课时12.4波的衍射和干涉1.通过观察水波的衍射现象,认识衍射现象的特征。
知道衍射现象是波特有的现象,知道什么是波的衍射现象和发生明显衍射现象的条件。
2.了解波的叠加原理。
通过实验认识波的干涉现象和波的干涉图样。
3.知道干涉现象是波所特有的现象。
知道波发生干涉现象的必要条件。
重点难点:波的衍射的定义及发生明显衍射现象的条件;波的叠加原理、波的干涉现象、产生干涉的条件及有关计算。
教学建议:衍射和干涉是波特有的现象,也是学生后面学习光的衍射的基础。
对于波的衍射,教学的关键仍在于实验的演示、观察和对实验现象的分析。
为了有助于对实验现象的分析和研究,可以在观察真实现象的同时,利用课件进行模拟,以便于使学生对衍射留下更加清晰的印象。
在波的干涉学习中,从波叠加的一般原理到满足相干条件下的干涉现象,学生对“波是振动形式的传播”的理解得到加深,其中波的相干条件是学习的难点。
导入新课:泰山佛光是岱顶奇观之一。
每当云雾弥漫的清晨或傍晚,游人站在较高的山头上顺光而视,就可能看到缥缈的雾幕上,呈现出一个内蓝外红的彩色光环,这个光环将整个人影或头影映在里面,恰似佛像头上五彩斑斓的光环,故得名“佛光”或“宝光”。
你能解释这种现象吗?1.波的衍射(1)定义:波可以①绕过障碍物而继续传播的现象叫作波的衍射。
(2)发生明显衍射现象的条件:只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长②相差不多,或者比波长③更小时,才能发生明显的衍射现象。
(3)衍射是波特有的现象,故一切波均可发生衍射现象。
“闻其声而不见其人”是④声波的衍射。
2.波的叠加大量的事实和实验表明,几列波相遇时能保持各自的⑤运动特征继续传播,在它们重叠的区域里,介质中的质点同时参与这几列波的振动,质点的位移等于几列波单独传播时⑥引起的位移的矢量和,这就是波的叠加原理。
3.波的干涉(1)定义:频率相同的两列波叠加时,某些区域的⑦振幅增大,某些区域的⑧振幅减小,这种现象叫作波的干涉。
(2)产生干涉的两个必要条件:一是两列波的⑨频率必须相同;二是两个波源的⑩相位差必须保持不变。
(3)干涉图样的特点:在加强区两列波引起的振动总是相互加强的,振幅等于两列波的振幅之和;在减弱区两列波引起的振动总是相互减弱的,振幅等于两列波的振幅之差。
(4)干涉是波特有的现象,声波、电磁波等一切波都能发生干涉。
1.教材波的衍射的演示中图12.4-1中甲、乙哪个图象衍射现象更明显?解答:乙图象衍射现象更明显。
2.医院中探测仪器“B超”为什么用超声波而不用普通声波?解答:超声波的波长短,不易发生衍射,故波能反射回来并被接收。
3.波的干涉的示意图中振动加强的区域就是波峰或波谷吗?解答:振动加强的部分有波峰、波谷、平衡位置等,只是它们的振幅最大。
主题1:波的衍射问题:(1)“闻其声而不见其人”是不是说明声波能发生衍射,而光不能发生衍射呢?(2)做一做教材中关于衍射的“演示”实验,跟同学讨论一下,怎么才能让衍射现象更明显呢?解答:(1)光是一种电磁波,与声波一样都能发生衍射现象,只是光的波长太小,衍射现象很不明显。
(2)缝或障碍物的尺寸一定时,可增大波长来使衍射现象更明显;波长一定时,可减小缝或障碍物的尺寸来使衍射现象更明显。
知识链接:衍射现象总是存在的,只是有明显和不明显的差异。
主题2:波的叠加情景:做一做课本“演示”中波的叠加的实验,在一根水平绳两端分别同时抖动一下,形成一大一小两个相向运动的波形。
问题:(1)这两个波形在绳上传播的速率是否相等?你怎么确定的?(2)说说这两个波形相遇时和相遇后的情况。
(3)说说生活中你看到或认识到的其他波相遇的情况。
(4)两列波叠加时,质点的总位移是不是一定变大?解答:(1)相等;两端同时抖动,看看两个波形是不是在绳子的中点相遇。
(2)两个波形相遇时,波形发生叠加,形成一个更高的波,此后又各自继续向前传播。
(3)生活中的水波、声波、光波相遇后都各自继续向前传播。
(4)不一定。
总位移是两个位移的矢量和,所以叠加区域的质点的位移可能增大,也可能减小。
两列同相波叠加,振动加强,振幅增大(如图甲所示);两列反相波叠加,振动减弱,振幅减小(如图乙所示)。
知识链接:波的叠加不需要条件,在两列波叠加时,质点的位移是每列波单独传播时引起的位移的矢量和。
主题3:波的干涉情景:做一做课本“演示”中水波干涉的实验,并仔细观察课本中“波的干涉示意图”,回答下列问题。
问题:(1)你认为决定这个演示实验成功的关键因素是什么?(2)观察到的实验现象是怎样的?(3)为了让波的干涉实验效果更明显一些,实验中形成的两列波最好还具备哪一个相同的物理量?(4)如图所示,音叉由两个完全相同的叉股组成,当我们用音锤敲一个叉股时,两个叉股都会振动,并发出声音。
请拿一个音叉敲一下后在耳旁缓慢转动,仔细听听声音的变化,说说听到的情况并做出解释。
解答:(1)两个波源固定在同一个振动片上,能够形成两列频率和振动方向都相同的水波。
(2)水面上出现了一条条相对平静的区域和振动激烈的区域,这两个区域在水面上的位置是稳定不变的,即形成波的干涉图样。
(3)为了让波的干涉实验效果更明显一些,两列波最好还具备相同的振幅。
(4)音叉敲一下后在耳旁缓慢转动,会听到忽强忽弱的声音,这是声音的干涉现象。
两个完全相同的叉股发出的声音频率相同,音叉转动相当于人围绕音叉转,耳朵的位置时而处在振动加强的区域,时而处在振动减弱的区域。
知识链接:若两波源振动步调相同,某点到两波源的距离差为半波长的奇数倍时振动减弱,为半波长的偶数倍时振动加强。
1.(考查产生明显衍射现象的条件)以下关于波的衍射的说法中正确的是()。
A.波遇到障碍物时,一定会发生明显的衍射现象B.当障碍物的尺寸比波长大得多时,衍射现象很明显C.当孔的大小比波长小时,衍射现象很明显D.只有当障碍物的尺寸与波长相差不多时,才会发生明显的衍射现象【解析】凡是波都能发生衍射现象,不过有时衍射现象明显,有时衍射现象不明显。
只有当缝、孔或障碍物的尺寸跟波长相差不多或比波长更小时,才能发生明显的衍射现象。
【答案】C【点评】任何波都存在衍射现象,只是有明显和不明显的差异,缝或障碍物的尺寸与波长差不多或比波长小时,能发生明显的衍射现象。
2.(考查波的干涉现象)下列现象属于波的干涉现象的是()。
A.面对障碍物大喊一声,过一会听见自己的声音B.将一个音叉敲响,人围绕它走一周,将听到忽强忽弱的声音C.在障碍物的后面可以听到前面的人说话的声音D.一人敲一下长钢管的一端,另一人紧贴长钢管的另一端,先后听到两次声音【解析】A为声波的反射现象,B为声波的干涉现象,C为声波的衍射现象,D 是因为声波通过空气和钢管传播的速度不一样造成的,所以选项B正确。
【答案】B【点评】干涉现象是振动加强与振动减弱的区域互相间隔且分布稳定的现象。
3.(考查波的干涉特征)两列波相叠加产生了稳定的干涉现象,得到了干涉图样,以下关于干涉的说法中不正确．．．的是()。
A.两列波的频率一定相等B.振动加强区与振动减弱区总是相互间隔的C.振动加强区与振动减弱区交替变化D.振动加强区在空间的位置一直不变【解析】发生干涉现象时,振动加强和振动减弱的区域是稳定的,加强的区域总是加强,减弱的区域总是减弱,故C选项说法是不正确的。
【答案】C【点评】波的干涉现象中,振动加强区与振动减弱区的分布是稳定的。
4.(考查干涉图样)两个相干波源发出的两列波分别用不同的同心圆表示,其波峰用实线表示,波谷用虚线表示。
某一时刻两列波在空间传播的情况如图所示,在两列波相遇的空间中有M、N、Q、K四点,则振动加强的点是,振动减弱的点是。
【解析】当波峰和波峰叠加或波谷和波谷叠加时,振动加强。
当波峰和波谷叠加时,振动减弱。
在图中M点为波峰和波峰叠加,振动加强,N、Q点为波谷和波谷叠加,振动加强,K点是波峰和波谷叠加,振动减弱。
【答案】M、N、Q K【点评】对于两相干波源,当波峰和波峰相遇或波谷和波谷相遇时,说明该点处于加强区;当波峰和波谷相遇时,说明该点处于减弱区。
拓展一:发生明显衍射现象的条件1.图示是观察水波衍射的实验装置,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()。
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【分析】观察题中所绘的图,AB宽度与水波波长相差不多,能产生明显的衍射现象。
在同一介质中,频率不变,波长也不变。
【解析】从图中可以看出,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λ=可知波长λ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可能被破坏,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选项不正确。
【答案】ABC【点拨】衍射是波特有的现象,一切波都会产生衍射现象,衍射现象总是存在的,只有明显与不明显的差异,障碍物或孔的尺寸大小并不是决定衍射能否发生的条件,仅是衍射现象能否明显表现的条件。
拓展二:对干涉图样的认识2.如图所示,S1、S2是两个相干波源,它们振动同步且振幅相同。
实线和虚线分别表示在某一时刻它们所发出的波的波峰和波谷。
关于图中所标的a、b、c、d四质点,下列说法中正确的是()。
A.该时刻a质点振动最弱,b、c质点振动加强,d质点振动既不是最强也不是最弱B.该时刻a质点振动最弱,b、c、d质点振动都最强C.a质点的振动始终是最弱的, b、c、d质点的振动始终是最强的D.再过时间,a、b、c三个质点都将处于各自的平衡位置,因此振动最弱【分析】本题考查对波的干涉图样的认识。
振动加强点始终振动加强,振动减弱点始终振动减弱,而且振动加强点与振动减弱点互相间隔,还要注意振动加强或减弱是指振幅的变化而不是位移。
【解析】该时刻a质点振动最弱,b、c质点振动最强,这不难理解。
但是d 既不是波峰和波峰叠加,也不是波谷和波谷叠加,如何判定其振动强弱?这就要用到“到两波源的路程之差是波长的整数倍”时振动加强的结论,从图中可以看出,d是S1、S2连线的中垂线上的一点,到S1、S2的距离相等,所以必然为振动加强点。
【答案】BC【点拨】描述振动强弱的物理量是振幅,而振幅不是位移。
每个质点在振动过程中的位移是在不断改变的,但振幅是保持不变的,所以振动最强的点无论处于波峰还是波谷,振动始终是最强的;同理,振动最弱的点始终是最弱的。