2020年高中物理 第二章 机械波2.3 惠更斯原理及其应用课件 教科版选修3-4

第三节惠更斯原理及其应用目标导航预习导引学习目标1.了解惠更斯原理,理解惠更斯原理的物理含义。2.知道波面、波前、波线等概念。3.会用惠更斯原理分析波的传播规律,比如波的反射和折射。4.知道波在各向同性的均匀介质的传播规律。5.知道波的反射定律和折射定律,并会应用波的反射、折射定律解释生活中的现象重点难点惠更斯原理及其应用目标导航预习导引一二三四一、惠更斯原理1.波面与波线(1)波面:在波的传播过程中,某时刻任何振动状态都相同的介质质点所组成的面。在某一时刻,最前面的波面叫做波前。(2)波线:与各个波面垂直的线,用来表示波的传播方向。如图所示。目标导航预习导引一二三四2.波的分类(1)球面波:由空间一点发出的波,它的波面是以波源为球心的一个个球面,波线就是这些球面的半径。(2)平面波,指波面是平面的波。3.惠更斯原理介质中任一波面上的各点,都可以看作发射子波的波源,其后任意时刻,这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面。将一颗石子投到池塘的中央,可以看到一圈圈的水波由中央向外传播,其中这一圈圈的波峰构成的是波面还是波线?提示波面。波面由振动状态相同的点组成,而波线对应波的传播方向。目标导航预习导引一二三四二、惠更斯原理的应用如果知道某时刻一列波的某个波面的位置,还知道波速,利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个波面的位置,从而确定波的传播方向。目标导航预习导引一二三四三、波的反射1.定义:波遇到障碍物时会返回来继续传播的现象。2.反射定律(1)入射角:入射波线与反射面法线的夹角,如图中的α。(2)反射角:反射波线与反射面法线的夹角,如图中的β。(3)反射定律:反射波线、入射波线和法线在同一平面内,反射波线和入射波线分别位于法线两侧,反射角等于入射角。目标导航预习导引一二三四夏天的雨季,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。提示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。目标导航预习导引一二三四四、波的折射1.折射现象波在传播过程中,由一种介质进入另一种介质时,波的传播方向发生偏折的现象,如图所示。2.折射规律(1)频率:频率不变;(2)波速:发生变化;(3)波长:发生变化。3.折射定律(1)内容:入射角的正弦跟折射角的正弦之比,等于波在第Ⅰ种介质中的波速与波在第Ⅱ种介质中的波速之比。(2)公式:sin𝑖sin𝛾=𝑣Ⅰ𝑣Ⅱ。一二知识精要典题例解迁移应用一、惠更斯原理1.惠更斯原理的实质波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源,子波的波速与频率等于初级波的波速和频率,此后每一时刻的子波波面的包络面就是该时刻总的波动的波面。其核心思想是介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。2.惠更斯原理的局限性光的直线传播、反射、折射等都能用此来进行较好的解释。但是,惠更斯原理是比较粗糙的,用它不能解释衍射现象(下一节会学习)与狭缝或障碍物大小的关系,而且由惠更斯原理推知有倒退波的存在,而倒退波显然是不存在的。一二知识精要典题例解迁移应用【例1】(多选)下列对惠更斯原理的理解,正确的是()A.同一波面上的各质点振动情况完全相同B.同一振源的不同波面上的质点的振动情况可能相同C.球面波是以波源为中心的一个个球面D.无论怎样的波,波线始终和波面垂直思路分析本题考查惠更斯原理,求解时要理解惠更斯原理,知道波线与波面的关系。一二知识精要典题例解迁移应用解析:根据惠更斯原理,介质中任一波面上的各点,都可以看作发射子波的波源,其后任意时刻,这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面,同一波面上各质点的振动情况完全相同,选项A正确;不同波面上质点的振动情况可能相同,选项B正确;波线始终与波面垂直,选项D正确;球面波是以波源为中心的一个个球面,选项C正确。答案:ABCD一二知识精要典题例解迁移应用(多选)下列说法正确的是()A.波在介质中传播的过程中,振动相同的点连接起来组成的面就叫做波面B.波线是用来表示波的传播方向的,波线与波面总是垂直的C.无论是球面波,还是平面波,同一波面上各质点的振动情况完全一样D.波面上的各点都可以看作一个个新的小波源,称为子波,子波在前进方向上任意时刻形成的包络面,就是新的波面答案:BCD一二知识精要典题例解迁移应用解析:振动相同的质点在同一时刻组成的面,叫做波面,故A错;波线表示波的传播方向,在同一种介质中传播时,波线与波面总是垂直,表示为一条直线,在不同介质中传播时表示为折线或曲线,但总跟在对应介质中的波面垂直,故B对;波面是同一时刻各质点连线组成的,其上各质点振动情况一样,可以看作相同的一个个新的小波源,这些波向前传播情况一样,经过相同时刻到达的位置的连线又可以连接成一个面,就形成新的波面,故C、D均正确。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用二、波的反射和波的折射1.波向前传播在两介质的界面上同时发生了反射现象和折射现象,一些物理量相应地发生变化,比较如下:比较项波的反射波的折射传播方向改变i=i'改变r≠i频率f不变不变波速v不变改变波长λ不变改变一二知识精要思考探究典题例解迁移应用2.说明:(1)频率f由波源决定,故无论是反射波的频率还是折射波的频率都与入射波的频率,即波源的振动频率相同。(2)波速v由介质决定,因反射波与入射波在同一介质中传播,故波速不变,而折射波与入射波在不同介质中传播,所以波速变化。(3)据v=λf知,波长λ与v及f有关,即与介质和波源有关,反射波与入射波在同一介质中波速相同,频率相同,故波长相同。折射波与入射波在不同介质中传播,v不同,f相同,故λ不同。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用1.怎样利用惠更斯原理解析波的反射定律?答案:如图中a、b、c是入射波的波线,a'、b'、c'是反射波的波线。过a的入射点A作AB,在波面AB上找三点A、C、B作为子波源;设波速为v,取时间间隔;作Δt时间后子波源A、C'发出的子波波面如图;画出子波波面的包络面A'B',根据波线与波面的方位关系画出反射波线如图。Δt=𝐵𝐵'𝑣一二知识精要思考探究典题例解迁移应用在直角三角形AB'B和直角三角形B'AA'中,AB'是公共边,由于波从B传播到B'所用的时间与波从A传播到A'所用的时间是一样的。而波在同种介质中的波速相同,故B'B=AA'。因此直角三角形AB'B≌直角三角形B'AA',所以∠A'AB'=∠BB'A,入射角i和反射角i'分别为∠BB'A和∠A'AB'的余角,所以i'=i,也就是说,在波的反射中,反射角等于入射角。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用2.怎样利用惠更斯原理解析折射定律?答案:波在第1种介质中的传播方向(波线的方向)与法线间的夹角称为入射角,如图中的θ1;波进入第2种介质后,它的传播方向(波线的方向)与法线间的夹角称为折射角,如图中的θ2。利用平面几何知识可以得到折射角θ2与入射角θ1的以下关系用惠更斯原理研究波的折射sin𝜃1sin𝜃2=𝑣1𝑣2①一二知识精要思考探究典题例解迁移应用由于一定介质中的波速是一定的,所以𝑣1𝑣2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2种介质对第1种介质的折射率,用n12表示,n12=𝑣1𝑣2②从①式可以看出,如果第2种介质中的波速小于第一种介质中的波速,波在进入第2种介质后,传播方向将向法线靠拢。这个结论与实验得到的波的折射定律是一致的。一二知识精要思考探究典题例解迁移应用【例2】下图是一列机械波从一种介质进入另一种介质时发生的现象,已知波在介质Ⅰ中的波速为v1,波在介质Ⅱ中的波速为v2,则v1∶v2为多少?思路分析从图中找出入射角和折射角,然后根据波的折射定律sin𝑖sin𝑟=𝑣1𝑣2求波在两种介质中的速度之比。解析:因为i=60°,r=45°,由折射定律可知𝑣1𝑣2=sin𝑖sin𝑟=sin60°sin45°=62。答案:6∶2一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一二知识精要思考探究典题例解迁移应用一二知识精要思考探究典题例解迁移应用(多选)下列哪些现象与波的反射有关()A.在空谷中叫喊可以听到回声B.振动的音叉在水面产生涟漪C.夏日的雷声轰鸣不绝D.声呐可以用来探测海底深度答案:ACD解析:回声是由于声波的反射而形成的,故选项A是波的反射,选项B是振动产生波,并非波的反射,声呐的工作原理就是波的反射,D项正确。雷声轰鸣不绝是由于雷声在地面与云层之间、云层与云层之间来回反射而形成的,C项正确。