高中物理人教版选修3-4课件：12.4-波的衍射和干涉

1、4.波的衍射和干涉,1.知道什么是波的衍射现象,理解发生明显衍射现象的条件。 2.知道波的叠加原理,知道波的干涉现象实质上是波的一种特殊的叠加现象。 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。 4.知道衍射现象、干涉现象都是波特有的现象。,1.波的衍射 (1)定义:波可以绕过障碍物继续传播的现象叫作波的衍射。“闻其声而不见其人”是声波的衍射现象。 (2)发生明显衍射现象的条件:狭缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多或比波长小。 (3)一切波都能发生衍射,衍射是波特有的现象。 光也是一种波,为什么通常我们看到的光却沿直线传播而没有发生明显的衍射现

2、象呢? 提示:光波的波长很短,在0.40.7 m范围内,此波长跟一般障碍物的尺寸相比非常小,通常情况下看不到光的衍射现象,只看到光沿直线传播。,2.波的叠加 (1)波的独立传播:事实表明,几列波相遇后彼此穿过,仍然能够保持各自的运动特征,继续传播。 (2)波的叠加:在它们重叠的区域里,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引起位移的矢量和。 我们常说“风声、雨声、读书声,声声入耳”,这反映了波的什么性质呢? 提示:尽管这几种声波在空气中相遇,但它们之间互不影响,依然能识别各自的特性,这是因为波的传播具有独立性。,3.波的干涉 (1)实验及现象 实验:波源是固定在

3、同一个振动片上的两根细杆,当振动片振动时,两根细杆周期性地触动水面,形成两个波源,这两个波源发出的是相位相同、频率相同、振动方向也相同的两列波。 现象:两列波相遇后,水面上出现一条条相对平静的区域和激烈振动的区域,这两种区域在水面上的位置是稳定不变的。,(2)现象理解 加强点:如果在某一时刻,两列波的波峰与波峰在水面上的某点相遇,也就是说,两列波在这里引起的振动的相位相同,那么经过半个周期,一定是波谷与波谷在这里相遇。波峰与波峰相遇时,质点向上的位移最大,等于两列波的振幅之和;波谷与波谷相遇时,质点的位移尽管是向下的,但也是最大,也等于两列波的振幅之和。又由于两列波在这点的相位差保持不变,因此

4、,在这一点,两列波引起的振动总是相互加强的,质点振动的振幅最大。 减弱点:如果在某一时刻,两列波的波峰与波谷在水面上的某点相遇,也就是说,两列波在这里引起的振动的相位相反,相互削弱;经过半个周期,变成波谷与波峰在这里相遇,两列波在这一点引起的振动仍然相互削弱。又由于两列波在这点的相位差保持不变,所以它们在这点引起的振动总是相互削弱的。如果两列波的振幅相同,质点振动的振幅之和就等于 0,水面平静。,(3)干涉定义: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的现象。 (4)干涉图样:波的干涉中所形成的图样。 (5)干涉条件:两列波的频率必须相同;两个波源的相位差保持不变。 (6

5、)一切波都能发生干涉,衍射和干涉都是波特有的现象。,一,二,三,一、波的衍射现象 1.定义:波绕过障碍物继续传播,这种现象叫作波的衍射。 (1)衍射是波特有的现象。 (2)一切波都能发生衍射现象,只是有的明显,有的不明显。 (3)波的直线传播只是在衍射不明显时的近似。 (4)波长较长的波容易产生明显的衍射现象。 2.产生明显衍射现象的条件:只有当缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不大,或者比波长更小时,才能观察到明显的衍射现象。 (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,波长较长的波容易产生显著的衍射现象。,一,二,三,(2)波传到孔或

6、障碍物时,孔或障碍物仿佛一个新的波源,由它发出的与原来同频率的波(称为子波)在孔或障碍物后传播,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。 特别警示判断一些熟悉的现象是否是波的衍射现象,首先要看现象中是否有波,其次是看波从波源传出后是否偏离了直线传播,即是否“拐弯”,都符合时即为波的衍射现象。,一,二,三,二、对波的干涉现象的理解 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。 2.稳定干涉图样的产生是有条件的,必须是两列波的频率相同、相位差恒定,如果两列波的频率不相等,在相遇的区域里不同时

7、刻各质点叠加的结果都不相同,看不到稳定干涉图样。 3.明显的干涉图样和稳定的干涉图样意义是不同的,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。 4.应该明确波的干涉条件中所指“振动加强的点到两波源的距离差等于波长的整数倍”这一结论是有条件的,条件是两波源的振动情况完全相同即两波源位置固定,振动方向平行,步调完全一致。,一,二,三,5.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),但其位移随时间发生变化。 6.振动加强的点的振动总是加强,但并不是始终处于波峰或波谷,它们都在平衡位置附近振动,有的时刻位移

8、为零。只是振幅为两列波振幅之和,显得振动剧烈。 7.振动减弱点的振动始终减弱,它位移的大小始终等于两列波分别引起位移的大小之差,振幅为两列波振幅之差。如果两列波的振幅相同,则振动减弱点将会总是处于静止的,并不振动。,一,二,三,8.干涉图样及特征 (1)干涉图样:如图所示。,(2)特征:加强区和减弱区的位置固定不变。 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)。 加强区与减弱区互相间隔。,一,二,三,特别警示波的叠加是n列波相遇时发生的普遍现象,而波的干涉是叠加的一种特殊情况,它是稳定的叠加,即使两列波频率相同,在振幅差别很大时,也不会发生明显的干涉,原因是加强区与减弱区质点

9、振动的振幅差别太小。,一,二,三,三、对振动加强点和减弱点的解释 1.振动加强点 设波源S1、S2在质点A分别引起的振幅为A1、A2,以图中A点波峰与波峰相遇时计时,波源S1、S2分别引起质点A振动的图象如图中甲、乙所示,当两列波重叠时,质点A同时参与两个振动,合振动图象如图中丙所示。,一,二,三,一,二,三,2.振动减弱点 如图所示,以波源S1、S2分别将波峰、波谷传到B点时开始计时,波源S1、S2分别引起质点B振动的图象如图中甲、乙所示,当两列波重叠时,质点B同时参与两个振动,合振动图象如图中丙所示。 3.加强点和减弱点的特征 (1)从波源S1、S2发出的两列波传到振动加强点A时是同相(即

10、振动步调一致)的,引起 A 点的振动方向是一致的,振幅为A=A1+A2。 (2)两波源S1、S2到振动加强点A的距离之差x=k(k=0,1,2,)。 (3)振动加强的质点A并不是始终处于波峰(或波谷),它仍然在平衡位置附近振动,只是振幅最大,等于两列波的振幅之和。 (4)从波源S1、S2发出的两列波传到振动减弱点B时是反相(即振动步调相反)的,引起B点的振动方向相反,振幅为A=|A1-A2|。,一,二,三,(5)两波源S1、S2到振动减弱点B的距离之差x=(2k+1) 2 (=0,1,2,)。 (6)振动减弱的质点B并非一定不振动,只是振幅最小,等于两列波的振幅之差。 特别警示判断是振动加强点

11、还是减弱点可依据以下方法:若某点总是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇,该点为加强点;若总是波峰与波谷相遇,则为减弱点。,类型一,类型二,类型三,产生明显衍射的条件 【例1】 如图所示,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,类型一,类型二,类型三,点拨:

12、“能发生衍射”和“能发生明显的衍射”不同,前者无条件,后者有条件。 解析:根据能有明显衍射现象的条件:障碍物或孔的尺寸比波长小或相差不多。从题图中可看出孔AB的尺寸小于一个波长,所以此时能明显地观察到波的衍射现象,A项正确。 因为穿过挡板小孔后的波速不变,频率相同,所以波长也相同,B项正确。 若将孔AB扩大,将可能不满足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项正确。 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项错误。 答案:ABC,类型一,类型二,类型三,题后反思一切波都能发生衍射,而要发生明显的衍射现象需满

13、足一定条件,当不满足一定条件时,衍射现象仍存在,只是衍射现象不明显,不易被我们观察到。,类型一,类型二,类型三,对波的叠加和干涉的理解 【例2】 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,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 点拨:波的叠加无条件,而波的干涉有条件,它是一定条件下的波的叠加。,类型一,类型二,类型三,解析:根据波的叠加和干涉的概念可知,只要

14、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。 因为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,D错误。 答案:C,类型一,类型二,类型三,题后反思本题考查的是波的叠加和波的干涉两个概念。对此有些同学有错误的认识,认为干涉必定叠加,叠加也必定干涉。实际上,两列波相遇一定叠加,但不一定产生干涉图样。干涉图样是频率相同的两列波相遇时叠加的结果。在干涉中,波谷与波谷相遇的点和波峰与波峰相遇的点都是振动加强的点。振动加强点的位移也在做周期性变化。,类型一,

15、类型二,类型三,加强点和减弱点的判断 【例3】 如图所示,两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇。图中实线表示某时刻的波峰,虚线表示的是波谷,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,类型一,类型二,类型三,点拨:波的干涉示意图所示的仅是某一时刻两列相干波叠加的情况,形成干涉图样的所有介质的质点都在不停地振动着,其位移的大小和方向都在不停地变化着。但要注意,对稳定的干涉,振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的。 解析:a是波谷和波谷相遇的点,c是波峰和波峰相遇的点,都是振动加强的点;而b、d两点都是波峰和波谷相遇的点,是振动减弱的点,A正确。e位于加强点的连线上,仍为加强点;f位于减弱点的连线上,仍为减弱点,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,C错误。因形成干涉图样的介质的质点也是不停地