2017-2018学年高中物理 第二章 机械波 第4讲 惠更斯原理 波的反射与折射学案 教科版选修3-4.doc

第4讲惠更斯原理波的反射与折射目标定位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2应用：根据惠更斯原理，可以用几何作图的方法，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三、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(1)当v1v2时，ir，折射线偏向法线(2)当v1v2时，ir，折射线偏离法线(3)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.一、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波线的指向表示波的传播方向3在各向同性均匀介质中，波线恒与波面垂直4球面波的波线是沿半径方向的直线，平面波的波线是垂直于波面的平行直线5利用惠更斯原理可以解释平面波和球面波的传播、波的衍射、干涉和折射现象，但无法说明衍射现象与狭缝或障碍物的大小关系【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无论怎样的波，波线始终和波面垂直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对，B错；由波面和波线的概念，不难判定C、D正确答案ACD二、波在反射、折射现象中的波长、频率和波速波现象比较项波的反射波的折射传播方向改变反入改变折入频率f不变不变波速v不变改变波长不变改变特别提醒(1)频率(f)由波源决定，故无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等，即与波源的振动频率相同(2)波速(v)由介质决定，故反射波与入射波在同一介质中传播，波速不变，折射波与入射波在不同介质中传播，波速变化(3)据vf知，波长与波速和频率有关，反射波与入射波，频率同，波速同，故波长相同，折射波与入射波在不同介质中传播，频率同，波速不同，故波长不同【例2】如图1所示，1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则()图1A2与1的波长、频率相等，波速不等B2与1的波速、频率相等，波长不等C3与1的波速、频率、波长均相等D3与1的频率相等，波速、波长均不等解析反射波的波长、频率、波速与入射波都应该相等，故A、B错；折射波的波长、波速与入射波都不等，但频率相等，故C错，D正确答案D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2所示以下说法正确的是()图 2A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正确答案A三、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15 m/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的距离多远？(v声340 m/s)解析若汽车静止问题就简单了，现汽车运动，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x m325 m.答案325 m对惠更斯原理的理解1(多选)下列说法中正确的是()A只有平面波的波面才与波线垂直B任何波的波线与波面都相互垂直C任何波的波线都表示波的传播方向D有些波的波面表示波的传播方向解析任何波的波线都与波面相互垂直，波线都表示波的传播方向，故B、C正确，A、D错误答案BC波的反射与折射2(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错误答案ABC3如图3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，已知波在介质中的速度为v1，波在介质中的波速为v2，则v1v2为()图3A1B1CD解析根据折射定律，可得，所以选项C正确答案C4如图4所示，利用超声波可以探测鱼群的位置，在一只装有超声波发射和接受装置的渔船上，当它向选定的方向发射出频率为5.8104 Hz的超声波后，经过0.64 s收到从鱼群反射回来的反射波，已知频率为5.8104 Hz的超声波在水中的波长为2.5 cm.则这群鱼跟渔船的距离为m.图4解析鱼跟渔船的距离为s，根据波的反射t又波速公式vf由两式得：s464 m答案464题组一惠更斯原理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前的包络面就是新的波前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正确答案AD2下列说法中正确的是()A水波是球面波B声波是球面波C只有横波才能形成球面波D只有纵波才能形成球面波解析该题考查了波面，根据球面波的定义可知：若波面是球面则为球面波，与是横波还是纵波无关，由此可知B正确，C、D不正确；由于水波不能在空间中传播，所以它是平面波，A不正确答案B题组二波的反射与折射3声波从声源发出，在空中向外传播的过程中()A波速在逐渐变小B频率在逐渐变小C振幅在逐渐变小D波长在逐渐变小解析根据惠更斯原理知，声波从声源发出后，在空中向外传播的过程中，形成了以波源为中心的波面，面上的每个点都是子波的波源，然后子波波前形成包络面，即为新的波前，但声源提供的能量一定，在形成新的波前后，总能量不变，但每个新波前获得的能量减少，故在波的传播过程中振幅逐渐减小，故应选C答案C4一列声波从空气传入水中，已知水中声速较大，则()A声波频率不变，波长变小B声波频率不变，波长变大C声波频率变小，波长变大D声波频率变大，波长不变解析该题考查波在发生折射时，波速、波长、频率是否变化的问题由于波的频率由波源决定，因此波无论在空气中还是在水中频率都不变，故C、D错；又因波在水中速度较大，由公式vf可得，波在水中的波长变大，故A错，B正确答案B5(多选)下列现象中属于声波反射现象的是()A隔着墙能听到房间外面有人讲话B音响设备制作时要考虑混合效应C夏日的雷声有时轰鸣不绝D在水里的人能听到岸上的声音解析反射现象是波在同一种介质中的传播，因此B、C正确；波在不同种介质中传播是折射现象，D不正确；A是在同一种介质的另一面传播，不是反射现象答案BC6(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解析固体波速大于液体波速，而波的频率并未变化，所以选项A、B正确，C错误；由折射定律可知，选项D正确答案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解析由波的折射定律可知v1v2，且，故B、D正确答案BD8人耳只能区分相差0.1 s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()A34 mB17 mC100 mD170 m解析声波在空气中传播的速度约为340 m/s，因此2svt，s17 m，B正确答案B9人在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话声音要洪亮，是因为()A室内空气不流动B室内声音多次反射C室内声音发生折射D室内物体会吸收声音解析人在室内说话，声波会被室内物体、墙壁反射，甚至反射多次，因而显得声音洪亮答案B10甲、乙两人平行站在一堵墙前面，二人相距2a m，距墙均为a m，当甲开了一枪后，乙在t s后听到第一声枪响，则乙在什么时候才听到第二声枪响()A听不到B甲开枪后3t sC甲开枪后2t sD甲开枪后s解析如图所示，第一声枪响是从甲直接传到乙，所需时间t第二声枪响是声波经墙反射后传到乙，根据波的反射定律，反射后声波所走路程s24a m所需时间t由得t2t，故C项正确答案C题组三综合应用11一声波在空气中的波长为25 cm，速度为340 m/s，当折射进入另一种介质时，波长变为80 cm，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解析(1)声波由空气进入另一种介质时，频率不变，由vf得f Hz1 360 Hz.(2)因频率不变，有，得：vv340 m/s1 088 m/s.答案(1)1 360 Hz(2)1 088 m/s12如图2所示，一列平面波朝着两种介质的界面传播，A1A2是它在介质中的一个波面，C1和C2位于两种介质的界面上，B1B2是这列平面波进入介质后的一个波面；A1C1和A2C2是它的两条波线，入射角为1，折射角为2，波在、介质中的传播速度分别为v1和v2.图2(1)试根据惠更斯原理证明：；(2)若已知153(sin 530.8)，A1A2的长度为0.6 m，介质和介质中的波速之比为v1v243，则：A1C1B1与A2C2B2的长度相差多少？解析(1)证明：如图，根据惠更斯原理画出波面C1D1与C2D2在RtC1D1C2和RtC2D2C1中：C2C1D11，C1C2D22，有：sin 1，sin 2又因为D1C2v1tC1D2v2t所以联立各式得：得证(2)根据，v1v243和153得：237所以C1C21.0 m，D1C20.8 m，C1D20.6 m，所以A1C1B1与A2C2B2的长度相差rD1C2C1D20.2 m.答案(1)见解析(2)0.2 m