高中物理选择性必修一第3节 波的反射折射和衍射.docx

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高中物理选择性必修一第3节波的反射折射和衍射

第3节　波的反射、折射和衍射

核心素养

物理观念

科学思维

1.知道波传播到两种介质交界面时会发生反射、折射现象。

2.了解波的衍射现象和衍射图样，知道波发生明显衍射现象的条件。

3.知道衍射是波特有的现象。

通过发波水槽实验探究水波发生明显衍射现象的条件。

知识点一　波的反射、波的折射

1.波的反射

（1）波的反射：

波传播过程中遇到介质界面会返回原介质继续传播的现象。

（2）反射波的波长、波速、频率跟入射波的相同。

（3）波的反射定律：

反射线、入射线和法线在同一平面内，反射线和入射线分别位于法线两侧，反射角等于入射角。

如图所示。

2.波的折射

（1）波的折射：

波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生改变的现象。

（2）波的折射中，波的频率不变，波速和波长发生改变。

[思考判断]

（1）波向前传播在两介质的界面上要么发生反射，要么发生折射，二者不会同时发生。

（×）

（2）波发生反射时波的频率不变，波速变小，波长变短。

（×）

（3）波发生折射时波的频率不变，但波长、波速发生变化。

（√）

反射波的波长、频率、波速与入射的相关量相同吗？

提示　反射波与入射波在同一介质中传播，介质决定波速，因此波速不变，波的频率是由波源决定的，因此，波的频率也不改变，由此我们可知波长也不改变。

即反射波的波长、频率、波速都跟入射波的相关量相同。

折射现象中，波长、波速、频率都变化吗？

提示　在波的折射现象中，波的频率不改变。

波速和波长都发生变化。

知识点二　波的衍射

[观图助学]

1.定义：

波可以绕过障碍物继续传播的现象。

2.实验现象

（1）实验器材：

在水槽里放两块挡板，中间留一个狭缝。

（2）现象：

狭缝宽度比波长大得多，波的传播如同光沿直线传播一样，在挡板后面产生“阴影区”；在狭缝宽度与波长相差不多或者狭缝宽度比波长更小时，水波可以绕到挡板后面继续传播。

3.发生明显衍射现象的条件

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。

[思考判断]

（1）一切波遇到障碍物都会发生衍射现象。

（√）

（2）只有当障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时，才会发生衍射现象。

（×）

（3）当小孔大小一定时，波的频率越大，衍射现象越明显。

（×）

（4）当障碍物大小一定时，波的频率越小，衍射现象越明显。

（√）

为什么声波容易发生明显衍射现象？

提示　声波容易发生明显的衍射现象。

声波的波长在1.7cm～17m之间，与一般障碍物的尺寸相比差不多，或比其大，故声波的衍射现象极为明显，使我们能够听到障碍物另一侧的声音。

衍射的成因是什么？

提示　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（或障碍物）后传播，于是就出现了偏离直线方向传播的衍射现象。

核心要点

　对波的反射和折射的理解和应用

[要点归纳]

波的反射、折射现象中各物理量的变化

　　　现象

比较项目　　　

波的反射

波的折射

传播方向

改变，θ反＝θ入

改变，θ折≠θ入

频率f

不变

不变

波速v

不变

改变

波长λ

不变

改变

[试题案例]

[例1]图中

1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则（　　）

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

解析　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，A、B错误；波发生折射时，频率不变，波速变，波长变，故C错误，D正确。

答案　D

[例2]某测量员利用回声测距，他站在两平行墙壁间某一位置鸣枪，经过1s第一次听到回声，又经过0.5s再次听到回声，已知声速为340m/s，则两墙壁间的距离为多少？

解析　设测量员离较近的墙壁的距离为x，则他离较远的墙壁的距离为s－x，2x＝vt1

2（s－x）＝v（t1＋Δt）

其中Δt＝0.5s，t1＝1s，代入数据得s＝425m。

答案　425m

方法凝炼　回声测距的三种情况

（1）当声源不动时，声波遇到了障碍物后会返回继续传播，反射波与入射波在同一介质中传播速度相同，因此，入射波和反射波在传播距离一样的情况下用的时间相等，设经时间t听到回声，则声源距障碍物的距离为s＝v声·

。

（2）当声源以速度v向静止的障碍物运动或障碍物以速度v向静止的声源运动时，声源发声时障碍物到声源的距离为s＝（v声＋v）·

。

（3）当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离声源时，声源发声时障碍物到声源的距离为s＝（v声－v）·

。

[针对训练1]有一辆汽车以15m/s的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛2s后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离有多远？

（v声＝340m/s）

解析　设汽车在A点发出笛声，A点到山崖B的距离为x1，汽车运动到C点接收到笛声，设AC距离为x2，CB距离为x，因二者运动时间相同，则有

x1＝x2＋x①

x1＋x＝v声t②

x2＝v车t③

联立①②③得x＝325m。

答案　325m

核心要点

　波的衍射现象

[观察探究]

如图所示是一个可观察水波衍射的水波发生槽，振源的频率是可以调节的，槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔，观察水波的传播，也可以在水槽中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播。

思考下列问题：

（1）水波遇到小孔时，会观察到什么现象？

依次减小小孔尺寸，观察到的现象有什么变化？

（2）当水波遇到较大的障碍物时，会观察到什么现象？

当障碍物较小时，会观察到什么现象？

提示　

（1）水波遇到小孔时，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”，小孔的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显。

（2）当水波遇到较大的障碍物时，将会返回，当障碍物较小时，波能继续向前传播。

[探究归纳]

1.衍射是波特有的现象

（1）一切波都能发生衍射现象，只是有的明显，有的不明显。

（2）波的直线传播只是在衍射不明显时的近似。

（3）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，而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。

（2）波传到孔或障碍物时，孔或障碍物仿佛是一个新的波源，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。

[试题案例]

[例3]（多选）

如图所示是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）之间的距离表示一个波长，则对于波经过孔之后的传播情况，下列描述正确的是（　　）

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，能观察到的更明显衍射现象

解析　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，波的频率是一定的，又根据λ＝

可得波长λ没有变化，所以选项B正确；当孔扩大后，发生明显衍射的条件将被破坏，故选项C正确；如果孔的大小不变，使波源频率增大，则波长减小，孔的尺寸将比波长大，失去发生明显的衍射现象的条件，因此选项D错误。

答案　ABC

[针对训练2]如图

所示，正中心O点是水面上一波源，实、虚线分别表示该时刻的波峰、波谷，A是挡板，B是小孔，经过一段时间，水面上的波形将分布于（　　）

A.整个区域B.阴影Ⅰ以外的区域

C.阴影Ⅱ以外的区域D.阴影Ⅲ以外的区域

解析　由题图中可直观看出，半波长为实虚两圆半径之差，且可看出挡板A的尺寸比波长大得多，而小孔B的大小与波长长度差不多。

根据波发生明显衍射的条件知，该波在挡板A处的衍射现象很不明显，即可认为波沿直线传播，故Ⅰ区内水面无波形，故选项A、C、D错误；该波的波长与小孔B的大小差不多，能够发生明显的衍射，故在阴影区Ⅲ、Ⅱ之内明显存在衍射波的波形，故选项B正确。

答案　B

1.（波的反射）甲、乙两人平行站在一堵墙前面，两人相距2a，距离墙均为

a，当甲开了一枪后，乙在时间t后听到第一声枪响，则乙听到第二声枪响的时间为（　　）

A.听不到B.甲开枪3t后

C.甲开枪2t后D.甲开枪

t后

解析　

乙听到第一声枪响必然是甲开枪的声音直接传到乙的耳中，故t＝

。

甲、乙两人及墙的位置如图所示，乙听到第二声枪响必然是墙反射的枪声，由反射定律可知，波线为图中AC和CB。

由几何关系可得AC＝CB＝2a，故第二声枪响传到乙的耳中的时间为t′＝

＝

＝2t。

答案　C

2.（波的折射）一列声波从空气传入水中，已知水中声速较大，则（　　）

A.声波频率不变，波长变小

B.声波频率不变，波长变大

C.声波频率变小，波长变大

D.声波频率变大，波长不变

解析　声波在水中的传播速度比在空气中的传播速度大。

声波从空气传入水中，发生折射，频率不变，又由v＝λf可知，折射波的波长变大。

答案　B

3.（波的衍射）（多选）下列现象属于波的明显衍射现象的是（　　）

A.“隔墙有耳”

B.“空山不见人，但闻人语响”

C.河中芦苇后面没有留下无波的区域

D.池中假山前有水波，假山后无水波

解析　假山前有水波，假山后无水波，说明水波没有绕过障碍物，因此不属于明显衍射现象，D错误，A、B、C正确。

答案　ABC

4.（波的衍射）如图

所示是利用发波水槽观察到的水波衍射图样，由图样可知（　　）

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

解析　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。

答案　B

基础过关

1.（多选）下列哪些现象是由声音的反射形成的（　　）

A.夏天下雨时，我们总是先看到闪电，后听到雷声

B.北京天坛的回音壁的回音现象

C.同样的声音在房间里比在旷野里听起来响亮些

D.在火车站候车大厅中，我们有时听不清播音员的声音

解析　先看到闪电，后听到雷声是由于光比声音传播得快，不是声音的反射，故A错误；声音可以同光一样，具有反射现象，选项B、C、D中描述的都是声音的反射现象。

答案　BCD

2.在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话的声音要洪亮，是因为（　　）

A.室内空气不流动B.室内声音多次反射

C.室内声音发生折射D.室内物体会吸收声音

解析　在室内听到的声音洪亮是因为声波在室内墙壁上经过多次反射而得到加强。

答案　B

3.（多选）水波通过小孔，发生了一定程度的衍射，为使衍射现象更明显，下列做法可取的是（　　）

A.增大小孔尺寸B.减小小孔尺寸

C.增大水波频率D.减小水波频率

解析　根据发生明显衍射的条件，可知本题中要使衍射现象更明显，可采取：

减小小孔尺寸、增大水波波长同时减小小孔尺寸或增大水波波长，在同一介质中v不变，由v＝λf知欲增大波长，必减小水波频率，故选B、D。

答案　BD

4.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

解析　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。

答案　C

5.（多选）下列关于波的衍射的说法正确的是（　　）

A.衍射是机械波特有的现象

B.对同一列波，缝或孔、障碍物尺寸越小衍射现象越明显

C.只有横波才能发生衍射现象，纵波不能发生衍射现象

D.声波容易发生衍射现象是由于声波波长较长

解析　不是只有机械波（包括横波和纵波）能发生衍射现象，其他类型的波也能发生衍射现象，衍射是一切波特有的现象，所以选项A、C是错误的；发生明显的衍射是有条件的，只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多或比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象，所以选项B是正确的；声波的波长在1.7cm到17m之间，一般常见的障碍物或孔的大小可与之相比，正是由于声波波长较长，声波容易发生衍射现象，所以选项D是正确的。

答案　BD

6.（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，波的频率、波长、波速均不变

C.波发生折射时，波的频率不变，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

解析　波发生反射时，波在同一种介质中传播，频率、波长和波速均不变，选项A错误，B正确；波发生折射时，是从一种介质传播到另一种介质，波速发生变化，波的频率由波源决定，所以波的频率不变，由公式v＝λf可知，波长发生变化，选项C正确，D错误。

答案　BC

7.（多选）以下关于波的认识，正确的是（　　）

A.潜水艇利用声呐探测周围物体的分布情况，用的是波的反射原理

B.隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的

C.雷达的工作原理是利用波的反射

D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象，是波的衍射现象

解析　A、B、C项中的原理均是利用波的反射或减少波的反射，D项中叙述的是波的折射现象。

答案　ABC

8.一列声波在第一种均匀介质中的波长为λ1，在第二种均匀介质中的波长为λ2，若λ1＝2λ2，则该声波在两种介质中的频率之比和波速之比分别为（　　）

A.2∶1，1∶1B.1∶2，1∶4

C.1∶1，2∶1D.1∶1，1∶2

解析　同一列波，在不同介质中波的频率一定，故频率之比为1∶1，由v＝λf，有v1∶v2＝λ1∶λ2＝2∶1，C正确。

答案　C

9.根据波的反射和折射原理，以下说法正确的是（　　）

A.声波从空气传到平静的湖面上，声波只在水面处发生反射

B.声波从空气传到平静的湖面上，声波只在水面处发生折射

C.声波从空气传到平静的湖面上时既发生反射又发生折射

D.声波从空气传到平静的湖面上时既不发生反射又不发生折射

答案　C

10.一只汽船以4m/s的速度在无风的河面上航行，船上发出一声鸣笛，旅客在3s后听到前方悬崖反射回来的声音，设声音在空气中的传播速度为340m/s。

则悬崖离汽船鸣笛的位置（　　）

A.504mB.516mC.1008mD.1032m

解析　汽船向悬崖靠近，3s行驶了L＝v船t＝12m。

声波3s内传播的距离v声t＝2x－L，所以悬崖离汽船的鸣笛位置x＝

＝516m，B正确。

答案　B

能力提升

11.为了测出海底的深度，现用波长为3.4cm的超声波向海底定向发射，经过0.8s，探测仪器收到发射出去的超声波返回的讯号，超声波在海水中的波长为15.3cm，超声波在空气中的波速为340m/s，则海底有多深？

解析　由超声波的频率不变可得

＝

在水中有h＝v2t＝

v1

＝

×340×

m＝612m

答案　612m

12.一木匠在房顶上用铁锤钉钉子，有一位旁观者在观察，他看到锤子举到最高点时，也恰好听到敲打声，他抬手看了看手表，木匠敲了8下用4s，他便很快估计出他到木匠的最小距离不小于85m。

已知声速为340m/s，木匠上举和向下放锤的时间相等，说说旁观者用的方法，写出他到木匠距离的表达式。

解析　T＝

s＝0.5s，t＝

，

x＝vt＝340×

m＝85（2n＋1）m（n＝0，1，2，…）。

答案　见解析

13.天空有近似等高的浓云层。

为了测量云层的高度，在水平地面上与观测者的距离为d＝3.0km处进行一次爆炸，观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差Δt＝6.0s。

试估算云层下表面的高度。

已知空气中的声速v＝

km/s。

解析　

如图所示，设A表示爆炸处，O表示观测者所在处，B表示云层反射点，用h表示云层下表面的高度，用t1表示爆炸声直接经地面传到观测处所用的时间，则有d＝vt1，①

用t2表示爆炸声经云层反射后到达O处所经时间，因为入射角等于反射角，故有2

＝vt2，②

已知t2－t1＝Δt，③

联立①②③式，可得h＝

，

代入数据值得h＝2.0×103m。

答案　2.0×103m

14.渔船

常利用超声波来探测远处鱼群的方位，已知某超声波频率为1.0×105Hz，某时刻该超声波在水中传播的波的图像如图所示。

（1）从该时刻开始计时，画出x＝7.5×10－3m处质点做简谐运动的振动图像（至少一个周期）。

（2）现测得超声波信号从渔船到鱼群往返一次所用时间为4s，求鱼群与渔船间的距离（忽略渔船和鱼群的运动）。

解析　

（1）因为超声波的频率为f＝1.0×105Hz，所以质点振动周期T＝

＝10－5s，x＝7.5×10－3m处质点在题图中处于波谷，所以可画出该质点做简谐运动的图像如图所示。

（2）因为超声波的频率为f＝1.0×105Hz，由波的图像可知超声波的波长λ＝15×10－3m，由v＝λf可得超声波的速度v＝λf＝15×10－3×1.0×105m/s＝1500m/s。

所以鱼群与渔船间的距离x＝

＝

m＝3000m。

答案　

（1）如解析图所示　

（2）3000m