2019-2020学年高中物理 第12章 机械波 第4节 波的衍射和干涉课件 新人教版选修3-4

第十二章机械波第四节波的衍射和干涉※知道波的衍射现象及衍射条件※知道衍射是波特有的现象※知道两列波叠加的位移规律※理解波的干涉现象及产生干涉的条件※知道波的干涉现象是波特有的现象1课前预习反馈2课内互动探究3核心素养提升4课内课堂达标5课后课时作业课前预习反馈1．定义波可以绕过________继续传播的现象。2．实验及现象(1)实验装置：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“________”。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。波的衍射障碍物狭缝直线阴影区绕到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。相差不多更小1．波的独立传播特性两列波相遇后，每列波仍像相遇前一样，保持各自_____________，继续向前传播。(如图所示)波的叠加原来的波形2．波的叠加原理在两列波重叠的区域里，任何一个质点同时参与________，其振动位移等于这两列波分别引起的位移的________，当两列波振动方向在同一直线上时，这两个位移的矢量和在选定正方向后可简化为________。两个振动矢量和代数和1．干涉现象频率相同的两列波叠加，使某些区域的________，使某些区域的________，并且振动加强和振动减弱的区域________，这种现象叫波的干涉，形成的图样叫波的干涉图样。2．两列波产生稳定干涉的条件①两列波的_______必须相同。②两个波源的________必须保持不变。波的干涉振动加强振动减弱互相间隔频率相位差3．波的干涉和衍射都是波所特有的现象一切波都能够发生________和________现象；反之能够发生________和________现象的，一定是波。干涉衍射干涉衍射『判一判』(1)“隔墙有耳”指的是声波的衍射现象。()(2)敲击音叉使其发声，然后转动音叉，听到声音忽强忽弱是声波的干涉现象。()(3)只有频率相同的两列波才可以叠加。()(4)在两列波重叠的区域里，任何一个质点的位移都等于原来位移的2倍。()(5)一切波都能发生衍射现象。()(6)产生干涉的一个必要条件是，两列波的频率必须相同。()√√××√√『选一选』蟋蟀是利用了a发出声音，某同学围绕蟋蟀走了一圈，听到忽高忽低的蟋蟀声，这是由于声波的b现象，请选择a、b组合正确的是()A．蟋蟀的嘴衍射B．蟋蟀的翅膀干涉C．蟋蟀的翅膀共振D．蟋蟀的嘴共振解析：蟋蟀是依靠一双翅膀的振动发声，两翅膀的振动频率、振幅相同，形成相干波源，在周围出现振动加强与减弱的区域。B『想一想』如图所示，日常生活中“闻其声不见其人”的物理现象的原因是什么？答案：声波在空气中的波长较长，可以跟一般障碍物的尺寸相比拟，很容易发生衍射现象，绕过障碍物传入人耳。而光波由于波长很短，障碍物或孔的尺寸远大于光的波长，不能绕过障碍物发生衍射，所以只能听到声音而看不到说话的人。课内互动探究我们在家中经常听到优美的声乐从窗外飘来，(如图)，声音为什么没被障碍物所挡住？探究一对波的衍射现象的理解提示：这是声波的衍射现象。声波在传播过程中遇到障碍物时，可以绕过障碍物继续传播。1．生活中常见的波的衍射现象(1)声波：声波的波长在1.7cm～17m之间，与一般障碍物的尺寸相比差不多，或比其大，故声波的衍射现象极为明显。(2)水波：水面上传播的波能够越过水面上的芦苇、小石块等障碍物，都是典型的水波的衍射现象。(3)无线电波：在房间中可以接收到收音机和电视信号，是电磁波的衍射现象。2．对明显衍射发生条件的理解(1)波的衍射是波在传播过程中所具有的特征之一，衍射是否明显，通常的衡量就是孔或缝的宽度d与波长λ的比值，比值越小，衍射现象相对越明显。(2)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，波的衍射没有条件。(3)明显衍射发生时，并不一定能清楚地感受到，如当孔远远小于水波波长时，衍射应当非常明显，但因孔很小，单位时间内通过的能量很小，又分布到很大的区域上，水波非常弱，将看不清楚。特别提醒：(1)衍射是波所特有的现象，一切波都会产生衍射现象，只有明显和不明显的差异。(2)凡能发生衍射现象的就是波。(多选)如图所示是观察水面波衍射的实验装置，AC和BD是两块挡板，AB是一个小孔，O是波源，图中已画出波源所在区域的传播情况，每两条相邻的波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长，则对于波经过孔之后的传播情况，下列描述正确的是()A．此时能明显观察到波的衍射现象B．如果将孔AB扩大，有可能观察不到明显的衍射现象C．挡板前后波纹之间距离相等D．如果孔的大小不变，使波源频率增大，一定能明显观察到衍射现象ABC解题指导：波能发生明显衍射现象的条件是：缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多或者比波长更小。在同种均匀介质中，波速一定，当改变波的频率时，也改变了波长的大小。解析：由图可看出孔的尺寸跟波长差不多，所以能明显观察到波的衍射现象，A、C对；如将孔扩大到跟波长相差很多，则观察不到明显的衍射现象，B对；若增大波源频率，则波长减小，有可能观察不到明显的衍射现象，D错。〔对点训练1〕下列现象或事实属于衍射现象的是()A．风从窗户吹进来B．雪堆积在背风的屋后C．水波前进方向上遇到凸出在水面上的小石块，小石块对波的传播没有影响D．晚上看到水中月亮的倒影解析：波在传播过程中偏离直线传播绕过障碍物的现象称为波的衍射。C与衍射现象相符。C如图所示，操场中两根电线杆上各有一只扬声器，接在同一个扩音机上，一位同学沿着MN方向走来。他听到的声音会有什么变化？为什么？探究二对波的叠加与波的干涉现象的理解提示：声音忽强忽弱，因为声波发生了干涉现象。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．波的叠加波的叠加原理是波具有独立传播性的必然结果，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。两列同相波的叠加，振动加强，振幅增大(如图甲所示)。两列反相波的叠加，振动减弱，振幅减小(如图乙所示)。图甲图乙3．干涉条件(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。(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．关于加强点(区)和减弱点(区)(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振幅之和，A＝A1＋A2。(2)减弱点：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，水面保持平静。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。特别提醒：(1)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。只是振幅为两列波振幅之和，显得振动剧烈。(2)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，则振动减弱点将会总是处于静止。(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()ADA．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和减弱之间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解题指导：(1)波的干涉中波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇的点为加强点，波峰与波谷相遇的点为减弱点。(2)振动加强区上的点都是振动加强点，振动减弱区上的点都是振动减弱点。(3)加强点始终加强，减弱点始终减弱。(4)各质点在平衡位置两侧做周期性振动。解析：波的干涉示意图所示的仅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。a点是波谷和波谷相遇的点，c点是波峰和波峰相遇的点，都是振动加强点；而b、d两点都是波峰和波谷相遇的点，是振动减弱点，A正确；e点位于加强点的连线上，为加强点。f点位于减弱点的连线上，为减弱点，B错误；相干波源产生的波的干涉是稳定的，加强点与减弱点不会随时间变化，C错误；因形成干涉图样的质点也在不停地做周期性振动，经半个周期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，D正确。〔对点训练2〕消除噪声污染是当前环境保护的一个重要课题，内燃机、通风机等在排放各种高速气流的过程中都发出噪声，干涉型消声器可以用来消弱高速气流产生的噪声，干涉型消声器的结构及气流运行如图所示，波长为λ的声波沿水平管道自左向右传播，当声波到达a处时，分成两束相干波，它们分别通过r1和r2的路程，再在b处相遇，即可达到消弱噪声的目的，若Δr＝|r2－r1|，则Δr等于()CA．波长λ的整数倍B．波长λ的奇数倍C．半波长λ2的奇数倍D．半波长λ2的偶数倍解析：根据干涉特点知，两相干波源的距离差为波长的整数倍时，此点为振动增强点，而消除噪声不能加强，故A、B错误；距离差为半波长的奇数倍时，此点为振动减弱点，本题为消除噪音，要减弱振动，所以C正确D错误。核心素养提升干涉与衍射的研究对象不同，从形式上看，衍射是波绕过障碍物继续传播的现象，而波的干涉是两列波的叠加；干涉图样与衍射图样不同，干涉图样中有间隔均匀的加强、减弱区，而衍射图样相当于从衍射孔处有一个新的波源。波的衍射与干涉现象的比较利用发波水槽得到的水面波形如图a、b所示，则()A．图a、b均显示了波的干涉现象B．图a、b均显示了波的衍射现象C．图a显示了波的干涉现象，图b显示了波的衍射现象D．图a显示了波的衍射现象，图b显示了波的干涉现象解析：图(a)中可以看出只有一条狭缝是一列波的传播，水波发生明显的衍射；图(b)中有两个振源，是两列波的传播，在重叠区域，有些区域振动加强，有些区域振动减弱，是干涉现象，故选项D正确。D