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3　波的反射、折射和衍射
[學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解波的反射和折射現(xiàn)象，知道波的反射和折射規(guī)律(難點(diǎn))。2.知道波的衍射現(xiàn)象和波發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件(重點(diǎn))。
一、波的反射和折射
1．波的反射
(1)反射現(xiàn)象：波遇到介質(zhì)界面(如水波遇到擋板)時(shí)會(huì)返回原介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。
(2)反射規(guī)律：反射線、法線與入射線在________________內(nèi)，反射線與入射線分居________兩側(cè)，反射角________入射角。
2．波的折射
(1)波的折射：光從一種介質(zhì)____________________時(shí)會(huì)發(fā)生折射，同樣，其他波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)也發(fā)生________。
(2)水波的折射：一列水波在________不同的水域傳播時(shí)，在交界面處將發(fā)生______________。
1．在波的反射和折射現(xiàn)象中，反射波與入射波、折射波與入射波的頻率相同嗎？波長(zhǎng)相同嗎？
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2．波在發(fā)生折射過(guò)程中，方向一定改變嗎？
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波的反射和折射中各物理量的變化
(1)波的頻率是由振源決定的，介質(zhì)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都是受迫振動(dòng)，因此不論是反射還是折射，波的頻率是不改變的。
(2)波速是由介質(zhì)決定的，波反射時(shí)是在同一均勻介質(zhì)中傳播，因此波速不變，波折射時(shí)是在不同介質(zhì)中傳播，因此波速改變。
(3)波長(zhǎng)是由頻率和波速共同決定的，即在波的反射中，由于波的頻率和波速均不變，根據(jù)公式λ＝可知波長(zhǎng)不改變；在波的折射中，當(dāng)進(jìn)入新的介質(zhì)中波速增大時(shí)，由λ＝可知波長(zhǎng)變長(zhǎng)，反之變短。
例1　一列聲波在介質(zhì)Ⅰ中的波長(zhǎng)為0.2 m。當(dāng)該聲波從介質(zhì)Ⅰ中以某一角度傳入介質(zhì)Ⅱ中時(shí)，波長(zhǎng)變?yōu)?.6 m，如圖所示，若介質(zhì)Ⅰ中的聲速是340 m/s。
(1)求該聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播時(shí)的頻率；
(2)求該聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播的速度；
(3)若另一種聲波在介質(zhì)Ⅱ中的傳播速度為1 400 m/s，按圖中的方向從介質(zhì)Ⅰ射入介質(zhì)Ⅱ中，求它在介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ中的頻率之比。
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例2　某測(cè)量員利用回聲測(cè)距，他站在兩平行豎直墻壁間某一位置(不是中間位置)鳴槍?zhuān)?jīng)過(guò)1 s第一次聽(tīng)到回聲，又經(jīng)過(guò)0.5 s再次聽(tīng)到回聲，已知聲速為340 m/s，則兩墻壁間的距離為多少？
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回聲測(cè)距的三種情況
1.當(dāng)聲源不動(dòng)時(shí)，聲波遇到了靜止障礙物會(huì)被反射回來(lái)繼續(xù)傳播，由于反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，因此，入射波和反射波在傳播距離一樣的情況下，用的時(shí)間相等。設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)間t聽(tīng)到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲。
2.當(dāng)聲源以速度v向靜止的障礙物運(yùn)動(dòng)或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲波遇到障礙物經(jīng)時(shí)間t返回，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)。
3.當(dāng)聲源以速度v遠(yuǎn)離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠(yuǎn)離靜止的聲源時(shí)，聲波遇到障礙物經(jīng)時(shí)間t返回，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲－v)。
針對(duì)訓(xùn)練1　有一輛汽車(chē)以15 m/s的速度勻速行駛，在其正前方有一陡峭山崖，汽車(chē)?guó)Q笛2 s后司機(jī)聽(tīng)到回聲，此時(shí)汽車(chē)距山崖的距離有多遠(yuǎn)？(v聲＝340 m/s)
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二、波的衍射
如圖所示是一個(gè)可觀察水波衍射的發(fā)波水槽，振源的頻率是可以調(diào)節(jié)的，槽中放置兩塊可移動(dòng)的擋板形成寬度可調(diào)節(jié)的小孔，觀察水波的傳播，也可以在水槽中放置寬度不同的擋板，觀察水波的傳播。回答下列問(wèn)題：
水波遇到小孔時(shí)，會(huì)觀察到什么現(xiàn)象？依次減小小孔尺寸，觀察到的現(xiàn)象有什么變化？
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1．波的衍射：波____________________繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。
2．發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長(zhǎng)______________，或者比波長(zhǎng)________時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。
說(shuō)明：衍射只有“明顯”與“不明顯”之分，障礙物或小孔的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多，或比波長(zhǎng)小，是產(chǎn)生明顯衍射的條件。
3．波的衍射的普遍性：一切波都能發(fā)生衍射，________是波特有的現(xiàn)象。
1．喇叭播放的音樂(lè)中，高音(頻率大)和低音(頻率小)的聲波哪個(gè)更容易繞過(guò)高墻？
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2．俗話說(shuō)：“隔墻有耳”，我們可以聽(tīng)到從墻外傳過(guò)來(lái)的聲音，卻看不到人，說(shuō)明聲波可以發(fā)生衍射，光波不能發(fā)生衍射，這種說(shuō)法對(duì)嗎？(提示：聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，一般為1.7～17 m，可見(jiàn)光波長(zhǎng)較短，一般為0.39～0.77 μm)
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(1)只有當(dāng)障礙物的尺寸與波長(zhǎng)相差不多或比波長(zhǎng)小時(shí)，才會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。(　　)
(2)夏日雷聲有時(shí)轟鳴不絕，這是聲波的衍射現(xiàn)象。(　　)
(3)“聞其聲不見(jiàn)其人”，是指聲波的衍射現(xiàn)象。(　　)
例3　如圖所示，O是水面上一波源，實(shí)線和虛線分別表示該時(shí)刻的波峰和波谷，A是擋板，B是小孔，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，水面上的波形將分布于(　　)
A．整個(gè)區(qū)域
B．陰影Ⅰ以外區(qū)域
C．陰影Ⅱ以外區(qū)域
D．沒(méi)有陰影的區(qū)域
針對(duì)訓(xùn)練2　如圖所示，一小型漁港的防波堤兩端MN相距約60 m，在防波堤后A、B兩處有兩艘小船進(jìn)港躲避風(fēng)浪。某次海嘯引起的波浪沿垂直于防波堤的方向向防波堤傳播，下列說(shuō)法中正確的有(　　)
A．假設(shè)波浪的波長(zhǎng)約為10 m，則A、B兩處小船完全不受波浪影響
B．假設(shè)波浪的波長(zhǎng)約為10 m，則A、B兩處小船明顯受到波浪影響
C．假設(shè)波浪的波長(zhǎng)約為60 m，則A、B兩處小船基本上不受波浪影響
D．假設(shè)波浪的波長(zhǎng)約為60 m，則A、B兩處小船明顯受到波浪影響
例4　如圖所示，S為水面上一波源，M、N是兩塊擋板，兩板中間有一狹縫，此時(shí)觀察不到A點(diǎn)振動(dòng)，為了能觀察到A點(diǎn)的振動(dòng)，可采用的方法是(　　)
A．增大波源的振幅
B．減小波源的頻率
C．將波源S稍向左移
D．將N板向右移
3　波的反射、折射和衍射
[學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.了解波的反射和折射現(xiàn)象，知道波的反射和折射規(guī)律(難點(diǎn))。2.知道波的衍射現(xiàn)象和波發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件(重點(diǎn))。
一、波的反射和折射
1．波的反射
(1)反射現(xiàn)象：波遇到介質(zhì)界面(如水波遇到擋板)時(shí)會(huì)返回原介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。
(2)反射規(guī)律：反射線、法線與入射線在同一平面內(nèi)，反射線與入射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角。
2．波的折射
(1)波的折射：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射，同樣，其他波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)也發(fā)生折射。
(2)水波的折射：一列水波在深度不同的水域傳播時(shí)，在交界面處將發(fā)生折射。
1．在波的反射和折射現(xiàn)象中，反射波與入射波、折射波與入射波的頻率相同嗎？波長(zhǎng)相同嗎？
答案　在波的反射和折射現(xiàn)象中，反射波和入射波的頻率都與波源的頻率相同；反射現(xiàn)象是在同種介質(zhì)中傳播，波速相同，由v ＝λf 可知，波長(zhǎng)也相同，而折射現(xiàn)象是在不同介質(zhì)中傳播，波速不同，波長(zhǎng)也不同。
2．波在發(fā)生折射過(guò)程中，方向一定改變嗎？
答案　不一定，如果入射波垂直于交界面時(shí)，傳播方向保持不變。
波的反射和折射中各物理量的變化
(1)波的頻率是由振源決定的，介質(zhì)中各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)都是受迫振動(dòng)，因此不論是反射還是折射，波的頻率是不改變的。
(2)波速是由介質(zhì)決定的，波反射時(shí)是在同一均勻介質(zhì)中傳播，因此波速不變，波折射時(shí)是在不同介質(zhì)中傳播，因此波速改變。
(3)波長(zhǎng)是由頻率和波速共同決定的，即在波的反射中，由于波的頻率和波速均不變，根據(jù)公式λ＝可知波長(zhǎng)不改變；在波的折射中，當(dāng)進(jìn)入新的介質(zhì)中波速增大時(shí)，由λ＝可知波長(zhǎng)變長(zhǎng)，反之變短。
例1　一列聲波在介質(zhì)Ⅰ中的波長(zhǎng)為0.2 m。當(dāng)該聲波從介質(zhì)Ⅰ中以某一角度傳入介質(zhì)Ⅱ中時(shí)，波長(zhǎng)變?yōu)?.6 m，如圖所示，若介質(zhì)Ⅰ中的聲速是340 m/s。
(1)求該聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播時(shí)的頻率；
(2)求該聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播的速度；
(3)若另一種聲波在介質(zhì)Ⅱ中的傳播速度為1 400 m/s，按圖中的方向從介質(zhì)Ⅰ射入介質(zhì)Ⅱ中，求它在介質(zhì)Ⅰ和介質(zhì)Ⅱ中的頻率之比。
答案　(1)1 700 Hz　(2)1 020 m/s　(3)1∶1
解析　(1)聲波在介質(zhì)Ⅰ中傳播時(shí)，由v＝λf得：
f＝＝ Hz＝1 700 Hz。
由于聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，頻率不變，所以聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播時(shí)，頻率為1 700 Hz。
(2)由v＝λf得聲波在介質(zhì)Ⅱ中的傳播速度為v2＝λ2f＝0.6×1 700 m/s＝1 020 m/s。
(3)同一種聲波由介質(zhì)Ⅰ到介質(zhì)Ⅱ的過(guò)程中，頻率不變，故該聲波從介質(zhì)Ⅰ進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ時(shí)，其頻率之比為1∶1。
例2　某測(cè)量員利用回聲測(cè)距，他站在兩平行豎直墻壁間某一位置(不是中間位置)鳴槍?zhuān)?jīng)過(guò)1 s第一次聽(tīng)到回聲，又經(jīng)過(guò)0.5 s再次聽(tīng)到回聲，已知聲速為340 m/s，則兩墻壁間的距離為多少？
答案　425 m
解析　設(shè)兩墻壁間的距離為s，測(cè)量員離較近的墻壁的距離為x，則他離較遠(yuǎn)的墻壁的距離為s－x，
第一次聽(tīng)到回聲時(shí)，2x＝vt1
第二次聽(tīng)到回聲時(shí)，2(s－x)＝v(t1＋Δt)
其中Δt＝0.5 s，t1＝1 s，
代入數(shù)據(jù)解得：s＝425 m。
回聲測(cè)距的三種情況
1.當(dāng)聲源不動(dòng)時(shí)，聲波遇到了靜止障礙物會(huì)被反射回來(lái)繼續(xù)傳播，由于反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，因此，入射波和反射波在傳播距離一樣的情況下，用的時(shí)間相等。設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)間t聽(tīng)到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲。
2.當(dāng)聲源以速度v向靜止的障礙物運(yùn)動(dòng)或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲波遇到障礙物經(jīng)時(shí)間t返回，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)。
3.當(dāng)聲源以速度v遠(yuǎn)離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠(yuǎn)離靜止的聲源時(shí)，聲波遇到障礙物經(jīng)時(shí)間t返回，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲－v)。
針對(duì)訓(xùn)練1　有一輛汽車(chē)以15 m/s的速度勻速行駛，在其正前方有一陡峭山崖，汽車(chē)?guó)Q笛2 s后司機(jī)聽(tīng)到回聲，此時(shí)汽車(chē)距山崖的距離有多遠(yuǎn)？(v聲＝340 m/s)
答案　325 m
解析　汽車(chē)勻速行駛，速度為v車(chē)＝15 m/s，聲音在空氣中傳播速度不變，汽車(chē)從鳴笛到聽(tīng)到回聲，二者運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，如圖所示。
設(shè)汽車(chē)在A點(diǎn)鳴笛，A點(diǎn)到山崖B的距離為x1，汽車(chē)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)聽(tīng)到回聲，設(shè)AC距離為x2，CB距離為x，因二者運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，則有x1＝x2＋x①
x1＋x＝v聲t②
x2＝v車(chē)t③
聯(lián)立①②③得x＝325 m。
二、波的衍射
如圖所示是一個(gè)可觀察水波衍射的發(fā)波水槽，振源的頻率是可以調(diào)節(jié)的，槽中放置兩塊可移動(dòng)的擋板形成寬度可調(diào)節(jié)的小孔，觀察水波的傳播，也可以在水槽中放置寬度不同的擋板，觀察水波的傳播。回答下列問(wèn)題：
水波遇到小孔時(shí)，會(huì)觀察到什么現(xiàn)象？依次減小小孔尺寸，觀察到的現(xiàn)象有什么變化？
答案　水波遇到小孔時(shí)，水波能穿過(guò)小孔，并能到達(dá)擋板后面的“陰影區(qū)”，小孔的尺寸減小時(shí)，水波到達(dá)“陰影區(qū)”的現(xiàn)象更加明顯。
1．波的衍射：波繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。
2．發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多，或者比波長(zhǎng)更小時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。
說(shuō)明：衍射只有“明顯”與“不明顯”之分，障礙物或小孔的尺寸跟波長(zhǎng)相差不多，或比波長(zhǎng)小，是產(chǎn)生明顯衍射的條件。
3．波的衍射的普遍性：一切波都能發(fā)生衍射，衍射是波特有的現(xiàn)象。
1．喇叭播放的音樂(lè)中，高音(頻率大)和低音(頻率小)的聲波哪個(gè)更容易繞過(guò)高墻？
答案　低音，由v＝λf得λ＝，由此可知，聲速相同情況下，低音的頻率小，波長(zhǎng)長(zhǎng)，在障礙物相同的情況下，低音更容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，因此低音更容易繞過(guò)高墻。
2．俗話說(shuō)：“隔墻有耳”，我們可以聽(tīng)到從墻外傳過(guò)來(lái)的聲音，卻看不到人，說(shuō)明聲波可以發(fā)生衍射，光波不能發(fā)生衍射，這種說(shuō)法對(duì)嗎？(提示：聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，一般為1.7～17 m，可見(jiàn)光波長(zhǎng)較短，一般為0.39～0.77 μm)
答案　不對(duì)。聲波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，遇到與其波長(zhǎng)相差不大的障礙物可發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。光波波長(zhǎng)較短，其波長(zhǎng)比一般障礙物小得多，衍射現(xiàn)象不明顯。
(1)只有當(dāng)障礙物的尺寸與波長(zhǎng)相差不多或比波長(zhǎng)小時(shí)，才會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。(　×　)
(2)夏日雷聲有時(shí)轟鳴不絕，這是聲波的衍射現(xiàn)象。(　×　)
(3)“聞其聲不見(jiàn)其人”，是指聲波的衍射現(xiàn)象。(　√　)
例3　如圖所示，O是水面上一波源，實(shí)線和虛線分別表示該時(shí)刻的波峰和波谷，A是擋板，B是小孔，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，水面上的波形將分布于(　　)
A．整個(gè)區(qū)域 B．陰影Ⅰ以外區(qū)域
C．陰影Ⅱ以外區(qū)域 D．沒(méi)有陰影的區(qū)域
答案　B
解析　由題圖可直觀看出，半波長(zhǎng)為實(shí)虛兩圓半徑之差，且可看出擋板A的尺寸比波長(zhǎng)大得多，而小孔B寬度比波長(zhǎng)小。據(jù)波發(fā)生明顯衍射的條件知，該波在擋板A處的衍射現(xiàn)象很不明顯，即可認(rèn)為波沿直線傳播，故Ⅰ區(qū)內(nèi)水面無(wú)波形，該波能在B處發(fā)生明顯的衍射，故在陰影區(qū)Ⅲ、Ⅱ之內(nèi)明顯存在衍射波的波形，故選項(xiàng)B正確，A、C、D錯(cuò)誤。
針對(duì)訓(xùn)練2　如圖所示，一小型漁港的防波堤兩端MN相距約60 m，在防波堤后A、B兩處有兩艘小船進(jìn)港躲避風(fēng)浪。某次海嘯引起的波浪沿垂直于防波堤的方向向防波堤傳播，下列說(shuō)法中正確的有(　　)
A．假設(shè)波浪的波長(zhǎng)約為10 m，則A、B兩處小船完全不受波浪影響
B．假設(shè)波浪的波長(zhǎng)約為10 m，則A、B兩處小船明顯受到波浪影響
C．假設(shè)波浪的波長(zhǎng)約為60 m，則A、B兩處小船基本上不受波浪影響
D．假設(shè)波浪的波長(zhǎng)約為60 m，則A、B兩處小船明顯受到波浪影響
答案　D
解析　當(dāng)障礙物或縫隙的尺寸比波長(zhǎng)小或跟波長(zhǎng)相差不多時(shí)才能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，波浪的波長(zhǎng)約為10 m時(shí)，不能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，則A、B兩處小船基本上不受波浪影響，A、B錯(cuò)誤；波浪的波長(zhǎng)約為60 m時(shí)，能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象，則A、B兩處小船明顯受到波浪影響，C錯(cuò)誤，D正確。
例4　如圖所示，S為水面上一波源，M、N是兩塊擋板，兩板中間有一狹縫，此時(shí)觀察不到A點(diǎn)振動(dòng)，為了能觀察到A點(diǎn)的振動(dòng)，可采用的方法是(　　)
A．增大波源的振幅 B．減小波源的頻率
C．將波源S稍向左移 D．將N板向右移
答案　B
解析　觀察不到A點(diǎn)振動(dòng)，說(shuō)明衍射現(xiàn)象不明顯，要使衍射現(xiàn)象變得明顯，可以減小波源的頻率以增大波長(zhǎng)，或?qū)板向左移減小狹縫的尺寸，故B正確。

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