高中物理 第12章 機械波 4 波的衍射和干涉課件 新人教版選修3-4.ppt

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4 波的衍射和干涉,填一填,練一練,1.波的衍射(見課本第32頁) (1)定義:波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。 (2)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件:只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多,或者比波長更小時,才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。 (3)波的衍射的普遍性:一切波都能發(fā)生衍射,衍射是波特有的現(xiàn)象。,,,,,填一填,練一練,2.波的干涉(見課本第34頁) (1)波的疊加原理:幾列波相遇時能夠保持各自的運動特征,繼續(xù)傳播,在它們重疊的區(qū)域里,介質的質點同時參與這幾列波引起的振動,質點的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的矢量和。 (2)波的干涉: ①定義:頻率相同的兩列波疊加時,某些區(qū)域的振幅加大、某些區(qū)域的振幅減小的現(xiàn)象。 ②穩(wěn)定干涉條件。 ⅰ.兩列波的頻率必須相同。 ⅱ.兩個波源的相位差必須保持不變。 (3)干涉的普遍性:一切波都能夠發(fā)生干涉,干涉是波特有 的現(xiàn)象。,,,,,,,,填一填,練一練,利用發(fā)波水槽得到的水面波形如圖甲、乙所示,則( ) A.圖甲、乙均顯示了波的干涉現(xiàn)象 B.圖甲、乙均顯示了波的衍射現(xiàn)象 C.圖甲顯示了波的干涉現(xiàn)象,圖乙顯示了波的衍射現(xiàn)象 D.圖甲顯示了波的衍射現(xiàn)象,圖乙顯示了波的干涉現(xiàn)象 解析:由波的干涉和衍射概念知圖甲是一列波的傳播,顯示了波的衍射現(xiàn)象,圖乙是兩列波的傳播,顯示了波的干涉現(xiàn)象,選項D正確。 答案:D,,,探究一,探究二,探究一對波的衍射現(xiàn)象的理解 問題導引 在浙江歌舞劇院建院50周年的紀念活動中,評委隔著布幔或箱子做成的隔斷傾聽選手們的演奏。評委為什么可以隔著隔斷聽到優(yōu)美的樂聲呢?,探究一,探究二,探究一,探究二,名師精講 1.衍射是波特有的現(xiàn)象 (1)一切波都能發(fā)生衍射現(xiàn)象,只是有的明顯,有的不明顯。 (2)波的直線傳播只是在衍射不明顯時的近似。 (3)波長較長的波容易產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象。 2.關于衍射的條件 應該說衍射是沒有條件的,衍射是波特有的現(xiàn)象,一切波都可以發(fā)生衍射。衍射只有“明顯”與“不明顯”之分,障礙物或小孔的尺寸跟波長差不多,或比波長小是產(chǎn)生明顯衍射的條件。,探究一,探究二,3.波的衍射實質分析 波傳到小孔(障礙物)時,小孔(障礙物)仿佛是一個新波源,由它發(fā)出的與原來同頻率的波在小孔(障礙物) 后傳播,就偏離了直線方向。波的直線傳播只是在衍射不明顯時的近似情況。 4.衍射現(xiàn)象與觀察的矛盾 當孔的尺寸遠小于波長時盡管衍射十分突出,但由于衍射波的能量很弱,衍射現(xiàn)象不容易觀察到。,探究一,探究二,典例剖析 【例題1】 觀察水面波衍射的實驗裝置如圖所示,AC和BD是兩塊擋板,AB是一個孔,O是波源,圖中已畫出波源所在區(qū)域波的傳播情況,每兩條相鄰波紋(圖中曲線)之間距離表示一個波長,則波經(jīng)過孔之后的傳播情況,下列描述中正確的是( ) A.此時能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象 B.擋板前后波紋間距離相等 C.如果將孔AB擴大,有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象 D.如果孔的大小不變,使波源頻率增大,能更明顯地觀察到衍射現(xiàn)象,探究一,探究二,解析:根據(jù)能發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件:障礙物或孔的尺寸比波長小或相差不多。從題圖中可看出孔AB的尺寸小于一個波長,所以此時能明顯地觀察到波的衍射現(xiàn)象,選項A正確;因為穿過擋板小孔后的波速不變,頻率相同,所以波長也相同,選項B正確;若將孔AB擴大,將可能不滿足發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件,就有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象,選項C正確;若將波源頻率增大,由于波速不變,所以波長 變小,將可能不滿足發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件,也有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象,選項D錯誤。 答案:ABC,,探究一,探究二,變式訓練1 如圖所示,正中O是水面上一波源,實、虛線分別表示該時刻的波峰、波谷,A是擋板,B是小孔,經(jīng)過一段時間,水面上的波形將分布于( ) A.整個區(qū)域 B.陰影Ⅰ以外區(qū)域 C.陰影Ⅱ以外區(qū)域 D.陰影Ⅲ以外區(qū)域,探究一,探究二,解析:由題圖中可直觀看出,半波長為實虛兩圓半徑之差,且可看出擋板A的尺寸比波長大得多,而小孔B與波長長度差不多。據(jù)波發(fā)生明顯衍射的條件知,該波在擋板A處的衍射現(xiàn)象很不明顯,即可認為波沿直線傳播,故Ⅰ區(qū)內水面無波形,故選項A、C、D不正確;該波的波長與小孔B差不多,能夠發(fā)生明顯的衍射,故在陰影區(qū)Ⅱ、Ⅲ之內明顯存在衍射波的波形,故選項B正確。 答案:B,,探究一,探究二,探究二對波的疊加、波的干涉現(xiàn)象的理解 問題導引 如圖所示,操場中兩根豎直桿上各有一個揚聲器,接在同一擴音機上,一位同學沿著AB方向走來,他聽到的聲音會有什么變化?為什么?,探究一,探究二,名師精講 1.波的獨立傳播:幾列波相遇時能夠保持各自的運動特征,繼續(xù)傳播,即各自的波長、頻率等保持不變。 2.關于干涉的條件:波的疊加是無條件的,任何頻率的兩列波在空間相遇都會疊加。但穩(wěn)定干涉圖樣的產(chǎn)生是有條件的,必須是兩列波的頻率相同、相位差恒定。如果兩列波的頻率不相等,在相遇的區(qū)域里不同時刻各質點疊加的結果都不相同,看不到穩(wěn)定干涉圖樣。,探究一,探究二,3.關于加強點(區(qū))和減弱點(區(qū)): (1)加強點:在某些點兩列波引起的振動始終加強,質點的振動最劇烈,振動的振幅等于兩列波的振幅之和,A=A1+A2。 (2)減弱點:在某些點兩列波引起的振動始終相互削弱,質點振動的振幅等于兩列波的振幅之差,A=|A1-A2|,若兩列波振幅相同,質點振動的合振幅就等于零,并不振動,水面保持平靜。,探究一,探究二,4.干涉圖樣及其特征: (1)干涉圖樣:如圖所示。 (2)特征:①加強區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變; ②加強區(qū)始終加強,減弱區(qū)始終減弱(加強區(qū)與減弱區(qū)不隨時間變化); ③加強區(qū)與減弱區(qū)互相間隔。,探究一,探究二,探究一,探究二,典例剖析 【例題2】 波源S1和S2的振動方向相同,頻率均為4 Hz,分別置于均勻介質中x軸上的O、A兩點處,OA=2 m,如圖所示。兩波源產(chǎn)生的簡諧橫波沿x軸相向傳播,波速為4 m/s。已知兩波源振動的初始相位相同。求: (1)簡諧橫波的波長。 (2)O、A間合振動振幅最小的點的位置。,探究一,探究二,解析:(1)設簡諧橫波波長為λ,頻率為f,則v=λf,代入已知數(shù)據(jù),得λ=1 m。(2)以O為坐標原點,設P為OA間的任意一點,其坐標為x,則兩波源到P點的波程差Δl=x-(2-x),0≤x≤2。其中x、Δl以m為單位。 答案:(1)1 m (2)x=0.25 m,0.75 m,1.25 m,1.75 m,,探究一,探究二,變式訓練2 導學號38190051如圖所示表示兩個相干波源S1、S2產(chǎn)生的波在同一種均勻介質中相遇。圖中實線表示某時刻的波峰,虛線表示的是波谷,下列說法正確的是 ( ) A.a、c兩點的振動加強,b、d兩點的振動減弱 B.e、f兩點的振動介于加強點和減弱點之間 C.經(jīng)適當?shù)臅r間后,加強點和減弱點的位置互換 D.經(jīng)半個周期后,原來位于波峰的點將位于波谷,原來位于波谷的點將位于波峰,探究一,探究二,解析:波的干涉示意圖所示的僅是某一時刻兩列相干波疊加的情況。形成干涉圖樣的所有介質質點都在不停地振動著,其位移的大小和方向都在不停地變化著。但要注意,對于穩(wěn)定的干涉圖樣,振動加強和減弱的區(qū)域的空間位置是不變的。a點是波谷和波谷相遇的點,c點是波峰和波峰相遇的點,都是振動加強的點;而b、d兩點都是波峰和波谷相遇的點,是振動減弱的點,選項A正確;e點位于加強點的連線上,為加強點,f點位于減弱點的連線上,為減弱點,選項B錯誤;相干波源疊加產(chǎn)生的干涉是穩(wěn)定的,不會隨時間變化,選項C錯誤;因形成干涉圖樣的介質質點也是不停地做周期性振動,經(jīng)半個周期步調相反,選項D正確。 答案:AD,,探究一,探究二,變式訓練3 在學校運動場上50 m直跑道的兩端,分別安裝了由同一信號發(fā)生器帶動的兩個相同的揚聲器。兩個揚聲器連續(xù)發(fā)出波長為5 m的聲波。一同學從該跑道的中點出發(fā),向某一端點緩慢行進10 m。在此過程中,他聽到揚聲器聲音由強變弱的次數(shù)為( ) A.2 B.4 C.6 D.8 解析:根據(jù)波的干涉的加強點和減弱點的條件,可知當某點與兩個波源距離差為波長的整數(shù)倍時,該點為振動加強點,即聲音加強點,設距中點x處為加強點,則Δx=(25+x)-(25-x)=2x=5n,即x=2.5n(n=0,1,2,…),所以這位同學每向前運動2.5 m,就為一個聲音加強點,10 m內共有4個加強點,故選B。 答案:B,,,探究一,探究二,,探究一,探究二,,1 2 3 4 5,,,,,,1.關于波的衍射現(xiàn)象,下列說法正確的是( ) A.某些波在一定條件下才有衍射現(xiàn)象 B.某些波在任何情況下都有衍射現(xiàn)象 C.一切波在一定條件下才有衍射現(xiàn)象 D.一切波在任何情況下都有衍射現(xiàn)象 解析:一切波只要遇到障礙就會發(fā)生衍射現(xiàn)象,但要發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件是障礙物的大小和波的波長差不多。 答案:D,,,1 2 3 4 5,,,,,,2.下列關于兩列波相遇時疊加的說法正確的是( ) A.相遇后,振幅小的一列波將減弱,振幅大的一列波將加強 B.相遇后,兩列波的振動情況與相遇前完全相同 C.在相遇區(qū)域,任一點的總位移等于兩列波分別引起的位移的矢量和 D.幾個人在同一房間說話,相互間聽得清楚,這說明聲波在相遇時互不干擾 解析:兩列波相遇時,每一列波引起的振動情況都保持不變,而質點的振動則是兩列波共同作用的結果,故選項A錯誤,選項B、C正確。幾個人在同一房間說話,聲帶振動發(fā)出的聲波在空間中相互疊加后,不改變每列波的振幅、頻率,所以聲波傳到人的耳朵后,仍能分辨出不同的人所說的話,故選項D正確。 答案:BCD,,,1 2 3 4 5,,,,,,3.已知空氣中的聲速為340 m/s。現(xiàn)有幾種聲波:①周期為 s,②頻率為104 Hz,③波長為10 m,它們傳播時若遇到寬約為13 m的障礙物,能產(chǎn)生顯著的衍射現(xiàn)象的是( ) A.①和② B.②和③ C.①和③ D.都可以 解析:①②③三種聲波的波長分別為 m=0.034 m,λ3=10 m,根據(jù)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件可知,①③兩聲波的波長與障礙物的尺寸差不 多,能產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象,故選項C正確。 答案:C,,,1 2 3 4 5,,,,,,4. 如圖所示,實線和虛線分別表示振幅、頻率均相同的兩列波的波峰和波谷。此刻,M是波峰與波峰相遇點,下列說法中正確的是( ) A.該時刻質點O正處在平衡位置 B.P、N兩點始終處于平衡位置 C.M點到兩波源的距離之差一定是波長的整數(shù)倍 D.從該時刻起,經(jīng)過 周期,質點M到達平衡位置,1 2 3 4 5,,,,,,解析:由題圖可知,O、M為振動加強的點,此時O點處于波谷,M點處于波峰,M點是波峰與波峰相遇,只有當兩波源振動相位相同時,M點到兩波源的距離差才是波長的整數(shù)倍,若兩波源振動相位相反,則M點到兩波源的距離差為半波長的奇數(shù)倍,故A、C均錯;N、P兩點為減弱點,又因為兩列波的振幅相同,因此N、P兩點的振幅為零,即兩點始終處于平衡位置,B正確;從該時刻經(jīng) 周期,兩列波分別引起的振動都使M點位于平衡位置,故M點位于平衡位置,D正確。 答案:BD,,1 2 3 4 5,,,,,,,,