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　第3节　波的反射、折射和衍射
课程要求 学科素养
知道波的反射和折射现象。通过实验,了解波的衍射现象 物理观念 知道波传播到两种介质的界面时会发生反射、折射现象。知道波的衍射现象
科学思维 能够对比衍射的特点,解决有关问题
科学探究 探究发生明显衍射现象的条件
要点一　波的反射和折射
1.波的反射
(1)波的反射
波遇到障碍物会返回来继续传播的现象。
(2)反射定律
入射线、法线与反射线在同一平面内,反射线与入射线分居法线两侧,反射角等于入射角。如图所示。
2.波的折射
(1)波从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向发生改变的现象,叫作波的折射。如图所示。
(2)一切波都会发生折射现象,折射是波的特有现象。一列水波在深度不同的水域传播时,在交界面处将发生折射。
1.在波的反射和折射现象中,反射波与入射波、折射波与入射波的频率相同吗 波长相同吗
提示:在波的反射和折射现象中,反射波、折射波和入射波的频率都与波源的频率相同;反射现象是在同种介质中传播,波速相同,由v=λf可知,波长也相同,而折射现象是在不同介质中传播,波速不同,波长也不同。
2.波在发生折射时,传播方向一定改变吗
提示:不一定,如果入射波垂直于交界面时,传播方向保持不变。
1.波的反射与折射的对比(如图所示)
项目 波的反射 波的折射
传播方向 改变(i'=i) 改变(r≠i)
频率f 不变 不变
波速v 不变 改变
波长λ 不变 改变
2.回声测距的三种情况
(1)当声源不动时,声波遇到了静止障碍物会被反射回来继续传播,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,则声源到障碍物的距离为s=v声(如图甲)。
(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,声波遇到障碍物经时间t返回,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声+v)(如图乙)。
(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,声波遇到障碍物经时间t返回,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声-v)(如图丙)。
【例1】　(多选)以下关于波的认识,正确的是 (　ABD　)
A.潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况,利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,从而达到了隐形的目的
C.雷达的工作原理是利用波的折射
D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象,是波的折射现象
【解析】　潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况,隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质,雷达的工作原理,都是利用了波的反射原理,故A、B正确,C错误;水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象,是波的折射现象,故D正确。
【例2】　一列声波在空气中的波长为0.2 m,当该声波从空气中以某一角度传入介质Ⅱ中时,波长变为0.6 m,如图所示,若空气中的声速是340 m/s。求:
(1)该声波在介质Ⅱ中传播时的频率;
(2)该声波在介质Ⅱ中传播的速度。
【答案】　(1)1 700 Hz　(2)1 020 m/s
【解析】　(1)声波在空气中传播时,由v=λf,可得声波在空气中传播时的频率f== Hz=1 700 Hz,由于声波在不同介质中传播时,频率不变,所以该声波在介质Ⅱ中传播时的频率为1 700 Hz。
(2)由v=λf得该声波在介质Ⅱ中传播的速度为v2=λ2f=0.6×1 700 m/s=1 020 m/s。
【例3】　为了测出海底的深度,现用波长为3.4 cm的超声波向海底定向发射,经过0.8 s,探测仪器收到发射出去的超声波返回的信号,超声波在海水中的波长为15.3 cm,超声波在空气中的波速为340 m/s,则海底深度为多少
【答案】　612 m
【解析】　由v=λf及超声波的频率不变可得=,海底深度h=v2·=v1·=×340× m=612 m。
要点二　波的衍射
1.定义
波可以绕过障碍物继续传播的现象。
2.实验及现象
(1)实验装置:在水槽里放两块挡板,中间留一个狭缝。
(2)现象:①狭缝宽度比波长大得多时,波的传播如同光沿直线传播一样,挡板后面产生“阴影区”。②狭缝宽度与波长相差不多或狭缝宽度比波长更小时,水波绕到挡板后面继续传播。
3.发生明显衍射现象的条件
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。
如图甲所示是一个可观察水波衍射的发波水槽,振源的频率是可以调节的,槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔,观察水波的传播,如图乙、丙,也可以在水槽中放置宽度不同的挡板,观察水波的传播。
水波遇到小孔时,会观察到什么现象 依次减小小孔尺寸,观察到的现象有什么变化
提示:水波遇到小孔时,水波能穿过小孔,并能到达挡板后面的“阴影区”,小孔的尺寸减小时,水波到达“阴影区”的现象更加明显。
1.一切波都能发生衍射现象,当波碰到障碍物时,衍射现象总是存在的,只有“明显”与“不明显”之分。
2.发生明显衍射现象的条件
(1)水波遇到障碍物的情况:当障碍物较小时发现波绕过障碍物继续前进,如同障碍物不存在一样。如图甲所示,衍射现象明显。
(2)水波遇到小孔的情况:当孔较小时发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波。如图乙所示,衍射现象明显。
(3)产生明显衍射的条件:障碍物或孔的尺寸比波的波长小,或者跟波的波长相差不多。
(4)衍射现象与观察的矛盾:当孔的尺寸远小于波长时尽管衍射十分突出,但由于衍射波的能量很弱,衍射现象不容易观察到。
3.波的直线传播只是在衍射现象不明显时的近似情况。
【例4】　如图所示为波源O传出的一列水波,相邻实线间的距离等于一个波长,下列说法正确的是 (　D　)
A.波通过孔A,不发生明显的衍射现象
B.波通过孔B,不发生衍射现象
C.波遇到障碍物C,发生明显的衍射现象
D.波遇到障碍物D,发生明显的衍射现象
【解析】　孔B和障碍物C尺寸大于波长,不会发生明显的衍射现象,但仍会发生衍射现象,故B、C错误;孔A和障碍物D尺寸分别小于和接近波长,会发生明显的衍射现象,故A错误,D正确。
【例5】　某同学用水波槽观察水波的衍射现象。如图所示,在水槽里放置两块挡板M、N,挡板M固定不动,挡板N可以上下移动。现在把M、N两块挡板间的空隙当作一个“小孔”做水波的衍射实验,当波源S振动形成的水波经过小孔时,出现了图示中的图样,P点的水并没有振动起来。为了使挡板左边的振动能传到P点,下列做法可行的是 (　C　)
A.增加波源S的振动频率
B.增加波源S的振动振幅
C.将挡板N上移一段距离
D.将挡板N下移一段距离
【解析】　为使挡板左边的振动传到P点应使衍射现象更明显,应增大波长或减小孔的尺寸。增加波源S的振动频率,则周期会减小,在同一介质中波速不变,根据v=得波长会减小,故A错误;增加波源S的振动振幅不影响波长,故B错误;将挡板N上移一段距离,即减小了孔的尺寸,振动能传到P点,故C正确,D错误。
1.关于波的反射、折射现象,下列说法正确的是 (　A　)
A.一切波都能发生反射、折射现象
B.发生折射时,波的传播方向一定会发生改变
C.不是所有的波都能发生反射
D.波发生折射时,波长、频率和波速都会发生变化
解析:当波从一种介质传播到另一种介质时,一切波都能发生反射和折射,故A正确,C错误。波传播方向跟两种介质分界面垂直时,传播方向不变,故B错误。波从一种介质传播进入另一种介质时,频率不变,波速发生变化,而波长λ=,随着波速变化而变化,故D错误。
2.下列现象或事实属于衍射现象的是 (　C　)
A.风从窗户吹进来
B.雪堆积在背风的屋后
C.水波前进方向上遇到凸出在水面上的小石块,小石块对波的传播没有影响
D.晚上看到水中月亮的倒影
解析:波可以绕过障碍物继续传播,这种现象称为波的衍射,C与衍射现象相符。
3.(多选)如图中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线,则下列说法中正确的是 (　BD　)
A.1与2的波长、频率相等,但波速不等
B.1与2的波速、频率、波长均相等
C.2与3的波速、频率、波长均相等
D.2与3的频率相等,波速、波长均不等
解析:1、2都在介质a中传播,故1、2的频率、波速、波长均相等,故A错误,B正确;2、3是在两种不同介质中传播,波速不同,但波源没变,因而频率相等,由v=λf得波长不同,故C错误,D正确。
4.(多选)如图所示是观察水面波衍射的实验装置,AC和BD是两块挡板,AB是一个小孔,O是波源,图中已画出波源所在区域的传播情况,每两条相邻的波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长,则对于波经过孔之后的传播情况,下列描述正确的是 (　ABC　)
A.此时能明显观察到波的衍射现象
B.如果将孔AB扩大,有可能观察不到明显的衍射现象
C.挡板前后波纹之间距离相等
D.如果孔的大小不变,使波源频率增大,一定能明显观察到衍射现象
解析:由题图可看出孔的尺寸跟波长差不多,所以能明显观察到波的衍射现象,故A、C正确;如将孔扩大到跟波长相差很多,则观察不到明显的衍射现象,故B正确;若增大波源频率,则波长减小,有可能观察不到明显的衍射现象,故D错误。
课时作业19
(总分:65分)
1.(5分)(多选)下列说法正确的是 (　BC　)
A.波发生反射时,波的频率不变,波速变小,波长变短
B.波发生反射时,频率、波长、波速均不变
C.波发生折射时,波的频率不变,但波长、波速发生变化
D.波发生折射时,波的频率、波长、波速均发生变化
解析:波发生反射时,在同一种介质中传播,因此波长、波速和频率都不发生变化;波发生折射时,频率不变,波速和波长均发生变化。故B、C正确,A、D错误。
2.(5分)一列水波经过深度不同的水域传播时的图样如图所示,则该现象是 (　B　)
A.反射 B.折射
C.扩散 D.衍射
解析:深度不同,则水压不同,水密度不同。水波在不同密度的水中传播速度不同,会发生折射现象,故选B。
3.(5分)在空旷的广场上有一堵较高大的墙MN,墙的一侧O点有一个正在播放男女声合唱歌曲的声源。如图所示,某人从图中A点走到墙后的B点,在此过程中,如果从声波的衍射来考虑,则会听到 (　D　)
A.声音变响,男声比女声变响得明显
B.声音变响,女声比男声变响得明显
C.声音变弱,男声比女声变弱得明显
D.声音变弱,女声比男声变弱得明显
解析:从远离墙的A点走到靠近墙的B点的过程中,如果从声波的衍射来考虑,则声音变弱。而女声频率更高,波长更小,所以衍射现象更不明显,所以女声比男声变弱得明显,故选D。
4.(5分)一列水波由深水区进入浅水区,入射波与界面夹角为45°,折射波与界面夹角为60°,则下列说法正确的是 (　D　)
A.波在深水区与浅水区的波速相同,频率不同,波长不同
B.波在浅水区与深水区中传播时,波速、频率、波长都相同
C.深水区中的波速、波长比浅水区中小
D.深水区中的波速、波长比浅水区中大
解析:波由深水区进入浅水区,频率不变,而波与界面的夹角由45°变为60°,如图所示,用一条射线代表水波的入射方向,用另一条射线代表水波的折射方向。当波线a到达界面A点,设波线b刚好到达B点,此时AB与波线垂直,刚好在同一波面上,设经Δt,波线b也刚好到达界面上B'点,此时a波已在浅水区传到A'处,B'A'刚好也是波面,且与波线垂直,由波线与界面的夹角知BB'>AA',设该波在深水区的波速为v1,在浅水区的波速为v2,则BB'=v1Δt,AA'=v2Δt,所以有v1>v2,由v=λf知,λ1>λ2,故选D。
5.(5分)如图所示,中间的O点是水面上一波源,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,水面上的波形发生明显衍射的区域是 (　B　)
A.阴影Ⅰ区域 B.阴影Ⅱ、Ⅲ区域
C.阴影Ⅰ、Ⅱ区域 D.无明显衍射区域
解析:水波在传播过程中遇到了小孔B,与水波波长相比,小孔B的尺寸比较小,所以能发生明显的衍射现象,水面上的波能明显进入阴影Ⅱ、Ⅲ区域;但与水波波长相比,A挡板的尺寸较大,不能发生明显的衍射现象,所以水面上的波分布于除阴影Ⅰ以外区域,故A、C、D错误,B正确。
6.(5分)科学家经过反复研究,终于揭开了蝙蝠能在夜间飞行的秘密。它一边飞,一边从嘴里发出一种超声波,人的耳朵听不见,蝙蝠的耳朵却能听见,超声波像波浪一样向前推进,遇到障碍物蝙蝠就马上“收到信息”,立刻改变飞行的方向。下列说法正确的是 (　B　)
A.蝙蝠能躲避障碍物主要是利用了声波的折射
B.蝙蝠发出的声波频率应该大于2×104 Hz
C.若蝙蝠发出的是次声波,也能躲避障碍物
D.该超声波经静止障碍物反射后,波长变长
解析:蝙蝠能躲避障碍物主要是利用了声波的反射,故A错误;人耳能听见的声音的频率范围在20 Hz~2×104 Hz,蝙蝠发出的是超声波,频率应大于2×104 Hz,故B正确;次声波频率低于20 Hz,波长较长,在传播过程中很容易绕过障碍物发生衍射现象,使次声波难以反射回来,因此不能准确定位,故C错误;超声波经静止障碍物反射后波速不变,频率也不变,由v=λf可知,波长不变,故D错误。
7.(5分)在水槽里放两块挡板,中间留一个狭缝,水波通过狭缝的传播情况如图所示。若在挡板后M点放置一乒乓球,乒乓球没有振动起来,为使乒乓球振动起来,下列操作可行的是 (　C　)
A.可适当增加波源的振动频率
B.可适当增加波源的振动振幅
C.可适当减小狭缝的宽度
D.可适当增加狭缝的宽度
解析:孔或者障碍物比波长小或者相差不多是发生明显衍射的条件,所以要使乒乓球振动起来,需要增大波长或者减小狭缝的宽度;增大波源的振动频率,则波长会变小,衍射现象较之前比变得不明显,故A错误。适当增加波源的振动振幅,对衍射现象无影响,故B错误。适当减小狭缝的宽度,衍射现象更加明显,乒乓球会振动起来,故C正确,D错误。
8.(5分)下列关于机械波和机械振动的说法正确的是 (　B　)
A.做简谐运动的物体每次经过平衡位置时,加速度一定为0
B.机械波的频率越小,经过障碍物的衍射现象就越好
C.物体做受迫振动时,驱动力的频率越高,受迫振动的物体振幅越大
D.波源振动得越快,波就传播得越快
解析:做简谐运动的物体每次经过平衡位置时,加速度不一定为0,例如单摆摆动到平衡位置时,具有竖直方向的向心加速度,故A错误;根据λ=,机械波的频率越小,波长越长,越容易发生明显的衍射现象,经过障碍物的衍射现象就越好,故B正确;物体做受迫振动时,驱动力的频率越接近物体的固有频率,受迫振动的物体振幅越大,故C错误;波的传播速度由介质决定,与波源振动频率无关,故D错误。
9.(5分)某横波在介质中沿x轴传播,图甲为t=0.75 s时的波形图,图乙为P点(x=1.5 m处的质点)的振动图像,那么下列说法错误的是 (　C　)
A.该波向左传播,波速为2 m/s
B.质点L与质点N的运动方向总相反
C.t=1 s时,质点P处于平衡位置,并正在向y轴正方向运动
D.若该波波长变大,则更容易发生明显的衍射
解析:由题图乙可知,0.75 s时P点向y轴的负方向运动,该波的周期T为2 s,则由题图甲可知,该波向左传播,该波的波长λ为4 m,则该波的波速为v==2 m/s,故A正确;由题图甲可知质点L与质点N的平衡位置距离恰好半个波长,则质点L与质点N的运动方向总相反,故B正确;由题图乙可知,t=1 s时,质点P处于平衡位置,并正在向y轴负方向运动,故C错误;波的波长变大,更容易发生明显的衍射,故D正确。本题选错误的,故选C。
10.(5分)某同学观察到波长不同的水波通过三个宽度相同的狭缝时的现象,如图所示,在甲、乙、丙三幅照片中,波长分别是狭缝宽度的、、,下列说法正确的是 (　D　)
A.水波通过狭缝后波长变短
B.这是水波的衍射现象,有些波不能发生衍射现象
C.此现象可以说明,波长一定,缝越窄衍射现象越明显
D.此现象可以说明,缝宽一定,波长越长衍射现象越明显
解析:水波通过狭缝后波长不变,故A错误;这是水波的衍射现象,衍射是波特有的性质,任何波都能发生衍射现象,故B错误;该实验的狭缝宽度相等,波长不等,则此现象可以说明:缝宽一定时,波长越长衍射现象越明显,故C错误,D正确。
11.(5分)汽车倒车时,倒车雷达探头发射一串脉冲超声波信号,当在有效范围探测到障碍物时,雷达主机会检测并计算输出结果到显示器或喇叭语音报警。已知某次倒车时雷达发射的超声波频率f=4×104 Hz,经过1×10-2 s主机接收到反射信号,空气中声速为340 m/s,则障碍物到雷达的距离以及该雷达发出的超声波的波长分别约为 (　B　)
A.1.7 m　8.5×10-4 m
B.1.7 m　8.5×10-3 m
C.3.4 m　8.5×10-3 m
D.3.4 m　8.5×10-4 m
解析:由题意可知,超声波从发射到接收,通过的距离是雷达到障碍物距离的2倍,即超声波单程的传播时间t=5×10-3 s,声速v=340 m/s,由s=vt可知,障碍物到雷达的距离s=1.7 m,结合波长公式λ=可知,该雷达发出的超声波的波长λ=8.5×10-3 m,故B正确。
12.(10分)如图甲是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图,测速仪发出并接收超声波脉冲信号,根据发出和接收的信号间的时间差,测出被测车辆的速度。图乙中P1、P2是测速仪发出的超声波信号,n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描,P1、P2之间的时间间隔Δt=1.0 s,超声波在空气中传播的速度是v=340 m/s,若汽车是匀速行驶的,则根据图乙可知,汽车在接收到P1、P2两个信号的时间间隔内前进的距离是17 m,汽车的速度是17.9 m/s。
解析:设汽车在接收到P1、P2两个信号时到测速仪的距离分别为s1、s2,则s1=v·Δt=0.2vΔt=68 m,s2=v·Δt=0.15vΔt=51 m,汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离为s=s1-s2=17 m。已知测速仪匀速扫描,由题图乙记录的数据可求出汽车前进这段距离所用时间为t=Δt=0.95 s。汽车的速度v== m/s≈17.9 m/s。(共49张PPT)
第三章　机械波
第3节　波的反射、折射和衍射
核心要点 点点过
1
目录
即时演练 堂堂清
2
课时作业19
3
课程要求 学科素养
知道波的反射和折射现象。通过实验,了解波的衍射现象 物理观念 知道波传播到两种介质的界面时会发生反射、折射现象。知道波的衍射现象
科学思维 能够对比衍射的特点,解决有关问题
科学探究 探究发生明显衍射现象的条件
核心要点 点点过
1.波的反射
(1)波的反射
波遇到障碍物会返回来继续传播的现象。
(2)反射定律
入射线、法线与反射线在同一平面内,反射线与入射线分居法线两侧,反射角等于入射角。如图所示。
要点一　波的反射和折射
返回来
同一平面
等于
2.波的折射
(1)波从一种介质斜射入另一种介质时,传播方向发生改变的现象,叫作波的折射。如图所示。
(2)一切波都会发生折射现象,折射是波的特有现象。一列水波在深度不同的水域传播时,在交界面处将发生折射。

改变
折射现象
折射
深度
交界面
1.在波的反射和折射现象中,反射波与入射波、折射波与入射波的频率相同吗 波长相同吗
提示:在波的反射和折射现象中,反射波、折射波和入射波的频率都与波源的频率相同;反射现象是在同种介质中传播,波速相同,由v=λf可知,波长也相同,而折射现象是在不同介质中传播,波速不同,波长也不同。
2.波在发生折射时,传播方向一定改变吗
提示:不一定,如果入射波垂直于交界面时,传播方向保持不变。
1.波的反射与折射的对比(如图所示)
项目 波的反射 波的折射
传播方向 改变(i'=i) 改变(r≠i)
频率f 不变 不变
波速v 不变 改变
波长λ 不变 改变
2.回声测距的三种情况
(1)当声源不动时,声波遇到了静止障碍物会被反射回来继续传播,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,则声源到障碍物的距离为s=v声(如图甲)。
(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,声波遇到障碍物经时间t返回,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声+v)(如图乙)。
(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,声波遇到障碍物经时间t返回,声源发声时障碍物到声源的距离为s=(v声-v)(如图丙)。
【例1】　(多选)以下关于波的认识,正确的是 (　 　)
A.潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况,利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,从而达到了隐形的目的
C.雷达的工作原理是利用波的折射
D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象,是波的折射现象
【解析】　潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况,隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质,雷达的工作原理,都是利用了波的反射原理,故A、B正确,C错误;水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象,是波的折射现象,故D正确。
ABD
(1)该声波在介质Ⅱ中传播时的频率;
(2)该声波在介质Ⅱ中传播的速度。
【答案】　(1)1 700 Hz　(2)1 020 m/s
【解析】　(1)声波在空气中传播时,由v=λf,可得声波在空气中传播时的频率f== Hz=1 700 Hz,由于声波在不同介质中传播时,频率不变,所以该声波在介质Ⅱ中传播时的频率为1 700 Hz。
(2)由v=λf得该声波在介质Ⅱ中传播的速度为v2=λ2f=0.6×1 700 m/s=1 020 m/s。
【例2】　一列声波在空气中的波长为0.2 m,当该声波从空气中以某一角度传入介质Ⅱ中时,波长变为0.6 m,如图所示,若空气中的声速是340 m/s。求:
【例3】　为了测出海底的深度,现用波长为3.4 cm的超声波向海底定向发射,经过0.8 s,探测仪器收到发射出去的超声波返回的信号,超声波在海水中的波长为15.3 cm,超声波在空气中的波速为340 m/s,则海底深度为多少
【答案】　612 m
【解析】　由v=λf及超声波的频率不变可得=,海底深度h=v2·=v1·=×340× m=612 m。
1.定义
波可以绕过障碍物继续传播的现象。
2.实验及现象
(1)实验装置:在水槽里放两块挡板,中间留一个狭缝。
(2)现象:①狭缝宽度比波长大得多时,波的传播如同光沿直线传播一样,挡板后面产生“阴影区”。②狭缝宽度与波长相差不多或狭缝宽度比波长更小时,水波绕到挡板后面继续传播。
3.发生明显衍射现象的条件
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。
要点二　波的衍射
障碍物
狭缝
直线
阴影区
绕到
相差不多
更小
如图甲所示是一个可观察水波衍射的发波水槽,振源的频率是可以调节的,槽中放置两块可移动的挡板形成宽度可调节的小孔,观察水波的传播,如图乙、丙,也可以在水槽中放置宽度不同的挡板,观察水波的传播。
水波遇到小孔时,会观察到什么现象 依次减小小孔尺寸,观察到的现象有什么变化
提示:水波遇到小孔时,水波能穿过小孔,并能到达挡板后面的“阴影区”,小孔的尺寸减小时,水波到达“阴影区”的现象更加明显。
1.一切波都能发生衍射现象,当波碰到障碍物时,衍射现象总是存在的,只有“明显”与“不明显”之分。
2.发生明显衍射现象的条件
(1)水波遇到障碍物的情况:当障碍物较小时发现波绕过障碍物继续前进,如同障碍物不存在一样。如图甲所示,衍射现象明显。
(2)水波遇到小孔的情况:当孔较小时发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波。如图乙所示,衍射现象明显。
(3)产生明显衍射的条件:障碍物或孔的尺寸比波的波长小,或者跟波的波长相差不多。
(4)衍射现象与观察的矛盾:当孔的尺寸远小于波长时尽管衍射十分突出,但由于衍射波的能量很弱,衍射现象不容易观察到。
3.波的直线传播只是在衍射现象不明显时的近
似情况。
【例4】　如图所示为波源O传出的一列水波,相邻实线间的距离等于一个波长,下列说法正确的是 (　　)
A.波通过孔A,不发生明显的衍射现象
B.波通过孔B,不发生衍射现象
C.波遇到障碍物C,发生明显的衍射现象
D.波遇到障碍物D,发生明显的衍射现象
【解析】　孔B和障碍物C尺寸大于波长,不会发生明显的衍射现象,但仍会发生衍射现象,故B、C错误;孔A和障碍物D尺寸分别小于和接近波长,会发生明显的衍射现象,故A错误,D正确。
D
【例5】　某同学用水波槽观察水波的衍射现象。如图所示,在水槽里放置两块挡板M、N,挡板M固定不动,挡板N可以上下移动。现在把M、N两块挡板间的空隙当作一个“小孔”做水波的衍射实验,当波源S振动形成的水波经过小孔时,出现了图示中的图样,P点的水并没有振动起来。为了使挡板左边的振动能传到P点,下列做法可行的是 (　　)
A.增加波源S的振动频率
B.增加波源S的振动振幅
C.将挡板N上移一段距离
D.将挡板N下移一段距离
C
【解析】　为使挡板左边的振动传到P点应使衍射现象更明显,应增大波长或减小孔的尺寸。增加波源S的振动频率,则周期会减小,在同一介质中波速不变,根据v=得波长会减小,故A错误;增加波源S的振动振幅不影响波长,故B错误;将挡板N上移一段距离,即减小了孔的尺寸,振动能传到P点,故C正确,D错误。
即时演练 堂堂清
1.关于波的反射、折射现象,下列说法正确的是 (　 　)
A.一切波都能发生反射、折射现象
B.发生折射时,波的传播方向一定会发生改变
C.不是所有的波都能发生反射
D.波发生折射时,波长、频率和波速都会发生变化
解析:当波从一种介质传播到另一种介质时,一切波都能发生反射和折射,故A正确,C错误。波传播方向跟两种介质分界面垂直时,传播方向不变,故B错误。波从一种介质传播进入另一种介质时,频率不变,波速发生变化,而波长λ=,随着波速变化而变化,故D错误。
A
2.下列现象或事实属于衍射现象的是 (　 　)
A.风从窗户吹进来
B.雪堆积在背风的屋后
C.水波前进方向上遇到凸出在水面上的小石块,小石块对波的传播没有影响
D.晚上看到水中月亮的倒影
解析:波可以绕过障碍物继续传播,这种现象称为波的衍射,C与衍射现象相符。
C
3.(多选)如图中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线,则下列说法中正确的是 (　 　)
A.1与2的波长、频率相等,但波速不等
B.1与2的波速、频率、波长均相等
C.2与3的波速、频率、波长均相等
D.2与3的频率相等,波速、波长均不等
解析:1、2都在介质a中传播,故1、2的频率、波速、波长均相等,故A错误,B正确;2、3是在两种不同介质中传播,波速不同,但波源没变,因而频率相等,由v=λf得波长不同,故C错误,D正确。
BD
4.(多选)如图所示是观察水面波衍射的实验装置,AC和BD是两块挡板,AB是一个小孔,O是波源,图中已画出波源所在区域的传播情况,每两条相邻的波纹(图中曲线)之间距离表示一个波长,则对于波经过孔之后的传播情况,下列描述正确的是 (　　　　)
A.此时能明显观察到波的衍射现象
B.如果将孔AB扩大,有可能观察不到明显的衍射现象
C.挡板前后波纹之间距离相等
D.如果孔的大小不变,使波源频率增大,一定能明显观察到
衍射现象
ABC
解析:由题图可看出孔的尺寸跟波长差不多,所以能明显观察到波的衍射现象,故A、C正确;如将孔扩大到跟波长相差很多,则观察不到明显的衍射现象,故B正确;若增大波源频率,则波长减小,有可能观察不到明显的衍射现象,故D错误。
课时作业19
1.(5分)(多选)下列说法正确的是 (　　　　)
A.波发生反射时,波的频率不变,波速变小,波长变短
B.波发生反射时,频率、波长、波速均不变
C.波发生折射时,波的频率不变,但波长、波速发生变化
D.波发生折射时,波的频率、波长、波速均发生变化
解析:波发生反射时,在同一种介质中传播,因此波长、波速和频率都不发生变化;波发生折射时,频率不变,波速和波长均发生变化。故B、C正确,A、D错误。
BC
2.(5分)一列水波经过深度不同的水域传播时的图样如图所示,则该现象是(　　　)
A.反射
B.折射
C.扩散
D.衍射
解析:深度不同,则水压不同,水密度不同。水波在不同密度的水中传播速度不同,会发生折射现象,故选B。
B
3.(5分)在空旷的广场上有一堵较高大的墙MN,墙的一侧O点有一个正在播放男女声合唱歌曲的声源。如图所示,某人从图中A点走到墙后的B点,在此过程中,如果从声波的衍射来考虑,则会听到 (　　　)
A.声音变响,男声比女声变响得明显
B.声音变响,女声比男声变响得明显
C.声音变弱,男声比女声变弱得明显
D.声音变弱,女声比男声变弱得明显
解析:从远离墙的A点走到靠近墙的B点的过程中,如果从声波的衍射来考虑,则声音变弱。而女声频率更高,波长更小,所以衍射现象更不明显,所以女声比男声变弱得明显,故选D。
D
4.(5分)一列水波由深水区进入浅水区,入射波与界面夹角为45°,折射波与界面夹角为60°,则下列说法正确的是 (　　　)
A.波在深水区与浅水区的波速相同,频率不同,波长不同
B.波在浅水区与深水区中传播时,波速、频率、波长都相同
C.深水区中的波速、波长比浅水区中小
D.深水区中的波速、波长比浅水区中大
D
解析:波由深水区进入浅水区,频率不变,而波与界面的夹角由45°变为60°,如图所示,用一条射线代表水波的入射方向,用另一条射线代表水波的折射方向。当波线a到达界面A点,设波线b刚好到达B点,此时AB与波线垂直,刚好在同一波面上,设经Δt,波线b也刚好到达界面上B'点,此时a波已在浅水区传到A'处,B'A'刚好也是波面,且与波线垂直,由波线与界面的夹角知BB'>AA',设该波在深水区的波速为v1,在浅水区的波速为v2,则BB'=v1Δt,AA'=v2Δt,所以有v1>v2,由v=λf知,λ1>λ2,故选D。
5.(5分)如图所示,中间的O点是水面上一波源,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,水面上的波形发生明显衍射的区域是 (　　　)
A.阴影Ⅰ区域
B.阴影Ⅱ、Ⅲ区域
C.阴影Ⅰ、Ⅱ区域
D.无明显衍射区域
解析:水波在传播过程中遇到了小孔B,与水波波长相比,小孔B的尺寸比较小,所以能发生明显的衍射现象,水面上的波能明显进入阴影Ⅱ、Ⅲ区域;但与水波波长相比,A挡板的尺寸较大,不能发生明显的衍射现象,所以水面上的波分布于除阴影Ⅰ以外区域,故A、C、D错误,B正确。
B
6.(5分)科学家经过反复研究,终于揭开了蝙蝠能在夜间飞行的秘密。它一边飞,一边从嘴里发出一种超声波,人的耳朵听不见,蝙蝠的耳朵却能听见,超声波像波浪一样向前推进,遇到障碍物蝙蝠就马上“收到信息”,立刻改变飞行的方向。下列说法正确的是 (　　　)
A.蝙蝠能躲避障碍物主要是利用了声波的折射
B.蝙蝠发出的声波频率应该大于2×104 Hz
C.若蝙蝠发出的是次声波,也能躲避障碍物
D.该超声波经静止障碍物反射后,波长变长
B
解析:蝙蝠能躲避障碍物主要是利用了声波的反射,故A错误;人耳能听见的声音的频率范围在20 Hz~2×104 Hz,蝙蝠发出的是超声波,频率应大于2×104 Hz,故B正确;次声波频率低于20 Hz,波长较长,在传播过程中很容易绕过障碍物发生衍射现象,使次声波难以反射回来,因此不能准确定位,故C错误;超声波经静止障碍物反射后波速不变,频率也不变,由v=λf可知,波长不变,故D错误。
7.(5分)在水槽里放两块挡板,中间留一个狭缝,水波通过狭缝的传播情况如图所示。若在挡板后M点放置一乒乓球,乒乓球没有振动起来,为使乒乓球振动起来,下列操作可行的是 (　　　)
A.可适当增加波源的振动频率
B.可适当增加波源的振动振幅
C.可适当减小狭缝的宽度
D.可适当增加狭缝的宽度
C
解析:孔或者障碍物比波长小或者相差不多是发生明显衍射的条件,所以要使乒乓球振动起来,需要增大波长或者减小狭缝的宽度;增大波源的振动频率,则波长会变小,衍射现象较之前比变得不明显,故A错误。适当增加波源的振动振幅,对衍射现象无影响,故B错误。适当减小狭缝的宽度,衍射现象更加明显,乒乓球会振动起来,故C正确,D错误。

8.(5分)下列关于机械波和机械振动的说法正确的是(　　　)
A.做简谐运动的物体每次经过平衡位置时,加速度一定为0
B.机械波的频率越小,经过障碍物的衍射现象就越好
C.物体做受迫振动时,驱动力的频率越高,受迫振动的物体振幅越大
D.波源振动得越快,波就传播得越快
B
解析:做简谐运动的物体每次经过平衡位置时,加速度不一定为0,例如单摆摆动到平衡位置时,具有竖直方向的向心加速度,故A错误;根据λ=,机械波的频率越小,波长越长,越容易发生明显的衍射现象,经过障碍物的衍射现象就越好,故B正确;物体做受迫振动时,驱动力的频率越接近物体的固有频率,受迫振动的物体振幅越大,故C错误;波的传播速度由介质决定,与波源振动频率无关,故D错误。
9.(5分)某横波在介质中沿x轴传播,图甲为t=0.75 s时的波形图,图乙为P点(x=1.5 m处的质点)的振动图像,那么下列说法错误的是 (　　　)



A.该波向左传播,波速为2 m/s
B.质点L与质点N的运动方向总相反
C.t=1 s时,质点P处于平衡位置,并正在向y轴正方向运动
D.若该波波长变大,则更容易发生明显的衍射
C
解析:由题图乙可知,0.75 s时P点向y轴的负方向运动,该波的周期T为2 s,则由题图甲可知,该波向左传播,该波的波长λ为4 m,则该波的波速为v==2 m/s,故A正确;由题图甲可知质点L与质点N的平衡位置距离恰好半个波长,则质点L与质点N的运动方向总相反,故B正确;由题图乙可知,t=1 s时,质点P处于平衡位置,并正在向y轴负方向运动,故C错误;波的波长变大,更容易发生明显的衍射,故D正确。本题选错误的,故选C。
10.(5分)某同学观察到波长不同的水波通过三个宽度相同的狭缝时的现象,如图所示,在甲、乙、丙三幅照片中,波长分别是狭缝宽度的、、,下列说法正确的是(　　　)
A.水波通过狭缝后波长变短
B.这是水波的衍射现象,有些波不能发生衍射现象
C.此现象可以说明,波长一定,缝越窄衍射现象越明显
D.此现象可以说明,缝宽一定,波长越长衍射现象越明显
D
解析:水波通过狭缝后波长不变,故A错误;这是水波的衍射现象,衍射是波特有的性质,任何波都能发生衍射现象,故B错误;该实验的狭缝宽度相等,波长不等,则此现象可以说明:缝宽一定时,波长越长衍射现象越明显,故C错误,D正确。
11.(5分)汽车倒车时,倒车雷达探头发射一串脉冲超声波信号,当在有效范围探测到障碍物时,雷达主机会检测并计算输出结果到显示器或喇叭语音报警。已知某次倒车时雷达发射的超声波频率f=4×104 Hz,经过1×10-2 s主机接收到反射信号,空气中声速为340 m/s,则障碍物到雷达的距离以及该雷达发出的超声波的波长分别约为 (　　　)
A.1.7 m　8.5×10-4 m
B.1.7 m　8.5×10-3 m
C.3.4 m　8.5×10-3 m
D.3.4 m　8.5×10-4 m
B
解析:由题意可知,超声波从发射到接收,通过的距离是雷达到障碍物距离的2倍,即超声波单程的传播时间t=5×10-3 s,声速v=340 m/s,由s=vt可知,障碍物到雷达的距离s=1.7 m,结合波长公式λ=可知,该雷达发出的超声波的波长λ=8.5×10-3 m,故B正确。

12.(10分)如图甲是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图,测速仪发出并接收超声波脉冲信号,根据发出和接收的信号间的时间差,测出被测车辆的速度。图乙中P1、P2是测速仪发出的超声波信号,n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描,P1、P2之间的时间间隔Δt=1.0 s,超声波在空气中传播的速度是v=340 m/s,若汽车是匀速行驶的,则根据图乙可知,汽车在接收到P1、P2两个信号的时间间隔内前进的距离是17 m,汽车的速度是17.9 m/s。
17
17.9
解析:设汽车在接收到P1、P2两个信号时到测速仪的距离分别为s1、s2,则s1=v·Δt=0.2vΔt=68 m,s2=v·Δt=0.15vΔt=51 m,汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离为s=s1-s2=17 m。已知测速仪匀速扫描,由题图乙记录的数据可求出汽车前进这段距离所用时间为t=Δt=0.95 s。汽车的速度v== m/s≈17.9 m/s。
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