2.4惠更斯原理波的反射与折射 学案（2020年沪科版高中物理选修3-4）

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1、2.4 惠更斯原理惠更斯原理 波的反射与折射波的反射与折射 学习目标 1.知道什么是波面和波线.2.了解惠更斯原理， 了解用惠更斯原理解释波的反射与 折射现象.3.认识波的反射和折射现象，知道反射定律和折射定律 1惠更斯原理：介质中波前上的各点，都可以看作是一个新的波源(子波源)，并发出子波； 其后，这些子波的包络面就是新的波面 2波的反射定律：当波传播到两种介质的分界面处发生反射，入射波的波线、法线、反射 波的波线在同一平面内， 入射波的波线与反射波的波线分别位于法线的两侧， 而且反射角等 于入射角 3波在介质中发生折射时，入射波的波线、法线以及折射波的波线在同一平面内，入射波 的波线与折射

2、波的波线分别位于法线的两侧， 入射角的正弦跟折射角的正弦之比， 等于波在 第一种介质中的波速跟波在第二种介质中的波速之比，即sin i sin r v1 v2. 一、惠更斯原理 导学探究 把一颗石子投到平静的池塘里，会激起一圈圈起伏不平的水面波向周围传播， 你知道向四面八方传播的波峰(波谷)为什么组成一个个的圆形吗？ 答案 因为水波由波源向周围传开， 由于向各个方向的波速都一样， 所以向四面八方传播的 波峰(波谷)组成一个个的圆形 知识深化 1波面和波线 (1)波面：波在介质中传播时，任一时刻介质振动步调相同的点的包络面叫做波面最前面 的波面又叫波前，波面是平面的波叫做平面波，波面是球面的波叫

3、做球面波 (2)波线：垂直于波面并指向波传播方向的直线叫做波线，如图 1 所示为球面波的波面与波 线示意图 图 1 2惠更斯原理 (1)内容：介质中波前上的各点，都可以看作是一个新的波源(子波源)，并发出子波；其后， 这些子波的包络面就是新的波面这就是惠更斯原理 (2)作用：如果知道某时刻一列波的某个波面的位置，还知道波速，利用惠更斯原理就可以 得到下一时刻这个波面的位置，从而确定波的传播方向 例 1 下列说法中正确的是( ) A根据惠更斯原理可知，介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源 B惠更斯原理只能解释球面波的传播，不能解释平面波的传播 C若知道某时刻一列波的某个波面的位置，由

4、惠更斯原理可以确定波的传播方向 D惠更斯原理不能解释波的直线传播，可以解释波的反射与折射等相关现象 答案 A 解析 根据惠更斯原理，我们可以知道，介质中任意波面上的各点，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，A 正确；惠更斯原理 既可以解释球面波的传播，也可以解释平面波的传播，B 错误；仅知道某时刻一列波的某个 波面的位置，无法确定波的传播方向，故 C 错误；惠更斯原理能解释波的直线传播、反射 与折射等相关现象，故 D 错误 二、机械波的反射和折射 导学探究 1我们知道光有反射、折射现象，机械波是否也具有反射、折射现象呢？能举例说明机械 波的反射现

5、象吗？ 答案 机械波也具有反射和折射现象，声波的反射现象比较常见例如：对着山崖或高墙说 话时，听到的回声；夏日的雷声轰鸣不绝，是声波在云层界面的多次反射 2请用惠更斯原理推导波的反射定律 答案 如图所示，一列平面波射到两种介质的界面，由于入射波的传播方向与界面不垂直， a、b、c 三条波线不同时到达界面，过 a 的入射点 A 作波面 AF，在波面 AF 上找三点 A、C、 B 作为子波源；设波速为 v，取时间间隔 tBB v ；作 t 时间后子波源 A、C、B 发出的子 波波面 BF，根据波线与波面的方位关系画出反射波线 在直角三角形 ABB 和直角三角形 BAA中，AB是公共边，BBAA，因

6、此两直 角三角形全等，有：AABBBA 所以有：ii，即波的反射中，反射角等于入射角 知识深化 1波的反射 (1)反射现象：波遇到介质界面会返回来继续传播的现象 (2)入射角和反射角： 入射角：入射波的波线与界面法线的夹角，如图 2 中的 . 反射角：反射波的波线与界面法线的夹角，如图 2 中的 . 反射规律：反射角等于入射角，即 . 图 2 2波的折射 (1)折射现象 波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向通常会发生改变的现象如图 3 所示 图 3 (2)折射定律 内容： 入射角的正弦跟折射角的正弦之比， 等于波在第一种介质中的波速跟波在第二种介 质中的波速之比 公式：sin i sin

7、 r v1 v2. (3)相对折射率 n12v1 v2. 延伸思考 波向前传播的过程中， 在两个介质的界面同时发生了反射和折射现象， 你知道反射波和折射 波的频率 f、波速 v 和波长 各自是如何变化的？请完成下表. 现象 比较项 波的反射 波的折射 频率 f 不变 不变 波速 v 不变 改变 波长 不变 改变 说明 频率 f 由波源决定；波速 v 由介质决定；由 vf 知，波长 与频率 f、波速 v 有关. 例 2 图 4 中 1、2、3 分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则( ) 图 4 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

8、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 答案 D 解析 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；波 1、3 是在两种不同介质中传播，波速不等，但波源没变，因而频率相等，由 v f得波长不等， 故 C 错，D 对 针对训练 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 5 所示， 以 下说法正确的是( ) 图 5 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

9、波形曲线 答案 A 解析 波源相同，声波在水和空气中频率相同，而在水中波速大，由 vf 可知，水中波长 大，故选 A. 三、波的反射现象的应用 例 3 某测量员利用回声测距，他站在两平行墙壁间某一位置鸣枪，经过 1 s 第一次听到回 声，又经过 0.5 s 再次听到回声，已知空气中的声速为 340 m/s，则两墙壁间的距离为多少？ 答案 425 m 解析 设测量员离较近的墙壁的距离为 x，则他离较远的墙壁的距离为 sx,2xvt1 2(sx)v(t1t) 其中 t0.5 s，t11 s，代入数据得：s425 m. 1惠更斯原理 波面与波线 惠更斯原理 2波的反射与折射 波的反射 用惠更斯原理推

10、导波的反射定律 波的反射定律：反射角入射角 波的折射 用惠更斯原理推导波的折射定律 波的折射定律：sin i sin r v1 v2 相对折射率：n12v1 v2 1(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任何波的波线都表示波的传播方向 D有些波的波面表示波的传播方向 答案 AD 解析 任何波的波线都与波面相互垂直，波线表示波的传播方向，故 B、C 正确，A、D 错 误 2(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

11、源为中心的一个个球面 D无论怎样的波，波线始终和波面垂直 答案 ACD 3声波从声源发出，在空中向外传播的过程中( ) A波速在逐渐变小 B频率在逐渐变小 C振幅在逐渐变小 D波长在逐渐变小 答案 C 解析 声波在空中向外传播时，不管是否遇到障碍物而引起反射，其波速只由空气介质决 定频率(由振源决定)和波长(v/f)均不变，所以 A、B、D 错；又因为机械波是传递能量 的方式，能量在传播过程中会减小，故其振幅也就逐渐变小，C 正确 4(多选)下列关于波的认识，哪些是正确的( ) A潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，用的是波的反射原理 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，是波的反射现象 答案 ABC 解析 A、B、C 选项中应用了波的反射现象；D 选项应用了波的折射现象，深水区和浅水 区视为不同介质，故波的传播方向发生改变，故 D 错误