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第三章 机械波
选择性必修一 人教版
3.波的反射、折射和衍射
“隔墙有耳”“一石激起千层浪”……我们对这些现象耳熟能详，它们都与波动有关。测绘科技人员利用声呐绘制海底地形图，医生用“B超”诊断疾病，狂风巨浪使船舶颠簸，地震波对建筑物造成破坏……
种种现象表明:波既能传递信息，又能传递能量。
多姿多彩的波有许多共同的特征和规律，我们应该很好地认识波，以便更好地利用波，或预防和减轻波所造成的破坏。
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思考：
1.当刺破气球后，发生了什么现象？
2.这个声音跟什么很像？
3.为什么会这样？
物理观念 了解波在传播过程中可能发生反射、折射、衍射等物理现象并知道这些物理现象形成的条件。
科学思维 通过生活实例的分析以及观察演示实验，直接体验生活中处处存在着物理现象和自然规律，培养仔细观察，抓住事物本质的思维品质。
科学探究 在对实验的操作中让学生体会到波的特性，并利用小组讨论帮助学生开拓思维，引导学生对实验现象及实验条件进行科学探究，通过交流评估提升反思能力。
科学态度 与责任 具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，形成探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度。培养将物理实验成果服务社会生产生活的应用意识。
学习目标
重点难点
重点 波的折射和反射定律。
难点 波的衍射现象。
一、波的反射
人耳只能分开相差0.1s以上的声音,在房间里听不到回声.
生活中，你是否注意过水波的反射？
一、波的反射
1.钱塘江大潮为什么会出现回头潮？
2.钱塘江大潮中出现的回头潮是否遵循一定的物理规律呢？
一、波的反射
当波传播到两种介质的分界面时，一部分返回来继续传播的现象。
反射线与法线的夹角叫做反射角。
入射角 ：
入射线与法线的夹角叫做入射角。
反射角 ：
2.反射定律：
（1）入射线、法线、反射线在同一平面内，入射线与反射线分居法线两侧，反射角等于入射角。
（2）反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同．
（3）波遇到两种介质界面时，总存在反射．
1.定义：
法线
分界面
一、波的反射
生活中波的反射现象
回声测距的原理是什么？
(1)当声源不动时,声波遇到了静止障碍物会返回来继续传播,由于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s=v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远离静止的声源时,声源发声时障碍物到声源的距离s=(v声-v) 。
一、波的反射
讨论：如图所示，一场大雪过后，人们会感到外面万籁俱寂．这是怎么回事？难道是人的活动减少了吗？
刚下过的雪是新鲜蓬松的，它的表面层有许多小气孔．当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射．由于气孔往往是内部大而口小．所以，仅有少部分波的能量能通过口径反射回来，而大部分的能量则被吸收掉了．所以不是人的活动减少了。
二、波的折射
中国有关海市蜃楼的记载，最早可追溯到西汉司马迁的《史记·天官记》：“海旁蜃气像楼台，广野气成宫阙然”。正如我们看到的水中的铅笔，这就是光的折射现象。机械波会发生折射吗？
二、波的折射
二、波的折射
1.定义：
波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生了改变的现象叫做波的折射。
2.折射定律：
折射角（r）：
折射波的波线与两介质界面法线的夹角r叫做折射角。
入射线、法线、折射线在同一平面内，入射线与折射线分居法线两侧．入射角的正弦跟折射角的正弦之比等于波在第一种介质中的速度跟波在第二种介质中的速度之比。
界面
介质I
介质II
法线
二、波的折射
（2）当入射速度大于折射速度时，折射角折向法线。
（3）当入射速度小于折射速度时，折射角折离法线。
（4）当垂直界面入射时，传播方向不改变。
（1）折射的原因：是波在不同介质中的速度不同.
3.理解
（5）折射时，波的频率不变，波速和波长都发生改变。
二、波的折射
波的反射与折射有什么不同点？
波现象 波的反射 波的折射
传播方向 改变 θ反＝θ入 改变 θ折≠θ入
频率f 不变 不变
波速v 不变 改变
波长λ 不变 改变
二、波的折射
讨论：如图所示，骆驼队白天在沙漠中行走时，队伍后面的喊声，队伍前面往往听不到，而夜晚就不同，听的比较清楚，这是什么原因？
白天近地面的气温较高，声速较大，声速随离地面高度的增加而减小.导致声音传播方向向上弯曲；夜晚地面温度较低，声速随离地面高度的增加而增加，声波的传播方向向下弯曲，这也是在夜晚声波传播得比较远的原因．
三、波的衍射
当你迈过清澈的小河，你看到了水面的阵阵涟漪。对它们就是微小的水波。这些水波由上游激发而来向下游传播而去。在传播的过程中遇到了障碍。这些涟漪在遇到障碍物后，障碍物后面是不是就没有涟漪了呢？你仔细观察发现了什么没有，怎么去解释这总现象？
三、波的衍射
1.定义：
波绕过障碍物继续传播的现象叫做波的衍射。
障碍物
阴影区
阴影区
波源
衍——延展之意
波的衍射——波延展到“影子”区域里的现象。
三、波的衍射
三、波的衍射
三、波的衍射
波长λ一定的水波通过宽度d不同的狭缝后的衍射图样
d > λ
d < λ
d ≈λ
明显
明显
不明显
d
d
d
三、波的衍射
二、波的折射
d > λ
d ≈λ
d < λ
实验现象：波长λ一定，通过不同宽度d的狭缝后衍射图样
λ
d
λ
d
λ
d
不明显
较明显
明显
2.发生明显衍射的条件：
只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。
3.说明：
(1)衍射是波特有的现象，一切波都会产生衍射现象。
(2)衍射现象总是存在的，只有明显与不明显的差异。
(3)障碍物或孔的尺寸大小，并不是决定衍射能否发生的条件，仅是发生明显衍射的条件
(4)一般情况下，波长较大的波容易产生明显的衍射现象。
三、波的衍射
三、波的衍射
水波通过桥洞时发生衍射
“隔墙有耳”这一成语中蕴含着物理学中“波的衍射”这一原理
五、练习与应用
1. (多选)右图是观察水波衍射的实验装置。AC和BD是两块挡板,AB是一个孔,O是波源。图中已画出波源所在区域波的传播情况,每两条相邻波纹(图中曲线)之间的距离表示一个波长,则关于波经过孔之后的传播情况,下列描述正确的是(　　)
A.此时能观察到波明显的衍射现象
B.挡板前后波纹间距离相等
C.如果将孔AB扩大,有可能观察不到明显的衍射现象
D.如果孔的大小不变,使波源频率增大,能观察到更
明显的衍射现象
ABC
五、练习与应用
解析 观察题图可知道孔的尺寸与波长差不多,能观察到波明显的衍射现象,故选项A对;因波的传播速度不变,频率不变,故波长不变,即挡板前后波纹间距离应相等,故选项B对;若将孔AB扩大,且孔的尺寸远大于波长,则可能观察不到明显的衍射现象,故选项C对;若f增大,知λ变小,衍射现象变得不明显了,故选项D错。
五、练习与应用
2.(多选)一列波在传播过程中通过一个较大障碍物，发生了一定程度的衍射，以下哪种情况可以使衍射现象更明显 (　　)
A．增大障碍物的尺寸　　 B．减小波的频率
C．缩小障碍物的尺寸　　 D．增大波的频率　
BC
五、练习与应用
解析 波在介质中传播时波速是由介质决定的，与波的频率无关，所以改变波的频率不会改变波速，但由v＝λf可知，当波速一定时，减小频率则波长增大。而发生明显衍射的条件是障碍物或孔、缝的尺寸比波长小或相差不多，要使衍射现象变得明显，可以通过缩小障碍物的尺寸，同时增大波长即减小波的频率来实现，故B、C正确．
五、练习与应用
3.如图所示,1、2、3分别代表入射线、反射线、折射线,则( )
A.反射波与入射波的波长、频率相等,波速不相等
B.反射波与入射波的波速、频率相等,波长不相等
C.折射波与入射波的波速、频率、波长均相等
D.折射波与入射波的频率相等,波速、波长均不相等
D
五、练习与应用
解析 反射波的波长、频率、波速与入射波的都相等,故选项A、B错误;折射波的波长、波速与入射波的都不相等,但频率相等,故选项C错误,选项D正确.
五、练习与应用
4.在水波的衍射实验中,若拍打水面的物体的振动频率是5 Hz,水波在水槽中的传播速度为0.05 m/s,为观察到明显的衍射现象,小孔的直径d应满足什么条件
五、练习与应用
解析 在水槽中激发的水波波长为λ== m=0.01 m=1 cm.若要在小孔后产生明显的衍射现象,则应使小孔直径d小于波长或与波长相差不多.
六、提升训练
1.小河中有一个实心桥墩P,A为靠近桥墩浮在水面上的一片树叶,俯视图如图所示,小河水面平静。现在S处以某一频率拍打水面,使形成的水波能带动树叶A振动起来,可以采用的方法是(　　)
A.提高拍打水面的频率
B.降低拍打水面的频率
C.无论怎样拍打,A都不会振动起来
D.无需拍打,A也会振动起来
B
解析 使形成的水波能带动树叶A振动起来,必须使水面形成的波的波长足够长,衍射现象明显,可以采用的方法是降低拍打水面的频率,选项B正确。
六、提升训练
六、提升训练
3.如图所示,正中O是水面上的一个波源,实、虚线分别表示该时刻的波峰、波谷,A是挡板,B是小孔.经过一段时间后,水面上的波形将分布于 (　　)
A.整个区域
B.阴影Ⅰ以外区域
C.阴影Ⅱ以外区域
D.阴影Ⅲ以外区域
B
六、提升训练
解析 由题图可看出,半波长为实、虚两圆半径之差,且可看出挡板A的尺寸比波长大得多,而小孔B与波长长度差不多.根据波发生明显衍射的条件可知,该波在挡板A处的衍射现象很不明显,即可认为波沿直线传播,故Ⅰ区内水面无波形,选项A、C、D错误;该波的波长与小孔B宽度差不多,能够产生明显的衍射,故在阴影区Ⅱ、Ⅲ之内,明显存在衍射波的波形,选项B正确.
六、提升训练
3.“B超”可用于探测人体内部器官的病变状况.下图是超声波从肝脏表面入射,经折射与反射,最后从肝脏表面射出的示意图.超声波在进入肝脏发生折射时遵循的规律与光的折射规律类似,可表述为=(式中θ1是入射角,θ2是折射角,v1、v2分别是超声波在肝脏外和肝脏内的传播速度),超声波在肿瘤表面发生反射时遵循的规律与光的反射规律相同.已知v2=0.9v1,入射点与出射点之间的距离是d,入射角是i,肿瘤的反射面恰好与肝脏表面平行.肿瘤离肝脏表面的深度h为多少
六、提升训练
解析 超声波沿如图所示的路线传播,由题意可得=,
又因为v2=0.9v1,
所以sin θ=0.9sin i,
在直角三角形中sin θ=,
所以h=.

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