2019-2020学年高中物理 第十二章 机械波 第4节 波的衍射和干涉课件 新人教版选修3-4

第4节波的衍射和干涉学习目标素养提炼1.知道什么是波的衍射现象，知道波发生明显衍射现象的条件，知道衍射是波特有的现象．2.知道波的叠加原理，知道什么是波的干涉现象和干涉图样，知道干涉现象也是波所特有的现象．3.了解波的衍射和干涉在生活中的应用，感受物理与生活之间的联系.物理观念：波的衍射现象、波的干涉现象科学思维：波的叠加原理、干涉图样科学态度与责任：波的衍射和干涉在生活中的应用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、波的衍射1．定义：波可以绕过__________继续传播的现象．2．实验及现象(1)实验：在水槽里放两块挡板，中间留一个________．(2)现象：①狭缝宽度比波长大得多时：波的传播如同光沿________传播一样，挡板后面产生“阴影区”．②狭缝宽度与波长相差不多或狭缝宽度比波长更小时，水波________挡板后面继续传播．障碍物狭缝直线绕到3．发生明显衍射现象的条件只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长____________，或者比波长________时，才能观察到明显的衍射现象．[判断正误](1)一切波遇到障碍物都会发生衍射现象．()(2)只有当障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时，才会发生衍射现象．()(3)当小孔大小一定时，波的频率越大，衍射现象越明显．()(4)当障碍物大小一定时，波的频率越小，衍射现象越明显．()相差不多更小√××√二、波的叠加1．几列波相遇时能够保持各自的运动特征，继续传播，在它们重叠的区域里，介质的质点同时参与这几列波引起的________，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的________．图a表示了分别向右、向左传播的两列波1和2在相遇区域内的叠加过程．振动矢量和2．波的叠加原理是波具有独立传播性质的必然结果，由于总位移是两个位移的矢量和，所以叠加区域的质点的位移可能增大，也可能减小．波峰与波峰叠加，或波谷与波谷叠加，振动________，振幅________．(如图a所示)波峰与波谷叠加，振动________，振幅________．(如图b所示)加强增大减弱减小[判断正误](1)相遇后振幅小的一列波将减弱，振幅大的一列波将加强．()(2)相遇后两列波各自的波形和传播方向与相遇前完全相同．()(3)在相遇区域，任一点的总位移等于两列波分别引起的位移的矢量和．()(4)几个人在同一房间说话，相互都听得清楚说明波在相遇时互不干扰．()×√√√三、波的干涉1．实验及现象(1)实验：水槽中，波源是固定在同一个振动片上的两根细杆，当振动片振动时，两根细杆________地触动水面，形成两个波源，这两个波源发出的是频率相同、相位相同、____________也相同的两列波．(2)现象：两列波相遇后，水面上出现了一条条__________的区域和____________的区域，这两种区域在水面上的位置是稳定不变的．周期性振动方向相对平静激烈振动2．现象解释(1)加强点：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____________．(2)减弱点：在某些点，两列波引起的振动始终削弱，质点振动的振幅等于两列波的____________，若两列波振幅相同，质点振动的合振幅就等于________，水面保持平静．3．干涉定义：________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．振幅之和振幅之差零频率加大减小4．干涉图样：波的干涉中所形成的图样．5．干涉条件：两列波的________相同，两波源的相位差必须保持________．6．一切波都能发生干涉，干涉是波特有的现象．频率不变[思考]有人说在波的干涉现象中，加强点就是位移始终最大的点，减弱点就是位移始终为零的点，这种说法对吗？提示：这种说法不正确．在干涉图样中的加强点是以两列波的振幅之和为振幅做振动的点，某一瞬时振动位移可能是零．同理，减弱点是以两列波的振幅之差为振幅做振动的点，它的位移不一定始终为零.要点一对衍射现象的理解[探究导入]如图所示是一个可观察水波衍射的水波发生槽，振源的频率是可以调节的，槽中放置两块可移动的挡板形成的宽度可调节的小孔，观察水波的传播；也可以在水槽中放置宽度不同的挡板，观察水波的传播．水波遇到小孔时，会观察到什么现象？依次减小小孔尺寸，观察到的现象有什么变化？提示：水波遇到小孔时，水波能穿过小孔，并能到达挡板后面的“阴影区”，小孔的尺寸减小时，水波到达“阴影区”的现象更加明显．1．衍射是波特有的现象，一切波都可以发生衍射．凡能发生衍射现象的就是波．2．波的衍射总是存在的，只有“明显”与“不明显”的差异．波长较长的波容易发生明显的衍射现象．3．波传到小孔(障碍物)时，小孔(障碍物)仿佛一个新波源，由它发出与原来同频率的波在孔(障碍物)后传播，偏离了直线方向．因此，波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况．[易错提醒]1障碍物的尺寸的大小不是发生衍射的条件，而是发生明显衍射的条件，波长越大越易发生明显衍射现象.2当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射十分突出，但衍射波的能量很弱，也很难观察到波的衍射.[典例1](多选)如图是观察水面波衍射的实验装置，AC和BD是两块挡板，AB是一个孔，O是波源，图中已画出波源所在区域波的传播情况，每两条相邻波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长．则关于波经过孔之后的传播情况，下列描述中正确的是()A．此时能明显观察到波的衍射现象B．挡板前后波纹间距离相等C．如果将孔AB扩大，有可能观察不到明显的衍射现象D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，能更明显地观察到衍射现象[思路点拨](1)波发生明显衍射的条件是什么？(2)波通过小孔后其传播速度是否发生了改变？[解析]发生明显衍射现象的条件：障碍物或孔的尺寸比波长小或与波长相差不多．从题图中可看出孔AB的尺寸与波长相差不多，所以此时能明显地观察到波的衍射现象，A正确；因为穿过小孔后的波速不变，频率相同，所以波长也相同，B正确；若将孔AB扩大，将可能不满足发生明显衍射现象的条件，就有可能观察不到明显的衍射现象，C正确；若将波源频率增大，由于波速不变，所以波长变小，将可能不满足发生明显衍射现象的条件，就可能观察不到明显的衍射现象，D错误．[答案]ABC[方法技巧]要掌握波的衍射现象应从以下三个方面入手：(1)掌握衍射现象的定义．(2)掌握发生明显衍射现象的条件．(3)记住常见的衍射现象，增加感性认识．1．(多选)下列说法中正确的是()A．孔的尺寸比波长大得多时不会发生衍射现象B．孔的尺寸比波长小才发生衍射现象C．只有孔的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象D．只有波才有衍射现象解析：波绕过障碍物的现象称为波的衍射现象，发生明显衍射的条件是孔或障碍物尺寸跟波长相差不多或者比波长更小．孔径大并不是不发生衍射，只是更突出原波的传播，波面只有边缘有变化，换句话说，波的衍射现象不明显，所以A、B项错误，C项正确．衍射现象是波的特有的现象，所以D项正确．答案：CD2．(多选)下图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(A、B、C图)或障碍物(D图)，其中能发生明显衍射现象的有()解析：图B、C中小孔与波长相差不多，能发生明显衍射，图A、D中障碍物与波长相差太多，不能发生明显衍射．答案：BC要点二对干涉现象的理解[探究导入]如图所示，与振动发生器相连的两个小球，在振动发生器的带动下上下振动，形成两个振动频率和振动步调相同的波源，在水面上形成两列步调、频率相同的波，两列波在水面上相遇时，能观察到什么现象？如果改变其中一个小球振动的快慢，还会形成这种现象吗？提示：在水面上出现一条条从两个波源中间伸展开的相对平静的区域和剧烈振动的区域．改变其中一个小球振动的快慢，这种现象将消失．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．2．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．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．明显的干涉图样和稳定的干涉图样意义是不同的，明显的干涉图样除了满足相干条件外，还必须满足两列波振幅差别不大．振幅越是接近，干涉图样越明显．4．发生干涉现象时，振动加强的点和振动减弱的点始终在以振源的频率振动，其叠加后的振幅不变，但其位移随时间发生变化．5．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．[易错提醒]1发生干涉现象时，振动加强的点的振动总是加强，但并不是始终处于波峰或波谷，它们都在平衡位置附近振动，有的时刻位移也为零.2发生干涉现象时，振动减弱点的振动始终减弱，位移的大小始终等于两列波分别引起位移的大小之差，振幅为两列波振幅之差.如果两列波的振幅相同，则振动减弱点总是处于平衡位置.[典例2](多选)如图表示两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇．图中实线表示某时刻的波峰，虚线表示的是波谷，下列说法正确的是()A．a、c两点的振动加强，b、d两点的振动减弱B．e、f两点的振动介于加强点和减弱点之间C．经适当的时间后，加强点和减弱点的位置互换D．经半个周期后，原来位于波峰的点将位于波谷，原来位于波谷的点将位于波峰[思路点拨]在波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇处，振动加强，在波峰与波谷相遇处，振动减弱．随着波峰(波谷)的移动，相遇在不断改变．因而，振动加强(减弱)的位置不是几个点，而是几条线．[解析]波的干涉示意图表示的是某一时刻两列相干波叠加的情况，形成干涉图样的所有质点都在不停地振动着，其位移的大小和方向都在不停地变化着．但要注意，对稳定的干涉，振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的．此时a点是波谷和波谷相遇的点，c是波峰和波峰相遇的点，都是振动加强的点；而b、d两点都是波峰和波谷相遇的点，是振动减弱的点，A项正确．e位于加强点的连线上，为加强点，f位于减弱点的连线上，为减弱点，B项错误．相干波叠加产生的干涉是稳定的，不会随时间变化，C项错误．因形成干涉图样的质点不停地做周期性振动，经半个周期步调相反，D项正确．[答案]AD[规律总结]理解干涉现象的两点注意(1)振动加强(减弱)的位置不只是某几个位置，而是一条条线(干涉图样)．(2)振动加强的质点的振动位移随时间做周期性变化，而不是一直处于波峰(或波谷)处．3．两波源S1、S2在水槽中形成的波形如图所示，其中实线表示波峰，虚线表示波谷，则()A．在两波相遇的区域中会产生稳定干涉B．在两波相遇的区域中不会产生稳定干涉C．a点的振动始终加强D．a点的振动始终减弱解析：由图可知，两列波的波长不相等，由v＝λf，知f不相等，不满足波产生稳定干涉的条件，故B正确．答案：B4．(多选)如图所示，实线和虚线分别表示振幅、频率均相同的两列波的波峰和波谷．此刻，M是波峰与波峰相遇点，下列说法中正确的是()A．该时刻质点O正处在平衡位置B．P、N两点始终处于平衡位置C．M点经过四分之一周期变为减弱点D．从该时刻起，经过四分之一周期，质点M到达平衡位置解析：由题图可知，O、M为振动加强点，此时O点处于波谷，M点处于波峰，M点是峰、峰相遇，M点为加强点，则始终为加强点，A、C错误；N、P两点为减弱点，又因为两列波的振幅相同，因此N、P两点的振幅为零，即两点始终处于平衡位置，B正确；从该时刻经四分之一周期，两列波分别引起的振动都使M点位于平衡位置，故M点位于平衡位置，D正确．答案：BD1．条件判断法振动频率相同、振动步调完全相同的两波源产生的波叠加时，设某点到两波源的距离差为Δr.(1)当Δr＝k·λ(k＝0,1,2，…)时为加强点．(2)当Δr＝(2k＋1)·λ2(k＝0,1,2，…)时为减弱点．若两波源振动步调相反，则上述