1、第2章,机械波,第3讲 波的干涉和衍射 多普勒效应及其应用,目标定位 1.理解波的叠加原理，知道波的干涉是波叠加的结果. 2.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. 3.知道什么是波的衍射现象和发生明显衍射现象的条件. 4.会用波的衍射、干涉现象解释相关问题. 5.了解多普勒效应，能用多普勒效应解释一些物理现象,栏目索引 CONTENTS PAGE,一、波的干涉现象,1波的叠加原理：波在相遇时仍然能够保持 的运动状态继续传播，在相遇的区域里，介质内部的质点同时参加相遇的波列的振动，质点的位移等于相遇波列单独存在时到达该处引起的位移的 ，相遇的波一
2、旦脱离接触又会按照原来的运动形状传播,各自,叠加,2波的干涉： (1)定义：振动频率和振动方向 的两列波叠加后，振动加强和振动减弱的区域 、稳定分布的现象，叫做波的干涉，形成的图样叫做 (2)产生干涉的条件：只有 和 相同的波才可能互相干涉 (3)干涉现象是波的重要特征之一,相同,互相间隔,干涉图样,频率,振动方向,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
3、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,二、波的衍射现象,1定义：波绕过 或通过孔隙继续传播的现象 2发生明显衍射现象的条件：障碍物或狭缝的尺寸跟波长相差 时 3 都能发生衍射现象，衍射是波 的现象,障碍物,不多,一切波,特有,三、多普勒效应及其应用,1多普勒效应：由于波源和观察者之间有 而使观察者接收到的频率发生变化的现象 2成因 (1)当声源和观察者相对介质都不动(即二者没有相对运动)时，观察者接收到的声音频率 声源的频率 (2)当观察者靠近声源时，观察者在1 s内接收到完全波
4、的个数就会 ，也就是接收到的声音频率 ，听到的音调变 .,高,相对运动,等于,增多,增大,(3)当观察者远离声源时，在单位时间里接收到完全波的个数就会 ，也就是接收到的声音频率 ，听到的声音音调变 .,低,减少,减小,3多普勒效应是波共有的特征 4应用： (1)多普勒 仪； (2)彩色超声多普勒 仪； (3)跟踪目的物,测速,心动图,想一想 当汽车远离观察者时，听到的汽车的声音越来越小，这种现象就是多普勒效应吗？ 答案 不是多普勒效应指的是接收到的频率的变化情况，即音调的变化情况；而声音大小指的是响度,一、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
5、样的产生是有条件的，必须是两列波的频率相同、振动方向相同 3干涉图样及其特点 (1)干涉图样：如图1所示,图1,(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，AA1A2. (2)减弱点：振动的振幅等于两列波振幅之差，A|A1A2|.,(3)加强点和减弱点的判断： 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1 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
6、处质点的振幅为|A1A2| B波峰与波峰相遇处质点离开平衡位置的位移始终为A1A2 C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|A1A2|，选项A正确； 波峰与波峰相遇处，质点的振幅最大，合振幅为A1A2，但此处质点仍处于振动状态中，其位移随时间按正弦(或余弦)规律变化，选项B错误；,振动减弱点和加强点的位移随时间按正弦(或余弦)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，选项D正确 答案 AD,针对训
7、练 两列频率、振动方向、初相位均相同的波S1、S2，在同一介质中传播时，某时刻t形成如图2所示的干涉图样(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2,解析 由图可知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、B C,二、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”是发生明显衍射的条件 3波传到小孔(或障碍物)时，小孔(或障碍物)仿佛一个新波源，由它
8、发出与原来同频率的波在孔(或障碍物)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2 如图3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3,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；
9、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选项是正确的；,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选项不正确 答案 ABC,三、对多普勒效应的理解,1多普勒效应是波共有的特征，不仅机械波，光波和电磁波也都会发生多普勒效应 2发生多普勒效应时，波源发出的频率不变，变化的是观察者接收到的频率 3(1)当波源与观察者相互接近时，f观察者变大，音调变高如图4甲中波源S不动，观察者A向B运动和图乙中观察者A不动，波源由S1向S2运动；,(
10、2)当波源与观察者相互远离时，f观察者变小，音调变低，如图甲中波源S不动，观察者A向C运动,图4,例3 下面说法中正确的是( ) A发生多普勒效应时，波源的频率变化了 B发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发生了变化 C多普勒效应是在波源与观察者之间有相对运动时产生的 D多普勒效应是由奥地利物理学家多普勒首先发现的,解析 当波源与观察者之间有相对运动时会发生多普勒效应，故选项C正确； 发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发生了变化，而波源的频率并没有改变，故选项A错误，选项B正确； 此现象是奥地利物理学家多普勒首先发现的，故选项D正确 答案 BCD,借题发挥 判断观察者接收的频率是怎么样变化的
11、，就是看波源与观察者间的相对运动情况,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5 Hz，水波在水槽中的传播速度为0.05 m/s，为观察到明显的衍射现象，小孔直径d应为( ) A10 cm B5 cm Cd1 cm Dd1 cm,波的衍射,答案 D,波的叠加,2如图5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5,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
12、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6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，虚线表示该时刻的波谷，下列说法正确的是( ),图6,Aa、c两点的振动加强，b、d两点的振动减弱 Be、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
13、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,多普勒效应,4如图7所示产生机械波的波源O做匀速运动的情况，图中的圆表示波峰 (1)该图表示的是( ) A干涉现象 B衍射现象 C反射现象 D多普勒效应,图7,(2)波源正在向哪处移动( ) AA BB CC DD (3)观察到波的频率最低的位置是( ) AA BB CC DD,解析 题图表示的是多普勒效应，波源的左边波长较小，说明波源正向左运动，因此A处的观察者接受到的频率最高，B处的观察者接受到的频率最低 答案 (1)D (2)A (3)B,
