1、第6节惠更斯原理1知道什么是波面和波线，了解惠更斯原理。2知道波传播到两种介质的界面时会发生反射、折射现象，并能用惠更斯原理进行解释。一、波面和波线1概念(1)波面：在波的传播过程中，任一时刻振动状态都相同的介质质点所组成的面。(2)波线：与波面垂直指向波传播方向的直线。2波的分类(1)球面波：由空间一点发出的波，它的波面是以波源为球心的一个个球面，波线就是这些球面的半径。(2)平面波：波面是平面的波。二、惠更斯原理介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波在波前进方向上的包络面就是新的波面。判一判(1)波面一定与波线垂直。()(2)波面一定是平面。()(3)波的
2、传播方向与波面平行。()(4)用惠更斯原理能够解释波的反射、折射等现象。()提示：(1)(2)(3)(4)想一想(1)波线与波面是什么关系？提示：由波线的定义可知，波线与波面垂直。(2)惠更斯原理能说明衍射现象与狭缝大小的关系吗？提示：不能。惠更斯原理只能解释波的传播方向，不能解释波的强度，所以也无法说明衍射现象与狭缝大小的关系。课堂任务对波面和波线、惠更斯原理的理解一、波面和波线1波面在波的传播过程中，振动状态相同的点组成的平面叫做波面。(1)球面波：如图甲所示，球面波的波面是以波源为中心的一个个球面。(2)平面波：如图乙所示，平面波的波面是一个个互相平行的平面。(3)对波面的理解波面不一定
3、是面，如水波，它只能在水面上传播，水面的波面是以波源为圆心的一簇圆。球面波传播到离波源很远的距离处时，在空间的某一小区域内各相邻的球形波面可以近似地看成是相互平行的平面，因此可以认为是平面波。2波线沿波的传播方向与波面垂直的线，叫做波线。它代表了波的传播方向。对波线的理解(1)波线是有方向的一簇线，它的方向代表了波的传播方向。(2)波线与波面垂直，一定条件下由波面可确定波线，由波线可确定波面。(3)球面波的波线是沿半径方向的直线，平面波的波线是垂直于波面的平行直线。二、惠更斯原理1惠更斯原理介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面
4、。2利用惠更斯原理解释球面波和平面波的传播如图甲所示，以O为球心的球面波在时刻t的波面为，按照惠更斯原理，面上每个点都是子波的波源。设各个方向的波速都是v，在t时间之后各子波的波面如图中虚线所示，虚线圆的半径是vt。是这些子波波面的包络面，它就是原来球面波的波面在时间t后的新位置。可以看出，新的波面仍是一个球面，它与原来球面的半径之差为vt，表示波向前传播了vt的距离。与此类似，可以用惠更斯原理说明平面波的传播(图乙)。3利用惠更斯原理解释衍射现象由惠更斯原理知，波面上的每一点都可以看做子波的波源，位于障碍物边缘或狭缝处的点也是子波的波源，所以波可以到达障碍物的后面。惠更斯原理只能解释波的传播
5、方向，不能解释波的强度，所以无法说明衍射现象与狭缝或障碍物的大小之间的关系。例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可能相同C球面波的波面是以波源为中心的一个个球面D波线与平面波的波面垂直，与球面波的波面不垂直 (1)同一波面上各点有何特点？提示：同一波面上各点的振动情况完全相同。(2)平面波与球面波有何区别？提示：平面波的波面是平面，球面波的波面是球面。规范解答按照惠更斯原理，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相位不同，A正确；由于波的周期性，在相距为波长整数倍的另一些波面上的质点
6、的振动情况与这个波面上质点的振动情况相同，B正确；由波面和波线的概念知，C正确；无论怎样的波，波线始终和波面垂直，D错误。完美答案ABC利用惠更斯原理解释波的传播(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t。(4)根据波速确定t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)由新的波面可确定波线及其方向。(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，波面各点都可看做一个子波源，子波前进的方向的包
7、络面就是该时刻的波面D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tt时刻波面的位置答案BCD解析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，就可确定另一时刻的波面的位置，D正确。课堂任务波的反射和折射一、波的反射1波的反射是指波遇到了障碍物就会返回来继续传播，因此波的传播方向发生了变化。反射波与入射波在同一介质中传播，介质决定了波速，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，根据公式，我们可知波长也不改变。2利用惠更斯原
8、理解释波的反射根据惠更斯原理，介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面。因为波在反射时，波长、波速和频率都不变，所以在上图中直角三角形ABB直角三角形BAA，所以BABABA，从上图看出，入射角iBAB，反射角iABA，所以ii，也就是说，在波的反射中，反射角等于入射角，这与光的反射定律是一致的。3波的反射现象的应用(1)回声测距当声源不动时，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，设经过时间t听到回声，则声源距障碍物的距离为xv声。当声源
9、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，声源发声时障碍物到声源的距离为x(v声v)。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，声源发声时障碍物到声源的距离x(v声v)。(2)超声波定位：蝙蝠、海豚能发出超声波，超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来。蝙蝠、海豚就是根据接收到反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置，从而确定飞行或游动方向。二、波的折射1波从一种介质中射入另一种介质时传播方向常常发生改变，这种现象叫波的折射。由概念可知，波在折射中传播方向一般发生变化。由于入射波与折射波在两种不同的介质中传播，因此波速会发生变化。波的频率由波源决定，即频率不
10、变，由公式，可知波长发生变化。2利用惠更斯原理解释波的折射如图所示，一束平面波中的波线a首先于时刻t由介质1到达界面。波线a进入介质2后，又经过时间t，波线b也到达界面。由于是两种不同的介质，其中波的传播速度v1、v2一般不同，在t这段时间内，两条波线a和b前进的距离AA和BB一般也不同。因此波进入介质2后传播方向常常发生偏折。例2如图所示，1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则()A2与1的波长、频率相等，波速不等B2与1的波速、频率相等，波长不等C3与1的波速、频率、波长均相等D3与1的频率相等，波速、波长均不等 (1)波发生反射和折射时，频率是否变化？为什么？提示：不变。频率
11、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与入射波的频率相同，即与波源的振动频率相同。(2)波发生反射和折射时，波速是否变化？为什么？提示：反射波的波速不变，折射波的波速变化。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， 而折射波与入射波在不同介质中传播，所以波速变化。规范解答波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错误。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，由得波长不同，故C错误，D正确。完美答案D波的反射、折射现象中各量的变化规律波向前传播在两介质的界面上同时发生了反射和折射现象，一些物理量相应发生了变化
12、，比较如下：一列声波在第一种均匀介质中的波长为1，在第二种均匀介质中的波长为2，若122，则该声波在两种介质中的频率之比和波速之比分别为()A21,11 B12,14C11,21 D11,12答案C解析同一列波，在不同介质中波的频率一定，故频率之比为11，由vf，有v1v21221，C正确。A组：合格性水平训练1(波面和波线)(多选)下列说法中不正确的是()A只有平面波的波面才与波线垂直B任何波的波线与波面都相互垂直C任何波的波线表示波的传播方向D有些波的波面表示波的传播方向答案AD解析不管是平面波，还是球面波，其波面与波线均垂直，A错误，B正确；只有波线才表示波的传播方向，C正确，D错误。2
13、(波的反射)(多选)下列现象中利用波的反射的是()A在水里的人能听到岸上的声音B医生给病人做超声波检查C渔民利用声波探测鱼群D潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况答案BCD解析在水里的人能听到岸上的声音是利用了声波的折射，超声波检查身体、潜艇中的声呐都是利用了超声波的反射，渔民利用声波探测鱼群利用了声波的反射，B、C、D正确，A错误。3(波的折射)下列说法正确的是()A入射波面与法线的夹角为入射角B入射波面与界面的夹角为入射角C入射波线与法线的夹角为入射角D入射角跟折射角相等答案C解析入射波线与法线的夹角为入射角，A、B错误，C正确；折射波线与法线的夹角为折射角，由于发生折射时波的传播方向一般改
14、变，入射角一般不等于折射角，故D错误。4(综合)同一音叉发出的声波同时在水和空气中传播，某时刻的波形曲线如图所示，下列说法正确的是()A声波在水中波长较大，b是水中声波的波形曲线B声波在空气中波长较大，b是空气中声波的波形曲线C水中质点振动频率较高，a是水中声波的波形曲线D空气中质点振动频率较高，a是空气中声波的波形曲线答案A解析波的频率取决于波源的振动频率，与介质无关，故同一音叉发出的声波在水中与在空气中传播时频率相同，C、D错误；机械波在介质中传播的速度只取决于介质性质，与波的频率无关，声波在水中传播的速度大于在空气中传播的速度，由vf知，声波在水中的波长较大，对应于题图中波形曲线b，A正
15、确，B错误。5(综合)人在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话声音要洪亮，是因为()A室内空气不流动 B室内声音多次反射C室内声音发生折射 D室内物体会吸收声音答案B解析人在室内说话，声波会被室内物体、墙壁反射，其至反射多次，因而显得声音洪亮。6(综合)下列说法正确的是()A在波动现象中，介质中任一波面上的点，都可看成是子波的波源B在波动现象中，沿着传播方向的波峰(或波谷)构成的面是波面C波发生折射是因为频率改变了D波动在各向同性的均匀介质中传播时，其波面的几何形状可能改变答案A解析由波面的定义可知B错误；波发生折射是因为波速改变了，则C错误；波动在各向同性的均匀介质中传播时，速度不变，所以其波面
16、几何形状不变，D错误。7(波的反射)甲、乙两人平行站在一堵墙前面，二人相距2a，距离墙均为a，当甲开了一枪后，乙在时间t后听到第一声枪响，则乙听到第二声枪响的时间为_。答案甲开枪2t以后解析乙听到第一声枪响必然是甲放枪的声音直接传到乙的耳中，故t。甲、乙二人及墙的位置如图所示，乙听到第二声枪响必然是墙反射的枪声，由波的反射定律可知，波线如图中AC和CB，由几何关系可得：ACCB2a，故第二声枪响传到乙耳中的时间t2t。8(波的反射)蝙蝠有完善的发射和接收超声波的器官，一只蝙蝠以6.0 m/s的速度垂直于墙向墙飞行，且以f4.5104 Hz的频率发射超声波，并经0.01 s接收到回声。若声速是3
17、40 m/s，求蝙蝠发射超声波时离墙的距离及蝙蝠所发出的超声波的波长。答案1.73 m7.56103 m解析设蝙蝠发射超声波时离墙的距离为s，则2sv声tv蝙t，s m1.73 m根据， m7.56103 m。B组：等级性水平训练9(惠更斯原理)(多选)关于惠更斯原理，下列说法正确的是()A惠更斯原理能够解释所有波的现象B子波的频率等于初级波的频率C用惠更斯原理不能解释波的衍射现象D同一波面上的两个位置的质点振动步调也可能相反E波在两介质的界面发生反射和折射时，反射波和折射波的频率不发生变化答案BE解析惠更斯原理只能解释波的反射、折射和衍射现象，A错误，同理C错误；同一波面上的两个位置的质点振
18、动步调完全一致，D错误。10(波的反射和折射)(多选)下列说法正确的是()A波发生反射时，波的频率不变，波速变小，波长变短B波发生反射时，频率、波长、波速均不变C波发生折射时，波的频率不变，但波长、波速发生变化D波发生折射时，波的频率、波长、波速均发生变化答案BC解析波发生反射时，在同一种介质中传播，因此波长、波速和频率不变；波发生折射时，频率不变，波速和波长发生变化。故B、C正确，A、D错误。11(综合)(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，用的是波的折射原理B隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质，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
19、理是利用波的反射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E墙里讲话墙外听是波的折射现象答案BCD解析A、B、C选项中应用了波的反射现象；D选项是波的折射现象，深水区域和浅水区域波速不同，故波的传播方向发生改变；E选项是波的衍射现象；故选B、C、D。12(波的反射)天空有近似等高的浓云层。为了测量云层的高度，在水平地面上与观测者的距离为d3.0 km处进行一次爆炸，观测者听到由空气直接传来的爆炸声和由云层反射来的爆炸声时间上相差t6.0 s。试估算云层下表面的高度。答案2.0103 m解析如图所示，A表示爆炸处，O表示观测者所在地，h表示云层下表面的高度。用t1表示爆炸声由空气直接传到O处所经历的时间，则有dvt1用t2表示爆炸声经云层反射到达O处所经历的时间，因为反射角等于入射角，故有2vt2已知t2t1t联立以上各式可得h ，代入数值得h2.0103 m。13(综合)为了测出海底的深度，现用空气中波长为3.4 cm的超声波向海底定向发射，经过0.8 s，探测仪器收到发射出去的超声波返回的讯号，超声波在海水中的波长为15.3 cm，超声波在空气中的波速为340 m/s，则海底有多深？答案612 m解析由超声波的频率不变可得在水中有hv2tv1t340 m612 m。
