高二物理选修3-4 12.4 波的衍射和干涉 LI

五 波的衍射 12 4波的衍射和干涉 第十二章机械波 在波的前进方向上放一个有孔的屏 可以看到波可以绕到屏的后面继续传播 衍射现象 实例1 在水塘里微风激起的水波遇到突出水面的小石子 芦苇 会绕过他们继续传播 好像他们并不存在 实例2 闻其声不见其人隔墙有耳 定义 波绕过障碍物继续传播的现象叫做波的衍射 一 波的衍射 实验现象 1 窄缝或障碍物的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 2 窄缝或障碍物的宽度比波长大得越多 衍射现象越不明显 3 窄缝或障碍物的宽度与波长相差不多时 有明显的衍射现象 1 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 2 衍射的实质 振动的形式和能量传到障碍物后方的阴影区域中 思考 衍射中真的是孔或障碍物的尺寸越小越好吗 当孔或障碍物的尺寸过小时 由于衍射到后方的能量较弱 故衍射现象仍不明显 二 发生明显衍射现象的条件 2 具体实例 1 声波的衍射 隔墙有耳 2 电磁波的衍射 收看电视 波的衍射实例 1 衍射是波特有的现象 一切波都能发生衍射 但要发生明显的衍射现象需要满足一定的条件 当不满足时 衍射现象虽然存在 但由于是不明显的衍射现象 不易被我们观察到 1 能试着解读 闻其声不见其人 中所包含的物理知识吗 2 在有些偏远的山区 收音机能收到清晰的声音信号 而电视机信号却不清晰 你能根据所学的物理知识给出一个合理的解释吗 思考与讨论 人耳所听声音频率范围 20Hz 20000Hz 人耳所听声音波长范围 17m 17mm 人眼所能看到的可见光波长的范围 400nm 700nm 3 医院中有一种 B超 仪器 常用来探测人体内脏的位置及发现可能的病变 这种仪器为什么要使用超声波而不用普通的声波 思考与讨论 1 超声波的频率范围为大于20000Hz 其相应波长小于17mm 2 超声波频率高 故超声波能量大 才容易穿透皮肤和组织 3 超声波波长短 不易衍射 在一定距离内沿直线传播 方向性好 故所拍图像清晰 池塘中两水波相遇时 会发生什么现象呢 生活现象 三 波的叠加 1 波传播的独立性 两列波相遇时 位移发生合成变化 相遇后 波的形状和传播的情形都跟相遇前一样 都保持各自的运动状态继续传播 彼此之间没有互相影响 1 相遇前 2 相遇时刻 3 相遇过程 4 相遇后 1 波的独立传播原理 红绿光束空间交叉相遇 红是红 绿是绿 听乐队演奏 仍可辨出不同乐器的音色 旋律 空中无线电波很多 仍能分别接收各个电台 例如 2 波的叠加原理 在几列波重叠的区域里 介质的质点同时参与这几列波所引起的振动 质点振动的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和 生活中波的独立传播和叠加 开会时 大家讨论的面红耳赤 会议室内声音特响 但还是能区分出每一个人的说话声音 频率相同的两列波叠加 实验演示 1 定义 频率相同的两列波叠加 使某些区域的振幅加大 某些区域的振幅减小 这种现象叫做波的干涉 干涉图样 由波的干涉所形成的图样 四 波的干涉 特征 振动加强的区域总是加强 振动减弱的区域总是减弱 把相应的振动最激烈的质点连起来 就是振动加强区 相应的振动最不激烈或静止的质点连起来 就是振动减弱区 且振动加强区和振动减弱区是相互间隔着出现的 四 波的干涉 为什么两列波相遇时能出现振动始终加强的区域呢 如果在某一时刻 在水面上的某一点是两列波的波峰和波峰相遇 经过半个周期 就变成波谷和波谷相遇 波峰和波峰 波谷和波谷相遇 时 质点的位移都是最大 等于这两列波的振幅之和 因此在这一点 始终是两列波干涉的加强点 质点的振动最激烈 思考与讨论 2 形成稳定干涉图样的条件 两列波相遇叠加不一定能得到稳定的干涉图样 而要产生稳定的干涉现象 形成稳定的干涉图样 则需要满足一定的条件 产生稳定明显的干涉图样的条件是两列波的频率相同 相位差恒定 且振幅相差不多 注意 波的干涉是波的叠加的特殊情形 一切波都能发生干涉 干涉和衍射都是波的特有现象 试从水波的干涉图样中分析出各加强区处的任一质点到两波源之间的距离存在什么规律 减弱区呢 思考与讨论 1 若P点为振动加强点 假设在两列波的叠加区域有一个P点 它到两列波源的距离分别为S1 S2 两列波的波长为 则有 n 0 1 2 则有P点到两列波的波源的距离差等于波长的整数倍或半个波长的偶数倍 2 若P点为振动减弱点 则有P点到两列波的波源的距离差等于半个波长的奇数倍 n 0 1 2 四 波的干涉 生活实例 声波的干涉 操场上装有很多个相同的扬声器 当它们同时发声时 若绕操场一周 将会听到某些地方声音加强 某些地方声音减弱 生活中波的干涉实例 ABD 1 下列关于波的衍射说法正确的是 A 衍射是一切波特有的现象B 对同一列波 缝 孔或障碍物越小 衍射现象越明显C 只有横波才能发生衍射现象 纵波不能发生衍射现象D 声波容易发生衍射现象 由于声波波长较大 课堂练习 2 水波通过小孔 发生一定程度的衍射 为使衍射现象更不明显 可以 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 A 课堂练习 3 下列关于波的衍射图象正确的是 BC 注意 有孔衍射的子波源在小孔处 课堂练习 4 如图所示 S为波源 MN为两块挡板 其中M固定 N板可上下移动 两板中间有一块缝 此时测得A点没有发生振动 为了使A点能振动起来 可采取的方法是 A 增大波源的频率B 减小波源的频率C 将N板上移一些D 将N板下移一些 BC 课堂练习 5 下列关于两列波相遇时叠加的说法中正确的是 A 相遇后 振幅小的一列波将减弱 振幅大的一列波将加强B 相遇后 两列波的振动情况与相遇前完全相同C 在相遇区域 任一点的总位移等于两列波分别引起的位移的矢量和D 几个人在同一房间说话 相互听得清楚 这说明声波在相遇时互不干扰 BCD 课堂练习 6 两列波发生了干涉现象 得到了干涉图样 则 A 振动加强的质点 始终处于最大位移处B 振动加强的质点的位移 有时会小于振动削弱的质点的位移C 波峰与波峰相遇处的质点 其振动始终加强D 波峰与波谷相遇处的质点 其振动始终削弱 BCD 课堂练习 7 如图所示 A B为两个完全相同的相干波源 它们产生的两列波在AB连线的中垂线上的P点相遇时 则 A P点振动始终加强B P点振动有时加强 有时减弱C P点位移始终等于振幅D P点位移有时为零 AD 课堂练习 8 频率相同的两列波发生干涉现象时 有 A 某一点如果是两列波的波峰与波峰相遇 经过半个周期 在这一点则是第一列波的波峰与第二列波的波谷相遇B 某一点如果是两列波的波谷与波谷相遇 经过半个周期 在这一点则是第一列波的波谷与第二列波的波谷相遇C 某一点如果是第一列波的波峰与第二列波的波谷相遇 经过半个周期 在这一点则是两列波的波谷相遇D 某一点如果是第一列波的波峰与第二列波的波谷相遇 经过半个周期 在这一点则是第一列波的波谷与第二列波的波峰相遇 D 课堂练习 9 如图所示 S1 S2是两个相干波源 它们振动同步且振幅相同 实线和虚线分别表示在某一时刻它们所发出的波的波峰和波谷 关于图中所标的a b c d四点 下列说法中正确的有 A 该时刻a质点振动最弱 b c质点振动最强 d质点振动既不是最强也不是最弱B 该时刻a质点振动最弱 b c d质点振动都最强C a质点的振动始终是最弱的 b c d质点的振动始终是最强的D 再过T 4后的时刻a b c三个质点都将处于各自的平衡位置 因此振动最弱 BC 课堂练习 10 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