普通高中物理选择性必修一 第三章第4节 波的干涉

关于普通高中物理选择性必修一 第三章第4节波的干涉的竖屏导图，内容包换波的叠加、波的干涉及主动降噪技术，供备课参考。

• 普通高中物理选择性必修一 第三章第1节 波的形成
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第一册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 振动的传播称为波动，简称波。
• 波的形成
• 演示
  • 实验器材
    • 一条较长的有弹性的软绳
  • 实验过程
    • 用手握住绳的一端拉平后向上抖动一次，可以看到绳上形成一个凸起部分向另一端传去。
    • 用手握住绳的一端拉平后向下抖动一次，可以看到绳上形成一个凹下部分向另一端传去。
    • 连续向上、向下抖动长绳，可以看到一列波产生和传播的情形。
    • 在绳上做个红色标记，观察在波的传播过程中，红色标记是怎样运动的？它是否随着波向绳的另一端移动？
  • 观察发现
    • 绳上各点只是在一定位置上下振动，没有向前运动，而振动这种形式却传播了出去。
• 波的形成
  • 绳子是有弹性的物体。设想把一条绳子分成一个个小段，这些小段可以看作一个个相连的质点，相邻质点之间存在着弹性力的作用，这使得一个质点的运动会影响相邻质点的运动。
  • 当手握绳端上下振动时，绳端带动相邻质点，这个质点又带动更远的质点¼¼绳上的质点都跟着振动起来，只是后面的质点总比前面的质点迟一些开始振动。
  • 依次带动下去，绳端上下振动的状态就沿绳子传了出去，整体上形成了凹凸相间的波形。
• 做一做 团体操表现波浪
• 方法
  • 一组学生手挽手排成一行，从左边第一位同学开始，周期性地下蹲、起立，依次带动旁边的同学重复他的动作，只是后边的一位总比前边的一位稍迟一点点。
• 现象
  • 可以看到凹凸相间的波沿着队伍传播开来，而每位同学的位置并没有移动。
• 横波和纵波
• 横波
  • 质点的振动方向与波的传播方向相互垂直的波。
  • 在横波中，凸起的最高处叫作波峰，凹下的最低处叫作波谷。
  • 沿绳传播的横波
• 演示弹簧形成的波
  • • 将一根长而软的弹簧放在水平光滑平面上，沿弹簧轴线方向不断推、拉。
    • 观察到弹簧圈密集的部分和稀疏的部分交替向前传播。
• 纵波的形成
  • 一系列弹簧圈看成一系列质点，它们之间由弹力联系着。
  • 手执弹簧一端左右振动起来，近端的质点依次带动远端的质点左右振动，但后一个质点振动的相位总比前一个质点落后一些。
  • 从整体上看，沿弹簧形成了疏密相间的波。
• 纵波
  • 质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上的波。
  • 在纵波中，质点分布最密的位置叫作密部，质点分布最疏的位置叫作疏部。
  • 发声体振动时在空气中产生的声波是纵波。声波不仅能在空气中传播，也能在液体、固体中传播。
• 机械波
• 介质
  • 波借以传播的物质，例如：绳、弹簧、水、空气等。
  • 组成介质的质点之间有相互作用，一个质点的振动会引起相邻质点的振动。
• 机械波
  • 机械振动在介质中传播，形成了机械波。
    • 形成机械波，一要有波源，二要有介质。
  • 介质中有机械波传播时，介质的质点发生振动，但质点并不随波迁移，介质本身并不随波一起传播。
  • 机械波传播的只是振动这种运动形式。
  • 波在传播“振动”这种运动形式的同时，也将波源的能量传递出去，波是传递能量的一种方式。
  • 波也可以传递信息，我们用语言进行交流，就是利用声波传递信息。
• “水波离开了它产生的地方，而那里的水并不离开，就像风在田野里掀起的麦浪。我们看到，麦浪滚滚地在田野里奔去，但是麦子却仍旧留在原来的地方。”——达×芬奇
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• 普通高中物理选择性必修一 第三章第2节 波的描述
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第一册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 过去研究单个质点的运动情况时，用-t图像可以很方便地描述质点在任意时刻的位移，而波却是很多质点的运动，在同一时刻各个质点的位移都不尽相同，不方便用x-t图像来描述。能否用其他的图像来描述波呢？
• 波的图像
• 如图，是根据一张绳上横波的照片画出的图，记录了绳上各质点在该时刻的具体位置。
• 波的图像
  • 建立直角坐标系Oxy：用横坐标x表示在波的传播方向上绳中各质点的平衡位置；纵坐标y表示某一时刻绳中各质点偏离平衡位置的位移。规定，位移向上时y取正值。
  • 把平衡时位于x1，x2，x3，¼的质点的位移y1，y2，y3，¼画在Oxy坐标平面内，得到一系统的点，这些点的集合就是这一时刻波的图像，也称为波形图。
  • 如果波的图像是正弦曲线，这样的波叫作正弦波，也叫简谐波。
    • 介质中有正弦波传播时，介质的质点在做简谐运动。
• 简谐波的波形图与质点的振动图像都是正弦曲线，但它们的意义不同。
• 振动图像与波的图像的比较
• 波长、频率和波速
• 波长
  • 在波的传播方向上，振动相位总是相同的两个相邻质点间的距离，叫作波长，通常用l表示。
  • 在横波中，两个相邻波峰或两个相邻波谷之间的距离等于波长。
  • 在纵波中，两个相邻密部或两个相邻疏部之间的距离等于波长。
• 频率
  • 在波动中，各个质点的振动周期或频率是相同的，都等于波源的振动周期或频率。这个周期或频率也叫作波的周期或频率。
• 波速
  • 经过一个周期T，振动在介质中传播的距离等于一个波长l。
  • 机械波在介质中的传播速度由介质本身的性质决定，在不同介质中波速是不同的。
    • 声速还与温度有关
• 思考与讨论
  • 图中实线为t=0时刻的波形图，虚线为t=0.1s时刻的波形图，据此能否判定波的传播方向？
• 例题 图中的实线是一列正弦波在某一时刻的波形图。经过0.5s后，其波形如图中虚线所示。设该波的周期T大于0.5s。求：（1）如果波是向左传播的，波的速度是多大？波的周期是多大？（2）如果波是向右传播的，波的速度是多大？波的周期是多大？
• 分析
  • 这列波的周期大于0.5s，所以经过0.5s的时间，这列波传播的距离不可能大于一个波长。
  • 当波向左传播时，图中的波峰1只能到达波峰2，而不可能向左到达更远的波峰。
  • 当波向右传播时，图中的波峰1只能到达波峰3，而不可能向右到达更远的波峰。
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• 普通高中物理选择性必修一 第三章第3节 波的反射、折射和衍射
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第一册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 声音在传播过程遇到障碍物会发生反射。对着远处的峭壁大喊一声会听到回声，就是声波在峭壁上反射的结果。
• 波的反射
• 演示
  • 实验器材
    • 发波水槽的一端有一平板振动发生器，振动发生器在水槽中能够产生水波。
  • 实验观察
    • 在水槽中斜向放置一块挡板，观察水波在传播过程中发生的现象。
  • 观察发现
    • 当水波遇到挡板时会发生反射。
• 波的反射
  • 用一条射线代表波的入射方向（入射线），用另一条射线代表波的反射方向（反射线）。
  • 水波的反射与光的反射遵循同样的规律。
  • 反射线、法线与入射线在同一平面内，反射线与入射线分居于法线两侧，反射角等于入射角。
• 波的折射
• 波的折射
  • 理论和实验证明，一切波都会发生折射现象。
  • 一列水波在深度不同的水域传播时，在交界面处将发生折射。
  • 用一条射线代表水波的入射方向，用另一条射线代表水波的折射方向，可以清晰地看出水波的折射现象。
• 波的衍射
• 波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫作波的衍射。
• 演示
  • 实验观察
    • 在水槽里放两块挡板，中间留一个狭缝，观察水波通过狭缝后的传播情况。
    • 保持水波的波长不变，改变狭缝的宽度，观察水波的传播情况有什么变化。
  • 观察发现
    • 狭缝宽度比波长大得多的情况下，波的传播如同光沿直线传播一样，在挡板后面产生了“阴影区”。
    • 狭缝宽度与波长相差不多或狭缝宽度比波长更小的情况下，水波可以绕到挡板后面继续传播，发生明显的衍射现象。
• 保持狭缝的宽度不变，改变水波的波长，观察波的传播情况的变化。
  • 波长与狭缝宽度相差不多时，有明显的衍射现象，随着波长的减小，衍射现象变得不明显。可以推测，当波长与狭缝宽度相比非常小时，水波将沿直线传播，观察不到衍射现象。
• 波的衍射
  • 只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象。
  • 声波也能发生衍射。
    • 通常声波的波长为1.7cm~17m，所以声波能绕过一般的障碍物，使我们能听到障碍物另一侧的声音。“闻其声而不见其人”。
  • 一切波都能发生衍射。衍射是波特有的现象。
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• 普通高中物理选择性必修一 第三章第4节 波的干涉
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第一册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 在平静的水面上，下落的雨滴激起层层涟漪，形成了复杂而美丽的图案。这种图案是怎样产生的？
• 波的叠加
• 在介质中同时传播的两列波相遇时，会不会像两个小球相碰时那样，改变各自的运动特征呢？
• 演示
  • 实验方法
    • 在一根水平长绳的两端分别向上抖动一下，在绳上分别产生相向传播的两列波。
  • 实验观察
    • 观察两列波的传播情况。
  • 观察发现
    • 两列波在彼此相遇并穿过后，仍然保持各自的运动特征，继续传播，就像没有跟另一列波相遇一样。
• 波的叠加
  • 几列波相遇时能够保持各自的运动特征，继续传播。
  • 在几列波重叠区域里，介质的质点同时参与几列波引起的振动。
  • 在几列波重叠区域里，介质质点的位移等于几列波单独传播时引起的位移的矢量和。
• 波的干涉
• 演示
  • 实验器材
    • 水槽中，波源是固定在同一个振动片上的两根细杆，当振动片振动时，两根细杆周期性地接触水面，形成两个波源。
  • 实验观察
    • 两个波源发出的是频率相同的波。
    • 两列波的振动方向相同。
      • 水面质点的振动都沿上下
    • 两列波振动的相位差保持不变。
      • 两根细杆是同步振动的
  • 观察发现
    • 两列波相遇后，在它们重叠的区域形成干涉图样。
    • 水面上出现了一条条相对平静的区域或激烈振动的区域，这两类区域在水面上的位置是稳定的。
• 波的干涉
  • 现象
    • 相互加强：某一时刻，一列波的波峰与另一列波的波峰在水面上某点相遇，两列波在这里引起的振动的相位相同，经过半个周期，变成波谷与波谷在这里相遇，两列波在这点引起的振动仍然是相互加强。
    • 相互削弱：某一时刻，两列波的波峰与波谷在水面上的某点相遇，两列波在这里引起的振动的相位相反，经过半个周期，变成波谷与波峰在这里相遇，两列波在这一点引起的振动仍然相互削弱。
    • 两列波的相位差保持不变
      • 相互加强点的振动总是相互加强，质点的振幅最大。
      • 相互削弱点的振动总是相互削弱，质点的振幅最小。
  • 位移
    • 最大：波峰与波峰相遇时，质点向上的位移最大；波谷与波谷相遇时，质点的位移向下最大，位移大小都等于两列波的振幅之和。
    • 最小：波峰与波谷相遇时，质点的位移最小，位移大小等于两列波的振幅之差。如果两列波的振幅相同，质点的位移之和就总是等于0。
  • 图样
    • 用两组同心圆表示从波源发出的两列波，蓝线表示波峰，黑线表示波谷。蓝线圆与黑线圆间的距离等于半个波长，蓝线与蓝线、黑线与黑线之间的距离等于一个波长。
    • 蓝线圆与蓝线圆的交点或黑线圆与黑线圆的交点，是振动的加强区，它们连成的区域用红实线画出。
    • 蓝线圆与黑线圆的交点为振动的减弱区，它们连成的区域用红虚线画出。
  • 条件
    • 频率相同
      • 如果两列波的频率不同，在相互叠加时，波中相遇区域的各个质点的振幅会随时间变化。
    • 相位差恒定
      • 如果两个波源的相位差随时间变化，波中相遇区域的各个质点的相位差会随时间变化。
    • 不会出现振动总是加强与总是减弱的区域
    • 振动方向相同
      • 两列波在相遇区域各质点引起的振动方向总是相同，否则也不会出现振动总是加强与总是减弱的区域。
  • 定义
    • 频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时，某些区域的振动总是加强，某些区域的振动总是减弱，这种现象叫作波的干涉。
    • 两列波干涉时形成的稳定图样叫作干涉图样。
    • 一切波，只要满足条件都能发生干涉。
    • 干涉是波特有的现象。
• 做一做 声音的干涉
  • 实验装置
    • 安装两个相同的扬声器，并使它们由同一个信号源带动，发出相同频率的声音。
  • 操作过程
    • 将同学分成A组与B组，手持不同颜色的标志，分散在两个扬声器之间，注意听扬声器发出的声音，并且小范围地移动。
    • A组同学移动一声音最大位置停住，并把标志举起；B组同学移动到声音最小（或听不到声音）位置停住，举起标志。
  • 实验观察
    • 观察A组和B组同学所在位置的分布有什么规律。
• STSE 主动降噪技术
• 抵消噪声
  • 人们通常在声源处、传播过程中以及人耳处采取措施，以控制噪声。
  • 声音是一种波，通过波的干涉能够起到消音的作用。
    • 通过发出与噪声振幅、频率相同，相位相反的声波来抵消噪声。
• 主动降噪耳机
  • 在耳机内设有麦克风，用来收集周围环境中的噪声信号，在此基础上，耳机的处理器能够预测下一时刻噪声的情况，并产生相应的抵消声波。
  • 为保证降噪质量，耳机内还设有另一个麦克风来检测合成后的噪声是否变小。处理器会根据这个麦克风的测量结果，对处理过程不断优化，进一步降低合成后的噪声音量，达到最佳的降噪效果。
• 亿图脑图MindMaster

• 普通高中物理选择性必修一 第三章第5节 多普勒效应
• 内容来源|普通高中教科书 物理 选择性必修第一册 人民教育出版社 软件|亿图脑图MindMaster
• 仔细听急救车的鸣笛声，你会发现一个现象：当车从你身边疾驰而过的时候，鸣笛的音调会由高变低。这是怎么回事呢？
• 多普勒效应
• 1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时注意到鸣笛音调的变化，他进一步研究后发现了多普勒现象。
• 当波源与观察者相互靠近或相互远离时，接收到的波的频率都会发生变化，这种现象叫作多普勒效应。
• 演示
  • 实验方法
    • 将一个以电池为电源的蜂鸣器固定在长竹竿的一端，闭合开关后听一听它发出的声音。
  • 实验观察
    • 请一位同学用竹竿把蜂鸣器举起并在头顶快速转动，在几米之外听它的声音有什么变化。
• 模拟实验
  • 在这个模拟实验中，人不表示介质中的质点，只代表传播中的波峰或波谷，于是“过人频率”就代表观测到的波的频率。
  • 让一队人沿路行走，观察者站在路旁不动，假设每分钟有30个人从他身边通过，这种情况下的“过人频率”是30人/分。
  • 如果观察者逆着队伍行走，每分钟与观察者相遇的人数增加，也就是观测到的频率增加。
  • 如果观察顺着队伍行走（假设观察者的速度小于队伍先进的速度），每分钟与观察相遇的人数减少，也就是观测到的频率减少。
• 多普勒效应的理解
  • 当波源与观察者相对静止时，1s内通过观察者的波峰（或密部）的数目是一定的，观测到的频率等于波源振动的频率。
  • 当波源与观察者相互接近时，1s内通过观察者的波峰（或密部）的数目增加，观测到的频率增加。
  • 当波源与观察者相互远离时，1s内通过观察者的波峰（或密部）的数目减少，观测到的频率变小。
• 思考讨论
  • • 固定在振动片上的金属丝周期性触动水面可以形成水波。
    • 当振动片在水面上移动时拍得一幅照片，显示此时波的图样。
    • 由照片是否可知，振动片正在向图中哪个方向移动？单位时间内水波槽左边接收完全波个数多还是右边接收完全波个数多？
• 多普勒效应的应用
• 应用
  • 多普勒测速仪
    • 向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。
    • 装有多普勒测速仪的监视器可以装在公路上方，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。
    • 多普勒测速仪可以测量水在海底的流速，为养殖场寻找适合贝类生长的场所。
  • 彩超
    • 医生向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收。测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度。
    • 彩超可以检查心脏、大脑和眼底血管的病变。
  • 光波或电磁波的多普勒效应
    • 测量星球上某些元素发出的光波的频率，然后与地球上这些元素静止时发光的频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度。
• 亿图脑图MindMaster