高考物理 波的反射、折射和衍射知识和试题解析

问题1：为什么要研究波的反射、折射和衍射等现象？答：如图所示，波通过传播振动的状态传递着信息和能量。本节课中学习的波的反射、折射和衍射，下节课中学习的波的干涉，以及再下一节课中学习的多普勒效应都是波传播过程中重要的现象。认识和研究这些现象，不仅有助于对波形成更加深入的理解，更有助于更好地应用波的传播实现信息和能量的传递。问题2：什么是波的反射和折射？波的反射和折射具有怎样的规律？答：波在同种均匀介质中传播时，波的传播方向不发生变化，沿直线传播。如图所示，波在传播过程中，若从一种介质进入另一种介质，波的传播方向将会发生变化。波在两种介质的界面上返回原来介质继续传播的现象称为波的反射；进入另一种介质后传播方向发生偏折的现象称为波的折射。波的反射和折射与光的反射和折射遵循同样的规律。如图所示，波在两种介质的界面上发生反射时，入射波的传播方向与法线的夹角称为入射角，用i

表示，反射波的传播方向与法线的夹角称为反射角，用i＇表示。实验表明反射角等于入射角，i

=

i＇。在波的折射现象中，折射波的传播方向与法线的夹角称为折射角，用

r

表示。大量实验表明，入射角和折射角与波速之间如下关系：其中v1和

v2

分别是波在介质Ⅰ和介质Ⅱ中的波速。问题3：什么是惠更斯原理？如何利用惠更斯原理解释波的反射和折射规律？（备注：此问题不属于高考要求掌握内容，仅供感兴趣的同学加深理解）答：在波动过程中，我们把振动相位相同的点连成的面称为波阵面或波面（wavesurface），波面是球面的波称为球面波，波面是平面的波称为平面波，如图所示。波面中最前面的那个称为波前。

用来表示波的传播方向的线称为波线。在各向同性介质中，波线总是与波面总是垂直的：平面波的波线是垂直于波面的平行直线，球面波的波线是以波源为中心的向外的径向直线。1690年，惠更斯指出：介质中波面上的每一个点，都可视为一个新的波源。这些新波源发出子波，经过一定时间后，这些子波的包络面就构成下一时刻的波面，这就是惠更斯原理。如图所示，可以用惠更斯原理解释球面波波面的形成原因。利用惠更斯原理解释波的反射现象如下：如图所示，一列平面波到达两种介质的界面，AB是这列波的一个波面。由于入射波的传播方向与界面并不垂直，a、c、b三条波线并不同时到达界面。当波面上的B点刚刚到达界面上B＇点时，A、C＇两点发出的子波的波面是以BB＇和CC＇为半径的圆弧，如图中两小段圆弧所示，它们的包络面为图中的A＇B＇，这是反射后新的波面，a'、c'、b'

三条射线与波面A＇B＇垂直，是反射波的波线，代表了反射波的传播方向。根据△A＇AB＇和△BAB＇全等可知∠A＇AB＇=∠BB＇A，所以入射角i等于反射角i＇。利用惠更斯原理解释波的折射现象如下：当波面上的B点刚刚到达界面上B＇点时，A、C＇两点在介质2中发出的子波的波面是以AA＇和CC＇为半径的圆弧，如图中两小段圆弧所示，它们的包络面为图中的A＇B＇，这是折射后新的波面，a'、c'、b'

三条射线与波面A＇B＇垂直，是折射波的波线，代表了折射波的传播方向。在△BAB＇和△AA＇B＇中：问题4：什么是波的衍射？如何通过实验观察波的衍射现象？答：波在传播过程中，遇到障碍物时不再沿直线传播，传播方向发生改变的现象称为波的衍射。一切波都能发生衍射。衍射是波特有的现象。利用如图所示的实验装置可以观察水波的衍射现象，在水波槽中放入两块挡板，挡板间留一狭缝，调节挡板位置，可改变狭缝宽度。实验中观察到的现象是：当缝隙的宽度比波长大得多时，水波几乎无法到达挡板后的区域，如图（a）；当缝隙的宽度与波长相差不多或比波长小时，水波可以绕到挡板后面继续传播，如图（b）。实验现象表明：当障碍物（或缝隙、小孔）的尺寸d与波长λ相差不多或比波长小时波能够发生明显的衍射现象。问题5：如何利用惠更斯原理解释波的衍射现象？答：波面为直线的水波，传到宽为

d

的缝时，根据惠更斯原理可知缝上各点都会成为新的子波源，发射半圆形子波。以这些子波源为中心作半径为vt（v为波速）的半圆面，再作与这些半圆面相切的包络面，这个包络面就是波通过缝后在时刻t

的波前。当缝较宽时，如图a所示，波面为直线的水波通过缝后，除了与缝等宽部分的波面仍为直线外，在缝的