2019-2020学年高中物理 第2章 机械波 第3节 波的干涉和衍射 第4节 多普勒效应及其应用学案 鲁科版选修3-4

第3节 波的干涉和衍射 第4节 多普勒效应及其应用1.理解波的叠加原理(重点难点)2.知道什么是波的干涉现象及其产生的条件(重点难点)3.知道什么是波的衍射现象和发生明显衍射的条件(重点)4.知道干涉、衍射是波所特有的现象，并能解释有关问题5.了解什么是多普勒效应及其产生的原因和应用一、波的干涉现象1波的叠加原理(1)波的独立传播特性：波在相遇时仍然能够保持各自的运动状态继续传播，相遇的波一旦脱离接触又会按照原来的运动状态继续传播(2)波的叠加原理：波在相遇的区域里，介质内部的质点同时参加相遇的波列的振动，质点的位移等于相遇波列单独存在时到达该处引起的位移的叠加(矢量和)，如图所示2波的干涉(1)实验及现象实验：波源是固定在同一个振动棒上的两个小球，当振动棒带动两个小球振动时，将会产生振动方向和振动频率都相同的两列水波现象：在振动的水面上，出现了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，这两种区域相互交替，并且出现的位置是固定的(2)现象解释加强区：在某些点两列波引起的振动始终加强，质点的振动最剧烈，振动的振幅等于两列波的振幅之和加强点形成的区域是加强区减弱区：在某些点两列波引起的振动始终消弱，质点振动的振幅等于两列波的振幅之差，减弱点形成的区域是减弱区若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于零，水面保持平静(3)波的干涉定义：振动频率和振动方向相同的两列波叠加后，振动加强和振动减弱的区域互相间隔、稳定分布的现象干涉图样：波的干涉中所形成的图样如图所示干涉条件：频率和振动方向相同的波一切波都能发生干涉，干涉是波特有的现象1(1)在操场上不同位置听到学校喇叭声音的大小不同，是声波的干涉现象()(2)两列频率不同的水波不能发生波的干涉现象()(3)不是所有的波都能发生干涉()提示：(1)(2)(3)二、波的衍射现象1定义：波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象2实验及现象(1)实验：在水槽里放两块挡板，挡板之间留一狭缝，改变狭缝宽度在板后产生持续的平面波，并保持波长不变(2)现象狭缝宽度远大于水波波长时：没有明显的衍射现象当狭缝的宽度接近水波的波长时，水波在狭缝的边缘发生了弯曲当狭缝的宽度更接近水波的波长时，水波通过狭缝后成为近似于点波源发出的球面波，衍射现象更加明显3发生明显衍射的条件：障碍物、狭缝或小孔的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小4一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象2(1)“闻其声而不见其人”，是指声波的衍射现象()(2)缝或孔的宽度较大时，不能发生衍射现象()(3)一切波都能发生衍射现象()提示：(1)(2)(3)三、多普勒效应1多普勒效应：由于波源和观察者之间有相对运动而使观察者接收到的频率发生变化的现象2多普勒效应产生的原因(1)波源与观察者相对静止时，观察者观测到的频率等于波源振动的频率(2)波源与观察者相互靠近时，观察者观测到的频率大于波源的的频率，即观察到的频率变大(3)波源与观察者相互远离时，观察到的频率变小3多普勒效应的应用(1)多普勒测速仪(2)彩色超声多普勒心动图仪(3)用电磁波的多普勒效应可以确定目的物的距离、方位、速度等，这在军事、航天、气象预报等领域有着广泛的应用3(1)当波源和观察者向同一个方向运动时，一定发生多普勒效应()(2)只有横波才能发生多普勒效应()(3)只有声波才能发生多普勒效应()提示：(1)(2)(3)对波的干涉的理解1波的干涉的理解(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，但干涉必须是满足一定条件的两列波叠加后形成的现象(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、振动方向相同、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)干涉图样及其特征干涉图样：如图所示特征a加强区和减弱区的位置固定不变b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)c加强区与减弱区互相间隔2“加强区”和“减弱区”的理解(1)在波的干涉现象中，加强区是指该区域内质点的振幅a最大；减弱区是指该区域内质点的振幅a最小不管是振动加强区域的点，还是振动减弱的点，都是在平衡位置附近振动，它们的位移时刻在变化，因此，在某时刻振动加强点的位移不一定大于振动减弱点的位移(2)两个频率相同的同种波源，形成的干涉图样，以两波源为中心向外呈辐射状延伸，形成振动加强线和减弱线，而且加强线始终加强，加强线上各点都是加强点，加强点不是位移大，而是振动加强，加强线与减弱线是以两波源为焦点的一簇双曲线(3)频率相同的两列波叠加时，产生稳定的干涉图样，振动加强区域和振动减弱区域的空间位置是不变的3振动加强点和减弱点的判断(1)从振幅判断振幅为两列波的振幅之和的点为加强点，加强点连成的区域为加强区；振幅为两列波的振幅之差的点为减弱点，减弱点连成的区域为减弱区(2)从条件上判断振动方向始终相同的两波源产生的波叠加时，加强、减弱条件如下：设点到两波源的距离之差为r，那么当rk(k0，1，2)时该点为加强点，当rk(k0，1，2)时该点为减弱点，若两波源振动方向始终相反，则上述结论正好相反(3)从现象上判断若某时刻某点是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇，该点为振动加强点；若某时刻某点是波峰与波谷相遇，则该点为振动减弱点(1)只有当两相干波的振幅相等时，减弱点的位移才始终为零，即不振动，当两相干波的振幅不相等时，减弱点的位移随时间做周期性变化(2)加强点的位移随时间在a与a的范围内变化，并不是每一时刻都最大(多选)如图所示为两列相干水波的叠加情况，图中实线表示波峰，虚线表示波谷设两列波的振幅均为5 cm，且在图中所示范围内传播的振幅不变，波速和波长分别为1 m/s和0.5 m，c点是be连线的中点则下列说法正确的是()ac、e两点都保持静止不动b图示时刻a、b两质点竖直高度差为20 cmc图示时刻c质点正向下运动d从此时刻起经0.25 s，b质点通过的路程为20 cm解析点a、b、c、e均为振动加强点，它们的振幅均为两列波的振幅之和，等于10 cm.它们的位移均做周期性变化，变化范围为10 cm10 cm，故选项a错误a点此时在波峰，b点此时在波谷，竖直高度差为20 cm，故选项b正确b在波谷，而e在波峰，根据传播方向和振动方向的关系，c应向下运动，故选项c正确根据题意，由v可知，t0.5 s，故在0.25 s的时间内，b质点通过的路程为20 cm，故选项d正确答案bcd(1)振动加强的点和振动减弱的点始终以振源的频率振动，其振幅不变(若是振动减弱点，振幅可为0)振动加强点并不是始终处于波峰，其位移随时间不断变化，只是振幅最大，等于两列波的振幅之和(2)振动减弱的质点并非一定不振动，只是振幅最小，等于两列波的振幅之差(3)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. 1.关于波的叠加和干涉，下列说法中正确的是()a两列频率不相同的波相遇时，因为没有稳定的干涉图样，所以波没有叠加b两列频率相同的波相遇时，振动加强的点只是波峰与波峰相遇的点c两列频率相同的波相遇时，介质中振动加强的质点在某时刻的位移可能是零d两列频率相同的波相遇时，振动加强的质点的位移总是比振动减弱的质点的位移大解析：选c.根据波的叠加和干涉的概念可知，只要两列波相遇就会叠加，但如果两列波的频率不同，在叠加区域就没有稳定的干涉图样，所以选项a错误发生干涉时振动加强的点还有波谷和波谷相遇的点，所以选项b错误某质点振动加强仅是振幅加大，但只要仍在振动，就一定有位移为零的时刻，所以选项c正确，选项d错误正确理解波的衍射1衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象，当波碰到障碍物时，衍射现象总是存在的，只是有的明显有的不明显而已平常见到的某些波，用肉眼直接观察，几乎看不到衍射现象，并不是没发生衍射现象，只是不太明显，这是由于障碍物太大的缘故实验事实表明，对同一列波而言，障碍物或孔的尺寸越小衍射越明显2发生明显衍射的条件障碍物或孔的尺寸比波长小，或跟波长差不多(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，仅是衍射现象是否明显的条件一般情况下，波长较大的波容易产生显著的衍射现象(2)波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)仿佛一个新的波源，由它发出与原来同频率的波(称为子波)在孔后传播，于是，就出现了偏离直线传播的衍射现象(3)当孔的尺寸远小于波长时尽管衍射十分突出，但由于衍射波的能量很弱，衍射现象不容易观察到(多选)如图是观察水面波的衍射的实验装置，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探究(1)图中波的波长和孔的尺寸相比，是否符合明显衍射的条件？(2)波衍射后的传播速度是否发生改变？频率是否改变？(3)波速不变的情况下，波的频率增大，波长怎样变化？解析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；因为穿过挡板间的小孔后波速不变，频率相同，所以波长也相同，b正确；若将孔ab扩大，将可能不满足发生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，将可能不满足发生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错误答案abc使波产生明显衍射有两种措施：一是在波长不变的情况下改变障碍物或小孔的大小；二是在障碍物或小孔不变的情况下改变波长. 2.用2106 hz的超声波检查胆结石，该超声波在结石和胆汁中的波速分别为2 250 m/s和1 500 m/s，则该超声波在结石中的波长是胆汁中的_倍用超声波检查胆结石是因为超声波的波长较短，遇到结石时_(选填“容易”或“不容易”)发生衍射解析：超声波在传播中频率不变，波长，则说明波长与波速成正比，故波长之比为：1.5；由于波长越短越不容易发生衍射现象，故采用超声波可以有效检查胆结石答案：1.5不容易对多普勒效应的理解1多普勒效应的产生声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，称为一个完全波频率表示单位时间内完成的全振动的次数因此波源的频率又等于单位时间内波源发出的完全波的个数观察者听到的声音的音调，是由观察者接收到的频率，即单位时间内接收到的完全波的个数决定的(1)波源和观察者相对介质都静止：观察者接收到的频率等于波源的频率(2)波源和观察者距离发生相对变化：观察者在单位时间内接收到的完全波的个数发生变化，即感觉到的频率发生变化波源与观察者如果相互靠近，观察者接收到的频率增大；二者如果相互远离，观察者接收到的频率减小2多普勒效应是波的特性，不只有机械波会产生多普勒效应，后面所学的光波、电磁波也会产生这一现象3发生多普勒效应的几种情况相对位置图示结论波源s和观察者a相对介质不动，如图所示f波源f观察者，音调不变波源s不动，观察者a运动，由ab或ac，如图所示若靠近波源，由ab，则f波源f观察者，音调变低观察者a不动，波源s运动，由ss1，如图所示f波源f观察者，音调变高(1)多普勒效应是波共有的特征，不仅机械波，光波和电磁波都能发生多普勒效应(2)多普勒效应的产生与观察者距波源远近没有关系，只取决于二者间的相对运动速度的大小和方向(3)发生多普勒效应时，不论观察者接收到的频率发生了怎样的变化，波源的真实频率并不会发生任何变化如图所示产生机械波的波源o做匀速运动的情况，图中的圆表示波峰(1)该图表示的是()a干涉现象b衍射现象c反射现象 d多普勒效应(2)波源正在移向()aa点 bb点cc点 dd点(3)观察到波的频率最低的点是()aa点 bb点cc点 dd点思路点拨根据多普勒效应产生的原因和特点进行分析解析(1)该图表示的是多普勒效应正确的选项为d.(2)从波长变化情况来看，波源正在移向a点，所以，选项a正确(3)由于波源远离b点，所以，观察到波的频率最低的点是b点，选项b正确答案(1)d(2)a(3)b3.(多选)下面哪些应用是利用了多普勒效应()a利用地球上接收到遥远天体发出的光波的频率来判断遥远天体相对于地球的运动速度b交通警察向行进中的汽车发射一个已知频率的电磁波，波被运动的汽车反射回来，根据接收到的频率发生的变化，就知道汽车的速度，以便于进行交通管理c铁路工人用耳贴在铁轨上可判断火车的运动情况d有经验的战士从炮弹飞行的尖叫声判断飞行炮弹是接近还是远去解析：选abd.凡是波都具有多普勒效应，因此利用光波的多普勒效应便可以测定遥远天体相对地球运动的速度；被反射的电磁波，相当于一个运动的物体发出的电磁波，其频率发生变化，由多普勒效应的计算公式可以求出运动物体的速度，故a、b选项中的事例利用了多普勒效应铁路工人是根据振动的强弱而对列车的运动作出判断的，故c选项不正确飞行的炮弹，与空气摩擦产生声波人耳接收到的频率与炮弹的相对运动方向有关，故d选项中的事例利用了多普勒效应思想方法振动加强点