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1、高二物理高二物理波的干涉波的干涉 多普勒效应多普勒效应 次声波和超声波次声波和超声波人教版人教版 同步教育信息 一 本周教学内容 第五节 波的干涉 第六节 多普勒效应 第七节 次声波和超声波 二 知识要点 知道波的叠加原理 知道什么是波的干涉现象和干涉图样 知道干涉是波特有 的现象 知道波源的频率与观察者接收到的频率的区别 知道什么是多普勒效应 知道 它是在波源与观察者之间有相对运动时产生的现象 了解多普勒效应的应用 知道次声波和超声波的频率范围 了解次声波和超声波的特点及其应用 三 重点难点解析 1 波的叠加原理 1 波的独立传播特性 几列波相遇时 每一列波都能保持各自的状态继续 沿原来的传
2、播方向向前传播 彼此之间互不影响 好像没有遇到其它波一样 2 波的叠加原理 在几列波重叠的区域里 介质中的每一个质点同时参与 几列波引起的振动 质点的位移等于这几列波单独存在时所引起的振动位移的矢量 和 当两列波在同一介质中传播时 介质中的每一个质点都要同时参与两个分运动 在任一时刻 第一列波使某质点 a 振动的位移是 1 x 第二列波同时使质点 a 振动产 生的位移是 2 x 则质点 a 的位移就是 1 x 与 2 x的矢量和 如果 1 x 2 x方向相同 则 质点振动位移就是 1 x 与 2 x的和 如果 1 x 2 x方向相反 则质点振动位移的大小是 1 x 与 2 x之差 方向与较大的
3、方向相同 下列两图为两列波相遇示意图 虚线为每 列波使质点振动的波形 实线为合成后的波形 x1 x2 x2 x1 波的叠加原理是波动基本原理 对一切波都适用 2 波的干涉 频率相同的两列波叠加 使某些区域振动加强 某些区域的振动减弱 而且振动 加强区域和减弱区域相互隔开 这种现象叫做波的干涉 所形成的图样叫干涉图样 干涉的本质是波在大范围内叠加的结果 能产生干涉的两列波叫相干波 其波源叫相干波源 产生干涉的条件 两列波的频率相同 振动方向相同 在水面上的 S1S2两点有波源 产生频率相同的波 两个波源产生的波沿水平面 向外传播 实线代表波峰 虚线代表波谷 两个波在相遇处 在某时刻 a 点两列
4、波峰相遇点 经半个周期就变成波谷相遇点 波峰与波峰相遇 质点位移最大 等 于两列波振幅之和 波谷和波谷相遇点质点位移也最大 等于两列波振幅之和 在 这一点 两列波引起的振动始终是加强的 质点的最激烈振动的振幅等于两列波的 振幅之和 S1 S2 a b 在某一时刻 b 点是两波的波峰与波谷相遇 经半个周期变为波谷与波峰相遇 点 在这一点两列波引起的振动始终是减弱的 质点振动的振幅等于两列波的振幅 之差 如果两列波的振幅相等 质点的振幅等于零 图中实线相交点 虚线相交点为振动加强中心点 这些加强中心点在一条曲线 上 实线 虚线交点为振动减弱中心点 这样的点在一条曲线上 振动加强线与振 动减弱线相间
5、隔 可见频率相同的两列波叠加 使某些区域的振动加强 总是加强 某些区域减 弱总是减弱的 在水面上能见到稳定的 图案叫干涉图样 若两列波的频率不等 某一点在某时刻为振动加强 下一时刻就不再是振动加 强 因而不能形成稳定的加强区域和振动减弱区域 两列波相遇点的运动仍是振动 某时刻位移最大 也有时刻位移为零 3 干涉加强与减弱的判断 由波的传播图可以直接判断某点振动是加强还是减弱 也可由质点到两波源距 离的关系判断 当两波源的振动相同时 介质中的质点到波源距离差值为波长的整数倍 质点 振动为加强点 公式表示为 nr 0 n 1 2 若质点到波源的距离之差为半波长的奇数倍则质点振动为减弱点 2 12
6、nr 0 n 1 2 当两波源振动步调相反时 2 12 nr为加强点 当两波源振动步调相反时 nr 为减弱点 4 多普勒效应 由于波源和观察者之间有相对运动 使观察者接收到的频率发生变化的现象 叫做多普勒效应 多普勒效应的成因 波源与接收者之间有相向运动接收到的频率增大 观察者 与波源相背离运动 接收到的频率减小 利用多普勒效应 观察运动物体 5 声波及分类及应用 声波是指人耳能接收的声波频率范围是 20Hz 20000Hz 频率大于 20000Hz 叫超声波 低于 20Hz 叫次声波 超声波有很重要的特征 它的频率高 波长短 衍射现象不明显 基本沿直线 传播 在导体中传播比电波远得多 超声波
7、穿透能力强 在液体中能使液体雾化 应用这些特性可以做成声纳在水中找寻目标 医学上利用超声波进行定位和成像 确定组织病变 利用超声波聚焦杀死恶性肿瘤细胞 次声波在水中能传播很远的距离做成声纳进行水下探查和定位 是其它方法不 能替代的 典型例题 例 1 如图所示 橡皮绳上甲波峰向右传播 乙波峰向左传播 若它们的振幅和 波长都相同 则它们相遇时互相叠加 此时图中的 M 是 N x y 等质点的振动方向 是 A M 向上 N 向下B M 向下 N 向上 C x y 均静止D x y 均向上 解析 橡皮绳上甲 乙两个半波在传播中保持波形不变 一直向前平移 在相 遇处叠加 质点振动由两列波单独存在的合运动
8、来决定 甲波传到 C 图位置 M 点 是向下运动 乙波传到 C 图位置 M 点也是向下运动 合运动方向是向下的 同理 N 点是向上的 B 选项正确 由于 x 点在波峰 波谷左侧 与 M 点运动方向相同 y 与 N 点运动方向相同 A C D 都是错误的 点评 找叠加的振动方向关键是找准每列波使质点振动方向 例 2 如图中 S1和 S2是两个相干波源 由它们发出的波相互叠加 实线表示波峰 虚线表示波谷 则对 a b c 三处质点的振动情况 下列判断中正确的是 A b 处的振动永远互相减弱 B a 处永远是波峰与波峰相遇 C b 处在这时刻是波谷与波谷相遇 D c 处的振动永远相互减弱 S1 S2
9、 a b c 分析解答 从图中可以看出 b 处此刻是波谷和波谷相遇 位移为负的最大值 振动是加强的 故选项 A 错误 选项 C 正确 a 处此刻是波峰与波峰相遇 但过半个周期后会变成波谷与波谷相遇 虽然始 终是振动加强的点 但并非永远是波峰与波峰相遇的点 因此选项 B 是错误的 c 处此刻是波峰与波谷相遇 过半个周期后是波谷与波峰相遇 它们的振动永 远互相减弱 选项 D 是正确的 综上所述 该题的正确答案是选项 C D 解后反思 波动的过程是动态的过程 在某一时刻 介质中某个点可能是波峰 而在一段时间后 它可能成为波谷 振动加强的点并不总是波峰或波谷 还有可能 在某一时刻位移为零 而振动减弱的
10、点有可能位移总是零 例 3 如图所示 MN 表示足够长的直线湖岸 S1 S2表示湖面上相距 3m 的两个完 全相同的水波波源 激起的水波波长为 2m S1 S2的连线垂直于湖岸 S2距湖岸 5m 则湖岸处水面总保持平静的地方共有 A 3 处B 5 处C 15 处D 无数处 S1 S2 M N O 分析解答 所谓 平静 是指两个波源在该点的振动叠加后互相抵消 由于两 个波源是完全相同的 因此在波峰与波谷相遇的地方就是所求的 平静的地方 这些点到两个波源的距离之差应等于半波长的奇数倍 连接 S1 S2并延长交 MN 于 O 点 O 点到两个波源 S1 S2的距离之差为 3m 等于半波长的 3 倍
11、符合振动相消 的条件 因此 O 点是振动最弱的点 在 ON 之间任取一点 P 连接 S1P S2P 构成一个三角形 S1S2P 根据三角形任意 两边之差小于第三边的关系 知mSSPSPSr3 2121 因m2 当 2 12 nr n 0 1 2 振动减弱 312 n 1 n n 只能取 0 即在 ON 之间 只有一个点保持平静 由对称性可知 在 OM 之间 也只有一个点保持平静 综上所述 湖岸处保持平静的地方共有 3 处 A 选项正确 点评 确定干涉区域中振动加强点 减弱点的一般方法是 先确定两波源到该点的距离之差r 的取值范围 再由振动加强与减弱时r 与 波长 的关系 确定 n 的取值范围
12、最后求出定数 n 的值 加强 减弱点的位置和 个数 例 4 图示一产生机械波的波源 O 做匀速运动情况 图中的圆表示波峰 由图可 知波源的运动方向是 观察者在 ABCD 四处 接收到的波频率最低的位置是 B A C D 答案 向右 D 点 例 5 利用超声波遇到物体发生反射 可测定物体运动的有关参量 如图所示仪 器 A 和 B 通过电缆线连接 B 为超声波发射与接受一体化装置 而仪器 A 为 B 提 供超声波信号源 且能将 B 接收到的超声波信号进行处理并能在屏幕上显示波形 现固定装置 B 并将它对准匀速行驶的小车 C 使其每隔固定时间 T0发射一短促的 超声波脉冲 如图乙中幅度大的波形 而
13、B 接收到的由小车 C 反射回的超声波经 仪器 A 处理后显示如图乙中幅度较小的波形 反射波滞后的时间已在图乙中标出 T0和T 为已知量 另外还知道在此条件下声速为 0 v 根据所给条件判断小车运动 方向 速度大小 解析 由于超声波在空气中的 0 v传播 由图可知 B 接收器接收到的反射波的 时间间隔依次延长了T 说明车离 B 越来越远 小车向右运动 设小车运动速度为 v 延迟时间T 超声波后一脉冲比相邻的前一个脉冲多 传播一段距离TvS 0 第一个超声脉冲传到小车 C 处所用时间 2 1 T t 第二个超声脉冲较第一个超声脉冲发射时间推迟了 T0 发射后传至小车 C 所用 时间为 2 2 T
14、T t 故两次相邻脉冲到达小车 C 的时间 对任意相邻脉冲都一致 为 2 0120 T TttTt 小车 C 在t 时间内前进的路程为tvS SS 2 0 0 2 v TT T v 点评 此题解析关键是找到SS 2 模拟试题 1 有经验的战士可以从炮弹飞行时的尖叫声判断炮弹的飞行方向 他所利用的 应是 A 声波的干涉现象B 声波的衍射现象 C 声波的多普勒效应D 声波的反射现象 2 关于次声波和超声波的定义 下列说法中正确的是 A 频率低于 20Hz 的声波为次声波 B 频率高于 20Hz 的声波为次声波 C 频率低于 20000Hz 的声波为超声波 D 频率高于 20000Hz 的声波为超声
15、波 3 我国古代的 庄子 杂编 徐无鬼 讲到了调瑟 一种乐器 时发生的现象 为之调瑟 废于一堂 废于一室 鼓宫宫动 鼓角角动 音律同矣 这段话反 映了声音的 A 干涉现象B 衍射现象 C 共鸣现象D 多次反射 4 两列波相叠加出现稳定的干涉图样 由此可知 A 两列波的频率一定相等 B 介质中振动加强的区域和振动减弱的区域总是互相间隔的 C 振动加强的区域始终加强 振动减弱的区域始终减弱 D 振动加强的区域与减弱的区域不断交替变化 5 如图所示 在同一均匀介质中有 S1和 S2两个振动情况完全相同的波源 现将 S1 S2连线分成四等分 若每一等分恰好等于半个波长 则图中各等分点 P Q R 中
16、A Q 点总处于波谷B P R 两点总处于波峰 C Q 点的振动始终是加强D P Q R 三点处振动总是加强 S1S2 PR Q 6 如图所示 沿一条直线相向传播的两列横波的振幅和波长均相等 当它们相 遇时 下图中可能出现的波形为 v v v v A B C D 7 如图所示 沿 x 轴正方向传播的一列简谐波在某时刻的波形图为一正弦曲线 其波速为 200m s 则可推出 A 图中质点 b 的加速度正在增大 B 从图示时刻开始 经过 0 01s 质点 a 通过的路程为 4m 位移为零 C 若此波遇到另一波并发生稳定干涉现象 则该波所遇到的波的频率为 50Hz D 若发生明显衍射现象 该波所遇到的障碍物的尺寸一般不小于 20m O 1 35 y m c x m 2 2 a b 8 如图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 5m C 点是 BE 连线的中点 下列说法正确的是 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
