2020版高中物理 第十二章 4 波的衍射和干涉课件 新人教版选修3-4

4波的衍射和干涉[学习目标]1.知道波的衍射现象,了解发生明显衍射的条件.2.知道波的叠加原理,知道波的干涉现象实质上是波的一种特殊的叠加现象.3.了解形成稳定干涉图样的条件,知道波的干涉图样的特点,掌握振动加强点、减弱点的振动情况.4.知道衍射和干涉是波特有的现象.课前预习感悟新知教材探究知识点一波的衍射[问题导学]如图所示,日常生活中,“闻其声不见其人”的物理现象说明了什么?答案:声波易绕过障碍物传入人耳,而光波沿直线传播,不易绕过障碍物.[知识梳理]1.定义:波可以继续传播的现象.2.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.,或者比波长.知识点二波的叠加[问题导学]“风声、雨声、读书声,声声入耳”这说明不同的声波在空气中相互交错,它们相互影响吗?答案:不同声波能保持各自的性质向前传播而互不影响.绕过障碍物相差不多小[知识梳理]几列波相遇时能够保持各自的,继续传播,在它们重叠的区域里,介质的质点参与这几列波引起的振动,质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的.知识点三波的干涉[问题导学]如图所示,操场中两根竖直杆上各有一个扬声器,接在同一扩音机上,一位同学沿着AB方向走来,他听到的两列声波叠加后的声音会有什么变化?答案:声音忽强忽弱.运动特征同时矢量和[知识梳理]1.定义:相同的两列波叠加时,某些区域的振幅、某些区域的振幅的现象.2.干涉图样:波的干涉中所形成的.3.必要条件:两列波的必须相同,两个波源的必须保持不变.4.普遍性:一切波都能发生干涉,干涉是的现象.频率加大减小图样频率相位差波特有思考判断1.光波也能发生衍射现象,只是通常我们观察不到.()2.介质质点同时参与几列波的振动,质点的位移等于几列波单独传播时引起的位移的大小之和.()3.孔、缝的宽度或障碍物的尺寸与波长的关系仅是衍射能否明显发生的条件,与波速、周期无关.()4.水面上传播的水波能够绕过芦苇、石头、桥洞,都是典型的水波衍射现象.()5.振幅相同、频率相等、在同一平面内振动的两列水波相向传播时,相遇时两列波相互抵消,水面会风平浪静.()6.波的叠加是无条件的,任何频率的两列波在空间相遇都会叠加,发生稳定干涉图样是有条件的.()√×√√×√要点一对波的衍射现象的理解1.波的衍射:波的衍射是没有条件的,衍射是波特有的现象,一切波都可以发生衍射.衍射只有“明显”与“不明显”之分❶,障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多,或比波长小是产生明显衍射的条件❷.2.波的衍射的实质:波传到小孔(障碍物)时,小孔(障碍物)仿佛是一个新波源,由它发出的与原来同频率的波在小孔(障碍物)后传播,就偏离了直线方向.波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况.课堂探究突破要点状元心得❶不会出现“不发生衍射现象”的情况.❷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.[例1]如图所示,图中O点是水面上一波源,实线、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以外区域C.阴影Ⅱ以外区域D.上述选项均不对B解析:从题图中可以看出挡板A比水波波长大得多,因此波不会绕过挡板A,而小孔B的大小与波长差不多,能发生明显的衍射现象,故B正确.方法总结使波产生明显衍射的两种方法一是在波长不变的情况下改变障碍物或小孔的大小;二是在障碍物或小孔不变的情况下改变波长.[针对训练1]关于波的衍射现象,下列说法中正确的是()A.某些波在一定条件下才有衍射现象B.不是所有的波在任何情况下都有衍射现象C.一切波在一定条件下才有衍射现象D.一切波在任何情况下都有衍射现象D解析:衍射现象是波在传播过程中所特有的特征,没有条件,故一切波在任何情况下都有衍射现象,只是有的明显,有的不明显,故D正确.要点二波的叠加与波的干涉1.波的独立传播:几列波相遇时能够保持各自的运动特征,继续传播.即各自的波长、频率等保持不变.2.关于干涉的条件(1)波的叠加是无条件的,任何频率的两列波在空间相遇都会叠加.但稳定干涉图样的产生是有条件的,必须是两列同类的波,并且波的频率相同、振动方向在同一直线上、相位差恒定.(2)如果两列波的频率不相等,在同一种介质中传播时其波长就不相等,这样不能形成稳定的振动加强点和减弱点.因此我们就看不到稳定的干涉图样.只能是一般的振动叠加现象.3.关于加强点(区)和减弱点(区)(1)加强点❶:在某些点两列波引起的振动始终加强,质点的振动最剧烈,振动的振幅等于两列波的振幅之和,A=A1+A2.(2)减弱点❷:在某些点两列波引起的振动始终相互削弱,质点振动的振幅等于两列波的振幅之差,A=|A1-A2|,若两列波振幅相同,质点振动的合振幅就等于零,并不振动,保持平静.4.干涉图样及其特征(1)干涉图样:如图所示.(2)特征:①加强区和减弱区的位置固定不变.②加强区始终加强,减弱区始终减弱(加强区与减弱区不随时间变化).③加强区与减弱区互相间隔.状元心得❶振动加强的点和振动减弱的点始终以振源的频率振动,其振幅不变(若是振动减弱点,振幅可为0).振动加强点并不是始终处于波峰,其位移随时间不断变化,只是振幅最大,等于两列波的振幅之和.❷振动减弱的质点并非一定不振动,只是振幅最小,等于两列波的振幅之差.考查角度1:波的叠加[例2]两个不等幅的脉冲波在均匀介质中均以1.0m/s的速度沿同一直线相向传播,t=0时刻的图形如图所示,图中小方格的边长为0.1m,则以下不同时刻,波形错误的是()C解析:根据波的叠加原理可知,叠加后任一点位移为两列波分别引起位移的矢量和,经0.3s,0.4s,0.5s,0.6s后,每列波形往前平移的距离分别为0.3m,0.4m,0.5m,0.6m,由叠加原理可知A,B,D正确.方法总结两列波相互叠加时,叠加区质点的位移等于两列波分别引起的位移的矢量和,而不是位移大小的代数和.考查角度2:波的干涉[例3]如图所示,S是水面波的波源,x,y是挡板,S1,S2是两个狭缝(SS1=SS2,狭缝的尺寸比波长小得多),试回答以下问题:(1)若闭上S1,只打开S2,会看到什么现象?解析:(1)只打开S2时,波源S产生的波传播到狭缝S2时,由于狭缝的尺寸比波长小,于是水面波在狭缝S2处发生衍射现象,水面波以狭缝S2处为波源向挡板另一侧传播开来.答案:(1)水面波以狭缝S2处为波源向挡板另一侧传播开来(2)若S1,S2都打开,会发生什么现象?解析:(2)由于SS1=SS2,所以从波源发出的水波传播到S1,S2处时它们的振动情况完全相同,当S1,S2都打开时产生相干波,它们在空间相遇时产生干涉现象,一些地方振动加强,一些地方振动减弱,加强区与减弱区相互隔开,发生明显的干涉现象.答案:(2)发生明显的干涉现象(3)若实线和虚线分别表示波峰和波谷,那么在A,B,C,D四点中,哪些点是振动加强点,哪些点是振动减弱点?解析:(3)点D是波峰与波峰相遇处,是振动加强点;点B是波谷与波谷相遇处,也是振动加强点,点A,C是波峰与波谷相遇的地方,这两点是振动减弱点.答案:(3)B,DA,C(4)若两列波单独传播时的振幅相等,都为A,现两列波同时传播.关于加强点的理解,小明认为:由于加强点始终加强,故加强点的位移始终是2A.他的说法对吗?为什么?答案:(4)见解析解析:(4)不对.加强点的最大位移即振幅是2A,但加强点也是做简谐运动的.若某时刻加强点处于波峰,经过4T,位移为0(处于平衡位置),经过2T,处于波谷.方法总结振动加强点与振动减弱点的判断方法(1)振动加强点和振动减弱点的理解:不能认为振动加强点的位移始终最大,振动减弱点的位移始终最小,振动加强点也在振动着,位移可为零.(2)条件判断法:振动情况完全相同的两波源产生的波叠加时,加强、减弱条件如下:设点到两波源的路程差为Δx,当Δx=2k·2(k=0,1,2,…)时为振动加强点;当Δx=(2k+1)·2(k=0,1,2,…)时为振动减弱点.若两波源振动步调相反,则上述结论相反.(3)现象判断法:若某点总是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇,该点为振动加强点;若总是波峰与波谷相遇,则为振动减弱点.[针对训练2]波源S1和S2的振动方向相同,频率均为4Hz,分别置于均匀介质中x轴上的O,A两点处,OA=2m,如图所示.两波源产生的简谐横波沿x轴相向传播,波速为4m/s.已知两波源振动的初始相位相同.求:(1)简谐横波的波长;解析:(1)设简谐横波波长为λ,频率为f,则v=λf,代入已知数据,得λ=1m.答案:(1)1m(2)OA间合振动振幅最小的点的位置.答案:(2)见解析解析:(2)以O为坐标原点,设P为OA间的任意一点,其坐标为x,则两波源到P点的波程差Δl=x-(2-x),0≤x≤2.其中x,Δl以m为单位.合振动振幅最小的点的位置满足Δl=(k+12)λ,k为整数,所以x=12k+54,可得-52≤k≤32,故k=-2,-1,0,1.解得x=0.25m,0.75m,1.25m,1.75m.1.已知空气中的声速为340m/s.现有几种声波:①周期为120s,②频率为104Hz,③波长为10m.它们传播时若遇到宽约为13m的障碍物,能产生显著的衍射现象的是()A.①和②B.②和③C.①和③D.都可以随堂演练检测效果C解析:①,②,③三种声波的波长分别为λ1=340×120m=17m,λ2=434010m=0.034m,λ3=10m,根据发生明显衍射现象的条件可知,①,③两种声波的波长与障碍物的尺寸差不多,能产生明显的衍射现象,故C正确.2.(多选)当两列同频率的水波发生干涉现象时,若两列波的波峰在P点相遇,则()A.质点P的振动始终加强B.质点P的频率最大C.质点P的位移始终最大D.质点P的位移有时可能为零AD解析:由于两列波的波峰在P点相遇,P点是振动加强点,且振动始终加强,A正确;两列波发生干涉,它们的周期和频率不会发生改变,各个点的频率仍是相同的,B错误;振动加强并不意味着其位移始终最大,振动加强点的振幅最大,但位移总在变化,有时可能为零,C错误,D正确.3.两列沿相反方向传播的振幅和波长都相同的半波如图(甲),在相遇的某一时刻如图(乙)两列波“消失”,此时图中a,b质点的振动方向是()A.a向上,b向下B.a向下,b向上C.a,b都静止D.a,b都向上B解析:由波的叠加原理知,波在相遇时互不影响地相互通过,通过后各自保持原有的状态继续传播.在图(乙)所对应的时刻,根据波的传播方向和质点的振动方向之间的关系可以判定选项B是正确的.4.(多选)如图所示,S1,S2是振动情况完全相同的两个机械波波源,振幅为A.a,b,c三点分别位于S1,S2连线的中垂线上,且ab=bc.某时刻a是两列波波峰的相遇点,c是两列波波谷的相遇点,则()A.a处质点的位移始终为2AB.c处质点的位移始终为-2AC.b处质点的振幅为2AD.c处质点的振幅为2ACD解析:因为a,b,c三点均在S1,S2连线的中垂线上,则各点到S1,S2的距离相等,则S1与S2到各点的波程差为零,S1与S2振动情况相同,则a,b,c各点振动加强,振动加强并不是位移不变,而是振幅为2A.5.(多选)如图所示,S1,S2为两个振动情况完全一样的波源,两列波的波长都为λ,它们在介质中产生干涉现象,S1,S2在空间共形成6个振动减弱的区域(图中虚线处),P是振动减弱区域中的一点,从图中可以看出()A.P点到两波源的距离差等于2λB.P点始终不振动C.P点此时刻振动最弱,过半个周期后,振动变为最强D.当一列波的波峰传到P点时,另一列波的波谷也一定传到P点BD解析:振动减弱点到两波源距离差等于半波长的奇数倍,A错;两波源振动情况相同,故P点振幅为零,B对,C错;在P点合位移为零,故其中一列波的波峰传播到P点时,另一列波的波谷也传播到P点,D对.