2019-2020学年高中物理 第2章 机械波 第2节 波的反射和折射课件 鲁科版选修3-4

第2章机械波第2节波的反射和折射第2章机械波1.知道什么是波面、波线．知道它们之间的关系．2.了解惠更斯原理，知道用惠更斯原理描述波的方法．(重点)3．掌握波的反射定律，能进行较简单的应用．(重点＋难点)4.知道什么是波的折射，理解波的折射定律．(重点＋难点)一、惠更斯原理1．波面和波线(1)波面：从波源发出的波，经过同一到达的各点所组成的面，如图所示．(2)波线：用来表示波的传播方向的线，波线与各个波面总是________的．传播时间垂直2．波的分类(1)球面波：波面是的波．如空气中的声波．(2)平面波：波面是的波．如水波．3．惠更斯原理(1)内容：介质中波阵面上的每一个点，都可以看成一个_____________，这些新波源发出子波，经过一定时间后，这些子波的就构成下一时刻的．(2)包络面：某时刻与所有子波波面的曲面．球形平面新的波源包络面波面相切(1)波面一定与波线垂直．()(2)波面一定是平面．()(3)波的传播方向与波面平行．()(4)用惠更斯原理能够解释波的衍射现象与障碍物大小的关系．()提示：(1)√(2)×(3)×(4)×二、波的反射1．定义：波遇到障碍物时会返回来的现象，如图所示．2．反射规律反射波的波长、频率和波速都与入射波．反射定律：反射波线、入射波线和法线在内，反射波线和入射波线分别位于两侧，反射角入射角．继续传播相同同一平面法线等于1．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，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来提高耳朵的接收能力．三、波的折射1．折射现象：波在传播过程中，由一种介质进入另一种介质时发生偏折的现象，如图所示.2．折射定律(1)内容：入射角的正弦跟折射角的正弦之比，等于波在第Ⅰ种介质中的与波在第Ⅱ种介质中的之比．(2)公式：sinisinr＝______．传播方向波速波速v1v22．波由一种介质进入另一种介质而发生折射时，其频率、波速与波长发生变化吗？提示：频率由波源的振动频率决定，所以频率不变．波速由介质的性质决定，所以波速发生变化，由v＝λf知，波长也发生变化．对惠更斯原理的理解与应用1．球面波和平面波的比较球面波平面波区别波面形状球面平面形成点波源在均匀介质中向各个方向发出的波面波源在均匀介质中向波源面两侧发出的波波面与波源关系波面以点波源为球心波面与波源平行联系球面波传至距波源很远处时，在空间的某一小区域内的球形波面可看成平面波2.利用惠更斯原理解释波的传播如图甲所示，以O为球心的球面波在t时刻的波面为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虚线所示，虚线圆的半径是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．与此类似，可以用惠更斯原理说明平面波的传播，如图乙所示．(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．同一振源的不同波面上的质点的振动情况一定不同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[解题探究](1)同一波面上各点到波源的距离是否相等？这些点的振动情况有什么特点？(2)平面波和球面波有什么区别？[解析]按照惠更斯原理：波面是由振动情况完全相同的点构成的面，而不同波面上质点的振动情况可能相同，如相位相差2π整数倍的质点的振动情况相同，故A对，B错．由波面和波线的概念，不难判定C、D对．[答案]ACD1.(多选)下列说法中错误的是()A．只有平面波的波面才与波线垂直B．只有球面波的波线与波面垂直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：选ABD.不管是平面波，不是球面波，其波面与波线均垂直，选项A、B错误．只有波线才表示波的传播方向，选项C正确，选项D错误．波的反射现象的应用1．回声测距(1)当声源不动时，声波遇到了障碍物会返回来继续传播，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，设经时间t听到回声，则声源距障碍物的距离为s＝v声·t2.(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)·t2.(3)当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离声源时，声源发声时障碍物到声源的距离s＝(v声－v)·t2.2．超声波定位蝙蝠能发出超声波，超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来，蝙蝠就根据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或食物位置，从而确定飞行方向．另外海豚、雷达也是利用波的反射来定位和测速的．(1)反射波与入射波在同一种介质中的传播速度相同．(2)人耳能将原声和回声区分开的最小时间间隔为0.1s.(3)雷达是利用波的反射来定位和测速的．某物体发出的声音在空气中的波长为1m，波速340m/s，在海水中的波长为4.5m.(1)该波的频率为______Hz，在海水中的波速为______m/s.(2)若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？(3)若物体以5m/s的速度由海面向海底运动，则经过多长时间听到回声？[思路点拨]解答本题时应注意在同一介质中，声波与其反射波的传播速度相同．[解析](1)由f＝vλ得：f＝3401Hz＝340Hz.因波的频率不变，则在海水中的波速为v海＝λ海f＝4.5×340m/s＝1530m/s.(2)入射声波和反射声波用时相同，则海水深为s＝v海t2＝1530×0.52m＝382.5m.(3)物体与声音运动的过程示意图如图所示设听到回声的时间为t，则v物t′＋v海t′＝2s.代入数据解得t′≈0.498s.[答案](1)3401530(2)382.5m(3)0.498s对折射定律的理解1.表达式：sinisinr＝v1v22．理解(1)折射的原因：波在两种介质中的传播速度不同．(2)由于波在一种介质中的波速是一定的，所以v1v2是一个只与两种介质的性质有关，与入射角、折射角无关的常数，叫做第二种介质相对第一种介质的折射率，所以n21＝v1v2.(3)当v1v2时，ir，折射光线靠近法线；当v1v2时，ir，折射光线远离法线；当垂直于界面入射(i＝0°)时，r＝0°，传播方向不变．3．几点说明(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，即波源的振动频率相同．(2)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；折射波与入射波在不同介质中传播，波速变化．(3)据v＝λf知，波长λ与v及f有关，即与介质和波源有关，反射波与入射波在同一介质中，波速相同，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．如图所示，某列波以60°的入射角由甲介质射到乙介质的界面上同时产生反射和折射，若反射波的波线与折射波的波线的夹角为90°，此波在乙介质中的波速为1.2×105km/s.(1)该波的折射角为________．(2)该波在甲介质中的传播速度为多少？(3)该波在两种介质中的波长比为多少？[思路点拨]由反射定律可得反射角的大小，由反射波与折射波垂直可得折射角的余角大小，从而求得折射角，由折射定律可得波速．由波速公式再变形可得波长．[解析](1)由反射定律可得反射角为60°，由题图的几何关系可得折射角为r＝30°.(2)由波的折射规律v甲v乙＝sinisinr，所以v甲＝sinisinrv乙＝sin60°sin30°v乙＝3212×1.2×105km/s≈2.08×105km/s.(3)因波长λ＝vf，又因为波在两种介质中的频率相同，则λ甲λ乙＝v甲v乙＝2.08×1051.2×105＝26∶15.[答案](1)30°(2)2.08×105km/s(3)26∶152.如图所示是声波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ的折射情况，由图判断下面的说法正确的是()A．若ir，则声波在介质Ⅰ中的传播速度小于声波在介质Ⅱ中的传播速度B．若ir，则Ⅰ可能是空气，Ⅱ可能是水C．若ir，则Ⅰ可能是钢铁，Ⅱ可能是空气D．在介质Ⅰ中的传播速度v1与在介质Ⅱ中的传播速度v2满足v1v2＝sinrsini解析：选C.根据折射规律v1v2＝sinisinr，知A、D项均错．若ir，则v1v2，若Ⅰ是空气，则Ⅱ不可能是水，因为声波在空气中的传播速度比在水中的小，B错，C对.典型问题——波的反射和折射中各物理量的变化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：波现象比较项目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[解析]由于波的频率由波源决定，因此波在不同介质中传播时，频率保持不变．波在不同介质中传播时，波速发生变化，由v＝λf可知波长也发生变化．由此可知只有D选项正确．[答案]D