《2017-2018學年高中物理 第二章 機械波 第4講 惠更斯原理 波的反射與折射學案 教科版選修3-4.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《2017-2018學年高中物理 第二章 機械波 第4講 惠更斯原理 波的反射與折射學案 教科版選修3-4.doc（9頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

第4講　惠更斯原理　波的反射與折射 [目標定位]　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象.3.認識波的反射和折射現象，知道反射定律和折射定律． 一、惠更斯原理 1．內容：波在傳播過程中所到達的每一點都可看做新的波源，從這些點發(fā)出球面形狀的子波，其后任一時刻這些子波波前的包絡面就是新的波前． 2．應用：根據惠更斯原理，可以用幾何作圖的方法，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 1．定義：波在傳播的過程中，遇到兩種介質的分界面時返回到原介質繼續(xù)傳播的現象叫波的反射． 2．反射定律：當波傳播到兩種介質的交界處發(fā)生反射時，入射線、法線、反射線在同一平面內，入射線與反射線分別位于法線兩側，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． 三、波的折射 1．定義：波在傳播過程中，從一種介質進入另一種介質時，波傳播的方向發(fā)生偏折的現象叫做波的折射． 2．折射定律 波在介質中發(fā)生折射時，入射線、法線、折射線(即折射波線)在同一平面內，入射線與折射線分別位于法線兩側，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中的傳播速度跟波在第二種介質中的傳播速度之比．對給定的兩種介質，該比值為常數． ＝ 3．結論 (1)當v1＞v2時，i＞r，折射線偏向法線． (2)當v1＜v2時，i＜r，折射線偏離法線． (3)當垂直界面入射(i＝0)時，r＝0，傳播方向不變，是折射中的特殊情況. 一、對惠更斯原理的理解 1．惠更斯原理中，同一波面上的各點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．波線的指向表示波的傳播方向． 3．在各向同性均勻介質中，波線恒與波面垂直． 4．球面波的波線是沿半徑方向的直線，平面波的波線是垂直于波面的平行直線． 5．利用惠更斯原理可以解釋平面波和球面波的傳播、波的衍射、干涉和折射現象，但無法說明衍射現象與狹縫或障礙物的大小關系． 【例1】　(多選)關于對惠更斯原理的理解，下列說法正確的是(　　) A．同一波面上的各質點振動情況完全相同 B．同一波面上的各質點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．無論怎樣的波，波線始終和波面垂直 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構成的面，故A對，B錯；由波面和波線的概念，不難判定C、D正確． 答案　ACD 二、波在反射、折射現象中的波長、頻率和波速 　　　　波現象 比較項　　　　 波的反射 波的折射 傳播方向 改變　θ反＝θ入 改變　θ折≠θ入 頻率f 不變 不變 波速v 不變 改變 波長λ 不變 改變 特別提醒　(1)頻率(f)由波源決定，故無論是反射波還是折射波都與入射波的頻率相等，即與波源的振動頻率相同． (2)波速(v)由介質決定，故反射波與入射波在同一介質中傳播，波速不變，折射波與入射波在不同介質中傳播，波速變化． (3)據v＝λf知，波長λ與波速和頻率有關，反射波與入射波，頻率同，波速同，故波長相同，折射波與入射波在不同介質中傳播，頻率同，波速不同，故波長不同． 【例2】　如圖1所示，1、2、3分別代表入射波、反射波、折射波的波線，則(　　) 圖1 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 解析　反射波的波長、頻率、波速與入射波都應該相等，故A、B錯；折射波的波長、波速與入射波都不等，但頻率相等，故C錯，D正確． 答案　D 針對訓練　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2所示．以下說法正確的是(　　) 圖 2 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．水中質點振動頻率較高，a是水中聲波的波形曲線 D．空氣中質點振動頻率較高，a是空氣中聲波的波形曲線 解析　波的頻率取決于波源的振動頻率，與介質無關，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．但機械波在介質中傳播的速度只取決于介質性質，與波的頻率無關，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較大，對應于題圖中波形曲線b，故只有A正確． 答案　A 三、反射現象的應用 1．回聲測距：(1)當聲源不動時，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，設經過時間t聽到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲. (2)當聲源以速度v向靜止的障礙物運動或障礙物以速度v向靜止的聲源運動時，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v). (3)當聲源以速度v遠離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠離聲源時，聲源發(fā)聲時障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時會被反射回來，蝙蝠就依據接收到的反射回來的超聲波來確定障礙物或目標位置，從而確定飛行方向．另外海豚、雷達也是利用波的反射來定位和測速的． 【例3】　有一輛汽車以15 m/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后司機聽到回聲，司機聽到回聲時汽車距山崖的距離多遠？(v聲＝340 m/s) 解析　若汽車靜止問題就簡單了，現汽車運動，聲音傳播，如圖所示為汽車與聲波的運動過程示意圖．設汽車由A到C路程為x1，C點到山崖B距離為x；聲波由A到B再反射到C路程為x2，因汽車與聲波運動時間同為t，則有x2＝x1＋2x，即v聲t＝v汽t＋2x，所以x＝＝ m＝325 m. 答案　325 m 對惠更斯原理的理解 1．(多選)下列說法中正確的是(　　) A．只有平面波的波面才與波線垂直 B．任何波的波線與波面都相互垂直 C．任何波的波線都表示波的傳播方向 D．有些波的波面表示波的傳播方向 解析　任何波的波線都與波面相互垂直，波線都表示波的傳播方向，故B、C正確，A、D錯誤． 答案　BC 波的反射與折射 2．(多選)以下關于波的認識，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．隱形飛機怪異的外形及表面涂特殊隱形物質，是為了減少波的反射，從而達到隱形的目的 C．雷達的工作原理是利用波的反射 D．水波從深水區(qū)傳到淺水區(qū)改變傳播方向的現象，是波的反射現象 解析　A、B、C選項中應用了波的反射現象；D選項應用了波的折射現象，深水區(qū)域和淺水區(qū)域視為不同介質，故波的傳播方向發(fā)生改變，故D錯誤． 答案　ABC 3．如圖3所示是一列機械波從一種介質進入另一種介質中發(fā)生的現象，已知波在介質Ⅰ中的速度為v1，波在介質Ⅱ中的波速為v2，則v1∶v2為(　　) 圖3 A．1∶ B．∶1 C．∶ D．∶ 解析　根據折射定律＝，可得＝＝∶，所以選項C正確． 答案　C 4．如圖4所示，利用超聲波可以探測魚群的位置，在一只裝有超聲波發(fā)射和接受裝置的漁船上，當它向選定的方向發(fā)射出頻率為5.8104 Hz的超聲波后，經過0.64 s收到從魚群反射回來的反射波，已知頻率為5.8104 Hz的超聲波在水中的波長為2.5 cm.則這群魚跟漁船的距離為m. 圖4 解析　魚跟漁船的距離為s，根據波的反射t＝ ① 又波速公式v＝λf ② 由①②兩式得：s＝464 m 答案　464 題組一　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前的包絡面就是新的波前 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． 答案　AD 2．下列說法中正確的是(　　) A．水波是球面波 B．聲波是球面波 C．只有橫波才能形成球面波 D．只有縱波才能形成球面波 解析　該題考查了波面，根據球面波的定義可知：若波面是球面則為球面波，與是橫波還是縱波無關，由此可知B正確，C、D不正確；由于水波不能在空間中傳播，所以它是平面波，A不正確． 答案　B 題組二　波的反射與折射 3．聲波從聲源發(fā)出，在空中向外傳播的過程中(　　) A．波速在逐漸變小 B．頻率在逐漸變小 C．振幅在逐漸變小 D．波長在逐漸變小 解析　根據惠更斯原理知，聲波從聲源發(fā)出后，在空中向外傳播的過程中，形成了以波源為中心的波面，面上的每個點都是子波的波源，然后子波波前形成包絡面，即為新的波前，但聲源提供的能量一定，在形成新的波前后，總能量不變，但每個新波前獲得的能量減少，故在波的傳播過程中振幅逐漸減小，故應選C． 答案　C 4．一列聲波從空氣傳入水中，已知水中聲速較大，則(　　) A．聲波頻率不變，波長變小 B．聲波頻率不變，波長變大 C．聲波頻率變小，波長變大 D．聲波頻率變大，波長不變 解析　該題考查波在發(fā)生折射時，波速、波長、頻率是否變化的問題．由于波的頻率由波源決定，因此波無論在空氣中還是在水中頻率都不變，故C、D錯；又因波在水中速度較大，由公式v＝λf可得，波在水中的波長變大，故A錯，B正確． 答案　B 5．(多選)下列現象中屬于聲波反射現象的是(　　) A．隔著墻能聽到房間外面有人講話 B．音響設備制作時要考慮混合效應 C．夏日的雷聲有時轟鳴不絕 D．在水里的人能聽到岸上的聲音 解析　反射現象是波在同一種介質中的傳播，因此B、C正確；波在不同種介質中傳播是折射現象，D不正確；A是在同一種介質的另一面?zhèn)鞑?，不是反射現象． 答案　BC 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 解析　固體波速大于液體波速，而波的頻率并未變化，所以選項A、B正確，C錯誤；由折射定律可知，選項D正確． 答案　ABD 7．(多選)如圖1所示，一機械波由介質Ⅰ射入介質Ⅱ，在界面MN上發(fā)生偏折．下列說法正確的是(　　) 圖1 A．波在介質Ⅰ中傳播的速度大 B．波在介質Ⅱ中傳播的速度大 C．波在介質Ⅰ中和介質Ⅱ中傳播的速度之比為 D．波在介質Ⅱ中和介質Ⅰ中傳播的速度之比為 解析　由波的折射定律＝可知v1＜v2，且＝＝＝，故B、D正確． 答案　BD 8．人耳只能區(qū)分相差0.1 s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．34 m B．17 m C．100 m D．170 m 解析　聲波在空氣中傳播的速度約為340 m/s，因此2s＝vt，s＝＝17 m，B正確． 答案　B 9．人在室內講話的聲音比在室外空曠處講話聲音要洪亮，是因為(　　) A．室內空氣不流動 B．室內聲音多次反射 C．室內聲音發(fā)生折射 D．室內物體會吸收聲音 解析　人在室內說話，聲波會被室內物體、墻壁反射，甚至反射多次，因而顯得聲音洪亮． 答案　B 10．甲、乙兩人平行站在一堵墻前面，二人相距2a m，距墻均為a m，當甲開了一槍后，乙在t s后聽到第一聲槍響，則乙在什么時候才聽到第二聲槍響(　　) A．聽不到 B．甲開槍后3t s C．甲開槍后2t s D．甲開槍后s 解析　如圖所示，第一聲槍響是從甲直接傳到乙，所需時間t＝ ① 第二聲槍響是聲波經墻反射后傳到乙，根據波的反射定律，反射后聲波所走路程s′＝2＝4a m．所需時間t′＝＝ ② 由①②得t′＝2t，故C項正確． 答案　C 題組三　綜合應用 11．一聲波在空氣中的波長為25 cm，速度為340 m/s，當折射進入另一種介質時，波長變?yōu)?0 cm，求： (1)聲波在這種介質中的頻率； (2)聲波在這種介質中的傳播速度． 解析　(1)聲波由空氣進入另一種介質時，頻率不變，由v＝λf得f＝＝ Hz＝1 360 Hz. (2)因頻率不變，有＝，得：v′＝v＝340 m/s＝1 088 m/s. 答案　(1)1 360 Hz　(2)1 088 m/s 12．如圖2所示，一列平面波朝著兩種介質的界面?zhèn)鞑ィ珹1A2是它在介質Ⅰ中的一個波面，C1和C2位于兩種介質的界面上，B1B2是這列平面波進入介質Ⅱ后的一個波面；A1C1和A2C2是它的兩條波線，入射角為θ1，折射角為θ2，波在Ⅰ、Ⅱ介質中的傳播速度分別為v1和v2. 圖2 (1)試根據惠更斯原理證明：＝； (2)若已知θ1＝53(sin 53＝0.8)，A1A2的長度為0.6 m，介質Ⅰ和介質Ⅱ中的波速之比為v1∶v2＝4∶3，則：A1C1B1與A2C2B2的長度相差多少？ 解析　(1)證明：如圖，根據惠更斯原理畫出波面C1D1與C2D2 在Rt△C1D1C2和Rt△C2D2C1中：∠C2C1D1＝θ1，∠C1C2D2＝θ2，有： sin θ1＝， sin θ2＝ 又因為D1C2＝v1t C1D2＝v2t 所以聯立各式得：＝得證． (2)根據＝，v1∶v2＝4∶3和θ1＝53 得：θ2＝37 所以C1C2＝1.0 m，D1C2＝0.8 m，C1D2＝0.6 m，所以A1C1B1與A2C2B2的長度相差Δr＝D1C2－C1D2＝0.2 m. 答案　(1)見解析　(2)0.2 m