2020版高中物理 第十二章 6 惠更斯原理课件 新人教版选修3-4

6惠更斯原理[学习目标]1.知道什么是波面、波线,知道波的反射、折射现象.2.知道惠更斯原理及对波的反射、折射和衍射现象的解释.课前预习感悟新知教材探究知识点一波面和波线[问题导学]把一颗石子投到平静的池塘里,会激起一圈圈起伏不平的水面波向周围传播,向四面八方传播的波峰(波谷)是否会组成一个个圆?与这些圆垂直的线能否表示波的传播方向?答案:因为水波由波源向四周传开,向各个方向的波速都一样,所以向四面八方传播的波峰(波谷)组成一个个圆,与这些圆垂直的线能表示波的传播方向.[知识梳理]1.波面和波线的概念(1)波面:波源发出的波,向四周传开,组成了一个个圆,也组成一个个圆,振动状态相同的点都组成了一个个圆,这些圆叫做一个个波面.(2)波线:指与波面的那些线,代表了波的传播方向.如图所示.波峰波谷垂直2.波的分类(1)球面波:由空间一点发出的波,它的波面是以为球心的一个个球面,波线就是这些球面的.(2)平面波:指波面是的波.知识点二惠更斯原理[知识梳理]1.内容:介质中任一波面上的各点,都可以看做发射子波的,其后任意时刻,这些子波在波前进方向的就是新的.2.解释现象的过程:如果知道某时刻一列波的某个的位置,还知道,利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个的位置,从而确定波的传播方向.波源半径平面波源包络面波面波面波速波面知识点三波的反射和折射[问题导学](1)对着山崖或高墙说话时,能听到回声;夏日的雷声在云层间轰鸣不绝,你知道这是怎么回事吗?(2)波不仅有反射现象,也有折射现象,请用惠更斯原理解释波的反射和折射现象.答案:(1)这两种现象都是由于声波的反射造成的.(2)①波的反射的解释如图所示,a,c,b三条波线并不同时到达界面,它们到达界面时产生子波的时间也就有先有后,子波传播的距离也就有远有近,A′B′是新的波面,与反射波方向垂直.但由于反射波与入射波相比,波长、波速和频率都不变.所以在图中直角三角形A′AB′≌直角三角形BB′A.也就可以进一步证明入射角i=反射角i′.②波的折射的解释如图所示,当波线a首先于时刻t由介质1到达界面,之后又经过时间Δt,波线b也到达界面;这时A,C′两点发出的子波在介质2中的包络面为图中的A′B′,这是波进入介质2之后的新的波面.由于是两种不同的介质,其中波的传播速度v1,v2不一定相同,在Δt时间内,两条波线传播的距离AA′和BB′也不一定相同,因此波进入第二种介质后传播方向常常发生偏折.[知识梳理]1.反射现象:波遇到介质界面会继续传播的现象.2.折射现象:波从一种介质另一种介质时,波的方向发生改变的现象.返回来射入传播思考判断1.声波是球面波.()2.水波是球面波.()3.横波和纵波都可能是球面波.()4.同一波面上的各质点振动情况完全相同.()5.波在不同的介质里频率、波速、波长都会发生变化.()6.惠更斯原理只能解释波的传播方向,不能解释波的强度.()√×√√×√要点一对惠更斯原理的理解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❶,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❷.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.课堂探究突破要点状元心得❶波源只有一个,而子波的波源有无数个.❷同一波面上的各质点振动情况完全相同.[例1](2019·山西太原校级月考)(多选)关于对惠更斯原理的理解,下列说法正确的是()A.同一波面上的各质点振动情况完全相同B.同一波面上的各质点振动情况可能不相同C.球面波的波面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ACD思路探究:(1)同一波面上各点的振动情况有什么特点?答案:同一波面上的各质点振动情况完全相同.(2)平面波和球面波是怎样定义的?答案:波面是平面的波叫平面波;波面是以波源为中心的一个个球面的波叫球面波.解析:按照惠更斯原理,波面是由任意时刻振动情况完全相同的点构成的面,故A正确,B错误.由波面和波线的概念,不难判定C,D正确.方法总结波面与波线的关系(1)在各向同性的均匀介质中,波线与波面垂直,一定条件下由波面可确定波线,由波线可确定波面.(2)球面波的波线是沿半径方向的直线,平面波的波线是垂直于波面的平行线.[针对训练1](2019·江苏宿迁月考)(多选)下列说法中正确的是()A.只有平面波的波面才与波线垂直B.任何波的波线与波面都相互垂直C.任何波的波线都表示波的传播方向D.有些波的波面表示波的传播方向BC解析:不管是平面波,还是球面波,其波面与波线均垂直,选项A错误,B正确.只有波线才表示波的传播方向,选项C正确,D错误.要点二波的反射现象的应用1.回声测距(1)当声源不动时,声波遇到了静止障碍物会被反射回来继续传播,由于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.设经过时间t听到回声,则声源距障碍物的距离为s=v声2t.(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)2t.(3)当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离静止的声源时,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声-v)2t.2.超声波定位蝙蝠、海豚能发出超声波,超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来.蝙蝠、海豚就是根据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置,从而确定飞行或游动方向.[例2](2018·黑龙江大庆校级期中)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?(设声音在空气中的传播速度为340m/s)过程图示解析: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+x,x1+x=v声t,x2=v车t,联立得x=325m.答案:325m方法总结声波反射的应用技巧(1)利用反射定律解决实际问题,主要是利用声波的直线传播及其反射特点,考查直线运动规律的应用.(2)利用声波的反射测量距离,速度是此类问题的重点,应利用声波的直线传播和反射定律作出声波传播的示意图,再结合几何关系求解.[针对训练2](2019·广东陆丰月考)某人想听到自己发出声音的回声,若已知声音在空气中的传播速度为340m/s,那么他至少要离障碍物多远?(人对声音的分辨时间为0.1s)解析:区别人发出的声音与回声至少需要0.1s的时间.设障碍物至少和人相距s,则有2s=vt,得s=2vt=3400.12m=17m.答案:17m要点三波的反射、折射现象中各量的变化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: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f❶不变不变波速v❷不变改变波长λ❸不变改变状元心得❶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等于入射波的频率,即波源的振动频率相同.❷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.❸据v=λf知,波长λ与v及f有关,即与介质及波源有关,反射波与入射波在同一介质中传播,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.[例3](2019·江西南昌校级检测)如图中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D思路探究:(1)波发生反射时,波速是否发生变化?答案:波发生反射时,仍在同种介质中传播,波速不变.(2)波发生反射和折射时频率是否发生变化?答案:频率由波源决定,波发生反射和折射时不会发生变化.解析:波1,2都在介质a中传播,故1,2的频率、波速、波长均相等,A,B错误.波1,3是在两种不同介质中传播,波速不同,但波源没变,因而频率相等,由λ=vf得波长不同,故C错误,D正确.[针对训练3]如图所示,是声波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ的折射情况,由图判断下面说法中正确的是()A.入射角大于折射角,声波在介质Ⅰ中的波速大于它在介质Ⅱ中的波速B.入射角大于折射角,Ⅰ可能是空气,Ⅱ可能是水C.入射角小于折射角,Ⅰ可能是钢铁,Ⅱ可能是空气D.介质Ⅰ中波速v1与介质Ⅱ中波速v2满足:12vv=21sinsinA解析:图中MN为介质界面,虚线为法线,θ1为入射角,θ2为折射角,从图可直接看出入射角大于折射角(θ1θ2),则选项C错误;根据折射规律有12vv=12sinsin1,所以v1v2,选项D错误,选项A正确;声波在液体、固体中的速度大于在气体中的速度,选项B错误.1.(多选)下列说法正确的是()A.任何波的波线都表示波的传播方向B.波面表示波的传播方向C.只有横波才有波面D.波传播中某时刻任一波面上各子波波面的包络面就是新的波面随堂演练检测效果AD解析:波线表示波的传播方向,故A正确,B错误;所有的波都具有波面,故C错误;由惠更斯原理可知,D正确.2.下列说法正确的是()A.入射角与折射角的比等于两波速比B.入射波的波长小于折射波的波长C.入射波的波长大于折射波的波长D.入射波的波长等于反射波的波长D解析:根据波动的特点可知,入射角与折射角的正弦值之比等于波速之比,A项错;介质不确定时,入射波和折射波的波长大小关系无法确定.3.(2019·江苏淮安校级检测)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B解析:室内声音多次反射后叠加,声音变强,故选B.4.某物体发出的声音在空气中的波长为1m,波速为340m/s,在海水中的波长为4.5m,此物体在海面上发出的声音经0.5s听到回声,则海水深为多少米?解析:因波的频率f=v气气=v水水则在海水中声波的速度v水=水气v气,海水深度h=2vt水.代入数据解得h=382.5m.答案:382.5m核心素养提升(教师备用)[科学·技术·社会·环境]雷达原理雷达(radar)原是“无线电探测与定位”的英文缩写.雷达的基本任务是探测感兴趣的目标,测定有关目标的距离、方向、速度等.雷达发射机产生足够的电磁能量,经过收发转换开关传送给天线.天线将这些电磁能量辐射至大气中,电磁波遇到目标后,将沿着各个方向产生反射,其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向,被雷达天线获取.为了测定目标的距离,雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间,这个延迟时间是电磁波从发射机到目标、再由目标返回雷达接收机的传播时间.根据电磁波的传播速度,可以确定目标的距离为s=2ct;其中s为目标距离;t为电磁波从雷达到目标的往返传播时间;c为光速.