2017_2018学年高中物理第十二章机械波第4节波的衍射和干涉教案新人教版选修3_4

第四节波的衍射和干涉
物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。

教学目标：
（一）物理观念
1、知道什么是波的衍射现象。

2、知道波发生明显衍射现象的条件。

3、知道衍射是波的特有现象。

4、知道波的独立传播特性和波的叠加原理；
5、知道什么是波的干涉现象和干涉图样.
6、知道干涉现象是波动特有的现象。

（二）科学思维、科学探究
能够运用衍射条件进行判断。

（三）科学态度与责任
了解波的衍射在生活中的应用，感受物理与生活之间的联系。

通过联系生活、演示实验，培养学生观察、对比、归纳及空间想象等能力
教学重点：
波发生明显衍射现象的条件。

波的叠加原理和波的干涉现象
教学难点：
对波发生明显衍射现象的条件的应用。

波的干涉图样的理解
教学方法：
实验演示和多媒体辅助教学。

教学用具：
水槽演示仪，长条橡胶管，投影仪、CAI课件。

教学过程：
（一）引入新课
大家都熟悉“闻其声不见其人”、“隔墙有耳”的物理现象，这是什么原因呢？通过这节课的学习，我们就会知道，原来波遇到狭缝、小孔或较小的障碍物时会产生一种特有得现象，这就是波的衍射。

（二）新课教学
1、波的衍射
教师：波在向前传播遇到障碍物时，会发生波线弯曲，偏离原来的直线方向而绕到障碍物的背后继续转播，这种现象就叫做波的衍射。

大家想一想，你见过的哪些现象是波的衍射现象？学生举例：在水塘里，微风激起的水波遇到露出水面的小石头、芦苇等细小的障碍物，会绕过它们继续传播；房间内讲话，在房外也可以听到；收音机在房间内也能收到电台发射的电磁波等等。

教师：任何波在遇到障碍物时，都能发生衍射，但不同的波发生衍射的明显程度不同。

下面我们用水波槽和小挡板来做实验，请大家认真观察。

【演示】在水波槽里放一个小挡板，让波源发出的圆形波遇到小挡板，将实验现象用投影仪投影在大屏幕上。

现象：水波绕过小挡板继续传播。

将小挡板换成长挡板，重新做实验。

现象：水波不能绕到长挡板的背后传播。

这个现象说明什么？
结论：发生衍生的条件与障碍物的大小有关。

下面通过实验研究发生明显衍射现象的条件。

【演示】在水波槽里放两块小挡板，当中留一狭缝，观察波源发出的水波通过窄缝后怎样传播。

（1）保持水波的波长不变，改变窄缝的宽度（由窄到宽），观察波的传播情况有什么变化。

将实验现象用投影仪投影在大屏幕上。

观察到的现象：
在窄缝的宽度跟波长相差不多的情况下，发生明显的衍射现象。

水波绕到挡板后面继续传播。

（投影课本图12.5-1乙）
在窄缝的宽度比波长大得多的情况下，波在挡板后面的传播就如同光线沿直线传播一样，在挡板后面留下了“阴影区”。

（投影课本图12.5-1甲）
（2）保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长（由小到大），将实验现象用投影仪投影在大屏幕上。

可以看到：在窄缝不变的情况下，波长越长，衍射现象越明显。

将课本图12.5-2中的甲、乙、丙一起投影在屏幕上（如图所示），它们是做衍射实验时拍下的照片。

甲中波长是窄缝宽度的3/10，乙中波长是窄缝宽度的5/10，丙中波长是窄缝宽度的7/10。

通过对比可以看出：
窄缝宽度跟波长相差不多时，有明显的衍射现象。

窄缝宽度比波长大得多时，衍射现象越不明显。

窄缝宽度与波长相比非常大时，水波将直线传播，观察不到衍射现象。

结论：发生明显衍射现象的条件：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。

［课件演示：波的衍射（通过课件演示，形象直观地再现波发生明显衍射现象的条件，给学生再次留下清晰直观的印象，从而收到良好的教学效果。

）］
教师：大家都熟悉“闻其声不见其人”的物理现象，这是什么原因呢？
介绍：能够引起听觉的声波范围是20Hz～20 000Hz，空气中的声速按340m/s计算
教师：引导学生求解声波的波长范围，并解释“闻其声不见其人”的原因。

学生计算：由
f
v
=
λ
得，能够引起听觉的声波波长范围是1.7cm～17m之间。

这个范围可以
和一般的障碍物的尺寸相比，因此声波能够绕过一般障碍物，发生明显的衍射。

教师：为何“不见其人”呢？后面我们还要学习光的知识。

光也是一种波。

可见光的波长范围约在0.4～0.7μm之间，跟一般障碍物的尺寸相比非常小，所以通常情况下看不到光的衍射，这就是我们通常说的，“光沿直线传播”。

强调指出：一切波都能发生衍射，衍射是波的特有现象。

2、波的干涉
引入新课
生活现象类比：相向运动的两球相遇会怎样？两波相遇又会怎样？
请举出生活中常见的两波相遇的实例。

演示：1、两声波相遇；2、水槽两水波相遇；
思考1：两波相遇之后是否会受干扰?
一、波的独立传播性
两列波相遇后，彼此穿过，继续传播，波的形状和传播的情形都跟相遇前一样，也就是说，相遇后，它们都保持各自的运动状态，彼此互不影响。

思考2：两波相遇期间，介质中的质点振动有何规律？
二、波的叠加原理
视频（两波相遇时）、课件模拟（绳波相遇区的情况）
a.暂停在波峰与波峰相遇的某一时刻，指出叠加后每一质点
的位移为原来两波引起位移的矢量和。

b.学生分析波峰与波谷、波谷与波谷相叠加的情况；
总结：
1.几列波相遇,在它们重叠的区域里,介质中的质点同时参与这几列波引起的振动,质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。

这叫做波的叠加原理。

2. 如果两列波引起的振动方向相同，则该点振动加强，振幅增大；
如果两列波引起的振动方向相反，则该点振动减弱，振幅减小。

c. 当频率、振幅相同的波峰与波谷相遇时，有一个特殊点，始终不动。

（只观察，不分析）
过渡：以上分析的是普遍现象，只要两波相遇，就会发生波的叠加，要满足波的独立传播特性及叠加原理。

以下分析特殊情况。

思考3：如果是两列频率相等的持续的波相遇会产生什么情况？
演示3：绳波（驻波演示器）振源发出的波与反射回来的波，两者频率、振幅相同，当它们在介质中相遇时，有何现象？
现象：有些点振动幅度大，有些点基本不动；这些点相互间隔，而且稳定。

（只观察，不引入驻波）
过渡：绳波的传播方向是一维的，水波的传播方向是平面的，那么两频率相等的持续的水波相遇有什么现象呢？
三、波的干涉
演示4：水槽中的水波的干涉。

（课件模拟。

）
１、现象：这两列波相遇后，在水面上振动，波形在不断向前推进的过程中，出现
了：(与绳波类似)
a.一条条从两个波源中间伸展出来的相对平静的区域和激烈振动的区域，
b.这两种区域在水面上的位置是固定的，
c.而且相互隔开．——波的干涉现象。

2、波的干涉图样认识（课件）
3、成因：
思考4：水波干涉图样是如何形成的？
（对减弱点）
a. 为什么在P处水波比较平坦？
b. 为什么质点P的振动幅度小？
c. 振动在P点是偶然相抵消，还是一直抵消？
d. P点会振动吗？“抵消”是“不动” 吗？
（对加强点）
a. 为什么在Q处水波起伏大？
b. 为什么质点Q的振动幅度大？
c. 振动在Q点是偶然相增强，还是一直增强？
d. Q点一直在波峰吗？
小结：（１）振动特点：
加强点：以f源在平衡位置周围做振动，Ａ＝Ａ１+Ａ２
减弱点：以f源在平衡位置周围做振动，Ａ＝｜Ａ１－Ａ２｜
当Ａ１＝Ａ２时，Ａ＝０质点始终不动，
思考5：判断振动加强点与减弱点的方法
小结（２）判断振动加强点与减弱点的方法
a.加强点：波峰与波峰相遇的点；
两波在该点相遇时振动步调相同；
减弱点：波峰与波谷相遇的点
两波在该点相遇时振动步调相反
b.若波源振动频率相同且步调一致，P与两个波源的距离差：
△r = r2-r1= kλ（k=0，±1，±2，±3……）加强点
△r =r2-r1= (2k+1)λ/2 （k=0，±1，±2，3……）减弱点
４、波的干涉的条件：两波源频率相同。

５、波的干涉是波的一种特有现象
演示5：声波的干涉（三维空间）
思考6：“波的叠加”与“波的干涉”的关系？
6、“波的叠加”与“波的干涉”
（1）两列波相遇都可以叠加；
（2）干涉是一种特殊叠加；只有频率相同的两列波才能干涉。

（三）课堂小结
（四）布置作业
完成“问题与练习”中的题目。