2018-2019版高中物理 第二章 机械波 4 惠更斯原理 波的反射与折射学案 教科版选修3-4.doc

4惠更斯原理波的反射与折射学习目标1.知道什么是波面和波线.2.了解惠更斯原理，会用惠更斯原理解释波的反射与折射现象.3.认识波的反射和折射现象，知道反射定律和折射定律.一、惠更斯原理1.内容：波在传播过程中所到达的每一点都可看做新的波源，从这些点发出球面形状的子波，其后任一时刻这些子波波前的包络面就是新的波前，这就是惠更斯原理.又叫惠更斯作图法.2.应用：根据惠更斯原理，由已知的某一时刻波前确定下一时刻波前，从而确定波的传播方向.二、波的反射与折射1.波的反射(1)定义：波在传播的过程中，遇到两种介质的分界面时返回到原介质继续传播的现象叫波的反射.(2)反射定律：当波传播到两种介质的交界处发生反射时，入射线、法线、反射线在同一平面内，入射线与反射线分别位于法线两侧，而且反射角等于入射角；反射波的波长、频率和波速都与入射波相同.2.波的折射(1)定义：波在传播过程中，从一种介质进入另一种介质时，波传播的方向发生偏折的现象叫做波的折射.(2)折射定律波在介质中发生折射时，入射线、法线、折射线(即折射波线)在同一平面内，入射线与折射线分别位于法线两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比等于波在第一种介质中的传播速度跟波在第二种介质中的传播速度之比.对给定的两种介质，该比值为常数.(3)结论当v1v2时，ir，折射线偏向法线.当v1v2时，ir，折射线偏离法线.当垂直界面入射(i0)时，r0，传播方向不变，是折射中的特殊情况.即学即用判断下列说法的正误.(1)在波的传播过程中，介质中所有参与振动的质点都可以看做是新的波源.()(2)同一波面上的各质点振动情况可能不相同.()(3)波发生反射和折射时波的频率都不变，但波长、波速均发生变化.()(4)波的折射和反射现象都可以用惠更斯原理解释.()一、惠更斯原理导学探究把一颗石子投到平静的池塘里，会激起一圈圈起伏不平的水面波向周围传播，向四面八方传播的波峰(波谷)是否会组成一个个圆？与这些圆的切线垂直的线能否表示波的传播方向？答案因为水波由波源向四周传开，向各个方向的波速都一样，所以向四面八方传播的波峰(波谷)组成一个个圆.与这些圆的切线垂直的线能表示波的传播方向.知识深化对惠更斯原理的理解(1)惠更斯原理中，同一波面上的各点都可以看做子波的波源.波源的频率与子波波源的频率相等.(2)在各向同性均匀介质中，波线恒与波面垂直.例1(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.同一波面上的各质点振动情况可能不相同C.球面波的波面是以波源为中心的一个个球面D.平面波的波线是垂直于波面的平行线答案ACD解析按照惠更斯原理：波面是由任意时刻振动情况完全相同的点构成的面，故A正确，B错误；由波面和波线的概念，不难判定C、D正确.二、波在反射、折射现象中的波长、频率和波速导学探究如图1所示，当波从介质传播到两介质的交界面时，返回介质的波和进入介质的波的频率变化吗？波长变化吗？图1答案返回介质时波的频率和波长均不变，进入介质的波的频率不变，波速变化，由vf得，波长变化.知识深化对波的反射和折射的理解(1)频率是由振源决定的，介质中各个质点的振动都是受迫振动，因此不论是反射还是折射，波的频率是不改变的.(2)波速是由介质决定的，波反射时是在同一介质中传播，因此波速不变，波折射时是在不同介质中传播，因此波速改变.(3)波长是由频率和波速共同决定的，即在波的反射中，由于波的频率和波速均不变，根据公式可知波长不改变；在波的折射中，当进入新的介质中波速增大时，由可知波长变大，反之变小.例2如图2所示，1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则()图2A.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、波长均不等答案D解析反射波的波长、频率、波速与入射波的都相等，故A、B错误；折射波的波长、波速与入射波的均不等，但频率相等，故C错误，D正确.针对训练同一音叉发出的声波同时在水和空气中传播，某时刻的波形曲线如图3所示.以下说法正确的是()图3A.声波在水中波长较大，b是水中声波的波形曲线B.声波在空气中波长较大，b是空气中声波的波形曲线C.水中质点振动频率较高，a是水中声波的波形曲线D.空气中质点振动频率较高，a是空气中声波的波形曲线答案A解析波的频率取决于波源的振动频率，与介质无关，故同一音叉发出的声波在水中与在空气中传播时频率相同.但机械波在介质中传播的速度只取决于介质性质，与波的频率无关，声波在水中传播的速度大于在空气中传播的速度.由vf知，声波在水中的波长应较大，对应于题图中波形曲线b，故只有A正确.三、波的反射现象的应用1.回声测距(1)当声源不动时，声波遇到了静止的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，设经过时间t听到回声，则声源距障碍物的距离为sv声.(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).(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为s|v声v|.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，蝙蝠就依据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或目标位置，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.例3有一辆汽车以15m/s的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛2 s后司机听到回声，司机听到回声时汽车距山崖多远？(v声340 m/s)答案325m解析汽车运动，声音传播，如图所示为汽车与声波的运动过程示意图.设汽车由A到C路程为x1，C点到山崖B距离为x；声波由A到B再反射到C路程为x2，因汽车与声波运动时间同为t，则有x2x12x，即v声tv汽t2x，所以xm325m.1.(对惠更斯原理的理解)(多选)下列关于惠更斯原理的说法正确的是()A.惠更斯原理能够解释波的反射现象B.惠更斯原理能够解释波的折射现象C.介质中任何一个波面的各点，都可以看成发射子波的波源D.只有纵波才有波面答案ABC2.(波的反射和折射)(多选)以下关于波的认识，哪些是正确的()A.潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，用的是波的反射原理B.隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的C.雷达的工作原理是利用波的反射D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象，是波的反射现象答案ABC解析A、B、C选项中应用了波的反射现象；D选项应用了波的折射现象，深水区域和浅水区域视为不同介质，故波的传播方向发生改变，故D错误.3.(波的反射和折射)如图4所示是一列机械波从一种介质进入另一种介质中发生的现象，已知波在介质中的波速为v1，波在介质中的波速为v2，则v1v2为()图4A.1B.1C.D.答案C解析由折射定律，可知，故C选项正确.4.(波的反射和折射)一列声波在空气中的波长为0.2m.当该声波从空气中以某一角度传入介质中时，波长变为0.6m，如图5所示，若空气中的声速是340m/s.求：图5(1)该声波在介质中传播时的频率；(2)该声波在介质中传播的速度；(3)若声波垂直进入介质，经0.4s返回空气，则介质的深度为多少？答案(1)1700Hz(2)1020m/s(3)204m解析(1)声波在空气中传播时，由vf得：fHz1700Hz.由于声波在不同介质中传播时，频率不变，所以声波在介质中传播时，频率为1700Hz.(2)由vf得声波在介质中的传播速度为v22f0.61700m/s1 020 m/s.(3)声波经0.2s传至介质底部，故介质的深度hv210200.2m204m.一、选择题考点一惠更斯原理1.(多选)下列说法正确的是()A.波线表示波的传播方向B.波面表示波的传播方向C.只有横波才有波面D.波传播中某时刻任一波面上各子波波面的包络面就是新的波面答案AD解析波线表示波的传播方向，故A正确，B错误；所有的波都具有波面，故C错误；由惠更斯原理可知，D正确.2.(多选)下列说法中正确的是()A.根据惠更斯原理可知，介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源B.惠更斯原理只能解释球面波的传播，不能解释平面波的传播C.若知道某时刻一列波的某个波面的位置，由惠更斯原理就可以确定波的传播方向D.惠更斯原理不但可以解释波的直线传播，还可以解释波的反射与折射等相关现象答案AD解析惠更斯原理将介质中任一波面上的各点看做发射子波的波源，可以解释波传播中的包括反射、折射在内的传播规律，故A、D正确.考点二波的反射与折射3.人在室内讲话的声音比在空旷的室外讲话声音要洪亮，是因为()A.室内空气不流动B.室内声音多次被反射C.室内声音发生折射D.室内物体会吸收声音答案B解析人在室内说话，声波会被室内物体、墙壁反射，甚至反射多次，因而显得声音洪亮.4.关于波的反射与折射，下列说法正确的是()A.入射波的波长一定等于反射波的波长，其频率不变B.入射波的波长一定小于反射波的波长，其频率不变C.入射波的波长一定大于折射波的波长，其频率不变D.入射波的波长一定小于折射波的波长，其频率不变答案A解析入射波与反射波在同种介质中波速相同，频率由波源决定，频率相同，由vf知波长相同，选项A正确，B错误；因不知介质情况，入射波与折射波波长无法比较，选项C、D错误.5.(多选)对于波的折射现象，下列说法中正确的是()A.当入射速度小于折射速度时，折射光线偏离法线B.当波垂直界面入射时，传播方向不改变，波速和波长都不改变C.在波的折射中，波的频率不改变，波速和波长都发生改变D.波发生折射时一定不会发生反射现象答案AC解析当入射速度小于折射速度时，折射光线偏离法线，A对；当波垂直界面入射时，传播方向尽管不改变，但由于介质发生改变，波速和波长都发生改变，周期、频率不变，B错，C对；波发生折射时也可以在两种介质界面上发生反射现象，D错.6.(多选)一列波由固体传入液体时，下列说法中正确的是()A.入射波的波长大于折射波的波长B.入射波的波速大于折射波的波速C.入射波的频率大于折射波的频率D.入射波的入射角大于折射波的折射角答案ABD7.(多选)如图1所示，一机械波由介质射入介质，在界面MN上发生偏折.下列说法正确的是()图1A.波在介质中传播的速度大B.波在介质中传播的速度大C.波在介质中和介质中传播的速度之比为D.波在介质中和介质中传播的速度之比为答案BD解析由波的折射定律可知v1v2，且，故B、D正确.8.人耳只能区分相差0.1s以上的两个声音，人要能听到自己讲话的回声，离障碍物的距离至少要大于()A.34mB.17mC.100mD.170m答案B解析声波在空气中传播的速度约为340m/s，因此2svt，s17m，B正确.二、非选择题9.(波的反射和折射)某测量员利用回声测距，他站在两平行墙壁间某一位置鸣枪，经过1s第一次听到回声，又经过0.5s再次听到回声，已知空气中的声速为340m/s，则两墙壁间的距离l_m.答案425解析设测量员离较近的墙壁的距离为x，则他离较远的墙壁的距离为lx，2xvt12(lx)v(t1t)其中t0.5 s，t11 s，代入数据得：l425 m.10.(波的反射和折射)一声波在空气中的波长为25cm，速度为340m/s，当折射进入另一种介质时，波长变为80cm，求：(1)声波在这种介质中的频率；(2)声波在这种介质中的传播速度.答案(1)1360Hz(2)1088m/s解析(1)声波由空气进入另一种介质时，频率不变，由vf，得fHz1360Hz.(2)因频率不变，有，得：vv340m/s1 088 m/s.11.(波的反射和折射)某物体发出的声音在空气中的波长为1m，波速为340m/s，在海水中的波长为4.5m.海面上发出的声音经0.4s听到海底回声，则海水深为多少？答案306m解析声音在空气中与在海水中的频率相同，则，所以v水v空340m/s1 530 m/s.物体发出的声音经0.2s传至海底，故海水的深度为sv水15300.2m306m.12.(波的反射和折射)渔船常利用超声波来探测远处鱼群的方位，已知某超声波的频率为1.0105Hz，某时刻该超声波在水中传播的波动图像如图2所示.图2(1)从该时刻开始计时，画出x7.5103m处质点做简谐运动的振动图像(至少一个周期)；(2)现测得超声波信号从渔船到鱼群往返一次所用的时间为4s，求鱼群与渔船间的距离(忽略船和鱼群的运动).答案(1)见解析图(2)3000m解析(1)T1.0105s，故所求图像如图所示.(2)由题图知波长15103m，由波速公式得vf鱼群与渔船的距离为xvt联立式，代入数据得x3000m.