波的干涉與衍射-完整版獲獎課件

1、2.5 波的干涉與衍射1.知道波的疊加原理，知道什么是波的干涉現(xiàn)象和干涉圖樣，知道干涉現(xiàn)象是波所特有的現(xiàn)象。2.知道什么是波的衍射現(xiàn)象，知道波發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，知道衍射也是波特有的現(xiàn)象。3.了解波的衍射和干涉在生活中的應用，感受物理知識與生活之間的聯(lián)系。 重點：1.理解波的疊加原理。 2.振動加強點、減弱點的振動意義的理解與分析。 3.波的干涉條件及干涉圖樣的理解。 4.波發(fā)生明顯衍射的條件。難點：1.波的疊加原理的應用。 2.波的干涉的應用。一、波的疊加原理1.波的獨立傳播：幾列波相遇時能夠_各自的_(波長、頻率、振動方向等)繼續(xù)傳播，互不影響。2.波的疊加：在幾列波相遇的區(qū)域里，任一

2、質(zhì)點的位移是各列波單獨存在時在該點引起的位移的_?！鞠胍幌搿咳魞闪胁ǒB加時，某時刻兩列波在某處位移均為零，則該處質(zhì)點的合位移為零,問該質(zhì)點的合速度也為零嗎？提示：質(zhì)點的速度不一定為零。介質(zhì)中質(zhì)點的速度等于這幾列波單獨傳播時引起的速度的矢量和。保持特性矢量和二、波的干涉1.實驗及現(xiàn)象(1)實驗：波源是固定在_振動發(fā)生器上的兩個振動小球。當振動器上下振動時，兩振動小球便周期性地觸動水面，形成兩個波源，這兩個波源發(fā)出的是步調(diào)相同、_也相同的兩列波。(2)現(xiàn)象：兩列波相遇后，水面上出現(xiàn)了一條條從兩個波源中間伸展出來的相對平靜的區(qū)域和_的區(qū)域。2.現(xiàn)象解釋(1)加強點：在某些點兩列波引起的振動_，質(zhì)點的

3、振動最劇烈，振動的振幅等于兩列波的_。同一頻率激烈振動始終加強振幅之和(2)減弱點：在某些點兩列波引起的振動_，質(zhì)點振動的振幅等于兩列波的_。3.干涉定義振動_相同、步調(diào)一致的兩列波疊加，使某些區(qū)域的_，某些區(qū)域的_，而且振動加強的區(qū)域和振動減弱的區(qū)域相互隔開，始終穩(wěn)定的現(xiàn)象。4。干涉圖樣：波的干涉過程中所形成的_。5.干涉條件兩列波的頻率必須_。6.一切波只要符合相干條件都能發(fā)生干涉。始終相互削弱振幅之差頻率振動加強振動減弱圖樣相同【想一想】敲擊音叉使其發(fā)聲，然后轉(zhuǎn)動音叉。為什么聽到的聲音忽強忽弱？提示：這是聲波的干涉現(xiàn)象。音叉的兩股振動頻率相同，這樣，兩列頻率相同的聲波在空氣中傳播，有的區(qū)

4、域振動加強，有的區(qū)域振動減弱，于是聽到的聲音忽強忽弱。三、波的衍射1.定義：波可以_障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。2.實驗及現(xiàn)象(1)實驗：在水槽里放兩塊擋板，中間留一個_。(2)現(xiàn)象狹縫寬度比波長大得多時：波的傳播如同光沿_傳播一樣，擋板后面產(chǎn)生“_”。狹縫寬度與波長相差不多或狹縫寬度比波長更小時：水波_擋板后面繼續(xù)傳播。3.發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：當縫的大小(或障礙物的大小)跟波長_時，就能發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。繞過狹縫直線陰影區(qū)繞到相差不多【判一判】(1)日常生活中“聞其聲不見其人”的物理現(xiàn)象是波的衍射現(xiàn)象。( )(2)“余音繞梁，三日不絕”是波的干涉現(xiàn)象。( )(3)波在傳播過程中，遇到較大的縫

5、、孔或障礙物，就不發(fā)生衍射了。( )提示：(1)這個現(xiàn)象說明聲波的波長較長，容易發(fā)生衍射，而光波的波長很短不容易觀察到它的衍射，(1)對。(2)“余音繞梁，三日不絕”是指聲波的反射現(xiàn)象，而不是干涉現(xiàn)象,(2)錯。(3)波在傳播過程中，遇到較大的縫、孔或障礙物不是不發(fā)生衍射，而是衍射不明顯，(3)錯。 對波的干涉現(xiàn)象的理解【探究導引】兩列波相遇一定會發(fā)生疊加，有時會產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣，有時則不能產(chǎn)生，請思考以下問題：(1)兩列波相遇時，振動點的位移是怎樣引起的？(2)振動加強點的位移始終最大嗎？(3)振動減弱點的位移始終最小嗎？(4)干涉圖樣有什么特征？【要點整合】 1.波的疊加是無條件的，任何

6、頻率的兩列波在空間相遇都會疊加，在疊加區(qū)域，某個質(zhì)點振動的位移(速度、加速度等)都等于兩列波分別引起該質(zhì)點的位移(速度、加速度等)的矢量和。2.干涉圖樣及其特征(1)干涉圖樣：如圖所示。(2)特征:加強區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變;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);加強區(qū)與減弱區(qū)互相間隔。3.產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉圖樣的條件:兩列波的頻率相同,相位差恒定,這種波源稱為相干波源。4.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。振幅越接近，干涉圖樣越明顯。5.振動加強的點和振動減弱的點始終在以振源的頻率振動，其振幅不變

7、(若是振動減弱點，振幅小)。但其位移隨時間發(fā)生變化。6.振動加強點和振動減弱點的產(chǎn)生條件：對于兩個頻率相同、振動步調(diào)一致的波源：(1)如圖所示：到兩波源的距離之差等于波長的整數(shù)倍的點，其振動總是加強的，即：|PS1-PS2| =n,n=0，1，2，3(2)到兩波源的距離差等于半波長的奇數(shù)倍的點，其振動總是減弱的，即：|PS1-PS2| =(2n+1) ,n=0，1，2，37.一切波都能發(fā)生干涉，干涉是波特有的現(xiàn)象。【特別提醒】(1)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，有的時刻位移也為零。只是振幅為兩列波振幅之和，顯得振動劇烈;(2)振動減弱點的振動

8、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，振幅為兩列波振幅之差。如果兩列波的振幅相同，則振動減弱點將會總是處于靜止。【典例1】(2012威海高二檢測)如圖表示兩個相干波源S1、S2產(chǎn)生的波在同一種均勻介質(zhì)中相遇。圖中實線表示某時刻的波峰，虛線表示的是波谷，下列說法正確的是( )A.a、c兩點的振動加強，b、d兩點的振動減弱B.e、f兩點的振動介于加強點和減弱點之間C.經(jīng)適當?shù)臅r間后，加強點和減弱點的位置互換D.經(jīng)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【思路點撥】求解此題應把握以下三點：關(guān)鍵點(1)波的干涉中波峰與波峰或波谷與波谷相遇的點為加強點，波峰

9、與波谷相遇的點為減弱點。(2)加強點始終加強，減弱點始終減弱。(3)波沿波的傳播方向向前傳播?！疽?guī)范解答】選A、D。波的干涉示意圖所示的僅是某一時刻兩列相干波疊加的情況，形成干涉圖樣的所有介質(zhì)質(zhì)點都在不停地振動著，其位移的大小和方向都在不停地變化著。但要注意，對穩(wěn)定的干涉，振動加強和減弱的區(qū)域的空間位置是不變的。a點是波谷和波谷相遇的點，c點是波峰和波峰相遇的點，都是振動加強的點；而b、d兩點都是波峰和波谷相遇的點，是振動減弱的點，A正確。e點位于加強點的連線上，仍為加強點。f點位于減弱點的連線上，仍為減弱點，B錯誤。相干波源疊加產(chǎn)生的干涉是穩(wěn)定的，不會隨時間變化，C錯誤。因形成干涉圖樣的介質(zhì)

10、質(zhì)點也是不停地做周期性振動，經(jīng)半個周期步調(diào)相反，D正確?！究偨Y(jié)提升】振動加強點與振動減弱點的兩種判斷方法(1)條件判斷法：振動情況完全相同的兩波源產(chǎn)生的波疊加時，加強、減弱條件如下：設點到兩波源的路程差為r，當r=2k =k(k=0,1,2)時為振動加強點；當r=(2k+1) (k=0，1，2)時為振動減弱點。若兩波源振動步調(diào)相反，則上述結(jié)論相反。(2)現(xiàn)象判斷法：若某點總是波峰與波峰(或波谷與波谷)相遇，該點為振動加強點；若總是波峰與波谷相遇，則為振動減弱點?！咀兪接柧殹咳鐖D所示，沿x軸正方向傳播一列橫波，傳到A點時，沿x軸負方向傳播的另一列橫波恰好傳到B點，此時，A、B兩質(zhì)點均向上運動。已

11、知A、B相距3 m，這兩列波的波長都為2 m，兩列波的振幅也均為2 m，且頻率相同。繼續(xù)傳播后，兩列波的波峰疊加，疊加后(P點距A點0.5 m，Q點距A點1 m)( )A.質(zhì)點P的振幅為零B.質(zhì)點P的振幅為4 mC.質(zhì)點Q的振幅為零D.質(zhì)點Q的振幅為4 m【解析】選B、C。兩列波頻率相同,所以為相干波源,當兩列波疊加后發(fā)生干涉現(xiàn)象,由于PB-PA=2 m=,故P為振動加強點,由于QB-QA=1 m= ,故Q為振動減弱點,故B、C正確?！咀兪絺溥x】如圖所示為兩個相干波源發(fā)出的波相遇時某時刻的情況。圖中實線表示波峰,虛線表示波谷,相干波的振幅均為5 cm,波速和波長分別為1 m/s和0.5 m。C

12、點為B、E連線的中點。則下列說法中正確的是( )A.C點始終保持不動B.圖示時刻A、B兩質(zhì)點豎直高度差為20 cmC.圖示時刻C點正處在平衡位置向下運動D.從此時刻起經(jīng)0.25 s，質(zhì)點B通過的路程為20 cm【解析】選B、C、D。從圖中可看出A、B、E都是加強點，C點在A、B、E的連線上，也為加強點，正處于波峰加強點E和波谷加強點B的中點處的平衡位置，由波的傳播方向C超前E ，落后B ，正在向下運動，振動加強點的振幅為分振幅之和A=2A=10 cm。故波峰與波谷的豎直高度差為2A=20 cm，由T= =0.5 s,t=0.25 s= ,半周期通過的路程為2A=20 cm,故B、C、D對。 對

13、波的衍射的理解【探究導引】我們的日常生活中，常聽到這樣的說法：“隔墻有耳”、“未見其人，先聞其聲”、“人未到，聲先到”，針對上述說法，思考以下問題：(1)波發(fā)生衍射現(xiàn)象需要條件嗎？(2)能夠看到明顯的衍射現(xiàn)象與哪些因素有關(guān)？【要點整合】1.衍射是波特有的現(xiàn)象，一切波都可以發(fā)生衍射。凡能發(fā)生衍射現(xiàn)象的都是波。2.波的衍射總是存在的，只有“明顯”與“不明顯”的差異。波長較長的波容易發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象。3.波傳到小孔(障礙物)時，小孔(障礙物)仿佛一個新波源，由它發(fā)出與原來同頻率的波在小孔(障礙物)后傳播，就偏離了直線方向。因此，波的直線傳播只是在衍射不明顯時的近似情況?！咎貏e提醒】(1)障礙物的尺

14、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)生明顯的衍射現(xiàn)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。【典例2】如圖是觀察水面波衍射的實驗裝置，AC和BD是兩塊擋板，AB是一個孔，O是波源，圖中已畫出波源所在區(qū)域波的傳播情況，每兩條相鄰波紋(圖中曲線)之間距離表示一個波長。則波經(jīng)過孔之后的傳播情況，下列描述中正確的是( )A.此時能明顯觀察到波的衍射現(xiàn)象B.擋板前后波紋間距離相等C.如果將孔AB擴大，有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象D.如果孔的大小不變，使波源頻率增大，能更明顯地觀察到衍射現(xiàn)象【思路點撥】能發(fā)生衍射和能發(fā)生明顯

15、的衍射不同，波的衍射是不需要條件的，而要發(fā)生明顯的衍射必須滿足一定的條件?！疽?guī)范解答】選A、B、C。根據(jù)發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件：障礙物或孔的尺寸比波長小或與波長相差不多。從題圖中可看出孔AB的尺寸與波長相差不多，所以此時能明顯地觀察到波的衍射現(xiàn)象，A正確；因為穿過擋板小孔后的波速不變，頻率相同，所以波長也相同，B正確；若將孔AB擴大，將可能不滿足發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，就有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，C正確；若將波源頻率增大，由于波速不變，所以波長變小，將可能不滿足發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件，也有可能觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象，D錯誤。【變式訓練】在水波槽的衍射實驗中，若打擊水面的振子振動頻率是5 H

16、z，水波在水槽中的傳播速度為0.05 m/s，為觀察到顯著的衍射現(xiàn)象，小孔直徑d應為( )A.10 cm B.5 cm C.d1 cm D.d1 cm【解析】選D。水波的波長= =0.01 m=1 cm，要觀察到顯著的衍射現(xiàn)象，小孔的尺寸應小于波長，故D對?！緶剀疤崾尽吭趦闪胁ǖ母缮孢^程中，振動加強點和振動減弱點的位置，是由該點到兩波源的距離之差與波長的關(guān)系確定的。波的干涉現(xiàn)象的應用 考查內(nèi)容【典例】如圖所示，在半徑R=45 m的圓心O和圓周A處，有兩個功率差不多的喇叭，同時發(fā)出兩列頻率、波長和振幅相同的聲波，且波長=10 m。若人站在B處，正好聽不到聲音；若逆時針方向從B走到A，則時而聽到時

17、而聽不到聲音。試問在到達A點之前，還有幾處聽不到聲音?【思路點撥】解答本題注意以下兩點:關(guān)鍵點(1)在B點聽不到聲音，說明兩波發(fā)生干涉相消。(2)明確發(fā)生干涉相消的條件。【規(guī)范解答】因為波源A、O到B點的路程差為r=R=45 m= 。所以B點發(fā)生干涉相消，同理，在圓上任一點C聽不到聲音的條件為r=r1r2=(2k+1) =5(2k+1)，k為整數(shù)(或k=0,1,2)。以r2=45 m代入上式，則r1可以表示為r1=5(2k+1)+r2=10k+50而0r190 m，即0(10k+50)90,所以k的取值范圍為-5k4(負號表示r1r2),式中k=-4、-3、-2、-1、0、1、2、3，可見，共

18、有8處聽不到聲音。答案：8處對振動加強和振動減弱的判斷方法波的干涉問題中，一定要理解振動加強點與振動減弱點的含義：1.振動加強點并非指位移增大而是指振幅增大，其值為兩列波振幅之和。2.振動加強點并非位移一直最大，振動加強點也是振動的，其位移也隨時間周期性變化，所以位移也有很小的時候，可以為零。3.振動加強點的振動總是加強的，并非一會兒振動加強，一會兒振動減弱。4.振動減弱點是指在介質(zhì)中的某兩列波引起的位移總是相反的，如兩列波振幅相同，則減弱點的位移始終為零，振幅為零?！景咐故尽咳鐖D所示為兩列波疊加的示意圖，這兩列波的振源的振動方向、振動頻率、振幅完全相同，某時刻，兩振源同時振動，M、N、Q為疊加區(qū)域的三個點，Q為兩個波谷相遇，M為兩個波峰相遇，則下列說法正確的是( ) A.Q