2022年高中物理魯科版選修3-4教學(xué)案：第2章 第2節(jié) 波的反射和折射(含答案)

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1、2022年高中物理魯科版選修3-4教學(xué)案：第2章 第2節(jié) 波的反射和折射(含答案) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　1．惠更斯原理：介質(zhì)中波陣面上的每一個(gè)點(diǎn)，都可以看成一個(gè)新的波源，這些新波源發(fā)出子波，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，這些子波的包絡(luò)面就構(gòu)成下一時(shí)刻的波面。 2．波的反射定律：反射波線、入射波線和法線在同一平面內(nèi)，反射波和入射波分別位于法線的兩側(cè)，反射角等于入射角。 3．波由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生偏折，入射角i和折射角r及波速之間滿足＝。 惠更斯原理 1.波面和波線 (1)概念： ①波面：從波源發(fā)出的波，經(jīng)過(guò)同一傳播時(shí)間到達(dá)的

2、各點(diǎn)所組成的面，如圖2-2-1所示。 圖2-2-1 ②波線：用來(lái)表示波的傳播方向的線，波線與各個(gè)波面總是垂直的。 (2)波的分類： ①球面波：波面是球面的波。如空氣中的聲波。 ②平面波：波面是平面的波。如水波。 2．惠更斯原理 (1)內(nèi)容：介質(zhì)中波陣面上的每一個(gè)點(diǎn)，都可以看成一個(gè)新的波源，這些新波源發(fā)出子波，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，這些子波的包絡(luò)面就構(gòu)成下一時(shí)刻的波面。 (2)應(yīng)用：如果知道某時(shí)刻一列波的某個(gè)波面的位置，還知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一時(shí)刻這個(gè)波面的位置，從而可確定波的前進(jìn)方向。 [學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 下列說(shuō)法中正確的是(　

3、　) A．只有平面波的波面才與波線垂直 B．有些波的波線與波面相互平行 C．任何波的波線都表示波的傳播方向 D．有些波的波面表示波的傳播方向 解析：選C　不管是平面波，還是球面波，其波面與波線均垂直，選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；只有波線才表示波的傳播方向，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。 波的反射 [自讀教材·抓基礎(chǔ)] 1．波的反射 波遇到障礙物時(shí)會(huì)返回來(lái)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象，如圖2-2-2所示。 圖2-2-2 2．反射規(guī)律 反射波的頻率、波長(zhǎng)和波速都與入射波相同。 3．反射定律 反射波線、入射波線和法線在同一平面內(nèi)，反射波線和入射波線分別位于法線兩側(cè)，反射角等于入射角。 [跟隨名師·

4、解疑難] 波的反射現(xiàn)象的特點(diǎn) (1)波速不變：波速由介質(zhì)決定，而反射波與入射波在同一種介質(zhì)中傳播。 (2)頻率不變：波的頻率由波源決定。 (3)波長(zhǎng)不變：由λ＝可知，因v、f不變，故λ不變。 (4)傳播能量減少：波反射時(shí)，反射面要吸收一部分能量。 [學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 一列波遇到障礙物發(fā)生反射，反射后它的(　　) A．只有波長(zhǎng)不變 B．只有波速不變 C．只有頻率不變 D．波長(zhǎng)、波速、頻率均不發(fā)生變化 解析：選D　波在發(fā)生反射時(shí)，入射波和反射波都在同一種介質(zhì)中傳播，所以入射波和反射波的波速相等，由惠更斯原理可知子波源的頻率與波源的頻率是相等

5、的，故入射波和反射波的頻率相等，從而二者的波長(zhǎng)也是相等的。 波的折射 [自讀教材·抓基礎(chǔ)] 1．波的折射 波在傳播過(guò)程中，由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生偏折的現(xiàn)象，如圖2-2-3所示。 2-2-3 2．折射規(guī)律 折射波的頻率與入射波的頻率相同。波長(zhǎng)和波速都發(fā)生了變化。 3．折射定律 (1)內(nèi)容：入射角的正弦跟折射角的正弦之比，等于波在第Ⅰ種介質(zhì)中的波速與波在第Ⅱ種介質(zhì)中的波速之比。 (2)公式：＝。 [跟隨名師·解疑難] 波的折射現(xiàn)象的特點(diǎn) (1)傳播方向改變，波由一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)傳播方向發(fā)生變化的現(xiàn)象即為波的折射現(xiàn)象。 (2)波速改變，波

6、速由介質(zhì)決定，波在兩種介質(zhì)中傳播的速度不同。 (3)頻率不變，波的頻率由波源決定與介質(zhì)無(wú)關(guān)。 (4)波長(zhǎng)改變，由λ＝可知，f 不變，v改變，λ也改變。 [學(xué)后自檢]┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄(小試身手) 一列聲波從空氣傳入水中，已知水中聲速較大，則(　　) A．聲波頻率不變，波長(zhǎng)變小 　B．聲波頻率不變，波長(zhǎng)變大 C．聲波頻率變小，波長(zhǎng)變大 D．聲波頻率變大，波長(zhǎng)不變 解析：選B　波的頻率由波源決定，因此波無(wú)論在空氣中還是在水中頻率都不變，C、D錯(cuò)；又因波在水中速度較大，由公式v＝λf可得，波在水中的波長(zhǎng)變大，故A錯(cuò)，B正確。 波的反射的應(yīng)用 回聲測(cè)距 (

7、1)當(dāng)聲源不動(dòng)時(shí)，聲波遇到了障礙物會(huì)返回來(lái)繼續(xù)傳播，反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，因此，入射波和反射波在傳播距離一樣的情況下，用的時(shí)間相等，設(shè)經(jīng)時(shí)間 t 聽(tīng)到回聲，則聲源距障礙物的距離為 s＝v聲·。 (2)當(dāng)聲源以速度 v向靜止的障礙物運(yùn)動(dòng)或障礙物以速度 v向靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)· (3)當(dāng)聲源以速度v遠(yuǎn)離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠(yuǎn)離靜止的聲源時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離s＝(v聲－v)· [典題例析] 1．某物體發(fā)出的聲音在空氣中的波長(zhǎng)為1 m，波速為340 m/s，在海水中的波長(zhǎng)為4.5 m。 (1)該波的頻率為_(kāi)_

8、______ Hz，在海水中的波速為_(kāi)_______m/s。 (2)若物體在海面上發(fā)出的聲音經(jīng) 0.5 s 聽(tīng)到回聲，則海水深為多少？ (3)若物體以 5 m/s 的速度由海面向海底運(yùn)動(dòng)，則經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間聽(tīng)到回聲？ [思路點(diǎn)撥]　同一列波在不同介質(zhì)中波速不同，在同一介質(zhì)中波速相同。 解析：(1)由f＝得f＝ Hz＝340 Hz 因波的頻率不變，則在海水中的波速為 v海＝λf＝4.5×340 m/s＝1 530 m/s。 (2)入射聲波和反射聲波用時(shí)相同，則海水深為 s＝v海＝1 530× m＝382.5 m。 (3)物體與聲音運(yùn)動(dòng)的過(guò)程示意圖如圖所示。設(shè)聽(tīng)到回聲的時(shí)間為t，則

9、 v物t＋v海t＝2s 代入數(shù)據(jù)解得t＝0.498 s。 答案：(1)340　1 530　(2)382.5 m　(3)0.498 s [探規(guī)尋律] 求解回聲測(cè)距問(wèn)題的技巧 (1)求解反射波的波速是解題的基礎(chǔ)。 (2)正確畫出聲波及物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程的幾何關(guān)系圖是解題的突破口。 (3)由s＝vt求得聲波及物體運(yùn)動(dòng)的距離并列出幾何關(guān)系方程是解題的關(guān)鍵。 [跟蹤演練] 利用超聲波可以探測(cè)魚(yú)群的位置，在一只裝有超聲波發(fā)射和接收裝置的漁船上，當(dāng)它向選定方向發(fā)射出頻率為5.8×104Hz的超聲波后，經(jīng)過(guò)0.64 s收到從魚(yú)群反射回來(lái)的反射波，已知頻率為5.8×104 Hz的超聲波在水中的波

10、長(zhǎng)為2.5 cm，則這群魚(yú)跟漁船的距離為_(kāi)_______m。 解析：設(shè)魚(yú)跟漁船的距離為x，根據(jù)波的反射有t＝，超聲波在水中的波速v＝λf，由以上兩式可求得x＝464 m。 答案：464 m 對(duì)折射定律的考查 [典題例析] 2．如圖2-2-4所示，某列波以60°的入射角由甲介質(zhì)射到乙介質(zhì)的界面上同時(shí)產(chǎn)生反射和折射，若反射波的波線與折射波的波線的夾角為90°，此波在乙介質(zhì)中的波速為1.2×105 km/s。 圖2-2-4 (1)該波的折射角為_(kāi)_______。 (2)該波在甲介質(zhì)中的傳播速度為多少？ (3)該波在兩種介質(zhì)中的波長(zhǎng)比為多少？ [思路點(diǎn)撥]　解答本題時(shí)應(yīng)把

11、握以下三點(diǎn)： (1)由幾何關(guān)系求折射角。 (2)由折射定律求波速。 (3)由v＝λf及波在兩種介質(zhì)中頻率相同求波長(zhǎng)之比。 解析：(1)由反射定律可得反射角為60°，由題圖的幾何關(guān)系可得折射角為r＝30°。 (2)由波的折射規(guī)律＝，所以 v甲＝·v乙＝·v乙＝×1.2×105 km/s ?。?.08×105 km/s。 (3)因波長(zhǎng)λ＝，又因?yàn)椴ㄔ趦煞N介質(zhì)中的頻率相同，則 ＝＝＝ 答案：(1)30°　(2)2.08×105 km/s　(3) [探規(guī)尋律] (1)波在反射或折射后，其頻率不變，故我們聽(tīng)到的回聲與原聲相同，花樣游泳運(yùn)動(dòng)員在水下與水上聽(tīng)到的音樂(lè)曲調(diào)相同。 (2

12、)在應(yīng)用公式＝計(jì)算時(shí)，i(r)為介質(zhì)1(2)中波線與法線的夾角，v1(v2)是波在介質(zhì)1(2)中的傳播速度，一定注意比值中角度與速度的對(duì)應(yīng)性。 [跟蹤演練] 若某一列聲波從空氣射入水中，入射角i從零開(kāi)始增大時(shí)，折射角r也隨著增大，下列說(shuō)法中正確的是(　　) A．比值不變 B．比值變化 C．比值是一個(gè)大于1的常數(shù) D．比值是一個(gè)小于1的常數(shù) 解析：選D　由波的折射定律＝，知是由介質(zhì)決定的常數(shù)，且v水＞v空，所以＜1。 [課堂雙基落實(shí)] 1．在波的反射現(xiàn)象中，反射波跟入射波不相同的量是(　　) A．波長(zhǎng)　　　　　　　　 　B．波速 C．頻率 D．振幅 解析：選D

13、　反射波跟入射波波速相同(由介質(zhì)決定)、頻率相同(由波源決定)、波長(zhǎng)相同(由λ＝?jīng)Q定), 所以A、B、C相同；波在傳播及反射過(guò)程中能量有損失，故振幅逐漸變小，D不相同。 2．關(guān)于惠更斯原理的理解，下列說(shuō)法不正確的是(　　) A．同一波面上的各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)完全相同 B．同一振源的不同波面上的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況一定不同 C．球面波的波面是以波源為中心的一個(gè)個(gè)球面 D．無(wú)論怎樣的波，波線始終和波面垂直 解析：選B　按照惠更斯原理，波面是由振動(dòng)情況完全相同的點(diǎn)構(gòu)成的面(或線)，而不同波面上質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)可能相同，故A說(shuō)法正確、B說(shuō)法不正確；由波面和波線的概念，不難判斷C、D說(shuō)法正確；故只有B說(shuō)法錯(cuò)誤。

14、 3.如圖2-2-5所示，是聲波從介質(zhì)Ⅰ進(jìn)入介質(zhì)Ⅱ的折射情況，由圖判斷下面說(shuō)法中正確的是(　　) 圖2-2-5 A．入射角大于折射角，聲波在介質(zhì)Ⅰ中的波速大于它在介質(zhì)Ⅱ中的波速 B．入射角大于折射角，Ⅰ可能是空氣，Ⅱ可能是水 C．入射角小于折射角，Ⅰ可能是鋼鐵，Ⅱ可能是空氣 D．介質(zhì)Ⅰ中波速v1與介質(zhì)Ⅱ中波速v2滿足：＝ 解析：選A　圖中MN為介質(zhì)界面，虛線為法線，i為入射角，r為折射角，從圖可直接看出入射角大于折射角(i＞r)，則C錯(cuò)誤；根據(jù)折射規(guī)律有＝＞1，所以v1＞v2，D錯(cuò)誤，A正確；聲波在液體、固體中的速度大于在氣體中的速度，B錯(cuò)誤。 4.漁船常利用超聲波來(lái)探測(cè)遠(yuǎn)

15、處魚(yú)群的方位。已知某超聲波頻率為1.0×105 Hz，某時(shí)刻該超聲波在水中傳播的波動(dòng)圖像如圖2-2-6所示。現(xiàn)測(cè)得超聲波信號(hào)從漁船到魚(yú)群往返一次所用時(shí)間為4 s，求魚(yú)群與漁船間的距離。(忽略船和魚(yú)群的運(yùn)動(dòng)) 圖2-2-6 解析：由波形圖讀出波長(zhǎng)：λ＝15×10－3 m，由波速公式得：v＝λf＝15×10－3×1.0×105 m/s＝1 500 m/s 魚(yú)群與漁船的距離為：s＝vt， 解得：s＝3 000 m。 答案：3 000 m [課下綜合檢測(cè)] (時(shí)間：30分鐘　滿分：50分) 一、選擇題(共6小題，每小題5分，共30分，每小題只有一個(gè)選項(xiàng)正確。) 1．下列說(shuō)法正確的

16、是(　　) A．聲波的反射遵從與光波反射類似的反射定律 B．聲波發(fā)生折射時(shí)，頻率、波長(zhǎng)、波速均要改變 C．聲波是橫波 D．一個(gè)劇院滿座時(shí)交響樂(lè)混響時(shí)間比空座時(shí)長(zhǎng) 解析：選A　聲波是縱波，反射時(shí)遵從反射定律，所以A正確，C錯(cuò)誤；聲波折射時(shí)，頻率不發(fā)生變化，B錯(cuò)誤；滿座時(shí)，聲音會(huì)比空座時(shí)吸收的多，所以混響時(shí)間短，D錯(cuò)誤。 2．在室內(nèi)講話的聲音比在室外空曠處講話的聲音要洪亮，是因?yàn)?　　) A．室內(nèi)空氣不流動(dòng)　　　 　B．室內(nèi)聲音多次反射 C．室內(nèi)聲音發(fā)生折射 D．室內(nèi)物體會(huì)吸收聲音 解析：選B　在室內(nèi)聽(tīng)到的聲音洪亮是因?yàn)槁暡ㄔ谑覂?nèi)墻壁上經(jīng)過(guò)多次反射而得到加強(qiáng)。故B正確。 3

17、．圖1中1、2、3分別代表入射波、反射波、折射波的波線，則(　　) 圖1 A．2與1的波長(zhǎng)、頻率相等，波速不等 B．2與1的波速、頻率相等，波長(zhǎng)不等 C．3與1的波速、頻率、波長(zhǎng)均相等 D．3與1的頻率相等，波速、波長(zhǎng)均不等 解析：選D　反射波的波長(zhǎng)、頻率、波速與入射波的都應(yīng)該相等，故A、B錯(cuò)；折射波的波長(zhǎng)、波速與入射波的都不等，但頻率相等，故C錯(cuò)，D正確。 4．圖2是一列機(jī)械波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)中發(fā)生的現(xiàn)象。已知波在介質(zhì)Ⅰ中的波速為v1，波在介質(zhì)Ⅱ中的波速為v2，則v1∶v2為(　　) 圖2 A．1∶　　　　　 B.∶1 C.∶ D.∶ 解析：選C　根據(jù)

18、圖知入射角i＝60°，折射角r＝45°，由折射定律得＝＝＝＝。故C對(duì)。 5．一個(gè)圓弧形的海灣，人不論站在海灣的哪個(gè)方位，都會(huì)看到海浪向岸邊傳來(lái)(所謂“驚濤拍岸”)，下面的解釋中正確的是(　　) A．這說(shuō)明海邊的風(fēng)都是海灣中心向岸邊吹來(lái)的 B．這說(shuō)明海浪是從海灣中心發(fā)出而向四周傳播的 C．這是由于靠近海邊處海水逐漸變淺，海浪向岸邊傳播過(guò)程中，不斷發(fā)生折射而造成的 D．這是由于海浪從岸邊反射回來(lái)的波與原來(lái)的波疊加而形成的 解析：選C　海浪是一種水波，它的傳播速度與水的深度有關(guān)，海浪向岸邊傳播過(guò)程中，由于波速逐漸變化而要發(fā)生折射，傳播方向不斷向法線靠攏，因此看到岸邊海浪的傳播方向幾乎與岸

19、邊垂直。 6. “B超”可用于探測(cè)人體內(nèi)臟的病變狀況。圖3是超聲波從肝臟表面入射，經(jīng)折射與反射，最后從肝臟表面射出的示意圖。超聲波在進(jìn)入肝臟發(fā)生折射時(shí)遵循的規(guī)律與光的折射規(guī)律類似，可表述為＝(式中θ1是入射角，θ2是折射角，v1、v2分別是超聲波在肝外和肝內(nèi)的傳播速度)，超聲波在腫瘤表面發(fā)生反射時(shí)遵循的規(guī)律與光的反射規(guī)律相同。已知v2＝0.9v1，入射點(diǎn)與出射點(diǎn)之間的距離是d，入射角為i，腫瘤的反射面恰好與肝臟表面平行，則腫瘤離肝臟表面的深度h為(　　) 圖3 A.　　　 B. C. D. 解析：選D 如圖所示。 由題意知＝＝ 得sin r＝ sin i 由幾何知

20、識(shí)有sin r＝ 解得h＝ 二、非選擇題(共2小題，共20分) 7．(10分)一聲波在空氣中的波長(zhǎng)為25 cm，速度為340 m/s，當(dāng)折射入另一種介質(zhì)時(shí)，波長(zhǎng)變?yōu)?0 cm，求： (1)聲波在這種介質(zhì)中的頻率； (2)聲波在這種介質(zhì)中的傳播速度。 解析：(1)聲波由空氣進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，頻率不變。 由v＝λf f＝＝ Hz＝1 360 Hz (2)因頻率不變，有＝ 得v2＝v1＝×340 m/s＝1 088 m/s 答案：(1)1 360 Hz　(2)1 088 m/s 8．(10分)天空有近似等高的濃云層。為了測(cè)量云層的高度，在水平地面上與觀測(cè)者的距離為d＝3.0 km處進(jìn)行一次爆炸，觀測(cè)者聽(tīng)到由空氣直接傳來(lái)的爆炸聲和由云層反射來(lái)的爆炸聲時(shí)間上相差Δt＝6.0 s。試估算云層下表面的高度。已知空氣中的聲速v＝ km/s。 解析：由題意畫出其平面圖： 設(shè)云層下表面的高度為h，則由云層反射來(lái)的爆炸聲傳播距離為s＝2，傳播時(shí)間為t1＝，聲音直接傳來(lái)的時(shí)間為t2＝，則t1－t2＝Δt，將數(shù)據(jù)代入以上各式得h＝2 km。 答案：2 km