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第三章 機械波
第3節 機械波的傳播現象
我們知道，聲音在傳播過程中，遇到障礙物時會發生反射。對著遠處的峭壁大喊一聲會聽到回聲，就是聲波在峭壁上反射的結果。
機械波在傳播過程中經常會遇到障礙物或者兩種介質的界面，或者與其他的波相遇，此時會產生怎樣的現象呢？
1.理解什么是波的衍射現象，知道波發生明顯衍射的條件
2.理解用惠更斯原理解釋波的反射和折射現象
3.知道波反射和折射的規律
4.理解波的疊加原理，知道波的干涉是一種特殊的疊加現象.
5.理解形成穩定干涉圖樣的條件
一、機械波的衍射與惠更斯原理
定義：水波在遇到小障礙物或者小孔時，能繞過障礙物或穿過小孔繼續向前傳播的現象叫作波的衍射。
障礙物
波源
一切波都能發生衍射
衍射是波特有的現象
小孔
波在什么條件下能夠發生明顯的衍射現象呢？
1.波的衍射
實驗探究
實驗1：保持水波的波長不變，改變狹縫的寬度，觀察波的傳播情況有什么變化。
結論1：波長一定的情況下，波長一定的情況下，狹縫窄的，衍射現象比較明顯。狹縫寬度越接近波長，衍射現象越明顯
d > λ
d < λ
d ≈λ
λ
d
d
d
明顯
λ
λ
最明顯
不明顯
實驗探究
演示2：保持狹縫的寬度不變，改變水波的波長，觀察波的傳播情況有什么變化。
最明顯
結論2：狹縫的寬度不變的情況下，波長越接近狹縫寬度，衍射現象越明顯
波在什么條件下能夠發生明顯的衍射現象呢？
當縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相近，或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現象。
結論1：波長一定的情況下，狹縫窄的，衍射現象比較明顯。狹縫寬度越接近波長，衍射現象越明顯
結論2：狹縫的寬度不變的情況下，波長越接近狹縫寬度，衍射現象越明顯
發生明顯衍射現象的條件：
1、狹縫寬度比波長大能發生明顯衍射嗎？
2、d≈λ能說成是發生衍射現象的條件嗎？
（1）衍射是波特有的現象，一切波都會產生衍射現象。
（2）衍射現象總是存在的，只有明顯與不明顯的差異。
（3）障礙物或孔的尺寸大小，并不是決定衍射能否發生的條件，僅是發生明顯衍射的條件
（4）一般情況下，波長較大的波容易產生明顯的衍射現象。
思考：
機械波衍射的原理猜想
我們知道，波動的起源是波源的振動，波動的傳播是由于介質中質點之間的相互作用。如果介質是連續分布的，介質中任何一點的振動將直接引起鄰近各點的振動，因而在波動中任何一點都可看作新的波源。
從各類實驗中我們發現，若水面上有一任意波動傳播，當波遇到一個很小的孔時，穿過小孔的圓形的波，與原來波的形狀無關，這說明小孔可以看作新的波源.
如何解釋機械波的衍射現象？
惠更斯針對這個問題提出了惠更斯原理：
介質中波動傳到的各點都可以看作是發射子波的波源；
在其后的任一時刻，這些子波的包絡就形成新的波面
2.惠更斯原理
（1）惠更斯原理中的基本概念
波面：振動情況相同的點組成的面叫做波面
（2）理解惠更斯原理
①波動傳到的任意一點都可看作是子波源
②所有子波源各自同時向外發出子波
③各個子波所形成的包絡，就是新波面
注意：惠更斯原理對任何波動過程都是適用的，但這一原理不能解釋波的強度
子波源
t時刻波傳播到此
t+Δt時刻的新波面
（3）利用惠更斯原理說明衍射
假設有水波從左向右傳播，而后波動傳到狹縫處
子波源
向障礙后傳播
二、機械波的反射和折射
光也是一種機械波，在從空氣進入玻璃中（或從玻璃進入空氣中）時，光發生了折射和反射現象。
實際上，機械波都能夠發生反射和折射。
反射波：振幅減小，波頻率、波速和波長都不變。
折射波：振幅變小，頻率不變，波速和波長發生改變；
總結：在波的反射中，波的頻率、波速和波長都不變。在波的折射中，頻率不變，波速和波長發生變化。
反射和折射是波的普遍性質。
思考：如圖所示，一場大雪過后，人們會感到外面萬籟俱靜．這是怎么回事？難道是人的活動減少了嗎？
剛下過的雪是新鮮蓬松的，它的表面層有許多小氣孔．當外界的聲波傳入這些小氣孔時便要發生反射．由于氣孔往往是內部大而口徑?。?，僅有少部分波的能量能通過口徑反射回來，而大部分的能量則被吸收掉了．所以不是人的活動減少了。
四、機械波的干涉
探究一：兩列波相遇時會發生什么現象？
繩波
相遇前
相遇時刻
相遇過程
相遇后
兩列波相遇
兩列波相遇后，彼此穿過，繼續傳播，波的形狀和傳播的情形都跟相遇前一樣，也就是說，相遇后，它們都保持各自的運動狀態，彼此都沒有受到影響。
1、波傳播的獨立性:
幾列波相遇之后，仍然保持它們各自原有的特征（頻率、波長、振幅、振動方向等）不變，并按照原來的方向繼續前進，好像沒有遇到過其他波一樣互不干擾.
2、波的疊加原理
幾列波相遇時，能夠保持各自的特征，繼續傳播。在幾列波重疊的區域里，介質的質點同時參與這幾列波所引起的振動，質點振動的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的矢量和。
本質：位移的合成
波的獨立傳播原理
注意：當兩列波相遇時，保持獨立性，頻率、周期、波速、波長均不發生任何變化。
觀察與思考
振動頻率相同、振動方向相同、相位差為零的兩列波的相遇
觀察與思考
出現了穩定的相對平靜區域和劇烈振動區域；這兩個區域在水面上的位置是固定的，且互相隔開
弱
強
強
強
弱
弱
3. 波的干涉
對于頻率相同的兩列波，在相遇的區域水面上會出現穩定的相對平靜的區域和劇烈振動的區域。這兩個區域在水面上的位置是固定的，且互相隔開。這種現象稱為波的干涉
干涉是波特有的現象.
（1）發生干涉的條件：①兩列波的頻率相同；②相位差恒定。
（2）干涉圖樣及其特點
①加強區和減弱區的位置固定不變。
②加強區始終加強，減弱區始終減弱
(加強區與減弱區不隨時間變化)。
③加強區與減弱區互相間隔。
（3）振動加強點和振動減弱點
①振動加強點：振動的振幅等于兩列波振幅之和，A＝A1＋A2。
②振動減弱點：振動的振幅等于兩列波振幅之差，A＝|A1－A2|。
波的干涉圖樣
問題1：A點到波源S1和S2的距離分別是多少個波長？它們的距離差是多少？
問題2：B點到波源S1和S2的距離分別是多少個半波長？它們的距離差是多少？
A
B
距離波源S1：2個波長
距離波源S2：4個波長
距離差： 2λ
距離波源S1：2.5個波長
距離波源S2：2個波長
距離差： 0.5λ
振動加強點和振動減弱點的判斷
振動加強點和振動減弱點的判斷
①條件判斷法：振動頻率相同、振動情況完全相同的兩波疊加時，設點到兩波源的路程差為Δx，
當Δx＝|x2－x1|＝kλ(k＝0，1，2，…)時為振動加強點；
當Δx＝|x2－x1|＝(2k＋1)(k＝0，1，2，…)時為振動減弱點。
若兩波源振動步調相反，則上述結論相反。
②現象判斷法：若某點總是波峰與波峰或波谷與波谷相遇，該點為振動加強點，若總是波峰與波谷相遇，則為振動減弱點。
1.(多選)觀察水面波衍射的實驗裝置如圖所示,和是兩塊擋板,是一個孔,是波源,圖中已畫出波源所在區域波的傳播情況,每兩條相鄰波紋(圖中曲線)之間距離表示一個波長,則波經過孔之后的傳播情況,下列描述正確的是(　 　)
A.此時能明顯觀察到波的衍射現象
B.擋板前后波紋間距離相等
C.如果將孔擴大，有可能觀察不到明顯的衍射現象
D.如果孔的大小不變，使波源頻率增大,能更明顯地觀察到衍射現象
ABC　
2.波源甲、乙分別在一根水平放置的繩的左右兩端，兩波源發出的波在繩中的傳播速度均是1 m/s。在t=0時刻繩上的波形如圖 （a）所示（兩波源均只發出半個波）。則根據波的疊加原理，以下敘述正確的是（　　）
A.當t=2 s時，波形如圖①所示；當t=4 s時，波形如圖②所示
B.當t=2 s時，波形如圖①所示；當t=4 s時，波形如圖③所示
C.當t=2 s時，波形如圖②所示；當t=4 s時，波形如圖①所示
D.當t=2 s時，波形如圖②所示；當t=4 s時，波形如圖③所示
D
3.(多選)如圖表示兩個相干波源S1、S2產生的波在同一種均勻介質中相遇。圖中實線表示某時刻的波峰，虛線表示的是波谷，下列說法正確的是(　 　)
A．a、c兩點的振動加強，b、d 兩點的振動減弱
B．e、f 兩點的振動介于加強和減弱之間
C．經適當的時間后，加強點和減弱點的位置互換
D．經半個周期后，原來位于波峰的點將位于波谷，原來位于波谷的點將位于波峰
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機械波的傳播現象
1.波的衍射：機械波能繞過障礙物或穿過小孔繼續向前傳播
1.當機械波在傳播過程中從一種介質進入另一種不同介質時，機械波會同時發生反射和折射現象
機械波的疊加
機械波的干涉
1.獨自傳播
1.相干條件
波的衍射
機械波的反射和折射
2.相遇區域，位移合成
2.加強、減弱點位置
2.折射波的波速和波長會改變
2.重要結論：當縫、孔的寬度或者障礙物的尺寸跟波長相近或者比波長更小時，能觀察到明顯的衍射現象

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