高中物理 12.4 波的衍射和干涉课件 新人教版选修34.ppt

第十二章 机械波 目标定位1 知道什么是波的衍射现象和发生明显衍射现象的条件 2 理解波的叠加原理 知道波的干涉是波叠加的结果 3 知道波的干涉图样的特点 理解形成稳定干涉图样的条件 掌握振动加强点 减弱点的振动情况 4 会用波的衍射 干涉现象解释相关问题 第4讲波的衍射和干涉 一 波的衍射1 定义 波可以继续传播 这种现象叫做波的衍射 2 发生明显衍射的条件 缝 孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长 或者 绕过障碍物 相差不多 比波长更小 3 都能发生衍射 衍射是波的现象 想一想在日常生活中我们常遇到 闻其声不见其人 的现象 你能用学过的知识解释一下吗 答案声波的波长比较长 容易衍射 而光波波长短 不容易衍射 所以会有 闻其声不见其人 的现象 一切波 特有 二 波的叠加几列波相遇时能够保持 继续传播 在它们重叠的区域里 介质的质点参与这几列波引起的振动 质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的 各自的运动特征 同时 矢量和 三 波的干涉1 定义 相同的两列波叠加时 某些区域的振幅 某些区域的振幅 这种现象叫做波的干涉 形成的图样常常叫做 2 产生干涉的两个必要条件是 两列波的必须相同和两个波源的必须保持不变 加大 频率 减小 干涉图样 频率 相位差 3 一切波都能发生干涉 干涉是波所的现象 想一想在波的干涉中 振动加强的点和振动减弱的点的振动情况是怎样的 是不是振动减弱的点始终位于平衡位置不动 答案在波的干涉中 振动加强的点是指两列波在该点的振动方向始终相同 因而使该点以两列波的振幅之和作为 特有 新的振幅做简谐运动 而振动减弱的点是指两列波在该点的振动方向始终相反 因而使该点以两列波的振幅之差作为新的振幅做简谐运动 只有当两列波的振幅相等时 所形成的干涉图样中的振动减弱的点的振幅才为零 此时该点表现为始终处于平衡位置不动 一 对衍射现象的理解1 衍射是波特有的现象 一切波都可以发生衍射 2 波的衍射总是存在的 只有 明显 与 不明显 的差异 障碍物或孔的尺寸比波长小或跟波长差不多 只是发生明显衍射的条件 3 波传到小孔 障碍物 时 小孔 障碍物 仿佛一个新波源 由它发出与原来同频率的波在孔 障碍物 后传播 就偏离了直线方向 因此 波的直线传播只是在衍射不明显时的近似情况 例1下列关于波的衍射的说法正确的是 a 衍射是机械波特有的现象b 对同一列波 缝 孔或障碍物越小衍射现象越明显c 只有横波才能发生衍射现象 纵波不能发生衍射现象d 声波容易发生明显衍射现象是由于声波波长较大 解析衍射是一切波特有的现象 所以a c错 发生明显衍射的条件是缝 孔或障碍物的尺寸比波长小或跟波长差不多 缝 孔或障碍物越小 衍射现象越明显 b d对 答案bd 针对训练如图1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 则对于波经过孔之后的传播情况 下列描述正确的是 图1 a 此时能明显观察到波的衍射现象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 能更明显地观察到衍射现象 解析从题图中可以看出 孔的大小与波长相差不多 故能够发生明显的衍射现象 a选项正确 由于在同一均匀介质中 波的传播速度没有变化 波的频率是一定的 又根据 可得波长 没有变化 所以b选项正确 当孔扩大后 发生明显衍射的条件将被破坏 故c选项正确 如果孔的大小不变 使波源频率增大 则波长减小 孔的尺寸将比波长大 失去发生明显的衍射现象的条件 因此d选项错误 答案abc 二 对干涉现象的理解1 波的叠加是无条件的 任何频率的两列波在空间相遇都会叠加 2 稳定干涉图样的产生是有条件的 必须是两列波的频率相同 相位差恒定 3 干涉图样及其特点 1 干涉图样 如图2所示 图2 2 特点 加强区和减弱区的位置固定不变 加强区始终加强 减弱区始终减弱 加强区与减弱区不随时间变化 加强区与减弱区互相间隔 4 振动加强点和减弱点 1 加强点 振动的振幅等于两列波振幅之和 a a1 a2 2 减弱点 振动的振幅等于两列波振幅之差 a a1 a2 3 加强点和减弱点的判断 条件判断法 振动频率相同 振动情况完全相同的两波叠加时 设点到两波源的路程差为 x 当 x x2 x1 k 时为振动加强点 当 x x2 x1 2k 1 时为振动减弱点 k 0 1 2 若两波源振动步调相反 则上述结论相反 现象判断法 若某点总是波峰与波峰或波谷与波谷相遇 该点为加强点 若总是波峰与波谷相遇 则为减弱点 例2两列振动方向相同 振幅分别为a1和a2的相干简谐横波相遇 下列说法正确的是 a 波峰与波谷相遇处质点的振幅为 a1 a2 b 波峰与波峰相遇处质点离开平衡位置的位移始终为a1 a2c 波峰与波谷相遇处质点的位移总是小于波峰与波峰相遇处质点的位移d 波峰与波峰相遇处质点的振幅一定大于波峰与波谷相遇处质点的振幅 解析波峰与波谷相遇时 振幅相消 故实际振幅为 a1 a2 故选项a正确 波峰与波峰相遇处 质点的振幅最大 合振幅为a1 a2 但此处质点仍处于振动状态中 其位移随时间按正弦规律变化 故选项b错误 振动减弱点和加强点的位移随时间按正弦规律变化 选项c错误 波峰与波峰相遇时振动加强 波峰与波谷相遇时振动减弱 加强点的振幅大于减弱点的振幅 故选项d正确 答案ad 借题发挥不管是加强点 还是减弱点 还是一般位置的质点在振动时 其位移都在随时间做周期性变化 位移均可为0 例3两个频率 振动方向 初始相位均相同的波源s1 s2 产生的波在同一介质中传播时 某时刻t形成如图3所示的干涉图样 图样中两波源s1 s2同时为波谷 实线表示波峰 虚线表示波谷 在图中标有a b c三个点 则振动加强的点是 振动减弱的点是 图3 解析方法一由题图中可以知道 a点距波源s1 s2的距离均为1 5 即x1 1 5 x2 1 5 故a到s1 s2的距离差 x x1 x2 0 b点距s1距离为x1 距s2距离为x2 2 故b到s1 s2的距离差 x c点距s1的距离为x1 2 距s2的距离为x2 1 5 故c到两波源s1 s2的距离差为 x x1 x2 0 5 因为两波源的振动情况完全相同 所以a b点均为振动加强点 c点为振动减弱点 方法二由题图可知a点为波峰与波峰相遇 是振动加强点 b点是波谷与波谷相遇 是振动加强点 c点是波峰与波谷相遇 是振动减弱点 答案a bc 借题发挥根据条件判断法来确定加强点和减弱点时 一定要注意两波源的振动情况是相同还是相反 波的衍射1 在水波槽的衍射实验中 若打击水面的振子的振动频率是5hz 水波在水槽中的传播速度为0 05m s 为观察到明显的衍射现象 小孔直径d应为 a 10cmb 5cmc d 1cmd d 1cm 解析在水槽中激发的水波波长为 m 0 01m 1cm 若要在小孔后产生明显的衍射现象 应取小孔的尺寸小于波长或与波长相差不多 答案d 波的叠加2 如图4所示 沿一条直线相向传播的两列波的振幅和波长均相等 当它们相遇时可能出现的波形是下图中的 图4 解析当两列波的前半个波 或后半个波 相遇时 根据波的叠加原理 在前半个波 或后半个波 重叠的区域内所有的质点振动的合位移为零 而两列波的后半个波 或前半个波 的波形保持不变 所以选项b正确 当两列波完全相遇时 即重叠在一起 由波的叠加原理可知 所有质点振动的位移均等于每列波单独传播时引起的位移的矢量和 使得所有的质点振动的位移加倍 所以选项c也是正确的 答案bc 波的干涉3 图5表示两个相干波源s1 s2产生的波在同一种均匀介质中相遇 图中实线表示波峰 虚线表示波谷 下列说法正确的是 图5 a a c两点的振动加强 b d两点的振动减弱b e f两点的振动介于加强点和减弱点之间c 经适当的时间后 加强点和减弱点的位置互换d 经半个周期后 原来位于波峰的点将位于波谷 原来位于波谷的点将位于波峰 解析波的干涉示意图表示某一时刻两列相干波叠加的情况 形成干涉图样的所有介质质点都在不停地振动着 其位移的大小和方向都在不停地变化着 但要注意 对稳定的干涉 振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的 a点是波谷和波谷相遇的点 c点是波峰和波峰相遇的点 都是振动加强的点 而b d两点都是波峰和波谷相遇的点 是振动减弱的点 a正确 e点位于加强点的连线上 也为加强点 f点位于减弱点的连线上 也为减弱点 b错误 相干波源叠加产生的干涉是稳定的 不会随时间变化 c错误 因形成干涉图样的介质质点也在不停地做周期性振动 故经半个周期步调相反 d正确 答案ad 4 图6为声波干涉演示仪的原理图 两个u形管a和b套在一起 a管两侧各有一小孔 声波从左侧小孔传入管内 被分成两列频率 的波 当声波分