高中物理魯科版（2019）選擇性必修一課件 3.3~3.4 波的干涉和衍射多普勒效應及其應用-課件下載-教習網

3.3　波的干涉和衍射3.4　多普勒效應及其應用1.知道波的疊加原理.2.知道什么是波的衍射現以及發(fā)生明顯衍射現象的條件.3.知道什么是波的干涉和波的干涉圖樣.4.知道波源頻率與觀察者接收到的頻率的區(qū)別.5.知道什么是多普勒效應，知道它是波源與觀察者之間有相對運動時產生的現象.學習目標一、波的疊加原理1.波的獨立傳播：兩列波在彼此相遇以后，仍像相遇前那樣，各自保持原有的波形繼續(xù)前行；兩列波在相遇疊加時，每列波都是獨立地保持自己原有的特性，如同在各自的傳播路徑中并沒有遇到其他波一樣.2.波的疊加：相遇區(qū)域中各點的位移，就是這兩列波引起的位移的合成.知識梳理二、波的干涉1.定義：對于頻率相同的兩列波，在相遇的區(qū)域水面上，會出現穩(wěn)定的相對平靜的區(qū)域和劇烈振動的區(qū)域.這兩個區(qū)域在水面上的位置是固定的，且互相隔開.這種現象稱為波的干涉.2.波的干涉圖樣：在頻率相同的波相遇的區(qū)域，某些地方的振動始終加強，某些地方的振動始終減弱，波產生干涉會形成一種加強和減弱相間的圖樣，這樣的圖樣叫作波的干涉圖樣.3.干涉條件：兩列波的頻率相同，相位差恒定，振動方向相同.三、波的衍射1.波的衍射：水波在遇到小障礙物或者小孔時，能繞過障礙物或穿過小孔繼續(xù)向前傳播，我們把這種現象叫作波的衍射.2.發(fā)生明顯衍射的條件：當縫、孔的寬度或者障礙物的尺寸跟波長相近或者比波長更小時，能觀察到明顯的衍射現象.思考：只有當障礙物或狹縫的尺寸跟波長相差不多時，才能發(fā)生波的衍射現象嗎?提示：障礙物或狹縫的尺寸大小，并不是決定衍射能否發(fā)生的條件，僅是能否發(fā)生明顯衍射的條件.衍射是波特有的現象，一切波都能發(fā)生衍射現象.四、認識多普勒效應1.定義：如果波源或觀察者或兩者都相對于傳播介質運動，那么觀察者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率就不相同了，這樣的現象叫作多普勒效應.2.解釋：如果人站在行駛中的消防車前方，人接收到的聲波的波長變短，音調就提高了；如果人站在行駛中的消防車后方，人接收到的聲波的波長變長，音調就降低了.思考：多普勒效應能否產生與波源和觀察者間的距離有關系嗎?是不是距離越近，越容易發(fā)生多普勒效應?提示：能否發(fā)生多普勒效應取決于波源和觀察者間的距離是否變化而不是距離的大小.五、多普勒效應的應用1.測量汽車速度：交警向行進中的汽車發(fā)射一個已知頻率的電磁波，波被汽車反射回來時，接收到的頻率發(fā)生變化，由此可以測出汽車的速度.2.判斷遙遠天體相對地球的運動速度：根據光的多普勒效應，由地球上接收到遙遠天體發(fā)出的光波的頻率，可判斷遙遠天體相對地球的運動速度.3.跟蹤人造地球衛(wèi)星：一旦有衛(wèi)星經過跟蹤站的上空，地面接收到的信號頻率就會先增大后減小.4.彩超(1)頻移：當聲源與接收體之間有相對運動時，回聲的頻率有所改變，這種頻率的變化被稱為頻移.(2)彩超：經自相關技術進行多普勒信號處理，把頻移與血流信號對應起來，因而可以通過處理頻移信號建立彩色多普勒超聲(簡稱彩超)血流圖像.思考：火車進站和出站時，坐在火車上的乘客，能感受到汽笛的音調發(fā)生變化嗎?提示：不能.坐在火車上的乘客感到汽笛聲未變，是因為聲源相對聽者是靜止的，路旁的人感到汽笛音調發(fā)生變化，是因為聲源相對聽者是運動的.基礎演練1.正誤判斷.(1)孔的尺寸比波長大得多時就不會發(fā)生衍射現象.( 　)(2)孔的尺寸比波長小時能觀察到明顯的衍射現象.(　 )(3)兩列波相疊加就能形成穩(wěn)定的干涉圖樣.(　 )(4)產生多普勒效應時，波源的振動頻率并沒有發(fā)生變化.(　　)(5)我們在劇場聽演唱會時，聽到的聲音頻率與聲源的頻率是不一致的.(　　)(6)只有聲波才能發(fā)生多普勒效應.(　　)×√×××√2.(多選)一列波在傳播過程中通過一個障礙物，發(fā)生了一定程度的衍射，以下哪種情況可以使衍射現象更明顯(　　)A.增大障礙物的尺寸B.減小波的頻率C.縮小障礙物的尺寸D.增大波的頻率解析：波在介質中傳播時波速是由介質決定的，與波的頻率無關，所以改變波的頻率不會改變波速，由v=λf可知，當波速一定時，減小頻率則波長增大.發(fā)生明顯衍射現象的條件是障礙物或孔、縫的尺寸比波長小或相差不多，要使衍射現象變得明顯，可以通過縮小障礙物的尺寸，增大波長即減小波的頻率來實現，B、C選項正確，A、D選項錯誤.答案： BC3.(多選)關于波的疊加和干涉，下列說法中正確的是(　　)A.兩列頻率不相同的波相遇時，因為沒有形成穩(wěn)定的干涉圖樣，所以波沒有疊加B.任何兩列波相遇都會疊加C.兩列頻率相同的波相遇時，振動加強的點只是波峰與波峰相遇的點D.兩列頻率相同的波相遇時，介質中的某質點振動是加強的，某時刻該質點的位移可能是零解析：根據波的疊加和干涉的概念可知，只要兩列波相遇就會疊加，所以A錯誤，B正確；發(fā)生干涉時振動加強的點還有波谷與波谷相遇的點，所以C錯誤；某質點振動加強僅是振幅加大，只要仍在振動就一定有位移為零的時刻，所以D正確.答案：BD4.(多選)下面說法中正確的是(　　)A.發(fā)生多普勒效應時，波源的頻率變化了B.發(fā)生多普勒效應時，觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化C.多普勒效應是波源與觀察者之間有相對運動時產生的D.只要觀察者運動就會產生多普勒效應解析：發(fā)生多普勒效應時，觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化，而波源的頻率并沒有改變，故選項A錯誤，B正確；當波源與觀察者之間有相對運動時才會發(fā)生多普勒效應，選項C正確，D錯誤.答案：BC思考：兩個運動的小球相遇后會發(fā)生碰撞而各自改變運動狀態(tài)，那么在空間傳播的兩列波相遇后是否也會像兩個小球那樣各自改變原來的運動狀態(tài)呢?提示：兩列波相遇后不會像兩個小球碰撞那樣改變原來的運動狀態(tài)，它們都保持各自的運動狀態(tài)，彼此都沒有受到影響.一、波的疊加1.波疊加時的特點(1)位移是幾列波分別產生的位移的矢量和.(2)各列波獨立傳播.2.波的疊加原理理解波的疊加原理是波具有獨立傳播性的必然結果，由于總位移是幾列波位移的矢量和，所以疊加區(qū)域的質點的位移可能增大，也可能減小，如圖所示.例1.波源甲、乙分別在一根水平放置的繩的左右兩端，兩波源發(fā)出的波在繩中的傳播速度均是1 m/s.在t=0時刻繩上的波形如圖(a)所示.則根據波的疊加原理，以下敘述正確的是(　　)A.當t=2 s時，波形如圖①所示；當t=4 s時，波形如圖②所示B.當t=2 s時，波形如圖①所示；當t=4 s時，波形如圖③所示C.當t=2 s時，波形如圖②所示；當t=4 s時，波形如圖①所示D.當t=2 s時，波形如圖②所示；當t=4 s時，波形如圖③所示解析：當t=2 s時，根據傳播速度可知，它們相互重疊，由于振動方向相反，故振動減弱，波形如圖②所示；當t=4 s時，各自傳播了4 m，由于互不干擾，所以波形如圖③所示，故選項D正確.答案：D思考：如圖所示，操場中兩根豎直桿上各有一個揚聲器，接在同一擴音機上，一位同學沿著AB方向走來，他聽到的聲音會有什么變化?為什么?提示：聲音忽強忽弱，因為聲波發(fā)生了干涉現象. 二、波的干涉1.對波的干涉現象的理解(1)波的疊加是無需條件的，任何頻率的兩列波在空間相遇都會疊加.(2)穩(wěn)定干涉圖樣的產生是有條件的，必須是兩列波的頻率相同、相位差恒定，如果兩列波的頻率不相等，在相遇的區(qū)域里不同時刻各質點疊加的結果都不相同，得不到穩(wěn)定的干涉圖樣.(3)明顯的干涉圖樣和穩(wěn)定的干涉圖樣意義是不同的，明顯的干涉圖樣除了滿足相干條件外，還必須滿足兩列波振幅差別不大.振幅越是接近，干涉圖樣越明顯.(4)振動加強的點和振動減弱的點始終以振源的頻率振動，其振幅不變(若是振動減弱點，振幅可為0)，但其位移隨時間發(fā)生變化.(5)振動加強的點的振動總是加強，但并不是始終處于波峰或波谷，它們都在平衡位置附近振動，有的時刻位移為零.(6)振動減弱的點的振動始終減弱，位移的大小始終等于兩列波分別引起位移的大小之差，振幅為兩列波的振幅之差.如果兩列波的振幅相同，則振動減弱點總是處于靜止狀態(tài)，并不振動.2.干涉圖樣及其特征特征：①加強區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變.②加強區(qū)始終加強，減弱區(qū)始終減弱(加強區(qū)與減弱區(qū)不隨時間變化).③加強區(qū)與減弱區(qū)互相間隔.例2.波源S1和S2的振動方向相同，頻率均為4 Hz，分別置于均勻介質中x軸上的O、A兩點處，OA=2 m，如圖所示.兩波源產生的簡諧橫波沿x軸相向傳播，波速為4 m/s.已知兩波源振動的初始相位相同.求：(1)簡諧橫波的波長；(2)O、A間合振動振幅最小的點的位置.???思考：向平靜的水面投一塊小石子，水面會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產生怎樣的現象呢?提示：水波會繞過石塊繼續(xù)向前傳播.三、波的衍射1.發(fā)生明顯衍射現象的條件(1)水波遇到障礙物的情況當障礙物較小時發(fā)現波繞過障礙物繼續(xù)前進，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孔較小時發(fā)現孔后的整個區(qū)域里傳播著以孔為中心的圓形波.如圖乙所示.(3)產生明顯衍射的條件產生明顯衍射現象，必須具備一定的條件：障礙物或孔的尺寸比波長小，或者跟波長相差不多.2.波的衍射現象分析波傳到小孔時，小孔仿佛是一個新的波源，由它發(fā)出與原來同頻率的波(稱為子波)在孔后傳播，于是就出現了偏離直線傳播的衍射現象.波的直線傳播是衍射現象不明顯時的近似情形.例3.小河中有一個實心橋墩P，A為靠近橋墩浮在水面上的一片樹葉，俯視如圖所示，小河水面平靜.現在S處以某一頻率拍打水面，樹葉A未發(fā)生明顯振動.要使樹葉A發(fā)生明顯振動，可以采用的方法是(　　)A.提高拍打水面的頻率B.降低拍打水面的頻率C.提高拍打水面的力度D.無論怎樣拍打，A都不會振動起來?技能點撥：衍射現象的兩點提醒(1)障礙物的尺寸的大小不是發(fā)生衍射的條件，而是發(fā)生明顯衍射的條件，波長越大越易發(fā)生明顯衍射現象.(2)當孔的尺寸遠小于波長時，盡管衍射十分突出，但衍射波的能量很弱，也很難觀察到波的衍射.思考：觀察者靜止不動，數經過的隊伍中的人數，每分鐘有30個人經過. (1)當觀察者逆著隊伍行走時，數經過的隊伍中的人數，每分鐘有大于30個人經過還是小于30個人經過?四、多普勒效應的理解(2)當觀察者與隊伍同向行走且速度比隊伍的小時，數經過的隊伍中的人數，每分鐘有大于30個人經過還是小于30個人經過? 提示： (1)大于　(2)小于 1.多普勒效應的成因發(fā)生多普勒效應是由于波源與觀察者之間發(fā)生了相對運動.2.相對位置變化與頻率的關系例4.如圖所示為產生機械波的波源O做勻速運動的情況，圖中的實線表示波峰.(1)該圖表示的是　　　.?A.干涉現象 B.衍射現象 C.反射現象 D.多普勒效應(2)波源正在移向　　　.?A.A點　　 B.B點 C.C點 D.D點解析：(1)題圖所示波源左方的波面密集，右方的波面稀疏，可知該圖表示的是多普勒效應中波源運動的情況，即D選項正確.(2)波源左方的波長被壓縮，右方的波長被拉長，可知波源正在移向A點，即A選項正確.答案： (1)D (2)A技能點撥：觀測者向波源靠近時，波源頻率不變，但觀測者接收到的頻率變大，音調增高；反之，觀測者與波源遠離時，觀測者接收到的頻率變小，音調降低.思考：把頻率固定的音頻聲信號錄制在收錄機中，讓收錄機快速移動起來.收錄機的音調怎樣變化?提示：收錄機的音調不變，但收錄機向觀察者運動時，觀察者聽到的音調變高，遠離時音調變低.五、多普勒效應的應用1.超聲波測速向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時測量反射波的頻率，根據反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度.2.醫(yī)用“彩超”向人體內發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血流反射后又被儀器接收，測出反射波的頻率變化，就可算出血流的速度.3.判斷火車的運動方向火車駛來時，由于多普勒效應，聽到的鳴笛音調比較高，感覺到尖銳刺耳；火車遠離時，聽到的鳴笛音調較低，聽起來較為低沉.4.測星球速度測量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率，然后與地球上這些元素靜止時發(fā)光的頻率對照，可算出星球的速度.例5(多選)警車向路上的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時探測反射波的頻率.下列說法正確的是(　　)A.車輛勻速駛向停在路邊的警車，警車探測到的反射波頻率增高B.車輛勻速駛離停在路邊的警車，警車探測到的反射波頻率降低C.警車勻速駛向停在路邊的汽車，探測到的反射波頻率降低D.警車勻速駛離停在路邊的汽車，探測到的反射波頻率不變解析：車輛(警車)勻速駛向停在路邊的警車(車輛)，兩者間距變小，產生多普勒效應，警車探測到的反射波頻率增高，選項A正確，C錯誤；車輛(警車)勻速駛離停在路邊的警車(車輛)，兩者間距變大，產生多普勒效應，警車探測到的反射波頻率降低，選項B正確，D錯誤.答案： AB技能點撥：對多普勒效應的理解(1)在多普勒效應中，波源的頻率是不改變的，只是由于波源和觀察者之間有相對運動，觀察者接收到的頻率才發(fā)生了變化.(2)多普勒效應是波特有的現象，各種波都會發(fā)生多普勒效應.1.兩列簡諧波沿x軸相向而行，波速均為v=0.4 m/s，兩波源分別位于A、B處，t=0時的波形如圖所示.當t=2.5 s時，M點的位移為　 cm，N點的位移為　　　 cm.?隨堂檢測答案：2.0　0 解析：在t=2.5 s時兩列波傳播的距離均為Δx=vΔt=1 m，如圖所示.對A波而言，M點的位移為0，對B波而言，M點的位移為2.0 cm，根據波的疊加原理可知，此時M點位移為2.0 cm.分別對A、B波而言，N點的位移均為0，故疊加后N點的位移為0.2.(多選)如圖所示為兩個相干波源S1、S2產生的波在同一種均勻介質中相遇.圖中實線表示某時刻的波峰，虛線表示某時刻的波谷，下列說法正確的是(　　)A.a、e兩點的振動加強，b、d兩點的振動減弱B.a點始終在波谷，e點始終在波峰C.介質中加強點和減弱點的位置可以互換D.經半個周期后，原來位于波峰的點將位于波谷，原來位于波谷的點將位于波峰解析：a點是谷谷相遇，振動加強；e點是峰峰相遇，振動加強；b、d兩點都是峰谷相遇，振動減弱，選項A正確.a點只是此時刻在波谷，經過半個周期會到達波峰；同理e點此時刻在波峰，經過半個周期會到達波谷，選項B錯誤.介質中加強點和減弱點的位置是固定不變的，不可以互換，選項C錯誤.經半個周期后，原來位于波峰的點將位于波谷，原來位于波谷的點將位于波峰，選項D正確.答案： AD3.如圖所示是水波遇到小孔后的圖像，圖中每兩條實線間的距離表示一個波長，其中正確的圖像是(　　)解析：根據發(fā)生明顯衍射的條件，當波長與小孔的尺寸相當或大于小孔的尺寸時會發(fā)生明顯的衍射現象，波遇到小孔發(fā)生明顯的衍射現象時，小孔相當于新的波源，故選D.答案：D4.下列關于多普勒效應的說法正確的是(　　)A.只要波源在運動，就一定能觀察到多普勒效應B.如果聲源靜止，就觀察不到多普勒效應C.當聲源朝著觀察者運動時，聲源的頻率變高D.當聲源相對于觀察者運動時，觀察者聽到的聲音的頻率可能變高，也可能變低解析：波源運動時，波源與觀察者距離不一定變化，不一定發(fā)生多普勒效應，故選項A錯；聲源靜止時，若觀察者相對聲源運動，可能發(fā)生多普勒效應，故選項B錯；聲源朝著觀察者運動時，聲源頻率不變，觀察者接收到的頻率變高，故選項C錯；聲源相對觀察者運動時，二者距離可能增大，也可能減小，故觀察者接收到的頻率可能變低，也可能變高，故選項D對.答案：D5.(多選)下列選項與多普勒效應有關的是(　　)A.科學家用激光測量月球與地球間的距離B.醫(yī)生利用超聲波探測病人血管中血液的流速C.技術人員用超聲波探測金屬、陶瓷、混凝土中是否有氣泡D.交通警察向車輛發(fā)射超聲波并通過測量反射波的頻率確定車輛行進的速度解析：當觀察者與測量對象無相對運動時，不發(fā)生多普勒效應，故A、C錯誤；當觀察者與測量對象相對運動時，發(fā)生多普勒效應，我們可以根據接收頻率的變化來測速，故B、D正確.答案：BD