，根据三角形任意两边之差小于第三边的关系，知，因，当，（n=0，1，2）振动减弱。 n只能取0，即在ON之间，只有一个点保持平静，由对称性可知，在OM之间也只有一个点保持平静。综上所述，湖岸处保持平静的地方共有3处，A选项正确。点评：确定干涉区域中振动加强点，减弱点的一般方法是：先确定两波源到该点的距离之差的取值范围，再由振动加强与减弱时与波长的关系，确定n的取值范围，最后求出定数n的值，加强、减弱点的位置和个数。例4 图示一产生机械波的波源O做匀速运动情况，图中的圆表示波峰，由图可知波源的运动方向是（ ），观察者在ABCD四处，接收到的波频率最低的位置是（ ）。 答案：向右；D点例5 利用超声波遇到物体发生反射，可测定物体运动的有关参量，如图所示仪器，A和B通过电缆线连接，B为超声波发射与接受一体化装置，而仪器A为B提供超声波信号源，且能将B接收到的超声波信号进行处理并能在屏幕上显示波形。现固定装置B，并将它对准匀速行驶的小车C，使其每隔固定时间T0发射一短促的超声波脉冲（如图乙中幅度大的波形），而B接收到的由小车C反射回的超声波经仪器A处理后显示如图乙中幅度较小的波形。反射波滞后的时间已在图乙中标出。T0和为已知量，另外还知道在此条件下声速为。根据所给条件判断小车运动方向，速度大小。解析：由于超声波在空气中的传播，由图可知，B接收器接收到的反射波的时间间隔依次延长了，说明车离B越来越远，小车向右运动。设小车运动速度为v，延迟时间，超声波后一脉冲比相邻的前一个脉冲多传播一段距离。第一个超声脉冲传到小车C处所用时间；第二个超声脉冲较第一个超声脉冲发射时间推迟了T0，发射后传至小车C所用时间为。故两次相邻脉冲到达小车C的时间（对任意相邻脉冲都一致）为小车C在时间内前进的路程为 点评：此题解析关键是找到。【模拟试题】1. 有经验的战士可以从炮弹飞行时的尖叫声判断炮弹的飞行方向，他所利用的应是（ ） A. 声波的干涉现象B. 声波的衍射现象C. 声波的多普勒效应D. 声波的反射现象2. 关于次声波和超声波的定义，下列说法中正确的是（ ） A. 频率低于20Hz的声波为次声波B. 频率高于20Hz的声波为次声波C. 频率低于20000Hz的声波为超声波D. 频率高于20000Hz的声波为超声波3. 我国古代的庄子杂编徐无鬼讲到了调瑟（一种乐器）时发生的现象：“为之调瑟，废于一堂，废于一室，鼓宫宫动，鼓角角动，音律同矣。”这段话反映了声音的（ ） A. 干涉现象B. 衍射现象C. 共鸣现象D. 多次反射4. 两列波相叠加出现稳定的干涉图样，由此可知（ ） A. 两列波的频率一定相等B. 介质中振动加强的区域和振动减弱的区域总是互相间隔的C. 振动加强的区域始终加强，振动减弱的区域始终减弱D. 振动加强的区域与减弱的区域不断交替变化5. 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S1、S2连线分成四等分，若每一等分恰好等于半个波长，则图中各等分点P、Q、R中（ ） A. Q点总处于波谷B. P、R两点总处于波峰C. Q点的振动始终是加强D. P、Q、R三点处振动总是加强6. 如图所示，沿一条直线相向传播的两列横波的振幅和波长均相等，当它们相遇时，下图中可能出现的波形为（ ） A B C D7. 如图所示，沿x轴正方向传播的一列简谐波在某时刻的波形图为一正弦曲线，其波速为200m/s，则可推出（ ） A. 图中质点b的加速度正在增大B. 从图示时刻开始，经过0.01s，质点a通过的路程为4m，位移为零C. 若此波遇到另一波并发生稳定干涉现象，则该波所遇到的波的频率为50HzD. 若发生明显衍射现象，该波所遇到的障碍物的尺寸一般不小于20m8. 如图所示表示两列相干水波的叠加情况，图中的实线表示波峰，虚线表示波谷，设两列波的振幅均为5cm，且在图示的范围内振幅不变，波速和波长分别为1m/s和0.5m，C点是BE连线的中点，下列说法正确的是（ ） A. C、E两点都保持静止不动B. 图示时刻A、B两点的竖直高度差为20cmC. 图示时刻C点正处在平衡位置且向水面上运动D. 从图示的时刻起经0.25s，B点通过的路程为20cm9. 有一种用钢丝操纵做圆周飞行的模型飞机，装有两冲程的活塞式发动机作为动力，操纵者站在圆心，在他听来，发动机工作时发出的声音是平稳不变的，场边的观察者则听到发动机的声音忽高忽低地做周期性变化，这是由于 ，这种现象叫做 。10. 一观察者站在火车轨道旁，一列高速行驶的火车正在鸣笛，并离他而去，则此观察者听到的鸣笛声的频率将 （填“增大”“减小”或“不变”）11. 声呐（水声侧位仪）能探测水中物体的位置，这是利用了超声波的 ；超声波探伤仪，可检查金属内部的缺陷，这是利用了超声波的 。12. 在同一媒质中有两个振幅相等、频率为100Hz的相干波源A与B，A处于波峰时，B处于波谷。波A与波B相距30m，波速为400m/s，则A、B连线上距A波源13m的点将振动 ，距A波源11m的点将振动 。（填“加强”或“减弱”）13. 如图所示，在x轴上有一列横波由A点沿x轴正方向传播。同时有一列相同的横波由B点沿x轴负方向传播，已知A、B两点振动情况完全相同，两列横波波长均为2m，振幅均为0.05m，A、B两点相距3m，则x轴上坐标为1.0m处质点的振幅为 m；坐标为2.5m处质点的振幅为 m。若其波速为10m/s，经过0.15s，坐标1.5m处质点通过的路程为 m。14. 声波在空气中的传播速度约为340m/s，在钢铁中的传播速度约为4900m/s，用锤子敲击一下铁桥的一端而发出的声音，分别经过空气和