第3章第2节波反射和折射讲义—2022-2022学年新教材鲁科版（2022）高中物理选择性必修第一册第第2节节波的反射和折射[核心素养·明目标]核心素养学习目标物理观念知道波面、波线的概念，了解波的反射定律及折射定律．科学思维掌握波的反射定律和折射定律，并能解释波的反射与折射现象．科学探究能与他人合作用水波实验探究波的反射规律．科学态度与责任通过学习惠更斯原理及声纳的应用，体验探究科学的艰辛及伟大意义．知识点一波的反射1．．波面和波线(1)波面：从波源发出的波，经过相同传播时间到达的各点所组成的面，称为波阵面或波面，如图所示．波面和波线(2)波线：用来表示波的传播方向的线．波线与各个波面总是垂直的．2．．波的分类(1)球面波：波面是球面的波．如空气中的声波．(2)平面波：波面是平面的波．如水波．3．．波的反射(1)反射现象：波从一种介质传播到另一种介质表面时，返回原来介质传播的现象．(2)反射定律：反射波线、入射波线和法线在同一平面内，反射波线和入射波线分别位于法线的两侧，反射角等于入射角．波在均匀介质中传播时，波面的形状不变，波线保持为直线．1：：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“某”)(1)只有平面波的波面才与波线垂直．(某)(2)任何波的波线与波面都相互垂直．(√)(3)反射波的频率、波速与入射波相同．(√)知识点二波的折射与惠更斯原理1．．波的折射(1)折射现象：波在传播过程中，由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生偏折的现象．(2)折射定律：iniinr＝v1v2，，中式中v1和和v2分别是波在介质Ⅰ和介质Ⅱ．中的波速．2．．惠更斯原理(1)内容：介质中波面上的每一个点，都可以看成一个新的波源，这些新波源发出子波，经过一定时间后，这些子波的包络面就构成下一时刻的波面．(2)包络面：某时刻与所有子波波面相切的曲面．(3)无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等，即与波源的振动频率相同．子波的波速与频率跟初级波的波速与频率有怎样的关系？提示：都相等．2：：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“某”)(1)折射波的频率、波速与入射波相同．(某)(2)据据v＝λf知，波长λ与波速和频率有关．(√)考点1惠更斯原理波面一定是平面吗？根据如图思考波线与波面的关系是怎样的．提示：波面不一定是平面．波线与波面互相垂直，一定条件下由波面可确定波线，由波线可确定波面．1．．对波线与波面的理解(1)波面不一定是面，如水波，它只能在水面传播，水波的波面是以波源为圆心的一簇圆．(2)波线是有方向的一簇线，它的方向代表了波的传播方向．(3)波线与波面互相垂直，一定条件下由波面可确定波线，由波线可确定波面．2．．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．3．．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退波的存在，而倒退波显然是不存在的．例【典例1】(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，道只要知道t时刻波面的位置和波速，定就可确定t＋Δt时刻波面的位置BCD[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，就可确定另一时刻波面的位置，D正确．]利用惠更斯原理解释波的传播的一般步骤(1)确定一列波某时刻一个波面的位置．(2)在波面上取两点或多个点作为子波的波源．(3)选一段时间Δt．．(4)根据波速确定Δt时间后子波波面的位置．(5)确定子波在波前进方向上的包络面，即为新的波面．(6)由由新的波面可确定波线及其方向．[跟进训练]1．(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一定不同C．．球面波的波面是以波源为中心的一个个球面D．．无论怎样的波，波线始终和波面垂直ACD[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振动情况可能相同，如相位相差2π整数倍的质点的振动情况相故同，故A对，B错；由波面和波线的概念，不难判定C、D对．故正确答案为A、、C、D．]考点2波的反射如图所示，一场大雪过后，人们会感到外面万籁俱静．这是怎么回事？难道是人的活动减少了吗？提示：刚下过的雪是新鲜蓬松的，它的表面层有许多小气孔．当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射．由于气孔往往是内部大而口径小．所以，仅有少部分波的能量能通过口径反射回来，而大部分的能量则被吸收掉了．所以不是人的活动减少了．1．．对波的反射的理解(1)波发生反射时波的传播方向发生了变化．(2)反射波和入射波在同一介质中传播，介质决定波速，因此波速不变，波的频率是由波源决定的，因此波的频率也不改变，式根据公式λ＝vf，可知波长也不改变．2．．波的反射现象的应用(1)回声测距：①当声源不动时，声波遇到了障碍物会返回来继续传播，反射波与入射波在同一介质中传播速度相同，因此，入射波和反射波在传播距离一样的情况下，用的时间相等，间设经时间t听到回声，为则声源距障碍物的距离为＝v声t2．②度当声源以速度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，为声源发声时障碍物到声源的距离为＝(v声＋＋v)t2．③度当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离声源时，声源离发声时障碍物到声源的距离＝(v声－－v)t2．(2)超声波定位：蝙蝠能发出超声波，超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来，蝙蝠就根据接收到的反射回来的超声波来确定障碍物或食物位置，从而确定飞行方向．另外海豚、雷达也是利用波的反射来定位或测速的．例【典例2】】以有一辆汽车以15m/的速度匀速行驶，在其正前有一陡峭山崖，笛汽车鸣笛2后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离多远？(v声＝＝340m/)[解析]若汽车静止，问题就简单了．现在汽车运动，声音传播，如图所示为汽车与声波的运动过程示意图．由设汽车由A到到C路程为1，C点到山崖B距离为；声波由A到到B再反射到到C路程为2为，因汽车与声波运动时间同为t，则有2＝1＋＋2，，即即v声t＝v汽t＋2以所以＝v声－v汽t2＝340－15某22m＝325m．．[答案]325m[跟进训练]2．．差人耳只能区分相差0.1以上的两个声音，人要听到自己讲话的回声，人离障碍物的距离至少要大于多少米？(已知声音在空气中的传播速度为340m/)[解析]从人讲话到声音传到人取耳的时间取0.1时，人与障碍物间的距离时最小．单程考虑，声音从人传到障碍物或从障碍物传到人耳时t＝0.12＝0.05，，离故人离障碍物的最小距离＝vt＝340某0.05m＝17m．．[答案]17m考点3波的折射如图所示，骆驼队白天在沙漠中行走时，队伍后面的喊声，队伍前面往往听不到，而夜晚就不同，听的比较清楚，这是什么原因？提示：白天近地面的气温较高，声速较大，声速随离地面高度的增加而减小导致声音传播方向向上弯曲；夜晚地面温度较低，声速随离地面高度的增加而增加，声波的传播方向向下弯曲，这也是在夜晚声波传播地比较远的原因．1．．波的反射、折射现象中各量的变化(1)波向前传播在两种介质的界面上会同时发生反射现象和折射现象，一些相关物理量变化如下：波现象比较项波的反射波的折射传播方向改变i＝i′改变r≠i率频率f不变不变速波速v不变改变长波长λ不变改变(2)说明：①率频率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等于入射波的频率．②速波速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；折射波与入射波在不同介质中传播，波速变化．③据根据v＝λf，波长λ与与v及及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，故故λ不同．2．．对折射定律的理解(1)表达式：iniinr＝v1v2．(2)理解①折射的原因：波在两种介质中的传播速度不同．②由于波在一种介质中的波速是一定的，，所以v1v2是一个只与两种介质的性质有关，与入射角、折射角均无关的常数，叫作第二种介质相对第一种介质的折射率，以所以n21＝v1v2．③当当v1>v2时，，i>r，，折当射波的波线靠近法线；当v1<v2时，，i<r，，折射波的波线远离法线．当垂直于界面入射(i＝0°)时时，，r＝0°，，传播方向不变．例【典例3】】如图所示，以某列波以60°的入射角由甲介质射到乙介质的界面上同时发生反射和折射，为若反射波的波线与折射波的波线的夹角为90°，，此波在为乙介质中的波速为1.2某105km/．．(1)该波的折射角为多大？(2)该波在甲介质中的传播速度为多少？(3)该波在两种介质中的波长比为多少？[思路点拨]解答本题时应注意以下几点：(1)由几何关系求折射角；(2)由折射定律求波速；(3)由由v＝λf及波在两种介质中频率相同求波长之比．[解析](1)由反射定律可得反射角为60°，由题图的几何关系可得折射角为r＝30°．．(2)由波的折射定律得v甲v乙＝iniinr以，所以v甲＝iniinr·v乙＝in60°in30°·v2＝3212某某1.2某105km/＝2.08某105km/．．(3)因波长λ＝vf，又因为波在两种介质中的频率相同，则λ甲λ乙＝v甲v乙＝iniinr＝＝3．．[答案](1)30°(2)2.08某105km/(3)3处理波的折射问题的三点技巧(1)弄清折射现象发生的条件：当波从一种介质斜射入另一种介质时，波才发生折射现象．(当波垂直入射时不发生折射现象)(3)计算时，注意公式“iniinr＝v1v2”合中角度与速度的对应；另外，可结合v＝λf及频率不变的特点，将公式转化为波长与角度的关系iniinr＝λ1λ2解决有关波长的问题．[跟进训练]3．．中图中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则则()A．2与与1的波长、频率相等，波速不等B．2与与1的波速、频率相等，波长不等C．3与与1的波速、频率、波长均相等D．3与与1的频率相等，波速、波长均不等D[波波1、2都在介质a中传播，故1、2的频率、波速、波长均相等，A、、B错；波1、3是在两种不同介质中传播，波速不同，但波源没变，因而频率相等，由λ＝vf故得波长不同，故C错，D对．]1．(多选)以下关于波的认识，正确的是()A．．潜水艇利用声呐探测周围物体的分布情况，用的是波的反射原理B．．隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊吸波材料，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的C．．雷达的工作原理是利用波的直线传播D．．水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象，是波的折射现象ABD[本题考查波的反射、折射现象在实际问题中的应用．声呐、雷达都是利用接收反射波来进行定位，A正确，C错误；D选项中水波的传播方向发生，改变属于波的折射现象，D正确；隐形飞机是通过减少波的反射达到隐形的目的，B正确．]2．(多选)下列说法正确的是()A．．任何波的波线都表示波的传播方向B．．波面表示波的传播方向C．．只有横波才有波面D．．波传播中某时刻任一波面上各子波波面的包络面就是新的波面AD[波线表示波的传播方向，故A选项正确，B选项错误；所有的波都具故有波面，故C选项错误；由惠更斯原理故可知，故D选项正确．] 3．．甲、、乙两人平行站在一堵又高又宽的墙前面，，距二人相距2a，，为距墙均为3a，，当甲开了一枪后，在乙在t时间后听到第一声枪响，则乙听到第二声枪响的时间为()A．．枪甲开枪t后B．甲开枪2t后后C．．枪甲开枪3t后D．甲开枪4t后后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故中，故t＝2av①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′＝AC＋BCv＝4av②由①②得：t′＝2t，故B对．]4．(新情境题，以“超声波”为背景，考查波的反射)医用B超仪发出的超为声波频率为7.25某104Hz，，为这种超声波在人体内传播的...。