高二物理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人教版知识精讲（通用） 12页

高二物理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 ，第二列波同时使质点 a 振动产 生的位移是 ，则质点 a 的位移就是 与 的矢量和，如果 、 方向相同，则质 点振动位移就是 与 的和。如果 、 方向相反，则质点振动位移的大小是 与 之差，方向与较大的方向相同，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。 1x 2x 1x 2x 1x 2x 1x 2x 1x 2x 1x 2x 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 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。 x1 x2 x2x1+ 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。 S1 S2 a b 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 （ ，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 ， （ ，1，2，……） 当两波源振动步调相反时， 为加强点。 当两波源振动步调相反时， 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 λnr =∆ 0=n 2)12( λ+=∆ nr 0=n 2)12( λ+=∆ nr λnr =∆ 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 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。 S1 S2 a bc 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 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，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 ， 因 ， 当 ，（n=0，1，2……）振动减弱。 ∴ 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 的取值范围，再由振动加强与减弱时 与 S1 S2 M NO mSSPSPSr 32121 =<−=∆ m2=λ 2)12( λ+=∆ nr 312 <+n 1