人教版物理选修3-4第十二章机械波第四节

第十二章,4波的衍射和干涉,学习目标1.理解什么是波的衍射现象，知道波发生明显衍射现象的条件.2.理解波的叠加原理，知道波的干涉是波叠加的结果.3.知道波的干涉图样的特点，理解形成稳定干涉图样的条件，掌握振动加强点、减弱点的振动情况.,内容索引,知识探究,题型探究,达标检测,知识探究,一、波的衍射,如图1所示是一个可观察水波衍射的水波发生槽，振源的频率是可以调节的，槽中放置两块可移动的挡板形成的宽度可调节的小孔，观察水波的传播，也可以在水槽中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播.思考下列问题：(1)水波遇到小孔时，会观察到什么现象？依次减小小孔尺寸，观察到的现象有什么变化？,答案,图1,答案水波遇到小孔时，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”，小孔的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显.,答案,(2)当水波遇到较大的障碍物时，会观察到什么现象？当障碍物较小时，会观察到什么现象？,答案当水波遇到较大的障碍物时，将会返回，当障碍物较小时，波能继续向前传播.,对波的衍射现象的理解1.定义：波可以绕过继续传播的现象.2.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，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象.3.波的衍射的普遍性：一切波都能发生，是波特有的现象.,障碍物,相差不多,衍射,衍射,判断下列说法的正误.(1)一切波遇到障碍物都会发生衍射现象.()(2)只有当障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时，才会发生衍射现象.()(3)当小孔大小一定时，波的频率越大，衍射现象越明显.()(4)当障碍物大小一定时，波的频率越小，衍射现象越明显.(),二、波的叠加,(1)两个同学分别抓住绳子的两端，各自抖动一下，绳上产生两列凸起且相向传播的波，两列波相遇后是否还保持原来的运动状态继续传播？,答案两列波相遇后仍然保持原来各自的运动状态继续传播，并没有受到另一列波的影响.,答案,(2)当教室内乐队合奏时，我们听到的某种乐器的声音与这种乐器独奏时发出的声音是否相同？是否受到了其他乐器的影响？,答案相同，没有受到其他乐器的影响.,对波的叠加的理解1.波的独立传播特性：几列波相遇时各自的、等运动特征，不受其他波的影响.2.波的叠加原理：在几列波重叠的区域里，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.,波长,频率,同时,矢量和,判断下列说法的正误.(1)相遇后振幅小的一列波将减弱，振幅大的一列波将加强.()(2)相遇后两列波各自的波形和传播方向与相遇前完全相同.()(3)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.()(4)几个人在同一房间说话，相互都听得清楚说明波在相遇时互不干扰.(),三、波的干涉,如图2所示，与振动发生器相连的两个小球，在振动发生器的带动下上下振动，形成两个振动频率和振动步调相同的波源，在水面上形成两列步调、频率相同的波，两列波在水面上相遇时，能观察到什么现象？如果改变其中一个小球振动的快慢，还会形成这种现象吗？,答案在水面上出现一条条从两个波源中间伸展开的相对平静的区域和剧烈振动的区域.改变其中一个小球振动的快慢，这种现象将消失.,答案,图2,对波的干涉的理解1.波的干涉：的两列波叠加时，某些区域的，某些区域的，这种现象叫做波的干涉.2.干涉的条件：两列波的频率，振动方向在同一直线上，恒定.3.加强点(区)和减弱点(区)：(1)加强点：质点振动的振幅等于两列波的振幅之和，A.(2)减弱点：质点振动的振幅等于两列波的振幅之差，A，若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于零.,频率相同,振幅加大,振幅减小,相同,相位差,A1A2,|A1A2|,4.干涉图样及其特征：(1)干涉图样：如图3所示.,图3,(2)特征加强区始终加强，减弱区始终减弱(加强区与减弱区不随时间变化).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.加强区与减弱区互相间隔且位置固定不变.,判断下列说法的正误.(1)任意两列波都能产生稳定干涉现象.()(2)发生稳定干涉现象的两列波，它们的频率一定相同.()(3)在振动减弱的区域，各质点都处于波谷.()(4)在振动加强的区域，有时质点的位移等于零.()(5)两列波叠加时，振动加强的位置和减弱的位置是不变的.(),题型探究,一、波的衍射,1.关于衍射的条件：应该说衍射是没有条件的，衍射是波特有的现象，一切波都可以发生衍射.衍射只有“明显”与“不明显”之分，障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多，或比波长小是产生明显衍射的条件.2.波的衍射实质分析：波传到小孔(障碍物)时，小孔(障碍物)仿佛是一个新波源，由它发出的与原来同频率的波在小孔(障碍物)后传播，就偏离了直线方向.波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况.,例1(多选)如图4所示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)之间的距离表示一个波长，则关于波经过孔之后的传播情况，下列描述中正确的是A.此时能观察到波明显的衍射现象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，能观察到更明显的衍射现象,解析,答案,图4,解析观察题图可知道孔的尺寸与波长差不多，能观察到波明显的衍射现象，故选项A对；因波的传播速度不变，频率不变，故波长不变，即挡板前后波纹间距应相等，故选项B对；若将孔AB扩大，且孔的尺寸远大于波长，则可能观察不到明显的衍射现象，故选项C对；若f增大，由，知变小，衍射现象变得不明显了，故选项D错.,两列波相互叠加的规律：两列波相互叠加时，叠加区质点的位移等于两列波分别引起的位移的矢量和，而不是位移大小的代数和.,二、波的叠加,例2(多选)如图5所示，沿一条直线相向传播的两列波的振幅和波长均相等，当它们相遇时可能出现的波形是下列选项中的,解析,答案,图5,解析两列波的半个波形相遇时，B正确.当两列波完全相遇时(即重叠在一起)，由波的叠加原理可知，所有质点振动的位移均等于每列波单独传播时引起的位移的矢量和，使得所有质点的振动的位移加倍，C正确.,三、波的干涉,振动加强点和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，位移可以为零；振幅减小的点为振动减弱点.(2)条件判断法：振动频率相同、振动情况相同的两列波叠加时，某点到两列波的路程差为x|x2x1|k(k0,1,2)时为振动加强点；当x(2k1)(k0,1,2)时为振动减弱点.若两波源振动步调相反，则上述结论相反.,例3(多选)如图6所示为两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇时产生的干涉图样.图中实线表示某时刻的波峰，虚线表示波谷，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,解析,答案,图6,解析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两点是波峰和波谷相遇的点，都是振动减弱的点，选项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，选项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，选项C错误.因形成干涉图样的质点都在不停地做周期性振动，经半个周期步调相反，选项D正确.,例4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，OA2m，如图7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)简谐横波的波长；,解析,答案,图7,答案1m,解析设波长为，频率为f，则vf，代入已知数据，得1m.,(2)O、A间合振动振幅最小的点的位置.,解析,答案,答案O、A间离O点的距离为0.25m、0.75m、1.25m、1.75m的点为合振动振幅最小的点,解析以O为坐标原点，设P为OA间的任意一点，其坐标为x，则两波源到P点的波程差为s|x(2x)|，0x2.其中x、s以m为单位.合振动振幅最小的点的位置满足s(k)，k为整数.解得：x0.25m、0.75m、1.25m、1.75m.,达标检测,1.一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，以下哪种情况一定能使衍射现象更明显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,答案,1,2,3,解析,解析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.由vf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的尺寸比波长小或跟波长相差不多，所以缩小障碍物的尺寸，同时减小波的频率会使衍射现象更明显，D选项正确.,1,2,3,2.(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.这两列波叠加以后一定会产生干涉图样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,1,2,3,答案,答案,解析,1,2,3,3.(多选)如图8所示表示两列同频率相干水波在t0时刻的叠加情况，图中实线表示波峰，虚线表示波谷，已知两列波的振幅均为2cm，波速为2m/s，波长为0.4m，E点是BD连线和AC连线的交点，下列说法正确的是A.A、C两点是振动减弱点B.E点是振动加强点C.B、D两点在该时刻的竖直高