惠更斯原理-波的反射及折射

墙壁的传音性比空气好得多，但把门窗关闭后，外 面传入室内的声音却明显地减弱，这是为什么？
答案：声波原来在空气中传播，如果没有障碍物， 能直接传到室内，当把门窗关闭后，声波遇到墙壁 和门窗，在界面上发生反射和折射现象，只有折射 进入墙壁和门窗的声波才能进入室内，虽然墙壁和 门窗的传音性能好但反射性能也好，所以大部分声 波被反射回去，室内的声音就显著地减弱了．
(2)由于折射率 n21
故一列波由波速快
的介质Ⅰ进入波速慢的介质Ⅱ，波的传播方向会
向界面的法线靠近．
一列波从空气传入水中,保持不变的物理量是( C )
A．波速
B．波长
C．频率
D．振幅
如图所示，是声波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ的折射情况， 由图判断下面说法中正确的是:( ) A.入射角大于折射角，声波在介质Ⅰ中的波速大于它 在介质Ⅱ中的波速
各子波的包络面,即反射波的波前.
(5)经过C点作反射波前的切面CD.CD就是子波的包
络面,即为反射波的波前
(6)连接AD两点,AD就是反射波线.
由惠更斯原理，AB为波的一个波面
经t后，B点发射的子波到达界面B`点，
A点发射的子波到达A`点。同种介质，波速
不变。
B`B AA` AB`B B`AA`
4.用惠更斯原理解释波的反射
（1）水面上形成一列圆形波 （2）画面上的圆形是朝各个方向传播的波峰和波谷
动画模拟1
【观察思考】再用长方形直条作为波源拍击水面，产生 直线波纹的水波。
（1）水面上形成一列直线波纹（形状）的水波 （2）画面上的直线是传播的波峰和波谷
【观察思考】在水波前进的方向放上两块挡板，使挡板 中间的缝宽与水波的波长相当。请他仔细观察，在挡板 的后面将会发生什么现象？怎样估算水波的波长？
Vt
子波源 子波
这些子波的包络面，即 为t+△t时刻的波前
波线 t+△t 时刻波前 平面波 t 时刻波前
波源
3.圆形波的惠更斯原理解释
t+ Vt t
子波源 子波
波线
圆形波
t+△t 时刻波前
这些子波的包络面， 即为t+△t时刻的波前
Байду номын сангаас
波源
t 时刻波前
利用惠更斯原理可以由已知的波面通过几何作
图方法确定下一时刻的波面，从而确定波的传播方 向。例如当波在均匀的各向同性介质中传播时，用 上述作图法求出的波面的几何形状总是保持不变的。
何关系可得折射角为 r＝30°
3
(2)由波的折射定律得
v
甲＝ssiinnri·v
乙＝ssiinn3600°°·v
乙＝
2 1
2
×1.2×105km/s＝2.08×105km/s
(3)因波长 λ＝vf ，又因为波在两种介质中的频率相同，
则λλ甲 乙＝vv甲 乙＝ssiinnri＝
3 1
某物体发出的声音在空气中的波长为1 m,波速为340 m/s,在海水中的波长为4.5 m,此 物体在海面上发出的声音经0.5 s听到回声,则 海水深为多少米？
圆形波的波线是沿着以波源为中心的半径方向向外 的射线。
(1)波线的指向表示波的传播方向． (2)在各向同性的均匀介质中,波线恒定与波面垂直. (3)球面波的波线是沿半径方向的直线,平面波的波线是垂直 于波面的平行直线.
包络面：一些几何图形的公切面，被称为这些图形 的包络面。
2.平面波的惠更斯原理解释
答案：A
如图所示，某列波以60°的入射角由甲介质射到乙介 质的界面上同时产生反射和折射，若反射波的波线与 折射波的波线的夹角为90°，此波在乙介质中的波速 为1.2×105km/s.
(1)该波的折射角为________．
(2)该波在甲介质中的传播速度为多少？
(3)该波在两种介质中的波长比为多少？
解析：(1)由反射定律可得反射角为 60°，由题图的几
解析：本题是波的反射现象与 v＝λf 的综合应用，知 道不同介质中同一列波的频率是定值为解决本题的关键，
则波的频率 f＝v气. λ气
在海水中：v 水＝λλ水 气v 气
海水的深度 h＝v 水·2t ＝1 530×12×0.5 m＝382.5 m.
为什么在空房间里讲话感觉到声音特别响？
解析：声波在普通房间里遇到墙壁、地面、天花 板发生反射时，由于距离近，原声与回声几乎同 时到达人耳．人耳只能分开相差0.1s以上的声 音．所以，人在空房间里讲话感觉声音特别响， 而普通房间里的幔帐、沙发、衣物等会吸收声波， 使反射不够强，所以人在普通房间里讲话不如在 空房间里讲话响．
演 示 观察水波的反射
1、波在传播的过程中,遇到两种介质的分界面时返 回到原介质继续传播的现象叫做波的反射．
V1 i i' n1 n2
2、入射角（i）和反射角（i′）：入射波的波线 与平面法线的夹角i叫做入射角．反射波的波线与 平面法线的夹角i′ 叫做反射角．
3．反射规律
入射线、法线、反 射线在同一平面内， 入射线与反射线分居 法线两侧，反射角等 于入射角。
当入射速度大于折射速度(n21>1)时,折射角折向法线. 当入射速度小于折射速度(n21<1)时,折射角折离法线. 当垂直界面入射时,传播方向不改变,属折射中的特例.
在波的折射中,波的频率不改变,波速和波长都发生改变.
波发生折射的原因:是波在不同介质中的速度不同.
特别提醒：
(1)波在发生反射或折射后，其频率不变，故我们听 到的回声与原声相同，花样游泳运动员在水下与水 上听到的音乐相同.
夏天的雨季，大雨来临前一道闪电过 后，接着我们会听到一阵“轰轰隆隆”的 雷鸣，说一说这种雷声是怎么形成的．
答案：云层积累的大量电荷放电，形 成闪电同时发出巨大声音，闪电声在不同 云层之间反复反射，所以较长时间内听到 “轰轰隆隆”的声音.
二、波的反射
在水槽的一 端放置振动 发生器,它 的窄条形平 板能够周期 性地打击水 面,产生水 波.可以看 到,水波传 播到挡板后 被反射出去.
1、波从一种介质进入另一种介质时，波的传 播方向发生了改变的现象叫做波的折射.
2、折射角（r）：
折射波的波线与两介质界面法线的夹角r叫做
折射角
法线
i
V1
n1
界面
n2
V2
r
3、折射定律：
入射线、法线、折射线在同一
平面内，入射线与折射线分居 法线两侧．入射角的正弦跟折
V1
界面
射角的正弦之比等于波在第一
从实验中可以看 到：在直线波纹 的水波传播过程 中，到达一个宽 度与波长相差不 多的狭缝时，水 波穿过了狭缝， 狭缝后面的波纹 呈圆形，以缝为 圆心沿半径方向 向四边传去，好 像狭缝就是波源 一样。
一、惠更斯原理
波在传播过程中所到 达的每一点都可以看 做新的波源，从这些 点发出球面波的子波 ，其后任一时刻这些 子波波前的包络面就 是新的波前。这就是 惠更斯原理。
b c
ai
i'
B vt
A`
i
i'
a` c` b`
A`AB` BB`A
A
B`
i` i
三、波的折射
在水槽中放入 一块厚玻璃板, 注意使它的一 条边不与波传 来方向垂直.然 后加水,使水面 高过玻璃板.接 通电源产生水 波,观察水波经 过水深不同的 区域时传播方 向的变化。
演 示 观察水波的折射
如图所示，图a是高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意 图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收的信 号间的时间差，测出被测物体的速度．图b中P1、P2是测速仪 发出的超声波信号，n1，n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信 号，设测速仪匀速扫描，P1、P2之间的时间间隔Δt＝1.0s，超 声波在空气中传播速度是v＝340m/s，若汽车是匀速行驶的， 则根据图b可知，汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内 前进的距离是________m，汽车的速度是________m/s.
荷兰物理学家 惠更斯
C.Huygens (1629-1695)
1、波面和波线
波面：同一时刻，介质中处于波峰或波谷的质点所 构成的面叫做波面，最前面的波面叫做波前。波面 是平面的波称为平面波；波面是圆（球）形的波称 为圆（球）形波。
波线：用来表示波的传播方向的跟各个波面垂直的 线叫做波线． 平面波的波线是垂直于波面的平行线；
已知测速仪匀速扫描，由图 b 计录数据可求出汽车前
进(s1－s2)这段距离所用时间为 Δt″＝Δt－Δt2′＝(1.0－
0.1 2
)s
＝
0.95s
，
汽
车
运
动
的
速
度
v
＝
s1－s2 Δt″
＝
17 0.95
m/s≈17.9m/s. 答案：17 17.9
动画模拟
• 利用惠更斯原理可以由已知的波面通过几何作图方 法确定下一时刻的波面，从而确定波的传播方向。 例如当波在均匀的各向同性介质中传播时，用上述 作图法求出的波面的几何形状总是保持不变的。
各种波在传播过程中，遇到较大的障碍物时，
都会发生反射现象．声波在遇到较大的障碍物后也 会反射回来．反射回来的声波传入人耳，听到的就 是回声，我们在山中、在大的空房间里大声说话时， 都会听到回声．
【观察思考】在水波槽实验中，把一根金属丝固定在振 动片上，当振动片振动时，金属丝周期性的触动水面， 可观察到水波形成圆形的波纹从波源向四周传播；
sin i v1 sin r v2
证毕
i
Bv1 t
Ai
v2t r
C
rE
5.折射率：
由于一定的介质中的波速是一定的，所以Ｖ１／ Ｖ２是一个只与两种介质的性质有关而与入射角度无 关的常数，叫做第二种介质对第一种介质的折射率．
sini V1 λ1f sinr V2 λ2f
n2 n1
n 21
V1 i i' n1 n2
注意： 1.反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同
2.波遇到两种介质界面时，总存在反射
4.用惠更斯原理解释波的反射
P
Q
DB
Q′
(1)画出两种介质的分界面XY
i i′ i
(2)画出入射波线PA、QC
A
C
(3)画出入射波线的垂线AB
即入射波的波前
(4)量出BC的长度,以此A为圆心,BC长度为半径,画出
• 解析：设汽车在接收到P1、P2两个信号时距 测速仪的距离分别为s1、s2
• 则有：2s1－2s2＝vΔt′
其中 Δt′＝(3.5－03.5.5)－ －(04.5.4－1.7)s＝0.1s
汽车在接收到 P1、P2 两个信号的时间间隔内前进的距 离为：s1－s2＝vΔ2t′＝340×2 0.1m＝17m
小结
波
定义：波遇障碍物返回继续传播叫波的反射。
｛的
｛ 反
规律 ：
1．入射波波线反射波波线和法线在 同一平面内．
射
２．反射角等于入射角．
定义：波从一种介质射入另一种介质时，传播方向
波 会发生改变，这种现象叫波的折射。
的
１．入射波波线折射波波线和法线在同
｛折
｛ 射 规律：
一平面内．
２．sin i v1 sin r v2
种介质中的速度跟波在第二种 V2
介质中的速度之比：
sin i v1 sin r v2
法线
i
n1
n2 r
4.用惠更斯原理解释波的反射
由惠更斯原理，A、B为同一波面上的两点
经t后，B点发射的子波到达界面处C点，A 点的到达E点，
sin i BC v1t AC AC
sin r AE v2t AC AC
B.入射角大于折射角,Ⅰ可能是空气,Ⅱ可能是水 C.入射角小于折射角,Ⅰ可能是钢铁,Ⅱ可能是空气 D．介质Ⅰ中波速v1与介质Ⅱ中波速v2满足：
解析：由图可得到的信息是：入射角 θ1 大于折射角 θ2. 根据折射定律ssiinnθθ12＝vv12，可比较出介质Ⅰ、Ⅱ中波速的大小．
本题以图的形式给出信息，对学生的观察和信息提取能 力要求较高．图 MN 为介质界面，虚线为法线，θ1 为入射角， θ2 为折射角，从图可直接看出入射角大于折射角(θ1>θ2)，则 选项 C 错误，根据折射规律有vv12＝ssiinnθθ12>1，所以 v1>v2，选 项 D 错误，选项 A 正确．声波在液体、固体中的速度大于 在气体中的速度，选项 B 错误．