1、第3、4节波的干涉和衍射_多普勒效应及其应用1.两列波相遇会发生叠加，当两列波频率和振动方向相同时，会发生波的干涉。在干涉区域，振动加强的点总是加强的，振动减弱的点总是减弱的。2波的衍射是波绕过障碍物或通过孔隙继续向前传播的现象。当障碍物或小孔的尺寸跟波长差不多或比波长小时会发生明显的衍射。3干涉和衍射是波特有的现象，不仅机械波能发生衍射和干涉，电磁波也能发生衍射和干涉。4当波源与观察者互相靠近或互相远离时，接收到的波的频率发生变化的现象，这就是多普勒效应。波的干涉现象自读教材抓基础1波的叠加原理(1)波的独立传播特性：波在相遇时仍然能够保持各自的运动状态继续传播，相遇的波一旦脱离接触又会恢复
2、原来的运动状态继续传播。(2)波的叠加原理：波在相遇的区域里，介质内部的质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独存在时到达该处引起的位移的叠加(矢量和)。2波的干涉(1)定义：振动频率和振动方向相同的两列波叠加后，振动加强和振动减弱的区域互相间隔、稳定分布的现象。(2)干涉图样：波的干涉中所形成的图样，如图所示。(3)干涉条件：频率和振动方向相同的波。(4)一切波都能发生干涉，干涉是波特有的现象。跟随名师解疑难1干涉图样的特点(1)加强区和减弱区的位置固定不变。(2)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)。(3)加强区与减弱区互相间隔。2振动加强点和减弱
3、点的判断(1)从振幅判断：振幅为两列波的振幅之和的点为加强点，加强点连成的区域为加强区；振幅为两列波的振幅之差的点为减弱点，减弱点连成的区域为减弱区。(2)从条件上判断：振动方向始终相同的两波源产生的波叠加时，加强、减弱条件如下：设点到两波源的距离之差为r，那么当rk(k0,1,2，)时该点为加强点，当rk(k0,1，2，)时为减弱点，若两波源振动方向始终相反，则上述结论正好相反。(3)从现象上判断：若某时刻某点是波峰与波峰(或波谷与波谷)相遇，该点为振动加强点；若某时刻某点是波峰与波谷相遇，则该点为振动减弱点。特别提醒对“加强区”和“减弱区”的理解在波的干涉现象中，加强区是指该区域内质点的振
4、幅A最大；减弱区是指该区域内质点的振幅A最小。设两个相干波源单独引起的振幅分别为A1和A2，则在振动加强区中质点振动的振幅为A1A2，在振动减弱区中质点振动的振幅为|A1A2|。不论加强区还是减弱区中的质点，都仍在其平衡位置附近振动，它们的振动位移仍随时间发生周期性变化。因此，某一时刻，加强区中质点振动的位移可能小于减弱区中质点振动的位移。若A1A2，则减弱区中质点的振幅为零，不振动。学后自检(小试身手)1.多选波源在绳的左端发出半个波，频率为f1，振幅为A1；同时另一波源在绳右端发出半个波，频率为f2(f2f1)，振幅为A2，P为绳的中点，如图所示，下列说法正确的是()A两列波同时到达P点B
5、两列波相遇时P点波峰值可达到A1A2C两列波相遇再分开后，各自保持原波形传播D因频率不同，这两列波相遇不能叠加解析：选AC因两波源同时起振，形成的都是绳波，波速相同，因此两列波同时到达P点，选项A正确；因f2f1，故21，当的波峰传至P点时，的波峰已过了P点，即两波峰在P点不会相遇，根据波的叠加原理，P点的波峰值不会达到A1A2，选项B错误，选项C正确；因波的叠加没有条件，故选项D错误。波的衍射现象自读教材抓基础1定义：波绕过障碍物或通过孔隙继续传播的现象。2发生明显衍射的条件缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长差不多，或者比波长小。3一切波都能发生衍射，衍射是波的特有现象。跟随名师解疑难怎么理解
6、波发生明显衍射的条件？(1)衍射是波特有的现象，一切波都可以发生衍射。凡能发生衍射现象的就是波。(2)波的衍射总是存在的，只有“明显”与“不明显”的差异。波长较长的波容易发生明显的衍射现象。(3)波传到小孔(障碍物)时，小孔(障碍物)仿佛一个新波源，由它发出与原来同频率的波在孔(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。特别提醒(1)障碍物的尺寸的大小不是发生衍射的条件，而是发生明显衍射的条件，波长越大越易发生明显衍射现象。(2)当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射十分突出，但衍射波的能量很弱，也很难观察到波的衍射。学后自检(小试身手)2水波通过小孔，发生一
7、定程度的衍射，为使衍射现象更不明显，可以()A增大小孔尺寸，同时增大水波的频率B增大小孔尺寸，同时减小水波的频率C缩小小孔尺寸，同时增大水波的频率D缩小小孔尺寸，同时减小水波的频率解析：选A 发生明显衍射的条件：小孔的尺寸与水波波长相差不多，或比水波波长小，为使衍射现象不明显，则应增大小孔尺寸，同时减小水波的波长或增大水波的频率。多普勒效应及其应用自读教材抓基础1定义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。2产生的原因(1)波源与观察者相对静止时，单位时间内通过观察者的完全波的个数是一定的，观察者观测到的频率等于波源振动的频率。(2)波源与观察者相互靠近时，单位时间
8、内通过观察者的完全波的个数增加，观察者观测到的频率大于波源的频率，即观察到的频率变大。(3)波源与观察者相互远离时，观察到的频率变小。3应用(1)测量车辆速度；(2)测量天体运动情况；(3)检查病变；(4)跟踪目的物(如导弹、云层)等。跟随名师解疑难波源的频率和观察者接收到的频率的关系相对位置图示结论波源S和观察者A相对介质不动f波源f观察者，音调不变波源S不动，观察者A运动，由AB或AC若靠近波源，由AB，则f波源f观察者，音调变低观察者A不动，波源S运动，由SS2f波源f观察者，音调变高特别提醒发生多普勒效应是由于波源与观察者发生了相对运动，而不是波源的运动或观察者运动。学后自检(小试身手
9、)3多选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：选BCD当波源和观察者之间有相对运动时，会发生多普勒效应，但波源的频率并没有发生变化，C正确，A错误；多普勒效应的本质是观察者接收的频率不等于波源频率，它由奥地利物理学家多普勒首先发现，B、D正确。对波的干涉的考查典题例析例1如图所示为两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇时产生的干涉图样。图中实线表示某时刻的波峰，虚线表示波谷，下列说法正确的是()a、c两点的振动加强
10、，b、d两点的振动减弱e、f两点的振动介于加强点和减弱点之间经适当的时间后，加强点和减弱点的位置互换经半个周期后，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ABC D思路点拨(1)波的干涉图样所示的仅是某一时刻两列相干波叠加的情况，形成干涉图样的所有质点都在不停地振动着，其位移的大小和方向也在不停地变化着。(2)对于稳定的干涉，振动加强和减弱的区域的空间位置是不变的。解析a点是波谷和波谷相遇的点，c是波峰和波峰相遇的点，都是振动加强的点；而b、d两点是波峰和波谷相遇的点，都是振动减弱的点，正确；e点位于加强点的连线上，仍为加强点，f点位于减弱点的连线上，仍为减弱点，错误；相干波源叠
11、加产生的干涉是稳定的，不会随时间变化，错误；因形成干涉图样的质点都在不停地做周期性振动，经半个周期步调相反，正确，故应选C。答案 C探规寻律波的干涉中，振动的加强和减弱是指质点的振幅，不是指质点的位移，加强点的位移也做周期性变化。跟踪演练1如图所示是水平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，虚线为波谷。已知两列波的振幅均为2 cm，波速均为2 m/s，波长均为 8 cm，E点是B、D和A、C连线的交点，下列说法中正确的有()AA、C两质点是振动加强的点BB、D两质点在该时刻的竖直高度差是4 cmCE质点是振动减弱的点D经0.02 s，B质点通过的路程是8 cm解析：选D若某质
12、点是两波峰或两波谷相遇，则该点振动加强，且振幅为两列波各自引起的振幅之和；若为两列波的波峰与波谷相遇，则振动减弱。由题图可知，质点A、C振动减弱，B、D振动加强，故A错误。此时D处的位移sD2A4 cm，B处的位移sB2A4 cm，所以竖直高度差为8 cm，故B错误。E点在振动加强点的连线上，即E点为振动加强点，故C错误。由vf得f Hz25 Hz，因为这列波的频率也是质点B的振动频率，故质点B在t0.02 s内通过的路程为sB4Atf440.0225 cm8 cm，故D正确。对波发生明显衍射条件的考查典题例析例2多选如图所示为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
13、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。对于波经过孔后的传播情况，下列描述中正确的是()A能明显地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，波源频率增大，能更明显地观察到衍射现象思路点拨解答本题时应注意以下两个方面：(1)发生明显衍射的条件；(2)由图分析孔的大小和波长的关系。解析从题图中看出，水波波长跟小孔尺寸相差不大，此时能明显观察到波的衍射现象，如果孔AB扩大到比波长大得多，就不能产生明显的衍射现象，所以A、C均正确；波绕过障碍物后发生衍射现象时，波的特征并未发生改变，
14、即波的波长、频率和波速不改变，故B选项正确；当波的频率增大，波速不变时，波长变小，衍射现象就越不明显，故D选项错误。答案ABC探规寻律分析波是否能够产生明显衍射，一定要抓住波长与缝隙、孔或障碍物的尺寸关系。只有波长接近或大于缝隙、孔或障碍物的尺寸时，衍射现象才比较明显。跟踪演练2如图所示，点O是水面上一波源，实、虚线分别表示该时该的波峰、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上述答案均不对解析：选B由题图可以看出挡板A的尺寸比波长大得多，故衍射现象不明显，区没有水波；B孔与波长差不多，衍射现象明显，故区、区都有水波，图中空白区域
15、水波可直接传到，故B正确。对多普勒效应的考查典题例析例3公路巡警开车在高速公路上以100 km/h的恒定速度巡查，在同一车道上巡警车向前方的一辆轿车发出一个已知频率的超声波，结果该超声波被那辆轿车反射回来时，巡警车接收到的超声波频率比发出时低。(1)此现象属于()A波的衍射B波的干涉C多普勒效应 D波的反射(2)若该路段限速为100 km/h，则该轿车是否超速？(3)若该轿车以20 m/s的速度行进，反射回的频率应是怎样的？思路点拨解答本题需掌握以下两点：(1)若观察者与波源相互远离，则接收到的频率低于波源的频率；(2)若观察者与波源相互靠近，则接收到的频率高于波源的频率。解析(1)巡警车接收
16、到的超声波频率比发出时低，此现象为多普勒效应，选项C正确。(2)因巡警车接收到的频率低，由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离，而巡警车车速恒定且在后面，可判断轿车车速比巡警车车速大，故该轿车超速。(3)若该轿车以20 m/s的速度行进时，此时巡警车与轿车在相互靠近，由多普勒效应知反射回的频率应偏高。答案(1)C(2)超速(3)偏高探规寻律波源与观察者间距离变化的判断方法多普勒效应中判断波源或观察者的运动方向及速度时，只需比较波源频率f波源和观察者感受到的频率f观察者间的大小关系，当f波源f观察者时，二者间距在增大，f波源f观察者时，二者间距在减小。跟踪演练3蝙蝠在洞穴中飞来飞去时，它利用超声脉
17、冲导航非常有效，这种超声脉冲是持续1 ms或不到1 ms的短促发射，且每秒重复发射几次。假定蝙蝠的超声脉冲发射频率为39 000 Hz，在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑的期间，则下列判断正确的是()A墙壁接收到超声脉冲频率等于39 000 HzB蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于墙壁接收的频率C蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于墙壁接收的频率D蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于39 000 Hz解析：选C蝙蝠(波源)相对墙壁(观察者)的距离在逐渐接近，所以墙壁接收到的超声波频率增大，A错误；超声波被反射后频率不变，但传播方向和蝙蝠的运动方向相反，蝙蝠接收到从墙壁反射回来的
18、超声波时，频率会更大，故C正确，B、D错误。 课堂双基落实1关于波的干涉现象，下列说法正确的是()A两列波在相遇区域内，一定能发生干涉现象B两列波相互干涉是波叠加的结果C频率相同的两列波相遇时，形成干涉图样随时间变化D振动加强的质点，位移始终最大解析：选B两列相干波(频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两列同种类波)在相遇区域才能发生干涉，A、C错；波的叠加是波的干涉的成因，B正确；振动加强点的振幅为两列波的振幅之和，位移随时间做周期性变化，D错。2如图中的各图分别表示一列水波在传播过程中遇到了小孔(A、B图)或障碍物(C、D图)，其中不能发生明显衍射现象的有()解析：选C发生明显衍射现象的条
19、件是障碍物或小孔的尺寸比波长小，或与波长相差不多，由图可知，A、B、D图能明显发生衍射现象，而C图不能，故选C。3下面现象中没有应用多普勒效应的是()。A利用地球上接收到的遥远天体发出的光波的频率来判断遥远天体相对于地球的运动速度B交通警察向行进中的汽车发射一个已知频率的电磁波，波被运动的汽车反射回来，根据接收到的频率来测定汽车的速度，以便进行交通管理C铁路工人用耳贴在铁轨上可判断火车的运行情况D有经验的战士从炮弹飞行的尖叫声判断飞行炮弹是接近还是远去解析：选CA项和B项是利用了光波和电磁波的多普勒效应来进行判断的，C项是利用声波在铁轨中传播快于在空气中的传播，D项也是利用声波的多普勒效应，所以C选项正确。4两列相干波在同一水平面上传播，某时刻它们的波峰、波谷位置如图所示。图中M是波峰与波峰相遇点，是凸起最高的位置之一。回答下列问题：(1)由图中时刻经T/4，质点M相对平衡位置的位移是_。(2)在图中标出的M、N、O、P、Q几点中，振动加强的点是_；振动减弱的点是_。解析：(1)由图中时刻经，两列波的平衡位置传到M点。叠加后质点M相对平衡位置的位移是零。(2)O点是两列波的波谷与波谷相遇的点，故是振动加强点，M点是波峰与波峰相遇的点，故是振动加强点。P、Q两点则位于振动加强线上，故也是振动加强点；N点是波峰与波谷相遇的点，故是振动减弱点。答案：(1)0(2)M、O、P、QN
