2018-2019版高中物理 第二章 機(jī)械波 4 惠更斯原理 波的反射與折射學(xué)案 教科版選修3-4

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1、 4　惠更斯原理　波的反射與折射 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.知道什么是波面和波線.2.了解惠更斯原理，會用惠更斯原理解釋波的反射與折射現(xiàn)象.3.認(rèn)識波的反射和折射現(xiàn)象，知道反射定律和折射定律. 一、惠更斯原理 1.內(nèi)容：波在傳播過程中所到達(dá)的每一點(diǎn)都可看做新的波源，從這些點(diǎn)發(fā)出球面形狀的子波，其后任一時刻這些子波波前的包絡(luò)面就是新的波前，這就是惠更斯原理.又叫惠更斯作圖法. 2.應(yīng)用：根據(jù)惠更斯原理，由已知的某一時刻波前確定下一時刻波前，從而確定波的傳播方向. 二、波的反射與折射 1.波的反射 (1)定義：波在傳播的過程中，遇到兩種介質(zhì)的分界面時返回到原介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫波的反射

2、. (2)反射定律：當(dāng)波傳播到兩種介質(zhì)的交界處發(fā)生反射時，入射線、法線、反射線在同一平面內(nèi)，入射線與反射線分別位于法線兩側(cè)，而且反射角等于入射角；反射波的波長、頻率和波速都與入射波相同. 2.波的折射 (1)定義：波在傳播過程中，從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，波傳播的方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象叫做波的折射. (2)折射定律 波在介質(zhì)中發(fā)生折射時，入射線、法線、折射線(即折射波線)在同一平面內(nèi)，入射線與折射線分別位于法線兩側(cè)，入射角的正弦值與折射角的正弦值之比等于波在第一種介質(zhì)中的傳播速度跟波在第二種介質(zhì)中的傳播速度之比.對給定的兩種介質(zhì)，該比值為常數(shù). ＝ (3)結(jié)論 ①當(dāng)v1＞v2時，

3、i＞r，折射線偏向法線. ②當(dāng)v1＜v2時，i＜r，折射線偏離法線. ③當(dāng)垂直界面入射(i＝0)時，r＝0，傳播方向不變，是折射中的特殊情況. [即學(xué)即用]　判斷下列說法的正誤. (1)在波的傳播過程中，介質(zhì)中所有參與振動的質(zhì)點(diǎn)都可以看做是新的波源.(　√　) (2)同一波面上的各質(zhì)點(diǎn)振動情況可能不相同.(　×　) (3)波發(fā)生反射和折射時波的頻率都不變，但波長、波速均發(fā)生變化.(　×　) (4)波的折射和反射現(xiàn)象都可以用惠更斯原理解釋.(　√　) 一、惠更斯原理 [導(dǎo)學(xué)探究]　把一顆石子投到平靜的池塘里，會激起一圈圈起伏不平的水面波向周圍傳播，向四面八方傳播的波峰(波谷

4、)是否會組成一個個圓？與這些圓的切線垂直的線能否表示波的傳播方向？ 答案　因?yàn)樗ㄓ刹ㄔ聪蛩闹軅鏖_，向各個方向的波速都一樣，所以向四面八方傳播的波峰(波谷)組成一個個圓.與這些圓的切線垂直的線能表示波的傳播方向. [知識深化]　對惠更斯原理的理解 (1)惠更斯原理中，同一波面上的各點(diǎn)都可以看做子波的波源.波源的頻率與子波波源的頻率相等. (2)在各向同性均勻介質(zhì)中，波線恒與波面垂直. 例1　(多選)關(guān)于對惠更斯原理的理解，下列說法正確的是(　　) A.同一波面上的各質(zhì)點(diǎn)振動情況完全相同 B.同一波面上的各質(zhì)點(diǎn)振動情況可能不相同 C.球面波的波面是以波源為中心的一個個球面 D.

5、平面波的波線是垂直于波面的平行線 答案　ACD 解析　按照惠更斯原理：波面是由任意時刻振動情況完全相同的點(diǎn)構(gòu)成的面，故A正確，B錯誤；由波面和波線的概念，不難判定C、D正確. 二、波在反射、折射現(xiàn)象中的波長、頻率和波速 [導(dǎo)學(xué)探究]　如圖1所示，當(dāng)波從介質(zhì)Ⅰ傳播到兩介質(zhì)的交界面時，返回介質(zhì)Ⅰ的波和進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ的波的頻率變化嗎？波長變化嗎？ 圖1 答案　返回介質(zhì)Ⅰ時波的頻率和波長均不變，進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ的波的頻率不變，波速變化，由v＝λf得，波長變化. [知識深化]　對波的反射和折射的理解 (1)頻率是由振源決定的，介質(zhì)中各個質(zhì)點(diǎn)的振動都是受迫振動，因此不論是反射還是折射，波

6、的頻率是不改變的. (2)波速是由介質(zhì)決定的，波反射時是在同一介質(zhì)中傳播，因此波速不變，波折射時是在不同介質(zhì)中傳播，因此波速改變. (3)波長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，由λ＝可知波長變大，反之變小. 例2　如圖2所示，1、2、3分別代表入射波、反射波、折射波的波線，則(　　) 圖2 A.2與1的波長、頻率相等，波速不等 B.2與1的波速、頻率相等，波長不等 C.3與1的波速、頻率、波長均相等 D.3與1的頻率相等，波速、波長均不等 答案　D 解析　反射波的波長

7、、頻率、波速與入射波的都相等，故A、B錯誤；折射波的波長、波速與入射波的均不等，但頻率相等，故C錯誤，D正確. 針對訓(xùn)練　同一音叉發(fā)出的聲波同時在水和空氣中傳播，某時刻的波形曲線如圖3所示.以下說法正確的是(　　) 圖3 A.聲波在水中波長較大，b是水中聲波的波形曲線 B.聲波在空氣中波長較大，b是空氣中聲波的波形曲線 C.水中質(zhì)點(diǎn)振動頻率較高，a是水中聲波的波形曲線 D.空氣中質(zhì)點(diǎn)振動頻率較高，a是空氣中聲波的波形曲線 答案　A 解析　波的頻率取決于波源的振動頻率，與介質(zhì)無關(guān)，故同一音叉發(fā)出的聲波在水中與在空氣中傳播時頻率相同.但機(jī)械波在介質(zhì)中傳播的速度只取決于介質(zhì)性質(zhì)，

8、與波的頻率無關(guān)，聲波在水中傳播的速度大于在空氣中傳播的速度.由v＝λf知，聲波在水中的波長應(yīng)較大，對應(yīng)于題圖中波形曲線b，故只有A正確. 三、波的反射現(xiàn)象的應(yīng)用 1.回聲測距 (1)當(dāng)聲源不動時，聲波遇到了靜止的障礙物會返回來繼續(xù)傳播，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，用的時間相等，設(shè)經(jīng)過時間t聽到回聲，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)動或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動時，聲源發(fā)聲時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)離聲源時，聲源發(fā)聲時障

9、礙物到聲源的距離為s＝|v聲－v|. 2.超聲波定位 蝙蝠能發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物或捕食目標(biāo)時會被反射回來，蝙蝠就依據(jù)接收到的反射回來的超聲波來確定障礙物或目標(biāo)位置，從而確定飛行方向.另外海豚、雷達(dá)也是利用波的反射來定位和測速的. 例3　有一輛汽車以15m/s的速度勻速行駛，在其正前方有一陡峭山崖，汽車鳴笛2 s后司機(jī)聽到回聲，司機(jī)聽到回聲時汽車距山崖多遠(yuǎn)？(v聲＝340 m/s) 答案　325m 解析　汽車運(yùn)動，聲音傳播，如圖所示為汽車與聲波的運(yùn)動過程示意圖.設(shè)汽車由A到C路程為x1，C點(diǎn)到山崖B距離為x；聲波由A到B再反射到C路程為x2，因汽車與聲波運(yùn)動時間同為t，則有x2

10、＝x1＋2x，即v聲t＝v汽t＋2x，所以x＝＝m＝325m. 1.(對惠更斯原理的理解)(多選)下列關(guān)于惠更斯原理的說法正確的是(　　) A.惠更斯原理能夠解釋波的反射現(xiàn)象 B.惠更斯原理能夠解釋波的折射現(xiàn)象 C.介質(zhì)中任何一個波面的各點(diǎn)，都可以看成發(fā)射子波的波源 D.只有縱波才有波面 答案　ABC 2.(波的反射和折射)(多選)以下關(guān)于波的認(rèn)識，哪些是正確的(　　) A.潛艇利用聲吶探測周圍物體的分布情況，用的是波的反射原理 B.隱形飛機(jī)怪異的外形及表面涂特殊隱形物質(zhì)，是為了減少波的反射，從而達(dá)到隱形的目的 C.雷達(dá)的工作原理是利用波的反射 D.水波從深水區(qū)傳

11、到淺水區(qū)改變傳播方向的現(xiàn)象，是波的反射現(xiàn)象 答案　ABC 解析　A、B、C選項(xiàng)中應(yīng)用了波的反射現(xiàn)象；D選項(xiàng)應(yīng)用了波的折射現(xiàn)象，深水區(qū)域和淺水區(qū)域視為不同介質(zhì)，故波的傳播方向發(fā)生改變，故D錯誤. 3.(波的反射和折射)如圖4所示是一列機(jī)械波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)中發(fā)生的現(xiàn)象，已知波在介質(zhì)Ⅰ中的波速為v1，波在介質(zhì)Ⅱ中的波速為v2，則v1∶v2為(　　) 圖4 A.1∶　　　　 B.∶1 C.∶　　　　 D.∶ 答案　C 解析　由折射定律＝，可知＝＝，故C選項(xiàng)正確. 4.(波的反射和折射)一列聲波在空氣中的波長為0.2m.當(dāng)該聲波從空氣中以某一角度傳入介質(zhì)Ⅱ中時，波長變?yōu)?

12、.6m，如圖5所示，若空氣中的聲速是340m/s.求： 圖5 (1)該聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播時的頻率； (2)該聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播的速度； (3)若聲波垂直進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ，經(jīng)0.4s返回空氣，則介質(zhì)Ⅱ的深度為多少？ 答案　(1)1700Hz　(2)1020m/s　(3)204m 解析　(1)聲波在空氣中傳播時，由v＝λf得： f＝＝Hz＝1700Hz. 由于聲波在不同介質(zhì)中傳播時，頻率不變，所以聲波在介質(zhì)Ⅱ中傳播時，頻率為1700Hz. (2)由v＝λf得聲波在介質(zhì)Ⅱ中的傳播速度為v2＝λ2f＝0.6×1700m/s＝1 020 m/s. (3)聲波經(jīng)＝0.2s傳至介質(zhì)Ⅱ底部，

13、故介質(zhì)Ⅱ的深度h＝v2·＝1020×0.2m＝204m. 一、選擇題 考點(diǎn)一　惠更斯原理 1.(多選)下列說法正確的是(　　) A.波線表示波的傳播方向 B.波面表示波的傳播方向 C.只有橫波才有波面 D.波傳播中某時刻任一波面上各子波波面的包絡(luò)面就是新的波面 答案　AD 解析　波線表示波的傳播方向，故A正確，B錯誤；所有的波都具有波面，故C錯誤；由惠更斯原理可知，D正確. 2.(多選)下列說法中正確的是(　　) A.根據(jù)惠更斯原理可知，介質(zhì)中任一波面上的各點(diǎn)，都可以看做發(fā)射子波的波源 B.惠更斯原理只能解釋球面波的傳播，不能解釋平面波的傳播 C.若知道某時刻一列

14、波的某個波面的位置，由惠更斯原理就可以確定波的傳播方向 D.惠更斯原理不但可以解釋波的直線傳播，還可以解釋波的反射與折射等相關(guān)現(xiàn)象 答案　AD 解析　惠更斯原理將介質(zhì)中任一波面上的各點(diǎn)看做發(fā)射子波的波源，可以解釋波傳播中的包括反射、折射在內(nèi)的傳播規(guī)律，故A、D正確. 考點(diǎn)二　波的反射與折射 3.人在室內(nèi)講話的聲音比在空曠的室外講話聲音要洪亮，是因?yàn)?　　) A.室內(nèi)空氣不流動 B.室內(nèi)聲音多次被反射 C.室內(nèi)聲音發(fā)生折射 D.室內(nèi)物體會吸收聲音 答案　B 解析　人在室內(nèi)說話，聲波會被室內(nèi)物體、墻壁反射，甚至反射多次，因而顯得聲音洪亮. 4.關(guān)于波的反射與折射，下列說法正確的

15、是(　　) A.入射波的波長一定等于反射波的波長，其頻率不變 B.入射波的波長一定小于反射波的波長，其頻率不變 C.入射波的波長一定大于折射波的波長，其頻率不變 D.入射波的波長一定小于折射波的波長，其頻率不變 答案　A 解析　入射波與反射波在同種介質(zhì)中波速相同，頻率由波源決定，頻率相同，由v＝λf知波長相同，選項(xiàng)A正確，B錯誤；因不知介質(zhì)情況，入射波與折射波波長無法比較，選項(xiàng)C、D錯誤. 5.(多選)對于波的折射現(xiàn)象，下列說法中正確的是(　　) A.當(dāng)入射速度小于折射速度時，折射光線偏離法線 B.當(dāng)波垂直界面入射時，傳播方向不改變，波速和波長都不改變 C.在波的折射中，波

16、的頻率不改變，波速和波長都發(fā)生改變 D.波發(fā)生折射時一定不會發(fā)生反射現(xiàn)象 答案　AC 解析　當(dāng)入射速度小于折射速度時，折射光線偏離法線，A對；當(dāng)波垂直界面入射時，傳播方向盡管不改變，但由于介質(zhì)發(fā)生改變，波速和波長都發(fā)生改變，周期、頻率不變，B錯，C對；波發(fā)生折射時也可以在兩種介質(zhì)界面上發(fā)生反射現(xiàn)象，D錯. 6.(多選)一列波由固體傳入液體時，下列說法中正確的是(　　) A.入射波的波長大于折射波的波長 B.入射波的波速大于折射波的波速 C.入射波的頻率大于折射波的頻率 D.入射波的入射角大于折射波的折射角 答案　ABD 7.(多選)如圖1所示，一機(jī)械波由介質(zhì)Ⅰ射入介質(zhì)Ⅱ，在

17、界面MN上發(fā)生偏折.下列說法正確的是(　　) 圖1 A.波在介質(zhì)Ⅰ中傳播的速度大 B.波在介質(zhì)Ⅱ中傳播的速度大 C.波在介質(zhì)Ⅰ中和介質(zhì)Ⅱ中傳播的速度之比為 D.波在介質(zhì)Ⅱ中和介質(zhì)Ⅰ中傳播的速度之比為 答案　BD 解析　由波的折射定律＝可知v1＜v2，且＝＝＝，故B、D正確. 8.人耳只能區(qū)分相差0.1s以上的兩個聲音，人要能聽到自己講話的回聲，離障礙物的距離至少要大于(　　) A.34mB.17mC.100mD.170m 答案　B 解析　聲波在空氣中傳播的速度約為340m/s，因此2s＝vt，s＝＝17m，B正確. 二、非選擇題 9.(波的反射和折射)某測量員利用

18、回聲測距，他站在兩平行墻壁間某一位置鳴槍，經(jīng)過1s第一次聽到回聲，又經(jīng)過0.5s再次聽到回聲，已知空氣中的聲速為340m/s，則兩墻壁間的距離l＝________m. 答案　425 解析　設(shè)測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l－x，2x＝vt1 2(l－x)＝v(t1＋Δt) 其中Δt＝0.5 s，t1＝1 s，代入數(shù)據(jù)得：l＝425 m. 10.(波的反射和折射)一聲波在空氣中的波長為25cm，速度為340m/s，當(dāng)折射進(jìn)入另一種介質(zhì)時，波長變?yōu)?0cm，求： (1)聲波在這種介質(zhì)中的頻率； (2)聲波在這種介質(zhì)中的傳播速度. 答案　(1)1360Hz　(

19、2)1088m/s 解析　(1)聲波由空氣進(jìn)入另一種介質(zhì)時，頻率不變，由v＝λf，得f＝＝Hz＝ 1360Hz. (2)因頻率不變，有＝，得：v′＝v＝×340m/s＝1 088 m/s. 11.(波的反射和折射)某物體發(fā)出的聲音在空氣中的波長為1m，波速為340m/s，在海水中的波長為4.5m.海面上發(fā)出的聲音經(jīng)0.4s聽到海底回聲，則海水深為多少？ 答案　306m 解析　聲音在空氣中與在海水中的頻率相同，則＝，所以v水＝v空＝×340m/s＝1 530 m/s.物體發(fā)出的聲音經(jīng)＝0.2s傳至海底，故海水的深度為s＝v水＝1530×0.2m＝306m. 12.(波的反射和折射)

20、漁船常利用超聲波來探測遠(yuǎn)處魚群的方位，已知某超聲波的頻率為1.0×105Hz，某時刻該超聲波在水中傳播的波動圖像如圖2所示. 圖2 (1)從該時刻開始計時，畫出x＝7.5×10－3m處質(zhì)點(diǎn)做簡諧運(yùn)動的振動圖像(至少一個周期)； (2)現(xiàn)測得超聲波信號從漁船到魚群往返一次所用的時間為4s，求魚群與漁船間的距離(忽略船和魚群的運(yùn)動). 答案　(1)見解析圖　(2)3000m 解析　(1)T＝＝1.0×10－5s，故所求圖像如圖所示. (2)由題圖知波長λ＝15×10－3m，由波速公式得 v＝λf ① 魚群與漁船的距離為x＝vt ② 聯(lián)立①②式，代入數(shù)據(jù)得x＝3000m. 10