高二物理【波的反射、折射和衍射】

第三章 机械波 3．波的反射、折射和衍射
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学习目标：1.[物理观念]知道什么是波的反射、折射和衍射现象， 知道发生明显衍射现象的条件． 2.[科学思维]知道波发生反射现象 时，反射角等于入射角．掌握入射角与折射角关系． 3.[科学思维] 了解波的衍射在生活中的应用，感受物理与生活之间的联系．
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一、波的反射 1．反射现象 波遇到介质界面会 返回 来继续传播的现象．
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1．物理观念：波的反射现象、折射现象及波的衍射． 2．科学思维：分析波的明显衍射现象发生的条件． 3．科学探究：探究水波的衍射现象．
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当堂 达标 固双 基
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1．下列现象或事实属于衍射现象的是( ) A．风从窗户吹进来 B．雪堆积在背风的屋后 C．水波前进方向上遇到凸出在水面上的小石块，小石块对波的 传播没有影响 D．晚上看到水中月亮的倒影
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2．反射角与入射角 (1)入射角：入射波的波线与法线的夹角，如图中的 α. (2)反射角：反射波 的波线与法线的夹角，如图中的 β. 3．反射定律 反射波线、法线、入射波线在同一平面内，且反射角等于入射角． 注意：反射波与入射波的波长、频率、波速都相等，但由于反射 面吸收一部分能量，反射波传播的能量将减少．
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BC [波发生反射时因介质未变，故频率、波长、波速均不变； 波发生折射时因波源不变而介质变，故频率不变，波长和波速均发 生变化．B、C 两项正确．]
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3．(多选)一列波在传播过程中通过一个障碍物，发生了一定程 度的衍射，以下哪种情况可以使衍射现象更明显( )
A．增大障碍物的尺寸 B．减小波的频率 C．缩小障碍物的尺寸 D．增大波的频率
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2．波的衍射现象分析 波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)仿佛是一个新的波源， 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．波的直线传播是衍射不明显时的近似情 形．
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【例 2】 (多选)如图所示是观察水面波衍射的实验装ห้องสมุดไป่ตู้，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，则对于波经过孔之后的传播情况，下列描述正确的是( )
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二、波的折射 1．波在传播过程中，从一种介质进入另一种介质时，波 传播的方向发生偏折的现象叫作波的折射． 2．一切波都会发生折射 现象．
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三、波的衍射 1．定义 波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫作波的衍射． 2．发生明显衍射现象的条件：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 ，衍射是波特有的现象．
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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
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ABC [从题图中可以看出，孔的大小与波长相差不多，故能够 发生明显的衍射现象，选项 A 正确；由于在同一均匀介质中，波的 传播速度没有变化，又因为波的频率是一定的，又根据 λ＝vf 可得波 长 λ 没有变化，选项 B 正确；当将孔扩大后，孔的宽度和波长有可 能不满足发生明显衍射的条件，选项 C 正确；如果孔的大小不变， 使波源频率增大，则波长减小，孔的宽度将比波长大，孔的宽度和 波长有可能不满足发生明显衍射现象的条件，选项 D 错误．]
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(2)利用回声测距时，要特别注意声源是否运动，若声源运动， 声源发出的原声至障碍物再返回至声源的这段时间与声源的运动时 间相同．
(3)解决波的反射问题，关键是根据物理情景规范作出几何图形， 然后利用几何知识结合物理规律进行解题．
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[跟进训练] 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. (1)该波的频率为________Hz，在海水中的波速为________ m/s. (2)若物体在海面上发出的声音经过 0.5 s 听到回声，则海水深为 多少？ (3)若物体以 5 m/s 的速度由海面向海底运动，则经过多长时间听 到回声？
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合作 探究 攻重 难
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波的反射和折射
(a)
(b)
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如图(a)在水槽中，点波源所发出的圆形水波遇直线界面反射后 的波形仍为同心圆形．图(b)为圆形波反射的示意图．请举例说明生 活中波的反射现象．
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提示：①回声是声波的反射现象，原因是：对着山崖或高墙说话， 声波传到山崖或高墙时，会被反射回来继续传播．
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BC [波在介质中传播时波速是由介质决定的，与波的频率无 关，所以改变波的频率不会改变波速，但由 v＝λf 可知，当波速一定 时，减小频率则波长增大．而发生明显衍射的条件是障碍物或孔、 缝的尺寸比波长小或相差不多，要使衍射现象变得明显，可以通过 缩小障碍物的尺寸，同时增大波长即减小波的频率来实现，BC 选项 正确．]
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3．图中 1、2、3 分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则( )
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A．2 与 1 的波长、频率相等，波速不等 B．2 与 1 的波速、频率相等，波长不等 C．3 与 1 的波速、频率、波长均相等 D．3 与 1 的频率相等，波速、波长均不等
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D [波发生反射时，在同一种介质中运动，因此波长、波速和 频率不变，故选项 A、B 错误；波发生折射时，频率不变，波速变， 波长变，故选项 C 错误，选项 D 正确．]
为 3a.当甲开了一枪后，乙在 t 时间后听到第一声枪响，则乙在什么
时候能听到第二声枪响( )
A．听不到
B．甲开枪后 3t 时间
C．甲开枪后 2t 时间
D．甲开枪后
3＋ 2
7 t
时间
思路点拨：根据反射定律画出声波传播的示意图，再用速度公
式求时间．
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C [乙听到的第一声枪响必然是甲开枪的声
音直接传到乙的耳中，故 t＝2va.甲、乙二人及墙的
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波向前传播在两种介质的界面上可以同时发生反射和折射现
象，一些物理量也会相应发生变化，比较如下：
波的反射
波的折射
传播方向 频率 f
改变，θ 反＝θ 入 不变
改变，θ 折≠θ 入 不变
波速 v
不变
改变
波长 λ
不变
改变
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名师点睛：(1)频率(f)由波源决定：故无论是反射波还是折射波 都与入射波的频率相等，即波源的振动频率相同．
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[解析] (1)由 f＝vλ得 f＝3140 Hz＝340 Hz， 因波的频率不变，则在海水中的波速为 v 海＝λ′f＝4.5×340 m/s＝1 530 m/s. (2)入射声波和反射声波用时相同，则海水深为 h＝v 海2t ＝1 530×02.5 m＝382.5 m.
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(3)物体与声音运动的过程示意图如图所示，设听到回声的时间 为 t′，则 v 物 t′＋v 海 t′＝2h
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A．使波源的频率增大 B．使波源的频率减小 C．移动 N 使狭缝的距离增大 D．移动 N 使狭缝的距离减小
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BD [要使 A 处水发生振动，应使波的衍射现象更明显，而波能 发生明显衍射的条件是狭缝的宽度跟波长相差不多或者比波长更 小．因此可将狭缝变小，或将波长变大，而减小波源的频率可以使 波长变大，故 B、D 正确．]
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4．(多选)关于波的反射，下列说法正确的是( ) A．波在反射前后，仍在同种介质中传播 B．波发生反射时，波的频率不变，波速变小，波长变短 C．波发生反射时，波的频率、波长、波速均不变 D．波发生反射时，反射角始终等于入射角
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ACD [波的反射是波在介质界面上反射回同一种介质中继续 传播的现象；由于传播介质不变，所以波速、频率、波长均不变．由 反射定律知，反射角等于入射角．故 A、C、D 正确．]
位置如图所示，乙听到的第二声枪响必然是经墙反
射传来的枪声，由反射定律可知，波线如图中 AC
和 CB，由几何关系可得 AC ＝ CB ＝2a，故第二声枪响传到乙耳中的
时间为
t′＝
AC
＋ v
CB
＝4va＝2t.]
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波的反射应用技巧——回声测距 利用回声测距是波的反射的一个重要应用，它的特点是声源正 对障碍物，声源发出的声波与回声在同一条直线上传播． (1)若是一般情况下的反射，反射波和入射波是遵从反射定律的， 可用反射定律作图后再求解．
(2)波速(v)由介质决定：故反射波与入射波在同一介质中传播， 波速不变，折射波与入射波在不同介质中传播，波速变化．
(3)据 v＝λf 知，波长 λ 与波速和频率有关．反射波与入射波，频 率同、波速同，故波长相同，折射波与入射波在不同介质中传播， 频率同，波速不同，故波长不同．
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【例 1】 甲、乙两人站在一堵墙前面，两人相距 2a，距墙均
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甲
乙
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(2)水波遇到小孔的情况 当孔较小时发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形 波．如图乙所示，衍射现象明显． (3)产生明显衍射的条件 产生明显衍射现象，必须具备一定的条件：障碍物或孔的尺寸 比波长小，或者跟波长相差不多．
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名师点睛：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 容易发生明显衍射现象．
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衍射现象的两点提醒 (1)障碍物的尺寸的大小不是发生衍射的条件，而是发生明显衍 射的条件，波长越大越易发生明显衍射现象． (2)当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射十分突出，但衍射波的 能量很弱，也很难观察到波的衍射．
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[跟进训练] 2．(多选)如图所示，S 为在水面上振动的波源，M、N 为水面上 的两块挡板，其中 N 板可以移动，两板中间有一狭缝，此时测得 A 处水没有振动．为使 A 处水也能发生振动，可采用的方法是( )
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5．[思维拓展]情境：“B 超”可用于探测人体内脏的病变状 况．如图是超声波从肝脏表面入射，经折射与反射，最后从肝脏表 面射出的示意图．超声波在进入肝脏发生折射时遵循的规律与光的 折射规律类似，可表述为ssiinn θθ12＝vv12(式中 θ1 是入射角，θ2 是折射角， v1、v2 分别是超声波在肝外和肝内的传播速度)，超声波在肿瘤表面 发生反射时遵循的规律与光的反射规律相同．已知 v2＝0.9v1，入射 点与出射点之间的距离是 d，入射角是 i，肿瘤的反射面恰好与肝脏 表面平行．
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1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)入射波的波线与界面的夹角叫入射角．
( ×)
(2)入射波的波长和反射波的波长相等．
(√ )
(3)孔的尺寸比波长大得多时就不会发生衍射现象．
( ×)
(4)衍射是波的特有现象．
(√ )
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2．(多选)下列说法正确的是( ) A．波发生反射时波的频率不变，波速变小，波长变短 B．波发生反射时频率、波长、波速均不变 C．波发生折射时的频率不变，但波长、波速发生变化 D．波发生折射时波的频率、波长、波速均发生变化
②夏日的雷声轰鸣不绝，原因是：声波在云层界面多次反射． ③在空房间里讲话声音更响亮，原因是：声波在房间里遇到墙壁、 地面或天花板发生反射时，由于距离近，原声与回声几乎同时到达人 耳．人耳只能区分相差 0.1 s 以上的声音，所以人在房间里讲话感觉 声音比在空旷处大．如果房间里有幔帐、地毯、衣物等，它们会吸收 声波，从而使声音减弱．
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C [波可以绕过障碍物继续传播的现象称为波的衍射．C 与衍 射现象相符．]
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2．如图所示是利用发波水槽观察到的水波衍射图像，从图像可 知( )
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A．B 侧波是衍射波 B．A 侧波速与 B 侧波速相等 C．减小挡板间距离，衍射波的波长将减小 D．增大挡板间距离，衍射现象将更明显
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B [小孔相当于衍射波的波源，A 侧波是衍射波，A 错误；在同 一种介质中，波速相等，故 B 正确；根据波速、波长和频率的关系 式 v＝λf，由于波速和频率不变，故波长不变，故 C 错误；在波长无 法改变的情况下减小挡板间距会使衍射现象更明显，故 D 错误．]
代入数据解得 t′＝0.498 s.
[答案] (1)340 1 530 (2)382.5 m (3)0.498 s
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波的衍射
声波能绕过障碍物到达后面，衍射声波有什么特点？ 水波能到达挡板的后面，衍射水波有什么特点？ 提示：衍射波与原波具有相同的频率，传播过程中波形没变．
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1．发生明显衍射现象的条件 (1)水波遇到障碍物的情况 当障碍物较小时发现波绕过障碍物继续前进，如同障碍物不存 在一样．如图甲所示，衍射现象明显．