2019-2020学年高中物理 第十二章 机械波 第5节 第6节 惠更斯原理课件 新人教版选修3-4

第5节多普勒效应第6节惠更斯原理学习目标素养提炼1.了解多普勒效应，并能运用多普勒效应解释一些物理现象．2.知道什么是波面和波线，了解惠更斯原理．3.知道波传播到两种介质交界面时会发生反射、折射现象，并能用惠更斯原理进行解释．4.通过生活实例，了解多普勒效应及波的反射、折射在生活中的应用.物理观念：多普勒效应、波面、波线科学思维：惠更斯原理、波的反射和折射科学态度与责任：多普勒效应及波的反射、折射在生活中的应用01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、多普勒效应及其应用1．多普勒效应由于波源与观察者之间有____________，使观察者感到____________的现象．2．多普勒效应产生的原因(1)波源与观察者相互靠近时，单位时间内通过观察者的波峰(或密部)的数目________，观察者观测到的频率________波源的频率，即观察到的频率________．(2)波源与观察者相互远离时，观察到的频率________．相对运动频率改变增加大于变大变小3．多普勒效应的应用(1)测量汽车速度交通警车向行进中的车辆发射________已知的超声波，同时测量__________的频率，根据反射波____________的多少就能知道车辆的速度．(2)测星球速度：测量星球上某些元素发出的光波的________，然后与地球上这些元素________时发光的频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度．(3)测血液流速向人体内发射已知________的超声波，超声波被血管中的血液________后又被仪器接收，测出反射波的____________，就能知道血流的速度．频率反射波频率变化频率静止频率反射频率变化[判断正误](1)声源与观察者相互靠近时，声源的频率增大．()(2)当波源和观察者向同一个方向运动时，一定会发生多普勒效应．()(3)火车的音调越来越高，说明火车正从远处靠近观察者．()二、波面和波线1．波面：在波的传播过程中，任一时刻____________都相同的介质质点所组成的面．2．波线：与波面________指向____________的直线，如图所示．××√振动状态垂直传播方向3．波的分类(1)球面波：波面是________的波．(2)平面波：波面是________的波．4．惠更斯原理(1)内容介质中任一波面上的各点，都可以看作发射子波的________，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的________就是新的波面．(2)现象解释只能解释衍射现象中波的传播方向，不能解释波的________，无法说明衍射现象与狭缝或障碍物________的关系．球面平面波源包络面强度大小[思考]波面一定是平面吗？根据图甲和图乙思考波线与波面的关系是怎样的．提示：波面不一定是平面．波线与波面互相垂直，一定条件下由波面可确定波线，由波线可确定波面．三、波的反射和折射1．反射现象：波遇到介质界面会____________继续传播的现象．2．入射角和反射角(1)入射角：入射波的________与界面________的夹角，如图中i.(2)反射角：反射波的________与界面________的夹角，如图中i′.返回来波线法线波线法线3．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，如图所示．在折射现象中，入射角θ1和折射角θ2的关系为θ1____θ2.射入传播≠[思考]人们听不清对方说话时，除了让一只耳朵转向对方，还习惯性地把同侧的手附在耳旁，如图，这样做是利用声波的什么特点提高耳朵的接收能力？提示：在耳廓原有形状、面积的基础上增加一个手的面积是为了增加波的反射面积来提高耳朵的接收能力.要点一对多普勒效应的理解及分析[探究导入]警车鸣笛从你身边飞速驶过，对于警车向你靠近和警车远离的过程，你会听到警笛的声音在变化．思考下列问题：(1)你听到警笛的音调有何不同？实际上警笛的音调会变化吗？听到音调发生变化的原因是什么？提示：警车驶来时，音调变高；警车远离时音调变低；实际上警笛的音调不会变化；警车与观察者如果相互靠近，观察者接收到的频率增大，二者如果相互远离，观察者接收到的频率减小，因此会感觉警笛音调变化．(2)多普勒效应能否产生与波源和观察者间的距离有关系吗？是不是距离越近，越容易发生多普勒效应？提示：能否发生多普勒效应仅取决于波源和观察者间的距离是否变化，与距离的大小没有关系．1．多普勒效应的成因：发生多普勒效应时，一定是由于波源与观察者之间发生了相对运动．2．相对位置变化与频率的关系(规律)相对位置图示结论波源S和观察者A相对静止，如图所示f波源＝f观察者，音调不变相对位置图示结论波源S不动，观察者A运动，由A→B或A→C，如图所示若靠近波源，由A→B，则f波源＜f观察者，音调变高；若远离波源，由A→C，则f波源＞f观察者，音调变低观察者A不动，波源S运动，由S→S2，如图所示f波源＜f观察者，音调变高[易错提醒]1无论什么情况，发生多普勒效应时，波源与观察者肯定有相对运动.二者相互靠近时，观察者接收到的频率变高；相互远离时，接收到的频率变低.2多普勒效应的产生不是取决于观察者距波源多远，而是取决于观察者相对于波源的运动速度的大小和方向.[典例1]公路巡警开车在高速公路上以100km/h的恒定速度巡查，在同一车道上巡警车向前方的一辆轿车发出一个已知频率的电磁波，结果该电磁波被那辆轿车反射回来时，巡警车接收到的电磁波频率比发出时低．(1)此现象属于()A．波的衍射B．波的干涉C．多普勒效应D．波的反射(2)若轿车以20m/s的速度行进，反射回的电磁波频率应怎样变化？[思路点拨]接收的电磁波频率就是感受到的频率，它与电磁波的实际频率不相等，这种现象自然是多普勒效应．[解析](1)巡警车接收到的电磁波频率比发出时低，此现象为多普勒效应．(2)若该车以20m/s的速度行进，此时警车与轿车在相互靠近，由多普勒效应知反射回的电磁波频率应变高．[答案](1)C(2)变高[规律总结](1)多普勒效应是指所接收到的波的频率与波源频率不同的现象，并不是接收到波的强度发生变化的现象，要正确区分频率和强度这两个物理量．(2)观察者垂直于波的传播方向移动时，不产生多普勒效应．(3)波的传播速度不因波源的移动而改变．1．(多选)假如一辆汽车在静止时喇叭发出声音的频率是300Hz，在汽车向你驶来又擦身而过的过程中，下列说法正确的是()A．当汽车向你驶来时，听到喇叭声音的频率大于300HzB．当汽车向你驶来时，听到喇叭声音的频率小于300HzC．当汽车和你擦身而过后，听到喇叭声音的频率大于300HzD．当汽车和你擦身而过后，听到喇叭声音的频率小于300Hz解析：当汽车向你驶来时，两者距离减小，你接收的声波个数增多，频率升高，将大于300Hz，故A选项正确；当汽车和你擦身而过后，两者距离变大，你接收的声波个数减少，频率降低，将小于300Hz，故D选项正确．答案：AD2．(多选)如图所示为一波源O做匀速直线运动时在均匀介质中产生的波的情况，则()A．该波源正在移向a点B．该波源正在移向b点C．在a处观测波的频率变低D．在b处观测波的频率变低解析：此题考查的是多普勒效应的模型及原理．波源在某一位置产生一列波后，该波以该位置为球心，以波速作为传播速度向外传播．波的半径大，表示产生时间早，传播时间长．对照图示，可确定出波源由右向左移动，故A正确，B错误．由于观测者不动，故波经过观测者的速度等于波速，而在a处观测时，相邻波的间距比波源不动时的间距小，因而经过观测者时间的间隔短，频率大，同理在b处时间间隔长，频率小，故选项C错误，D正确．答案：AD要点二惠更斯原理的理解[探究导入]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？提示：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)会组成一个个圆．与这些圆垂直的线能表示波的传播方向．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．利用惠更斯原理解释波的传播如图1所示，以O为球心的球面波在时刻t的波面为γ，按照惠更斯原理，γ面上每个点都是子波的波源．设各个方向的波速都是v，在Δt时间之后各子波的波面如图中一个个的小圆所示，它的半径是vΔt.γ′是这些子波波面的包络面，它就是原来球面波的波面γ在时间Δt后的新位置．可以看出，新的波面仍是一个球面，它与原来球面的半径之差为vΔt，表示波向前传播了vΔt的距离．图1图2与此类似，可以用惠更斯原理说明平面波的传播(如图2所示)．3．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．[典例2](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．波由波源传播到同一波面上的时间可能不相同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[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，既然波面上各质点的振动状态始终相同，那么波由波源传到同一波面上的各点的时间必定相同，即同一波面上的质点必然同时开始振动，故A对，B错．由波面和波线的概念，不难判定C、D正确．故正确答案为A、C、D.[答案]ACD[方法技巧]利用惠更斯原理解释波的传播的一般步骤(1)确定一列波某时刻一个波面的位置．(2)在波面上取两点或多个点作为子波的波源．(3)选一段时间Δt.(4)根据波速确定Δt时间后子波波面的位置．(5)确定子波在波前进方向上的包络面，即为新的波面．(6)由新的波面可确定波线及其方向．3．(多选)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．答案：BC4．下列说法中正确的是()A．根据惠更斯原理可知，介质中任一波面上的各点，都可以看作发射子波的波源B．惠更斯原理只能解释球面波的传播，不能解释平面波的传播C．若知道某时刻一列波的某个波面的位置，由惠更斯原理可以确定波的传播方向D．惠更斯原理不能解释波的直线传播，可以解释波的反射与折射等相关现象解析：根据惠更斯原理，我们可以知道，介质中任意波面上的各点，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，A正确；惠更斯原理既可以解释球面波的传播，也可以解释平面波的传播，B错误；仅知道某时刻一列波的某个波面的位置，无法确定波的传播方向，故C错误；惠更斯原理能解释波的直线传播、反射与折射等相关现象，故D错误．答案：A要点三波的反射和波的折射[探究导入](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？提示：这两种现象都是由于声波的反射造成的．(2)如图所示为两波的示意图，波由介质1进入介质2时频率变化吗？波长变化吗？提示：频率由波源确定，故频率不变化；波速由介质决定，故波速变化，由λ＝vf知波长变化．1．波的反射和折射的比较波向前传播在两介质的界面上同时发生了反射和折射现象，一些物理量相应发生了变化，比较如下：波现象比较项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f不变不变波速v不变改变波长λ不变改变2.关于波速、频率的两点说明(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)