1、6 惠更斯原理,一、波面和波线 1.波面和波线的概念: (1)波面:波源发出的波,向四周传开,_组成了一个 个圆,_也组成一个个圆,振动状态相同的点都组成 了一个个圆,这些圆叫作一个个波面。,波峰,波谷,(2)波线:指与波面_的那些线,代表了波的传播方 向。 如图所示。,垂直,2.波的分类: (1)球面波:由空间一点发出的波,它的波面是以_ 为球心的一个个球面,波线就是这些球面的_。 (2)平面波:指波面是_的波。,波源,半径,平面,二、惠更斯原理 1.内容:介质中任一波面上的各点,都可以看作发射 _的波源,其后任意时刻,这些_在波前进方 向的包络面就是新的波面。,子波,子波,2.应用: (1
2、)如果知道某时刻一列波的某个_的位置,还知道 _,利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个_的 位置,从而确定波的_。 (2)利用惠更斯原理只能解释衍射现象中波的传播方向, 不能解释波的_。无法说明衍射现象与狭缝或障碍 物_的关系。,波面,波速,波面,传播方向,强度,大小,三、波的反射和折射 1.反射现象:波遇到介质界面会_继续传播的现 象。 2.折射现象:波从一种介质_另一种介质时,波的 _方向发生改变的现象。,返回来,射入,传播,【预习诊断】 1.请判断下列说法的正误。 (1)波面一定与波线垂直。 ( ) (2)波面一定是平面。 ( ) (3)波的传播方向与波面平行。 ( ),提示:(1)。由波
3、线定义知,波线一定与波面垂直。 (2)。波面可以是球面,也可以是平面。 (3)。波的传播方向与波线平行,与波面垂直。,2.一列波在传播过程中通过一个障碍物,发生了一定程度的衍射,以下哪种情况使衍射现象更明显 ( ) A.增大障碍物的尺寸,同时增大波的频率 B.增大障碍物的尺寸,同时减小波的频率 C.缩小障碍物的尺寸,同时增大波的频率 D.缩小障碍物的尺寸,同时减小波的频率,【解析】选D。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=f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的尺寸比波长小或跟波长相差不多,所以缩小障碍物
4、的尺寸,同时减小波的频率会使衍射现象更明显,故D选项正确。,3.如图所示,S1、S2为水波槽中的两个波源,它们分别激起两列水波,图中实线表示波峰,虚线表示波谷。已知两列波的波长分别为1和2且12,该时刻在P点两列波的波峰与波峰相遇,则以下叙述正确的是( ),A.P点有时在波峰,有时在波谷,振动始终加强 B.P点始终在波峰 C.P点的振动不遵循波的叠加原理,也不一定始终加强 D.P点的振动遵循波的叠加原理,但并不一定始终加强,【解析】选D。任何波的叠加都遵循波的叠加原理,但只有两列波发生干涉时,才能形成稳定的干涉图样,即S1、S2两列波只有频率相同、相位差恒定时,才可在P点始终加强,故选项D正确
5、。,知识点一 惠更斯原理的理解 探究导入: 如图是波在传播过程中的一种现象。,(1)此图是波的什么现象? (2)利用惠更斯原理能解释此现象吗? 提示:(1)波的衍射现象。 (2)能。,【归纳总结】 1.惠更斯原理的实质:波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源,子波的波速与频率等于初级波的波速和频率,此后每一时刻的子波波面的包络面就是该时刻总的波动的波面。其核心思想是介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。,2.惠更斯原理的局限性:光的直线传播、反射、折射等都能用此来进行较好的解释。但是,惠更斯原理是比较粗糙的,用它不能解释衍射现象与狭缝或障碍物大小的关系,而且由惠更斯原理推知有倒
6、退波的存在,而倒退波显然是不存在的。,【典题过关】 【典例】(多选)关于对惠更斯原理的理解,下列说法正确的是 ( ) A.同一波面上的各质点振动情况完全相同 B.同一振源的不同波面上的质点的振动情况可能相同 C.球面波的波面是以波源为中心的一个个球面 D.波线与平面波的波面垂直,与球面波的波面不垂直,【正确解答】选A、B、C。按照惠更斯原理,波面是由振动情况完全相同的点构成的面,而不同波面上质点的相位不同,故A对。由于波的周期性,在相距为波长整数倍的另一些波面上的质点的振动情况与这个波面上质点的振动情况相同,故B正确。由波面和波线的概念知,C正确。无论怎样的波,波线始终和波面垂直,故D错。正确
7、答案为A、B、C。,【过关训练】 (多选)下列叙述中正确的是 ( ) A.空间点波源发出的球面波,其波面是一个个球面,波线就是以波源为圆心的同心圆 B.平面波的波线是一条直线,其波线相互平行 C.根据惠更斯原理,波面各点都可看作一个子波源,子波前进的方向的包络面就是该时刻的波面,D.利用惠更斯原理,只要知道t时刻波面的位置和波速,就可确定t+t时刻波面的位置,【解析】选B、C、D。球面波的波线沿球面的半径方向,A错误。平面波的波线是一条直线,由于波线与波面垂直,故平面波的波线相互平行,B正确。由惠更斯原理可知,C正确。利用惠更斯原理,只要知道t时刻波面的位置和波速,就可确定另一时刻的波面的位置
8、,D正确。,【补偿训练】 1.(多选)下列关于惠更斯原理的说法正确的是( ) A.惠更斯原理能够解释波的反射和折射现象 B.惠更斯原理能够解释波的衍射现象 C.介质中任何一个波面的各点,都可以看成发射子波的波源 D.惠更斯原理能够解释衍射现象与障碍物或孔的大小的关系,【解析】选A、B、C。惠更斯原理解释了波的传播方向上的问题,所以能够解释波的反射现象和折射现象,故A正确;同样对波的衍射现象,惠更斯原理也可以解释,但不能解释衍射现象与孔或障碍物大小的关系,故B正确,D错误;由惠更斯原理可知,C正确。,2.(多选)(2018威海高二检测)如图所示,A、B分别为t=t1、t=t2时平面波的波面,下面
9、说法正确的是( ),A.波面A和波面B互相平行 B.波面A上的各个质点的振动情况不一定相同 C.波面B上的各个质点的振动情况不一定相同 D.波面A上的各个质点的振动情况相同,波面B上的各个质点的振动情况也相同,【解析】选A、D。由波面的定义可得,D正确,B、C错误,平面波的波面与波源平行,故A对。,知识点二 波的反射及应用 探究导入: 对着山崖或高墙说话时,能听到回声;夏日的雷声在云层间轰鸣不绝,这属于什么现象? 提示:这属于声波的反射现象。,【归纳总结】 1.回声测距: (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
10、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为 s=(v声-v) 。,2.超声波定位:蝙蝠、海豚能发出超声波。超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来。蝙蝠、海豚就是根据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置,从而确定飞行或游动方向。,【典题过关】 【典例】(2018岳阳高二检测)已知声波的速度
11、为340m/s,有一辆汽车以15m/s的速度匀速行驶,在其正前方有一陡峭山崖,汽车鸣笛2s后司机听到回声,则汽车鸣笛时距山崖的距离有多远?若该汽车以10m/s的速度匀速行驶,在其正前方有一陡峭山崖,汽车鸣笛时并同时以a=10m/s2的加速度加速,1s后司机听到回声,此时汽车距山崖的距离有多远?,【正确解答】画出汽车与声音运动过程示意图如图所 示,设汽车在A点鸣笛,在C点听到回声,汽车由A到C的位 移为s1,C到山崖B的距离为s2,汽车从鸣笛到司机听到回 声的时间为t,有t=2s。根据汽车运动的时间与声波运 动的时间相等,则 =2s,s1=215m=30 m,2s=,解得:s2=325m,即汽车
12、鸣笛时 距山崖的距离为s=s1+s2=(30+325)m=355m。,同理:t= 解得:s2=162.5m,即此时汽车距山崖的距离为162.5m。 答案:355m 162.5m,【过关训练】 1.人耳只能区分相差0.1s以上的两个声音,人要能听到自己讲话的回声,离障碍物的距离至少要大于 ( ) A.34m B.17m C.100m D.170m,【解析】选B。声波在空气中传播的速度约为340m/s, 因此2s=vt,s= =17m,B正确。,2.甲、乙两人平行站在一堵又高又宽的墙前面,二人相 距2a,距墙均为 a,当甲开了一枪后,乙在t时间后听 到第一声枪响,则乙听到第二声枪响的时间为( )
13、A.甲开枪t后 B.甲开枪2t后 C.甲开枪3t后 D.甲开枪4t后,【解析】选B。设声速为v,乙听到第一声枪响必然是甲 开枪的声音直接传到乙的耳朵中,故t= 甲、乙两人与墙的位置如图所示,乙听到的第二声枪响 必然是墙反射的枪声,由声波的反射定律和几何关系 得:AC=BC=AB=2a。,故乙听到第二声枪响的时间t= 由得:t=2t,故B对。,知识点三 波的反射和波的折射 探究导入: 如图所示两波的示意图,波由介质进入介质时频率变化吗?波长变化吗?,提示:频率不变化,波长改变。,【归纳总结】 (1)波向前传播在两介质的界面上同时发生了反射现象和折射现象,一些物理量相应地发生变化,比较如下:,(2
14、)说明: 频率f由波源决定,故无论是反射波的频率还是折射波的频率都与入射波的频率,即波源的振动频率相同。 波速v由介质决定,因反射波与入射波在同一介质中传播,故波速不变,而折射波与入射波在不同介质中传播,所以波速变化。,据v=f知,波长与v及f有关,即与介质和波源有关,反射波与入射波在同一介质中波速相同,频率相同,故波长相同。折射波与入射波在不同介质中传播,v不同,f相同,故不同。,【典题过关】 【典例】一列声波在介质中的波长为0.2m。当该声波从空气中以某一角度传入介质中时,波长变为0.6m,如图所示,若介质中的声速是340m/s。求:,(1)该声波在介质中传播时的频率。 (2)该声波在介质
15、中传播的速度。 (3)若另一种声波在介质中的传播速度为1400m/s,按图中的方向从介质射入介质中,它在介质和介质中的频率之比。,【正确解答】(1)声波在介质中传播时,由v=f得: f= Hz=1700Hz, 由于声波在不同介质中传播时,频率不变,所以声波在 介质中传播时,频率为1700Hz。 (2)由v=f得声波在介质中的传播速度为 v2=2f=0.61700m/s=1020m/s。,(3)波由介质到介质的过程中,只有频率不变,故当波从介质进入介质时,其频率之比为11。 答案:(1)1700Hz (2)1020m/s (3)11,【过关训练】 1.一列波在第一种均匀介质中的波长为1,在第二种
16、均匀介质中的波长为2,且1=32,那么波在这两种介质中的频率之比和波速之比分别为 ( ) A.31 11 B.13 14 C.11 31 D.11 13,【解析】选C。同一列波频率不变,v=f, 故C选项正确。,2.如图所示是一列机械波从一种介质进入另一种介质中发生的现象,已知波在介质中的波速为v1,波在介质中的波速为v2,则v1v2为 ( ),【解析】选C。根据折射定律 可得 即v1v2= 所以选项C正确。,【补偿训练】 1.(多选)下列说法中正确的是 ( ) A.入射波的波长和反射波的波长相等 B.入射波的波长大于折射波的波长 C.入射波的波长小于折射波的波长 D.入射波和折射波频率相同,
17、【解析】选A、D。波反射时,波回到原来的介质。波折射时,波进入到另外一种介质。波的波长如何变化取决于两种介质的情况,而频率由波源决定,故A、D选项正确。,2.某物体发出的声音在空气中的波长为1m,波速为340m/s,在海水中的波长为4.5 m,此物体在海面上发出的声音经0.5s听到回声,则海水深为多少米?,【解析】本题是波的反射现象与v=f的综合应用,知 道不同介质中同一列波的频率是定值为解决本题的关 键。 波的频率f= 。在海水中:v水= v气 海水的深度h=v水 ,代入数据解得h=382.5m 答案:382.5m,【拓展例题】考查内容:反射现象在生产、生活中的应 用 【典例】天空有近似等高的浓云层,为了测量云层的高 度,在水平地面上与观测者的距离为d=3.0km处进行一 次爆炸,观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层 反射来的爆炸声时间上相差t=6.0s,试估算云层下表 面的高度。已知空气中的声速v= km/s。,【正确解答】如图所示,A表示爆炸点,O表示观测者所 在处,h表示云层下表面的高度。用t1表示爆炸声直接传 到O处所经时间,则d=vt1 用t2表示爆炸声经云层反射到O处所经时间,因为入射角 等于反射角,故有 =vt2 ,已知t2-t1=t 联立式可得:h=2.0103m。 答案:2.0103m,答案速填:介质 垂直 在一条直线上 距离 f 障碍物 孔 叠加 频率,
