惠更斯原理 波的反射与折射

2.4惠更斯原理波的反射与折射一、惠更斯原理观察思考从波源发出的波经过同一传播时间而到达的各点所组成的面，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）波形.从波源沿着波的传播方向画出的带箭头的线称为波线，它表示波动的传播方向.平面波的波线是垂直于波面的平行线，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.波面波线波面波线从实验中可以看到：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，以狭缝为圆心沿半径方向向周边传去，好像狭缝就是波源一样，如图2-4-2所示.荷兰物理学家惠更斯研究波的现象时，于1690年提出：波在传播过程中所到达的每一点都可看做新的波源，从这些点发出球面形状的子波，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.(ChristianHuygens1629—1695)荷兰物理学家、数学家、天文学家。1629年出生于海牙。1655年获得法学博士学位。1663年成为伦敦皇家学会的第一位外国会员。克里斯蒂安·惠更斯是与牛顿同一时代的科学家，是历史上最著名的物理学家之一，他对力学的发展和光学的研究都有杰出的贡献，在数学和天文学方面也有卓越的成就，是近代自然科学的一位重要开拓者。克里斯蒂安·惠更斯根据这一原理，我们可以用几何作图的方法，由已知的某一时刻波前确定下一时刻波前，从而确定波的传播方向，所以惠更斯原理又叫做惠更斯作图法.在图2-4-3中，应用惠更斯原理，用作图法描绘了平面波、球形波的传播情况.在图中波的传播速度为v，t时刻的波前用紫线表示，以波前上的每一点为球心，以vΔt为半径，作出的小球面表示子波，这些子波的包络面，即为t+Δt时刻的波前，图中用蓝线表示.球面波波源........平面波.....t传播方向t+t波面t波面传播方向t波面t+t波面utut.........t时刻的波面tΔ+t时刻的波面子波波源tvΔ用惠更斯原理确定下一时刻平面波的波面确定下一时刻球面波的波面................子波波源tΔ+t时刻的波面t时刻的波面tvΔ二、波的反射波在传播的过程中，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.如图2-4-4所示，在介质中有一列平面波，其波速为v1，在t1时刻波前AE与分界面相遇于A点，t2时刻波前上的B点与分界面相遇于C点.应用惠更斯作图法，可由已知的入射波的波前，求出反射波的波前，从而求出反射线（即反射波线），并得到波的反射定律.其步骤如下：（1）标明通过两种介质分界面XY上A、C两点的法线N1N1'、N2N2'，画出入射波的波前AB和垂直于它的入射波线PA、QC.（2）画出子波波前.从A到C中间点的子波在t2时刻的波前的半径将依次减小，在C点为零，在图中用绿线表示.（3）画出各子波波前的包络面，即反射波的波前.作在t2时刻各子波波前的切面CD，CD就是子波的包络面，即为反射波的波前.（4）作出反射线，即垂直于反射波波面的直线.入射点A与切点D相连，AD即为反射线，与法线的夹角i'为反射角.通过以上的步骤的分析，我们可以得到波的反射遵循的规律，即为反射定律.因为我们在同一介质中波速相等，所以入射波速与反射波速相同，以v1表示.图中AD等于A点发出的子波在t2时刻的半径.BC为入射波在t2-t1时间内传播的距离.所以在RtΔADC和RtΔABC中，因为所以，因为得)(121ttvAD)(121ttvBCBCADADCABCBCADAC90'BCAiDACiii'BCAD入射波的波面反射波的波面入射波的波线反射波的波线反射定律：当波传播到两种介质的交界处发生反射时，入射线、法线、反射线在同一平面内，入射线与反射线分别位于法线两侧，而且反射角等于入射角；反射波的波长、频率和波速都与入射波相同.反射定律三、波的折射波在传播过程中，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做波的折射.波发生折射的原因是在不同介质中波的速度不同.惠更斯作图法也可以描绘波的折射（图2-4-5），由已知的入射波波前求出折射波波前，并由此得出波的折射定律：波在介质中发生折射时，入射线、法线、折射线（即折射波线）在同一平面内，入射线与折射线分别位于法线两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于波在第一种介质中传播速度跟波在第二种介质中的传播速度之比.对给定的两种介质，该比值为常数.CAiiBDrr入射波的波面折射波的波面折射定律从上式中，可以知道：当v1v2时，ir，即折射线偏向法线；当v1v2时，ir，即折射线偏离法线；当垂直界面入射（i=0）时，r=0，波的传播方向不变，是折射中的特殊情况.在折射中，波的频率保持不变，波速和波长都会发生变化，根据，当波进入新的介质后，若波速增大，则波长变大；若波速减小，则波长减小.rivvsinsin21fv波面和波线波的反射惠更斯原理波的折射波面：从波源发出的波经过同一传播时间而达到的各点所组成的面叫做波面。注意：同一波面上各质点振动状态相同的波前：最前面的波面叫波前波线：表示波的传播方向的，跟各个波面垂直的线特点：波线与波面互相垂直波在传播过程中所到达的每一点都可以看作是新的波源，从这些点发出球面形状的子波，其后任一时刻这些子波波前的包络面就是新的波前。这就是惠更斯原理内容：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。注意：反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同拆射定律：（1）波在介质中发生折射时，入射线、法线、折射线在同一平面内，入射线和折射线分别位于法线两侧（2）在波的折射中，频率不变，波速和波长都发生改变。sinsin21ivv生活中波的反射现象的思考1．回声是声波的反射现象．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．2．夏日的雷声轰鸣不绝．声波在云层界面多次反射．3．在空房间里讲话感觉声音响．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，在房间里听不到回声，人在房间里讲话感觉声音比在野外大，而普通房间里的幔帐、地毯、衣物等会吸收声波，会影响室内的声响效果．雷达和隐形飞机：雷达是利用无线电波发现目标，并测定其位置的设备。由于无线电波具有恒速、定向传播的规律，因此，当雷达波碰到飞行目标(飞机、导弹）等时，一部分雷达波便会反射回来，根据反射雷达波的时间和方位便可以计算出飞行目标的位置。由于一般飞机的外形比较复杂，总有许多部分能够强烈反射雷达波，因此整个隐形飞机F—117飞机表面涂以黑色的吸收雷达波的涂料。B超人体各个内脏的表面对超声波的反射能力是不同的，健康内脏和病变内脏的反射能力也不一样．平常说的“B超”就是根据内脏反射的超声波进行造影，帮助医生分析体内的病变的。“B超”是亮度调制型超声诊断仪的简称。由于能在荧光屏上显示出断面图像，所以又称断面显像仪。它所显示的图像具有与人体解剖位置直接对应的特点，所以十分直观，使用方便，诊断正确率高。近年来，B型超声显象仪已被用于许多脏器的检查，但脑和眼等部位的辅助检查仍以A型为主。蝙蝠的“眼睛”：18世纪，意大利教士兼生物学家斯帕兰扎尼研究蝙蝠在夜间活动时，发现蝙蝠是靠高频率的尖叫来确定障碍物的位置的。这种尖叫声在每秒2万到10万赫兹之间，我们的耳朵对这样频率范围内的声波是听不到的。这样的声波称为超声波。蝙蝠发出超声波，然后借助物体反射回来的回声，就能判断出所接近的物体的大小、形状和运动方式。当堂检测1.人在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话声音要洪亮,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答案:B解析:人说话时产生声波,声波在传播过程中,遇到障碍物产生反射,在室内发生反射的次数比在空旷处的次数多,因此声音要洪亮。2.下列说法正确的是()A.只有平面波的波面才与波线垂直B.任何波的波线都跟波面垂直C.任何波的波线都能表示波的传播方向D.有些波的波面表示传播方向答案:BC解析:任何波线都与波面互相垂直,A错、B对;波线表示波的传播方向,C对、D错。3.下列现象哪些是利用波的反射的()A.手扶耳旁听远处的人说话B.医生给病人做超声波检查C.雷达的工作原理D.潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况答案:ABCD解析:手扶耳旁听远处的人说话是利用了声波的反射;超声波检查身体、潜艇中的声呐都是利用了超声波的反射;雷达则是利用了电磁波的反射。4.一列水波由深水区进入浅水区,入射波与界面夹角为45°,折射波与界面夹角为60°,则下列说法正确的是()A.波在深水区与浅水区的波速相同,频率不同,波长不同B.波在浅水区与深水区中传播时,波速、频率、波长都相同C.深水区中的波速、波长比浅水区中小D.深水区中的波速、波长比浅水区中大