12.4《波的衍射和干涉》导学案（教师）

12.4波的衍射和干涉导学教案预习案【教学目标】一、知识与技能；知道波的干涉和产生干涉的条件；知道波的干涉是特殊情况下波的叠加；知道波的衍射和发生明显衍射的条件；知道一切波都能发生衍射；了解生活中波的干涉和衍射的应用。二、过程与方法；通过对频率相同的两列波的相遇现象的观察，以及对频率不同的两列波的相遇现象的观察，并且对比，知道如何从现象中归纳波产生稳定干涉现象的条件。通过观察在波源前放置不同大小的，不同形状的障碍物所产生的现象，并作对比，知道如何从现象中归纳产生明显衍射现象的条件。三、情感态度与价值观；通过提问猜想实验总结来培养同学们科学探究的方法和精神；通过生活中干涉和衍射应用实例的学习来培养同学们把科技应用于社会发展的理念。【教学重难点】波的叠加、波的干涉、衍射及发生波的干涉、衍射的条件。【教材导读】本节由波的干涉和衍射两个部分组成，是对波的特性的一个总体介绍，也是进一步研究波的干涉和衍射的基础。教材从学生熟悉的水波入手来研究波的干涉和衍射。在对波的特性有一个总体认识的基础上再进一步研究机械波的干涉和衍射，学生就比较容易接受。【学情分析】学习本节的是高二的学生，此时的他们从形象思维为主的经验水平向以抽象思维为主的理论型水平的转变已初步完成，学习方式有所转变，接受知识的能力加强，逻辑思维推理能力已逐渐成熟，但学生缺乏对波的干涉和衍射必要的感性认识，要想学好，需要较高的抽象逻辑思维能力和空间想象能力，这对大部分学生来说具有相当的难度。因此在教学中应充分发挥多媒体辅助教学的作用。【预习自测】波的衍射现象： _ _叫做波的衍射。发生明显衍射的条件是_ _。_波都能发生衍射，衍射是_ _特有的现象。波的叠加：几列波相遇时能够保持各自的运动状态继续传播；在他们重叠的区域内，介质的质点同时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分别引起的位移的_ _。波的干涉：_ _ 这种现象叫做波的干涉，形成的图样叫做_。产生干涉的条件是两列波的频率相同，相位差恒定。一切波都_发生干涉，干涉是_特有的现象。【提出困惑】【信息链接】日常生活中我们最常见最熟悉的机械波便是声波了，对于声波大家也最了解下面请大家考虑一个问题，如果你对着高山喊一声，过一会儿你便会听到回声，此时若在山的另一边有一个人，但此人不会听到你的声音；倘若你对着的不是高山，而是一棵大树，则此时树后面的人会听到你的声音，原因何在？山后面的人听不到你的声音是因为声波没有传到山的后面，大树后的人听到了你的声音是因为声波传到了树的后面，像声波这样传播过程中绕过障碍物传到障碍物后面的这种现象为波的衍射现象探究案一、 波的衍射；1、波的衍射：波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射。哪些现象是波的衍射现象？（在水塘里，微风激起的水波遇到露出水面的小石头、芦苇的细小的障碍物，会绕过它们继续传播。）我们向平静的湖面上投入一个小石子，可以看到石子激起的水波形成圆形的波纹，并向周围传播。当波纹遇到障碍物后会怎样？如果同时投入两个小石子，形成了两列波，当它们相遇在一起时又会怎样？本节课就要通过对现象的观察，对以上现象进行初步解释。实验：下面我们用水波槽和小挡板来做，请大家认真观察。现象：水波绕过小挡板继续传播。重新做实验：将小挡板换成长挡板。现象：水波不能绕到长挡板的背后传播。这个现象说明发生衍生的条件与障碍物的大小有关。2、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。第一、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。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。（参见课本图12.4-1乙）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”。（参见课本图12.4-1甲）第二、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12.4-2中的甲、乙、丙一起投影在屏幕上，它们是做衍射实验时拍下的照片。甲中波长是窄缝宽度的7/10，乙中波长是窄缝宽度的5/10，丙中波长是窄缝宽度的3/10。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。在不改变波源的条件下，将障碍物或孔由较大逐渐变小。可以看到波的衍射现象越来越明显。在不改变波源的条件下，将障碍物或孔由较小逐渐变大。可以看到波的衍射现象越来越不明显。由此得出结论：障碍物或孔隙越小，衍射现象越明显。结论：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。3、一切波都能发生衍射，衍射是波的特有现象：衍射现象总是存在的，只有明显和不明显的差异。只有波才能发生衍射现象，发生衍射现象的一定是波。4、请学生思考和讨论在我们生活中是否遇到过波的衍射现象，举例说明：例1、俗话说：“隔墙有耳”：是声波的衍射现象，既声音绕过障碍物到了耳朵例2、水波的衍射现象例3、在房间中可以接受到收音机和电视信号，是电磁波的衍射现象二 、波的叠加；1、 波的独立传播特性：两列波相遇后，两列波仍像相遇前一样，保持各自原来的波形，继续向前传播，这就是波的独立性。2、波的叠加原理：大量研究表明，波在相遇时仍然能够保持各自的运动状态继续传播，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，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。三、波的干涉观察现象：水槽中的水波的干涉。对水波干涉图样的解释中，特别要强调两列水波的频率是相同的，所以产生了在水面上有些点的振动加强，而另一些点的振动减弱的现象，加强和减弱的点的分布是稳定的。详细解释教材中给出的插图，如教材P34页图12.4-4所示。在解释和说明中，特别应强调的几点是：此图是某时刻两列波传播的情况；两列波的频率(波长)相等；当两列波的波峰在某点相遇时，这点的振动位移是正的最大值，过半周期后，这点就是波谷和波谷相遇，则这点的振动位移是负的最大值；振动加强的点的振动总是加强的，振动减弱的点的振动总是减弱的。1、波干涉的定义：振动频率相同和振动方向相同的两列波叠加，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互相间隔，稳定分部的这种现象叫波的干涉，形成的图样叫做波的干涉图样。2、干涉条件：同一种类的两列波，频率相同3、振动加强和减弱的解释（1）振动加强：（波峰与波峰相遇点 、波谷与波谷相遇点）分析：在介质中选一点P为研究对象，在某一时刻，当波源1的振动传播到P点时，若恰好是波峰，则引起P点向上振动；同时，波源2的振动也传播到了P点，若恰好也是波峰，则也会引起P点向上振动；这时，P点的振动就是两个向上的振动的叠加，P点的振动被加强了。(当然，在某一时刻，当波源1的振动传播到P点时，若恰好是波谷，则引起P点向下振动；同时，波源2的振动传播到了P点时，若恰好也是波谷，则也会引起P点向下振动；这时，P点的振动就是两个向下的振动的叠加，P点的振动还是被加强了。)用以上的分析，说明什么是振动被加强。（2）振动减弱：（波峰与波谷相遇点）4、说明（1）加强区和减弱区位置固定不变，加强区始终加强，减弱区始终减弱，加强区和减弱区互相间隔。形成的图样是稳定的干涉图样。加强处和减弱处都是两列波引起的位移的矢量和，质点的位移都随时间变化，各质点仍围绕平衡位置振动，与振源振动周期相同。加强处振幅大，等于两列波的振幅之和，即质点的振动能量大，并且始终最大。减弱处振幅小，等于两列波的振幅之差，即，振幅为0，则减弱处不振动。（2）振动加强的质点仅仅表示其振幅最大，但其也会在平衡位置附近振动，其位移也可以为0 ； 若两个波源振幅不同，振动减弱的质点仅仅表示其振幅最小，其位移在也会在平衡位置附近振动，其位移也可以大于0 ；5、利用叠加区域中某点到两波源的路程差s，判断振动加强点和振动减弱点（1）加强和减弱点的判断波峰与波峰（波谷与波谷）相遇处一定是加强的，并且用一条直线将以上加强点连接起来，这条直线上的点都是加强的；而波峰与波谷相遇处一定是减弱的，把以上减弱点用直线连接起来，直线上的点都是减弱的。加强点与减弱点之间各质点的振幅介于加强点与减弱点振幅之间。（2）当两相干波源振动步调相同时，到两波源的路程差s是波长整数倍处是加强区；而路程差是半波长奇数倍处是减弱区。振动加强位置公式：d1=s1-s2 =n(n=0、1、2、3)振动减弱位置公式：d2=s1-s2 =（2n+1）/2(n=0、1、2、3)（3）任何波相遇都能叠加，但两列频率不同的同性质波相遇不能产生干涉。【小结】1、干涉、衍射是波特有的现象，不光机械波能够发生，一切波都可以发生 干涉和衍射。2、发生干涉现象的条件是：频率相同的两列波的波源振动方向相同，而且有固定的步调关系（即固定的相差）。3、发生明显衍射现象的条件是：障碍物或孔的尺寸比波长小，或者与波长差不多。【当堂检测】两列波发生干涉, 使介质中的某质点的振动最强, 则（ ）A. 该质点有时是两列波的波谷相遇处 B. 该质点的振幅最大C. 该质点的位移随时间周期性变化 D. 该质点的位移始终大于其它质点的位移如图是某时刻t两列波的叠加图，S1、S2是相干波源，它们的振动情况完全相同，发出两列完全相同的水波，波峰、波谷分别用实线、虚线表示，下列说法正确的是（ ）AB质点始终位于波谷处，D质点始终位于波峰处B经过半个周期，B质点变为波峰，D质点变为波谷C只有D质点振动始终加强DC、E两质点振动始终减弱右图12-31为两列相干波的相遇区域，实线表示波峰，虚线表示波谷，则a,b,c,d,e五点中（e点为ab连接中点）振动始终加强的是 点，振动始终减弱的点是 点，e点的振动 。（填“始终加强”或“始终减弱”）a,b,c,d,始终加强;以下关于波的衍射的说法中正确的是（ ）A波遇到障碍物时，一定会发生明显的衍射现象B当障碍物的尺寸比波长大得多时，衍射现象很明显C当孔的大小比波长小时，衍射现象很明显D只有当障碍物的尺寸与波长相差不多时，才会发生明显的衍射现象下列说法正确的是（ ）A衍射是一切波特有的现象 B对同一列波，障碍物或孔越小衍射越明显C听到回声是声波的衍射现象 D听到墙外人的说话声是衍射现象练习案如图所示，S为波源，M、N为两块挡板，其中M板固定，N板可上下移动，两板中间有狭缝。此时，测得A点没有振动，为了使A点发生振动，可采用的方法是（ ）A、增大波源频率 B、减小波源频率 C、将N板向上移动一些 D、将N板向下移动一些解：使A振动起来的方法有两个，一个是缝宽不变，使波的频率即波源S的频率减小以增加波长，当波长大于缝宽时，发生明显的衍射现象，A点便振动起来；另一个是使波源的频率一定，即波长一定，减小缝宽，当缝宽减小到比波长小时，发生明显的衍射现象，也可使A点振动起来。故正确答案是B、