《波的反射、折射和衍射》文學(xué)文化中的科學(xué)知識(shí)《紅樓夢(mèng)》中有個(gè)非常有名的人物：“未見(jiàn)其人，先聞其聲”這人是誰(shuí)？大家可知道“余音繞梁，三日不絕”的出處？《列子.湯問(wèn)》里記載：秦青顧謂其友曰：“昔韓娥東之齊，匱糧，過(guò)雍門(mén)，鬻歌假食。既去而余音繞梁欐，三日不絕，左右以其人弗去?！眰髡f(shuō)春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，韓國(guó)有個(gè)名叫韓娥的歌唱能手，為了贊美她的歌聲，有了“余音繞梁，三日不絕”這個(gè)成語(yǔ)。以上兩個(gè)文學(xué)事例里包含了什么物理知識(shí)呢？原始的捕魚(yú)方法——叉魚(yú)！魚(yú)叉是直的，為什么我們看到視頻里的魚(yú)叉插進(jìn)水中是彎的？要想叉到魚(yú)需要注意什么呢？波的反射、折射和衍射一、波的反射

波的反射：當(dāng)波傳播到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分返回來(lái)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。波的反射現(xiàn)象存在什么規(guī)律？模型建構(gòu)一、波的反射法線分界面反射定律：（1）入射線、法線、反射線在同一平面內(nèi)，入射線與反射線分居法線兩側(cè)，反射角等于入射角。

（2）反射波的波長(zhǎng)、頻率、波速都跟入射波相同．（3）波遇到兩種介質(zhì)界面時(shí)，總存在反射．入射角：反射角：反射線與法線的夾角

叫做反射角入射線與法線的夾角

叫做入射角怎樣表示水波的入射方向和反射方向？生活思考一、波的反射“余音繞梁，三日不絕”中的科學(xué)知識(shí)是聲波的反射，當(dāng)然這里運(yùn)用了夸張的表達(dá)手法如圖所示，一場(chǎng)大雪過(guò)后，人們會(huì)感到外面萬(wàn)籟俱靜．這是怎么回事？難道是人的活動(dòng)減少了嗎？提示：剛下過(guò)的雪是新鮮蓬松的，它的表面層有許多小氣孔．當(dāng)外界的聲波傳入這些小氣孔時(shí)便要發(fā)生反射．由于氣孔往往是內(nèi)部大而口徑?。?，僅有少部分波的能量能通過(guò)口徑反射回來(lái)，而大部分的能量則被吸收掉了．所以不是人的活動(dòng)減少了.生活思考一、波的反射二、波的折射

波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，波的傳播方向發(fā)生了改變的現(xiàn)象叫做波的折射。模型建構(gòu)界面介質(zhì)I介質(zhì)II法線波發(fā)生折射的原因：是波在不同介質(zhì)中的速度不同折射定律：折射角（

）：折射波的波線與兩介質(zhì)界面法線的夾角

叫做折射角。入射線、法線、折射線在同一平面內(nèi)，入射線與折射線分居法線兩側(cè)．入射角的正弦跟折射角的正弦之比等于波在第一種介質(zhì)中的速度跟波在第二種介質(zhì)中的速度之比。二、波的折射二、波的折射1.當(dāng)入射速度大于折射速度時(shí)，折射角折向法線。2.當(dāng)入射速度小于折射速度時(shí)，折射角折離法線。3.當(dāng)垂直界面入射時(shí)，傳播方向不改變，屬折射中的特例。4.在波的折射中，波的頻率不改變，波速和波長(zhǎng)都發(fā)生改變。模型建構(gòu)注意：界面介質(zhì)I介質(zhì)II法線所以大家現(xiàn)在知道要想精準(zhǔn)叉到魚(yú)，要怎么叉了嗎？界面介質(zhì)I介質(zhì)II法線二、波的折射波現(xiàn)象波的反射波的折射

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(zhǎng)λ不變改變比較波的反射與折射二、波的折射生活思考

如圖所示，駱駝隊(duì)白天在沙漠中行走時(shí)，隊(duì)伍后面的喊聲，隊(duì)伍前面往往聽(tīng)不到，而夜晚就不同，聽(tīng)的比較清楚，這是什么原因？

白天近地面的氣溫較高，聲速較大，聲速隨離地面高度的增加而減小導(dǎo)致聲音傳播方向向上彎曲；夜晚地面溫度較低，聲速隨離地面高度的增加而增加，聲波的傳播方向向下彎曲，這也是在夜晚聲波傳播地比較遠(yuǎn)的原因．三、波的衍射

波繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫做波的衍射。1.一切波都能發(fā)生衍射2.衍射是波特有的現(xiàn)象波在什么條件下能夠發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象呢？三、波的衍射實(shí)驗(yàn)探究演示1：下面通過(guò)一個(gè)模擬視頻觀察水波通過(guò)不同寬度狹縫的傳播情況水波通過(guò)狹縫后的傳播情況結(jié)論1：波長(zhǎng)一定的情況下，狹縫窄的，衍射現(xiàn)象比較明顯是不是可以得出結(jié)論狹縫越窄，衍射越明顯呢？演示2：保持狹縫的寬度不變，改變水波的波長(zhǎng)，觀察波的傳播情況有什么變化。波長(zhǎng)為狹縫寬度的波長(zhǎng)為狹縫寬度的波長(zhǎng)分別是狹縫寬度的結(jié)論2：狹縫的寬度不變的情況下，波長(zhǎng)越接近狹縫寬度，衍射現(xiàn)象越明顯三、波的衍射實(shí)驗(yàn)探究只有縫、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。三、波的衍射實(shí)驗(yàn)探究結(jié)論1：波長(zhǎng)一定的情況下，狹縫窄的，衍射現(xiàn)象比較明顯結(jié)論2：狹縫的寬度不變的情況下，波長(zhǎng)越接近狹縫寬度，衍射現(xiàn)象越明顯發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：現(xiàn)在大家能說(shuō)說(shuō)，剛上課時(shí)提到的“未見(jiàn)其人，先聞其聲”是因?yàn)槭裁戳藛幔柯暡ǖ难苌淙?、波的衍射生活思考醫(yī)院中有一種“B超”儀器，常用來(lái)探測(cè)人體內(nèi)臟的位置及發(fā)現(xiàn)可能的病變，這種儀器為什么要使用超聲波而不用普通的聲波？三、波的衍射生活思考1）超聲波的頻率范圍為大于20000Hz，其相應(yīng)波長(zhǎng)小于17mm；超聲波波長(zhǎng)短，不易衍射，在一定距離內(nèi)沿直線傳播，方向性好，故所拍圖像清晰。2）超聲波頻率高，故超聲波能量大，才容易穿透皮膚和組織。

課堂小結(jié)一、

波的反射：當(dāng)波傳播到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)，一部分返回來(lái)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。二、波的折射：波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，波的傳播方向發(fā)生了改變的現(xiàn)象。四、波的衍射：波繞過(guò)障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。波現(xiàn)象波的反射波的折射

傳播方向改變?chǔ)确矗溅热敫淖儲(chǔ)日邸佴热腩l率f不變不變波速v不變改變波長(zhǎng)λ不變改變?nèi)?、波的反射與折射的比較只有縫、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。問(wèn)題一波的反射及其應(yīng)用[情境探究]如圖所示,在水槽中,點(diǎn)波源所發(fā)出的圓形水波遇直線界面反射后的波形仍為同心圓形。請(qǐng)舉例說(shuō)明生活中波的反射現(xiàn)象。要點(diǎn)提示

回聲是聲波的反射現(xiàn)象,對(duì)著山崖或高墻說(shuō)話,聲波傳到山崖或高墻時(shí),會(huì)被反射回來(lái)繼續(xù)傳播。[知識(shí)歸納]1.波的反射波遇到障礙物會(huì)返回原介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。反射波的波長(zhǎng)、頻率和波速都跟入射波相同。2.回聲測(cè)距(1)當(dāng)聲源不動(dòng)時(shí),聲波遇到了靜止障礙物會(huì)返回來(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=。(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),聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離s=(v聲-v)。3.超聲波定位蝙蝠、海豚能發(fā)出超聲波,超聲波遇到障礙物或捕食目標(biāo)時(shí)會(huì)被反射回來(lái)。蝙蝠、海豚就是根據(jù)接收到反射回來(lái)的超聲波來(lái)確定障礙物或食物的位置,從而確定飛行或游動(dòng)方向。要點(diǎn)筆記

波在同一種均勻介質(zhì)中傳播時(shí)波速不變。[典例剖析]例題1有一輛汽車(chē)以15m/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2s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=340m/s)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)從發(fā)出笛聲到接收到笛聲,二者運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同。如圖所示。設(shè)汽車(chē)在A點(diǎn)發(fā)出笛聲,A點(diǎn)到山崖B的距離為x1,汽車(chē)運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)接收到笛聲,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+x①x1+x=v聲t=340

m/s·t②x2=v車(chē)t=15

m/s·t③聯(lián)立①②③得x=325

m。答案

325m規(guī)律方法

聲波反射的應(yīng)用技巧(1)利用反射定律解決實(shí)際問(wèn)題,主要是利用聲波的直線傳播及其反射特點(diǎn),考查勻速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用。(2)利用聲波的反射測(cè)量距離、速度是此類(lèi)問(wèn)題的重

點(diǎn),應(yīng)利用聲波的直線傳播和反射定律作出聲波傳播的示意圖,再結(jié)合幾何關(guān)系求解。變式訓(xùn)練1甲、乙兩人平行站在一堵墻前面,二人相距2a,距離墻均為

a,當(dāng)甲開(kāi)了一槍后,乙在時(shí)間t后聽(tīng)到第一聲槍響,則乙聽(tīng)到第二聲槍響的時(shí)間為(

)A.聽(tīng)不到 B.甲開(kāi)槍3t后C.甲開(kāi)槍2t后 D.甲開(kāi)槍

后解析

乙聽(tīng)到第一聲槍響必然是甲放槍的聲音直接傳到乙的耳中,故t=。甲、乙二人及墻的位置如圖所示,乙聽(tīng)到第二聲槍響必然是墻反射的槍聲,由反射定律可知,波線如圖中AC和CB所示,由幾何關(guān)系可得AC=CB=2a,故第二聲槍響傳到乙的耳中的時(shí)間t'==2t。答案

C問(wèn)題二波的反射、折射現(xiàn)象中各量的變化[情境探究]波由介質(zhì)Ⅰ進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ時(shí)頻率變化嗎?波長(zhǎng)變化嗎?要點(diǎn)提示

頻率不變;波長(zhǎng)變化。[知識(shí)歸納]比較項(xiàng)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(zhǎng)λ不變改變(1)頻率f由波源決定。無(wú)論是反射波還是折射波都與入射波的頻率相等,即波源的振動(dòng)頻率相同。(2)波速v由介質(zhì)決定。反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播,波速不變,折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播,波速變化。(3)據(jù)v=λf知,波長(zhǎng)λ與波速和頻率有關(guān)。反射波與入射波頻率相同、波速相同,故波長(zhǎng)相同,折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播,頻率相同,波速不同,故波長(zhǎng)不同。[典例剖析]例題2一列聲波在空氣中的波長(zhǎng)為0.25m。當(dāng)該聲波傳入某種介質(zhì)中時(shí),波長(zhǎng)變?yōu)?.8m,若空氣中的聲速是340m/s。求:(1)該聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)的頻率;(2)該聲波在介質(zhì)中傳播的速度大小。解析

(1)聲波在空氣中傳播時(shí),由v=λf得由于聲波在不同介質(zhì)中傳播時(shí),頻率不變,所以聲波在該介質(zhì)中傳播時(shí),頻率仍為1

360

Hz。(2)由v=λf得v2=λ2f=0.8×1

360

m/s=1

088

m/s。答案

(1)1360Hz

(2)1088m/s要點(diǎn)筆記

波在傳播過(guò)程中頻率不變,在不同介質(zhì)中傳播時(shí)速度不同。變式訓(xùn)練2下列說(shuō)法正確的是(

)A.入射波的波長(zhǎng)和反射波的波長(zhǎng)相等B.入射波的波長(zhǎng)大于折射波的波長(zhǎng)C.入射波的波長(zhǎng)小于折射波的波長(zhǎng)D.入射角與折射角之比等于兩波速之比解析

同一波在同一介質(zhì)中波長(zhǎng)、波速是一定的,故選項(xiàng)A正確;介質(zhì)不確定時(shí),入射波和折射波的波長(zhǎng)大小關(guān)系無(wú)法確定,選項(xiàng)B、C錯(cuò)誤;入射角的正弦與折射角的正弦之比才等于兩介質(zhì)中的波速之比,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案

A問(wèn)題三對(duì)波的衍射現(xiàn)象的理解[情境探究]向平靜的水面投一塊小石子,水面會(huì)形成一圈圈美麗的波紋。這些波紋遇到露出水面的較小的石塊會(huì)產(chǎn)生怎樣的現(xiàn)象呢?要點(diǎn)提示

水波會(huì)繞過(guò)石塊繼續(xù)向前傳播。[知識(shí)歸納]1.發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件(1)水波遇到障礙物的情況當(dāng)障礙物較小時(shí)發(fā)現(xiàn)波繞過(guò)障礙物繼續(xù)前進(jìn),如同障礙物不存在一樣。如圖甲所示。(2)水波遇到小孔的情況當(dāng)孔較小時(shí)發(fā)現(xiàn)孔后的整個(gè)區(qū)域里傳播著以孔為中心的圓形波。如圖乙所示。(3)產(chǎn)生明顯衍射的條件產(chǎn)生明顯衍射現(xiàn)象,必須具備一定的條件:障礙物或孔的尺寸比波長(zhǎng)小,或者跟波長(zhǎng)相差不多。要點(diǎn)筆記

障礙物或孔的尺寸大小并不是決定衍射能否發(fā)生的條件,僅是衍射現(xiàn)象是否明顯的條件,一般情況下,波長(zhǎng)較大的波容易發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象。2.波的衍射現(xiàn)象分析波傳到小孔時(shí),小孔仿佛是一個(gè)新的波源,由它發(fā)出與原來(lái)同頻率的波在孔后傳播,于是就出現(xiàn)了偏離直線傳播的衍射現(xiàn)象。波的直線傳播是衍射現(xiàn)象不明顯時(shí)的近似情形。[典例剖析]例題3(多選)觀察水面波衍射的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示,AC和BD是兩塊擋板,AB是一個(gè)孔,O是波源,圖中已畫(huà)出波源所在區(qū)域波的傳播情況,每?jī)蓷l相鄰波紋(圖中曲線)之間距離表示一個(gè)波長(zhǎng),則波經(jīng)過(guò)孔之后的傳播情況,下列描述正確的是(

)A.此時(shí)能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象B.擋板前后波紋間距離相等C.如果將孔AB擴(kuò)大,有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象D.如果孔的大小不變,使波源頻率增大,能更明顯地觀察到衍射現(xiàn)象解析

從題圖中可看出孔AB的尺寸小于一個(gè)波長(zhǎng),所以此時(shí)能明顯地觀察到波的衍射