高中物理 124 波的衍射波的干涉 教案 新人教版选修34.docx

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高中物理124波的衍射波的干涉教案新人教版选修34

2019-2020年高中物理12.4波的衍射、波的干涉教案新人教版选修3-4

一、教学目标

1．在物理知识方面的要求：

（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）知道波的干涉现象是特殊条件下的叠加现象；知道两列频率相同的波才能发生干涉现象；知道衍射现象的特点。

（3）知道衍射和干涉现象是波动特有的现象。

2．通过观察水波的衍射现象，认识衍射现象的特征。

通过观察波的独立前进，波的叠加和水波的干涉现象，认识波的干涉条件及干涉现象的特征。

二、重点、难点分析

1．重点是波的衍射、波的叠加及发生波的干涉的条件。

2．难点是对稳定的波的干涉图样的理解。

三、教具

水槽演示仪，长条橡胶管，投影仪。

四、主要教学过程

（一）引入新课

我们向平静的湖面上投入一个小石子，可以看到石子激起的水波形成圆形的波纹，并向周围传播。

当波纹遇到障碍物后会怎样？

如果同时投入两个小石子，形成了两列波，当它们相遇在一起时又会怎样？

本节课就要通过对现象的观察，对以上现象进行初步解释。

（二）教学过程设计

主要思想是：

遵照教材的编写意图，按“观察现象，归纳特征，而后得出结论”的大顺序进行教学。

观察中注意引导，分析中注意启发。

1．波的衍射

（1）波的衍射现象

首先观察水槽中水波的传播：

圆形的水波向外扩散，越来越大。

然后，在水槽中放入一个不大的障碍屏，观察水波绕过障碍屏传播的情况。

由此给出波的衍射定义。

波绕过障碍物的现象，叫做波的衍射。

再引导学生观察：

在水槽中放入一个有孔的障碍屏，水波通过孔后也会发生衍射现象。

看教材中的插图，解释“绕过障碍物”的含义。

（2）发生明显波的衍射的条件

在前面观察的基础上，引导学生进行下面的观察：

①在不改变波源的条件下，将障碍屏的孔由较大逐渐变小。

可以看到波的衍射现象越来越明显。

由此得出结论：

障碍物越小，衍射现象越明显。

②可能的话，在不改变障碍孔的条件下，使水波的波长逐渐变大或逐渐变小。

可以看到，当波长越小时，波的衍射现象越明显。

由此指出：

当障碍物的大小与波长相差不多时，波的衍射现象较明显。

发生明显衍射的条件是：

障碍物或孔的大小比波长小，或者与波长相差不多。

最后告诉学生：

波的衍射现象是波所特有的现象。

在生活中，可遇到的波的衍射现象有：

声音传播中的“隔墙有耳”现象；在房间中可以接收到收音机和电视信号，是电磁波的衍射现象。

2．波的干涉

观察现象①：

在水槽演示仪上有两个振源的条件下，单独使用其中的一个振源，水波按照该振源的振动方式向外传播；再单独使用另一个振源，水波按照该振源的振动方式向外传播。

现象的结论：

每一个波源都按其自己的方式，在介质中产生振动，并能使介质将这种振动向外传播。

观察现象②：

找两个同学拉着一条长橡皮管，让他们同时分别抖动一下橡皮管的端点，则会从两端各产生一个波包向对方传播。

当两个波包在中间相遇时，形状发生变化，相遇后又各自传播。

现象的结论：

波相遇时，发生叠加。

以后仍按原来的方式传播。

（l）波的叠加

在观察前面现象的基础上，向学生说明什么是波的叠加。

两列波相遇时，在波的重叠区域，任何一个质点的总位移，都等于两列波分别引起的位移的矢量和。

结合图1，解释此结论。

解释时可以这样说：

在介质中选一点P为研究对象，在某一时刻，当波源1的振动传播到P点时，若恰好是波峰，则引起P点向上振动；同时，波源2的振动也传播到了P点，若恰好也是波峰，则也会引起P点向上振动；这时，P点的振动就是两个向上的振动的叠加，P点的振动被加强了。

（当然，在某一时刻，当波源1的振动传播到P点时，若恰好是波谷，则引起P点向下振动；同时，波源2的振动传播到了P点时，若恰好也是波谷，则也会引起P点向下振动；这时，P点的振动就是两个向下的振动的叠加，P点的振动还是被加强了。

）用以上的分析，说明什么是振动被加强。

波源1经过半周期后，传播到P点的振动变为波谷，就会使P点的振动向下，但此时波源2传过来的振动不一定是波谷（因为两波源的周期可能不同），所以，此时P点的振动可能被减弱，也可能是被加强的。

（让学生来说明原因）

提问：

如果希望P点的振动总能被加强，应有什么条件？

提问：

如果在介质中有另一质点Q，希望Q点的振动总能被减弱，应有什么条件？

结论：

波源1和波源2的周期应相同。

（2）波的干涉

观察现象③：

水槽中的水波的干涉。

对水波干涉图样的解释中，特别要强调两列水波的频率是相同的，所以产生了在水面上有些点的振动加强，而另一些点的振动减弱的现象，加强和减弱的点的分布是稳定的。

详细解释教材中给出的插图，如图2所示。

在解释和说明中，特别应强调的几点是：

①此图是某时刻两列波传播的情况；②两列波的频率（波长）相等；③当两列波的波峰在某点相遇时，这点的振动位移是正的最大值，过半周期后，这点就是波谷和波谷相遇，则这点的振动位移是负的最大值；④振动加强的点的振动总是加强的，振动减弱的点的振动总是减弱的。

在以上分析的基础上，给出干涉的定义：

频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，这种现象叫波的干涉，形成的图样叫做波的干涉图样。

反复观察水槽中的水波的干涉，分清哪些区域为振动加强的区域，哪些区域为振动减弱的区域。

最后应帮助学生分析清楚：

介质中某点的振动加强，是指这个质点以较大的振幅振动；而某点的振动减弱，是指这个质点以较小的振幅振动，这与只有一个波源的振动在介质中传播时，各质点均按此波源的振动方式振动是不同的。

（3）波的干涉与叠加的关系

有了前面的基础，可以启发学生说一说干涉与叠加的关系。

帮助学生认识：

干涉是一种特殊的叠加。

任何两列波都可以进行叠加，但只有两列频率相同的波的叠加，才有可能形成干涉。

最后指出：

干涉是波特有的现象。

（三）课堂小结

今天，我们学习了波特有的现象：

波的衍射和波的干涉。

请同学再表达一下：

什么叫波的衍射？

什么叫波的干涉？

什么条件下可能发生波的干涉？

课后的任务是认真阅读课本。

五、说明

教学中，教师应知道：

（1）“障碍物或孔的大小比波长小，或者与波长相差不多”是产生明显衍射现象的条件，而不是产生衍射现象的条件。

波遇到障碍物就会发生衍射，只是在上述的条件下可以明显观察到。

（2）波的干涉的条件是：

同一类的两列波，频率（波长）相同，相差恒定，在同一平面内振动。

当它们发生叠加时，会出现干涉现象，由于课本中没有提出相和相差的概念，并且只讨论一维的振动情况，所以，教学中只强调“频率相同”的条件就可以了。

更多的时间，应放在认识干涉与一般叠加相比的特殊之处上。

教师在线

例1．一列水波穿过小孔产生衍射现象，衍射后水波的强度减弱是因为（）

A、水波的波长增大B、水波的周期增大C、水波的频率减小D、水波的振幅减小

例2．如图所示，S为波源，M、N为两块挡板，其中M板固定，N板可上下移动，两板中间有狭缝。

此时，测得A点没有振动，为了使A点发生振动，可采用的方法是（）

A、增大波源频率B、减小波源频率C、将N板向上移动一些D、将N板向下移动一些

同步训练

1．如图所示是观察水面波衍射的试验装置，AC和BD是两块挡板，AB是一个孔，O为波源，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）之间距离表示一个波长，则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．挡板前波纹间距离相等

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，能更明显地观察衍射现象

2．如图是不同频率地水波通过相同地小孔所能到达区域地示意图，情况中水波地频率最大；情况中水波地频率最小。

3．将一只小瓶立于水波槽中，在槽中激发水波，若想在瓶子后面看到水波绕进的现象，激发水波的振子振动频率大写好还是小些好？

为什么？

4．下列说法中正确的是（）

A．衍射是一切波特有的现象B．对同一列波，障碍物或小孔越小衍射越明显

C．听到回声是声波的衍射现象D．听到回声是共鸣现象

5．一列水波穿过小孔产生衍射现象，衍射后水波的强度减弱是因为（）

A．水波的波长增大B．水波的周期增大C．水波的频率减小D．水波的振幅减小

6．在做水波通过小孔衍射的演示实验时，激发水波的振子振动频率为5Hz，水波在水槽中传播速度为0.05m/s，为使实验效果更明显，使用小孔直径d应为m。

拓展尝新

7．如图10－38所示，正中O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，水面上的波形将分布于（）

A．整个区域B．阴影

以外区域

C．阴影

以外区域D．上述答案均不对

2．波的干涉

①观察现象：

在水槽演示仪上有两个振源的条件下，单独使用其中的一个振源，水波按照该振源的振动方式向外传播；再单独使用另一个振源，水波按照该振源的振动方式向外传播。

现象的结论：

每一个波源都按其自己的方式，在介质中产生振动，并能使介质将这种振动向外传播。

②观察现象：

找两个同学拉着一条长橡皮管，让他们同时分别抖动一下橡皮管的端点，则会从两端各产生一个波包向对方传播。

当两个波包在中间相遇时，形状发生变化，相遇后又各自传播。

现象的结论：

波相遇时，发生叠加。

以后仍按原来的方式传播。

（1）波的叠加

两列波相遇时，在波的重叠区域，任何一个质点的总位移，都等于两列波分别引起的位移的矢量和。

结合图1，解释此结论。

解释：

在介质中选一点P为研究对象，在某一时刻，当波源1的振动传播到P点时，若恰好是波峰，则引起P点向上振动；同时，波源2的振动也传播到了P点，若恰好也是波峰，则也会引起P点向上振动；这时，P点的振动就是两个向上的振动的叠加，P点的振动被加强了。

（当然，在某一时刻，当波源1的振动传播到P点时，若恰好是波谷，则引起P点向下振动；同时，波源2的振动传播到了P点时，若恰好也是波谷，则也会引起P点向下振动；这时，P点的振动就是两个向下的振动的叠加，P点的振动还是被加强了。

）用以上的分析，说明什么是振动被加强。

波源1经过半周期后，传播到P点的振动变为波谷，就会使P点的振动向下，但此时波源2传过来的振动不一定是波谷（因为两波源的周期可能不同），所以，此时P点的振动可能被减弱，也可能是被加强的。

（让学生来说明原因）

思考：

如果希望P点的振动总能被加强，应有什么条件？

思考：

如果在介质中有另一质点Q，希望Q点的振动总能被减弱，应有什么条件？

结论：

波源1和波源2的周期应相同。

（2）波的干涉

观察现象③：

水槽中的水波的干涉。

对水波干涉图样的解释中，特别要强调两列水波的频率是相同的，所以产生了在水面上有些点的振动加强，而另一些点的振动减弱的现象，加强和减弱的点的分布是稳定的。

如图2所示。

在解释和说明中，特别应强调的几点是：

①此图是某时刻两列波传播的情况；②两列波的频率（波长）相等；③当两列波的波峰在某点相遇时，这点的振动位移是正的最大值，过半周期后，这点就是波谷和波谷相遇，则这点的振动位移是负的最大值；④振动加强的点的振动总是加强的，振动减弱的点的振动总是减弱的。

在以上分析的基础上，给出干涉的定义：

频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些区域的振动减弱，并且振动加强和振动减弱的区域互相间隔，这种现象叫波的干涉，形成的图样叫做波的干涉图样。

小结：

介质中某点的振动加强，是指这个质点以较大的振幅振动；而某点的振动减弱，是指这个质点以较小的振幅振动，这与只有一个波源的振动在介质中传播时，各质点均按此波源的振动方式振动是不同的。

（3）波的干涉与叠加的关系

干涉是一种特殊的叠加。

任何两列波都可以进行叠加，但只有两列频率相同的波的叠加，才有可能形成干涉。

干涉是波特有的现象。

教师在线

例1．如图10－39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，图中实线表示某时刻的波峰，虚线表示的是波谷，下列说法正确的是（）

A、a、c两的振动加强，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

例2．如图10－40所示，在y轴上的Q、P两点上有两个振动情况完全相同的波源，它们激起的机械波的波长为1m，Q、P两点的纵坐标分别为yQ=6m，yP=1m，那么在x轴上+∞到-∞的位置上，会出现振动加强的区域有_______个。

同步训练

1．一个波源在绳的左端发出半个波a，频率为f1，振幅为A1，同时另一个波源在绳的右端发出半个波b，频率为f2，振幅为A2，P为波源的中点，如图10－41所示，在下列说法中正确的是（）

A.

两列波同时到达两波源的中点P

B.两列波相遇时，P点波峰值可达A1+A2

C.两列波相遇后，各自仍保持原来的波形传播

D.两列波相遇时，绳子上的波峰可达A1+A2的点只有一点，此时在P点的左侧

2．如图所示，S1和S2是两个相干波源，在图中分别以S1和S2为圆心作出了两组同心圆弧，分别表示同一时刻两列波的波峰和波谷，实线表示波峰，虚线表示波谷，在图中标出了三个点a,b,c。

在这三个点中，哪些点振动加强，哪些点振动减弱？

3．如图所示是水面上两列频率相同的波在某时刻的叠加情况，图中实线为波峰波面，虚线为波谷液面，已知两列波的振幅均为2cm，波速为2m/s，波长为8cm，E点是B,D和A,C连线的交点。

下列说法中正确的是（）

A.

A,C处两质点是振动加强的质点

B.B,D处两质点在该时刻的竖直高度差是4cm

C.E点处质点是振动加强的质点

D.经0.02s，B点处质点通过的路程是4cm

4．M,N为介质中相距2L的两个质点，从某时刻开始，两质点做同振幅和同频率的振动，并且开始时刻两质点的振动方向均向上，已知两质点的振动各自在介质中产生横波的波长均为L，且传播方向相反，则自开始时刻起，经过1.5个周期，M,N之间的波的波形图像是下图中的（）

5．如图所示，两个形状完全相同的正弦波a,b沿同一直线分别向右、向左传播，在它们相遇的某个时刻，图中m,n部分的波形“消失”了，该时刻m,n两质点的振动方向分别为（）

A.

m向上，n向下

B.m向下，n向上

C.m,n都向上

D.m,n速度都是零

6．S1,S2为两频率相同的波源，如图所示，某时刻实线表示波峰，虚线表示波谷，则P点（）

A.波谷与波谷叠加所以振动减弱

B.波谷与波谷叠加所以始终处于最低位置

C.振动始终加强

D.位移始终最大

拓展尝新

7．如图10－46所示表示两列相干水波的叠加情况，图中的实线表示波峰，虚线表示波谷，设两列波的振幅均为5cm，且在图示的范围内振幅不变，波速和波长分别为1m/s和0.5cm,C点是BE连线的中点，下列说法中正确的是（）

A．C,E两点都保持静止不动

B．图示时刻A,B两点的竖直高度差为20cm

C．图示时刻C点正处在平衡位置且向水面上运动

D．从图示时刻起经0.25s，B点通过的路程为20cm

8．如图10－47所示，在同一均匀介质中有S1、S2两个波源，这两个波源的频率、振动方向均相同，且振动步调完全一致，S1、S2之间相距两个波长，B点为S1、S2连线的中点。

今以B点为圆心，以R=BS1为半径画圆，问在该圆上，除S1、S2两波源外，共有几个振动加强的点？

答案：

教师在线

例1．解：

水波的频率是由波源的频率决定的，发生衍射后水波的频率不变，所以选项B、C错误。

波速是由介质决定的，发生衍射后波速不变，由v=λf知，水波的波长不变，先项A错误。

波的强弱是由振幅决定的，所以选项D正确。

例2．解：

使A振动起来的方法有两个，一个是缝宽不变，使波的频率即波源S的频率减小以增加波长，当波长大于缝宽时，发生明显的衍射现象，A点便振动起来；另一个是使波源的频率一定，即波长一定，减小缝宽，当缝宽减小到比波长小时，发生明显的衍射现象，也可使A点振动起来。

故正确答案是B、D。

同步训练

1.ABC

2.ca

3.频率小些好。

4.AB

5.D

6.d≤0.01

拓展尝新

7.B

波的干涉

答案：

教师在线

例1．解：

a点是波谷与波谷相遇的点，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，选项A正确。

e位于加强点的连线上，仍为加强点，f位于减弱点的连线上，仍为减弱点，选项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，所以选项C错误。

因形成干涉图样的介质质点也是不停地做周期性振动，经半个周期步调相反，选项D正确。

故该题的正确答案是A、D。

例2．解：

在x轴正半轴上任取一点M，连接MQ、MP，构成一三角形PQM，根据三角形任两边之差小于第三边的原理得：

。

X轴上出现振动加强点时应有Δr=nλ（n=0、1、2、……）。

所以0

亦即n可取1、2、3、4、5（包括原点），其5个值。

由对称性在x轴负半轴上还有4个加强点，所以在x轴上共有9个加强点。

同步训练

1.ACD

2.a点和b点振动加强，c点振动减弱

3.C4.A5.A6.C

拓展尝新

7.BCD

8.6

2019-2020年高中物理12.4《波的反射和折射》学案新人教版选修3-4

【知识目标】

1、知识与技能：

①知道什么是波面、波线，知道它们间的关系。

②理解惠更斯原理，会用惠更斯原理解释有关现象。

③掌握波的反射规律及其简单的应用。

④知道什么是波的折射，理解波的折射定律。

2、过程与方法：

小组合作探究，大胆拓展质疑

3、情感态度与价值观：

以积极的热情投入学习，体验成功的快乐。

【基础知识】

一、波面和波线

1、概念

（1）波面：

在波的传播过程中，某时刻任何都相同的介质质点所组成的面，也叫。

（2）波线：

指与波面的那些线，代表了波的。

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

，波线就是这些球面的。

（2）平面波：

指波面是的波。

二、惠更斯原理

1、内容：

介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的，其后任意时刻，这些子波在波的前进方向的就是新的波面。

2、作用：

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。

三、波的反射

1、反射现象：

波遇到介质界面会继续传播的现象。

2、反射角和入射角

（1）入射角：

入射波的与界面的夹角。

（2）反射角：

反射波的与界面的夹角。

3、反射定律

（1）反射角入射角

（2）反射波的波长、频率和波速都与入射波。

四、反射、折射现象中各量的变化

波的反射

波的折射

传播方向

改变θ反=θ入

改变θ折≠θ入

频率f

不变

不变

波速v

不变

改变

波长λ

不变

改变

※频率由波源决定，波速由介质决定。

【基础训练】

1、下列说法中不正确的是：

A、只有平面波的波面才与波形垂直

B、任何波的波形与波面都相互垂直

C、任何波的波形表示波的传播方向

D、有些波的波面表示波的传播方向

2、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球心的一个个球面

D、无论怎样的波，波线始终和波面垂直

3、一列波从空气中传入水中，保持不变的物理量是：

A、波速B、波长C、频率D、振幅

4、下列说法中正确的是：

A、入射波面与法线的夹角为入射角

B、入射波面与界面的夹角为入射角

C、入射波线与法线的夹角为入射角

D、入射角跟折射角相等

5、如图所示1、2、3分别代表入射波、反射波和折射波的波线，则：

A、2与1的波长、频率相等，波速不等

B、2与1的波速、频率相等，波长不等

C、3与1的波速、频率、波长均相等

D、3与1的频率相等，波速、波长均不等

6、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Ⅰ中的波速为v1，波在介质Ⅱ中的波速为v2，则v1：

v2为：

A、1：

2

B、2：

1

C、3：

2

D、2：

3

【合作探究】

【小结】