惠更斯原理及其应用
惠更斯原理及应用
波动学基础
第5讲 惠更斯原理及应用
惠更斯原理及应用
惠更斯原理及应用
隔 墙 有 耳
为什么波可以绕过障碍物传播到其后面?
惠更斯原理及应用
一、惠更斯原理(子波概念)
(一)惠更斯原理
媒质中波动传播到达的各点, 都可看 作是发射子波的波源, 在其后的任一时 刻, 这些子波波面的包络(指和所有子 波的波前相切的曲面或曲线)就是新的 波前.
(2)衍射条件
缝宽 a与波长λ大小可比较.大小可
比较大小可比较大小可比较
惠更斯原理及应用
三、惠更斯原理的应用
(一)波的衍射
惠更斯原理及应用
(二)波的反射(波动特征之二) 反射角等于入射角.
惠更斯原理及应用
(三)波的折射
sin
u1 u2
n21
nnn2n12————————介质介质 介质介相质对2折对射于率介质对于 介质对相于对介折质射对率于 介质1111的
惠更斯原理及应用
波前 子波 子波波源
惠更斯原理及应用
(二)惠更斯原理的适用条件
(1)适用于任何介质(均匀的或不均匀的、各向同性的
或 各向异性的).
(2)任何形式的波动(机械波, 光波等).
二、波的衍射
波的衍射(波动特征之一)
(1)衍射（绕射）现象
波在传播过程中, 若遇到障碍物时, 能够绕过障碍物的边缘前进.
的
and
惠更斯原理
b c a
i i'
A
B v∆t A` ∆
a` c` b`
i i'
B`
∆AB`B ≅ ∆B`AA` B`B = AA` i`= i ∠A`AB`= ∠BB`A
演 示
观察水波的折射
在水槽中放入一块厚玻 璃板， 璃板，注意使它的一条边 不与波传来方向垂直。然 不与波传来方向垂直。 后加水， 后加水，使水面高过玻璃 接通电源产生水波， 板。接通电源产生水波， 观察水波经过水深不同的 区域时传播方向的变化。 区域时传播方向的变化。
B
v1∆t
i
r
D
sin i v1 = sin r v2
r
C
小 结：
定义： 定义：波遇障碍物返回继续传播叫波的反射。
波 的 反 射
｛
规律 ：
｛
1．入射波波线反射波波线和法线在 ． 同一平面内． 同一平面内．
２．反射角等于入射角． 反射角等于入射角．
｛
１．入射波波线折射波波线和法线在同 规律： 一平面内． 一平面内． ２． sin
惠更斯原理
◆观察现象： 观察现象：
水面O点有一波源，水波向四周传播。 水面O点有一波源，水波向四周传播。
0
1）水面上形成一列圆形波； 水面上形成一列圆形波； 2）画面上的圆形是朝各个方向传播的波峰和波谷。 画面上的圆形是朝各个方向传播的波峰和波谷。
一．波面和波线
波面： 波面： 同一时刻， 同一时刻，介质中处于波峰或波谷的质点所 构成的面叫做波面 波面。 构成的面叫做波面。 波线： 波线： 用来表示波的传播方 向的跟各个波面垂直 垂直的线 向的跟各个波面垂直的线 叫做波线 波线。 叫做波线。 波线
.
6-4 惠更斯原理和波的应用
6 – 4 惠更斯原理和波的应用 波的应用（简介） 三 波的应用（简介） 音响技术：音乐的空间感、环绕感，音乐厅设计. 音响技术：音乐的空间感、环绕感，音乐厅设计 超声技术: 超声诊断、无创治疗. 超声技术 超声诊断、无创治疗 通信技术: 卫星通信、光纤通信、网络世界. 通信技术 卫星通信、光纤通信、网络世界 1. 驻波
第六章 机械波
6 – 4 惠更斯原理和波的应用
物理学教程 第二版） （第二版）
驻 波 的 形 成
第六章 机械波
6 – 4 惠更斯原理和波的应用 2. 声强级 超声波和次声波
物理学教程 第二版） （第二版）
在弹性介质中传播的机械纵波，一般统称为声波 在弹性介质中传播的机械纵波，一般统称为声波. 可闻声波 可闻声波 20 ~ 20000 Hz 次声波 低于20 低于 Hz 超声波 高于20000 Hz 高于 声强： 声强： 声波的能流 密度. 密度
波衍射1.swf
第六章 机械波
6 – 4 惠更斯原理和波的应用 利用惠更斯原理可解释波的衍射。 利用惠更斯原理可解释波的衍射。 波在传播过程中，遇到障 波在传播过程中， 碍物时其传播方向发生改变， 碍物时其传播方向发生改变， 绕过障碍物的边缘继续传播。 绕过障碍物的边缘继续传播。 波达到狭缝处， 波达到狭缝处，缝上各点都可 看作子波源，作出子波包络， 看作子波源，作出子波包络，得到 新的波前。在缝的边缘处， 新的波前。在缝的边缘处，波的传 播方向发生改变。 播方向发生改变。 此时波阵面不再是平面， 此时波阵面不再是平面，在靠 近边缘处，波阵面进入了阴影区域， 近边缘处，波阵面进入了阴影区域， 表示波已绕过障碍物的边缘处， 表示波已绕过障碍物的边缘处，波 阵面进入了阴影区域， 阵面进入了阴影区域，表示波已绕 过障碍物的边缘传播。 过障碍物的边缘传播。
惠更斯原理及其应用
第三节惠更斯原理及其应用1．(3分)关于机械波的波速和波长，下列说法中正确的是()A．横波中相邻两个波峰间的距离、纵波的密部中央和疏部中央间距都是一个波长B．两个相邻的速度相同的介质质点间的距离是一个波长C．波由一种介质进入另一种介质波速和波长都要改变D．机械波在同一种均匀介质中是匀速传播的【解析】由波长的定义可知A、B不正确．波在同一种均匀介质中传播波速不变；当波从一种介质进入另一种介质时，波的频率不变，但波速发生变化，因此波长也发生变化．C、D正确．【答案】CD2．(3分)声波在钢轨中传播的速度远大于在空气中传播的速度，则当声音由钢轨传到空气中时()A．频率变小，波长变大B．波长变小，频率变大C．频率不变，波长变大D．频率不变，波长变小【解析】波在不同种介质中传播时，频率保持不变．由v＝λf可知，若v 减小，λ则减小，D正确．【答案】 D3．(4分)关于对波速、波长和频率的关系v＝λf的理解，下列说法中正确的是()A．v＝λf，说明提高波源频率，它产生的波的波速成正比增大B．由v＝λf可知，波长λ大的波，其传播速度v一定大C．v、λ、f三个量中，对于同一机械波通过不同介质时，只有f不变D．关系式v＝λf适用于一切机械波【解析】波速只与传播介质的性质有关，所以选项A和B均错误．频率由波源决定，与介质无关，所以同一机械波f不变．在不同介质中，因速度变化，从而λ也变化，所以选项C正确．【答案】CD学生P24一、惠更斯原理1．波面和波线(1)波面：在波的传播过程中，任一时刻振动状态都相同的介质质点所组成的面；(2)波线：与波面垂直指向传播方向的直线，如图2－3－1所示．图2－3－1(3)波的分类①球面波：波面是球面的波．②平面波：波面是平面的波．2．惠更斯原理(1)内容：介质中任一波阵面上的各点，都可以看作发射子波的波源，其后任一时刻，这些子波的包迹就是新的波阵面．(2)应用：如果知道某时刻一列波的某个波阵面的位置，还知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个波阵面的位置，从而可确定波的传播方向．利用惠更斯原理还可以解释波的反射、折射．二、波的反射和折射1．波的反射(1)反射现象：波遇到障碍物时，会返回原来的介质中继续传播的现象．(2)反射定律：a．入射角：入射波的波线与界面法线的夹角．b．反射角：反射波的波线与界面法线的夹角．c．内容：入射波线、法线和反射波线在同一平面内，且反射角等于入射角；反射波的波长、频率和波速跟入射波相同．2．波的折射(1)折射现象：波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生改变的现象．(2)折射特点：在波的折射中，波的频率不变，波速和波长都会改变．学生P24一、波线、波面的特点与关系1．对波线、波面的理解(1)波面：不一定是面，如水波，它只能在水面传播，水波的波面是以波源为圆心的一簇圆．(2)波线：有方向的一簇线，它的方向代表了波的传播方向．(3)波线与波面的关系；互相垂直，一定条件下由波面可确定波线，由波线可确定波面．2．球面波与平面波的区别与联系1．应用惠更斯原理解释波现象的步骤(1)在波面上取两点或多个点作为子波的波源；(2)选一段时间Δt ；(3)根据波速确定Δt 时间后子波波面的位置；(4)确定子波在波前进方向上的包络面，即为新的波面；(5)由新的波面可确定波线及其方向．2．利用惠更斯原理解释波的传播如图2－3－2所示，以O 为球心的球面波在时刻t 的波面为γ，按照惠更斯原理，γ面上每个点都是子波的波源．设各个方向的波速都是v ，在Δt 时间之后各子波的波面如图中虚线所示，γ′是这些子波的包络面，它就是原来球面波的波面在时间Δt 后的新位置．可以看出，新的波面仍是一个球面，它与原来球面的半径之差为v Δt ，表示波向前传播了v ·Δt 的距离．与此类似，可以用惠更斯原理说明平面波的传播，如图2－3－3所示．图2－3－2 图2－3－3有一辆汽车以15 m/s 的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛2 s 后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离是多少？(v 声＝340 m/s)【导析】 声音向前传播遇到障碍物再返回的过程中，汽车也在运动．【解析】 画出汽车与声音运动过程示意图如图所示，设汽车由A 到C 位移为s 1，C 到山崖B 距离为s 2，设汽车鸣笛到司机听到回声时间为t ，有t ＝2 s ，则：s 1v 车＝s 1＋2s 2v 声＝t 解得s 2＝v 声·t －s 12＝v 声·t －v 车t 2＝(340－15)×22m ＝325 m.【答案】 325 m开了一枪后，乙在时间t 后听到第一声枪响，则乙听到第二声枪响的时间为( )A ．听不到B ．甲开枪3t 后C ．甲开枪2t 后D ．甲开枪3＋72t 后 【解析】 乙听到第一声枪响必然是甲放枪的声音直接传到乙的耳中，故t ＝2a v .甲、乙两人及墙的位置如图所示，乙听到第二声枪响必然是墙反射的枪声，由反射定律可知，波线如图中AC 和CB ，由几何关系得：AC ＝CB ＝2a ，故第二声枪响传到乙的耳中的时间为t ′＝AC ＋CB v＝4a v ＝2t . 【答案】 C二、波的折射如图2－3－4所示，是声波从介质Ⅰ进入介质Ⅱ的折射情况，由图判断下面说法中正确的是( )图2－3－4A ．入射角大于折射角，声波在介质Ⅰ中的波速大于它在介质Ⅱ中的波速B ．入射角大于折射角，声波在介质Ⅰ中的波速小于它在介质Ⅱ中的波速C ．入射角大于折射角，Ⅰ可能是空气，Ⅱ可能是水D ．入射角小于折射角，Ⅰ可能是钢铁，Ⅱ可能是空气【导析】 根据机械波发生折射时波长、波速以及频率(或周期)的变化规律进行分析．【解析】 依题意，图中MN 为介质界面，虚线为法线，i 为入射角，γ为折射角，从图可直接看出入射角大于折射角(i>γ)，故声波在介质Ⅰ中的波速大于它在介质Ⅱ中的波速，A正确，而B、D均错误；声波在固体和液体中的速度要大于它在空气中的速度，故C错误．故选A.【答案】 AA．声波频率不变，波长变小B．声波频率不变，波长变大C．声波频率变小，波长变大D．声波频率变大，波长不变【解析】该题考查波在发生折射时，波速、波长、频率是否变化的问题．由于波的频率由波源决定，因此波无论在空气中还是在水中频率都不变，故C、D 错．又因波在水中速度较大，由公式v＝λf可得，波在水中的波长变大，故A错，B正确．【答案】 B1．下列说法中正确的是()A．水波是球面波B．声波是球面波C．只有横波才能形成球面波D．只有纵波才能形成球面波【解析】该题考查了波面，根据球面波的定义可知：若波面是球面则为球面波，与横波、纵波无关，由此可知B正确．由于水波不能在空间中传播，所以它是平面波，A不正确．【答案】 B2．声波从声源发出，在空中向外传播的过程中()A．波速在逐渐变小B．频率在逐渐变小C．振幅在逐渐变小D．波长在逐渐变小【解析】该题考查声波在同一种介质中传播时，波长、频率和波速是否变化的问题．声波在空中向外传播时，不管是否遇到障碍物引起反射，其波速由空气介质决定．频率(由振源决定)和波长(λ＝v/f)均不变，所以A、B、D错，又因为机械波是传递能量的方式，能量在传播过程中会减小，故其振幅也就逐渐变小，C正确．【答案】 C3．图中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则()图2－3－5A．2与1的波长、频率相等，波速不等B．2与1的波速、频率相等，波长不等C．3与1的波速、频率、波长均相等D．3与1的频率相等，波速、波长均不等【解析】反射波的波长、频率、波速与入射波都应该相等，故A错，B 错；折射波的波长、波速与入射波都不等，但频率相等，故C错，D正确．【答案】 D4．对于平面波，波阵面与波线________；对于球面波，波阵面是以________为球心的球面，波线沿球的________方向．介质中任一波面上的各点，都可以看作________．【解析】根据波面、波线的特点分析．【答案】垂直波源半径发射子波的波源。
惠更斯原理的适用范围
惠更斯原理的适用范围1.光的传播路径：惠更斯原理可以解释光在单一孔径或偏离传播路径时的传播规律。
当光束通过一个孔径或光圈传播时，每个光线都会成为一个次级波源，从而形成了一系列的次级波，这些次级波的叠加构成了最终的波面。
因此，惠更斯原理被广泛应用于光的传播路径的计算和模拟。
2.衍射和干涉现象：惠更斯原理也是解释衍射和干涉现象的基础原理之一、衍射是指光通过一个有限孔径或遇到边缘时发生弯曲和扩散的现象，而干涉是指两个或多个波相遇产生叠加效应的现象。
通过惠更斯原理的运用，我们能够解释衍射和干涉现象的产生机制，并做出相应的计算和预测。
3.光学成像：光学成像是指利用光线的传播规律来形成物体的图像的过程。
惠更斯原理在光学成像中起到了重要的作用。
根据惠更斯原理，每个点都可以看作是一个次级波源，而所有次级波的叠加将构成最终的图像。
基于这个原理，我们可以计算光线的传播路径和图像的形成过程，并进行光学成像的设计和优化。
4.波导和光纤：惠更斯原理在波导和光纤的研究和应用中也发挥了重要作用。
波导是一种能够将光束有效传输的结构，利用其特殊的几何形状和材料特性可以实现光的导波和耦合。
惠更斯原理为我们提供了一种理论框架，可以解释波导中光的传输规律，从而帮助我们设计和优化波导结构和性能。
类似地，光纤也是一种常见的光传输介质，而惠更斯原理也可以解释光在光纤中的传输和耦合过程。
总之，惠更斯原理适用范围广泛，涉及到光的传播和传输、衍射干涉现象、光学成像以及波导和光纤等领域。
通过运用惠更斯原理，我们能够解释和预测光的行为和性质，并应用于光学设备的设计和优化、光学成像的研究和应用等方面。
高中物理 2.3 惠更斯原理及其应用课件 粤教版选修3-4
目标导航
预习导引
学习目标
1.了解惠更斯原理,理解惠更斯原理的物理含义。 2.知道波面、波前、波线等概念。 3.会用惠更斯原理分析波的传播规律,比如波的反 射和折射。 4.知道波在各向同性的均匀介质的传播规律。 5.知道波的反射定律和折射定律,并会应用波的反 射、折射定律解释生活中的现象 惠更斯原理及其应用重点难点目标导航
预习导引
一
二
三
四
一、惠更斯原理 1.波面与波线 (1)波面:在波的传播过程中,某时刻任何振动状态都相同的介质 质点所组成的面。在某一时刻,最前面的波面叫做波前。 (2)波线:与各个波面垂直的线,用来表示波的传播方向。如图所 示。
目标导航
预习导引
一
二
三
四
2.波的分类 (1)球面波:由空间一点发出的波,它的波面是以波源为球心的一 个个球面,波线就是这些球面的半径。 (2)平面波,指波面是平面的波。 3.惠更斯原理 介质中任一波面上的各点,都可以看作发射子波的波源,其后任 意时刻,这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面。
一
二
知识精要
典题例解
迁移应用
解析:振动相同的质点在同一时刻组成的面,叫做波面,故A错;波 线表示波的传播方向,在同一种介质中传播时,波线与波面总是垂 直,表示为一条直线,在不同介质中传播时表示为折线或曲线,但总 跟在对应介质中的波面垂直,故B对;波面是同一时刻各质点连线组 成的,其上各质点振动情况一样,可以看作相同的一个个新的小波 源,这些波向前传播情况一样,经过相同时刻到达的位置的连线又 可以连接成一个面,就形成新的波面,故C、D均正确。
一
二
知识精要
思考探究
典题例解
惠更斯原理
例题2.如图所示1、2、3分别代表入射波、反射波、 折射波的波线，则( D ) A．2与1的波长、频率相等，波速不等
B．2与1的波速、频率相等，波长不等
C．3与1的波速、频率、波长均相等
D．3与1的频率相等，波速、波长均不等
解析：选D.反射波的波速、波长、频率都相等，
折射波的频率不变，波长和波速发生改变，故
☆折射定律：
入射线、法线、折射线在同 一平面内，入射线与折射线分居 法线两侧．入射角的正弦跟折射 角的正弦之比等于波在第一种介 质中的速度跟波在第二种介质中 的速度之比。
入射角i
折射角r
sin i v1 sin r v2
折射率
v1 n12 v2
☆波的折射 ：
波发生折射的原因：是波在不同介质中的速 度不同 注意： 1.当入射速度大于折射速度时，折射角折向 法线。 2.当入射速度小于折射速度时，折射角折离法 线。 3.当垂直界面入射时，传播方向不改变，属折 射中的特例。 4.在波的折射中，波的频率不改变，波速和波 长都发生改变。
v 340 【精讲精析】 (1)由 f＝ 得： f＝ Hz＝340 Hz. λ 1 因波的频率不变，则在海水中的波速为 v 海＝λf＝ 4.5×340 m/s＝1530 m/s. (2)入射波和反射波用时相同，则海水深为： t 0.5 s＝v 海 ＝1530× m＝382.5 m. 2 2
(3)物体与声音运动的过程示意图如图2－4－6所示
随堂练习
习题3：一列波以53°的入射角入射到两种 介质的交界面上，反射波刚好跟折射波垂直，若 入射波的波长为0.6米，那么折射波的波长为： ______m，反射波的波长为__________m。 （sin53°=0.8 cos37°=0.6）
高中物理新选修课件惠更斯原理及其应用
电磁学领域应用举例
电磁波的反射和折射
惠更斯原理适用于电磁波在不同介质中的传播，可以解释电磁波的反射和折射现象，有助 于理解光、无线电波等的传播特性。
电磁辐射
利用惠更斯原理，可以分析电磁辐射的特性，如辐射方向、强度分布等，进而探讨电磁辐 射与物质相互作用的问题。
电磁成像
惠更斯原理在电磁成像技术中有广泛应用，如雷达、遥感等，通过测量和分析电磁波的传 播特性，可以获取目标物体的形状、位置等信息。
衍射现象解释及条件分析
01 衍射现象
当波遇到障碍物或小孔时，会偏离直线传播路径 而绕到障碍物后面继续传播的现象，称为衍射。
02 衍射条件
发生衍射的波必须具有一定的波长和振幅，且遇 到与波长相当的障碍物或小孔。
03 单缝衍射
当单色光通过单缝后，在屏幕上形成中央亮纹、 两侧明暗相间的衍射条纹，这是光的波动性的一 种表现。
偏振现象解释及条件分析
01
偏振现象
光波在传播过程中，只沿着某一特定方向振动的现象，称为偏振。
02
偏振条件
产生偏振现象的光必须是横波，且具有一定的振动方向。
03
偏振片
利用晶体的双折射现象制成的薄片，可以使通过它的光发生偏振。当自
然光通过偏振片后，只有与偏振片透振方向一致的光才能通过，其他方
向的光被吸收或反射。
薄透镜成像规律推导
• 薄透镜成像规律：物体通过薄透镜成像，遵循透镜成像公式和放大率公式。利用惠更斯原理 可以推导出这些规律，即考虑物体上每一点发出的光线经过透镜后的折射情况，结合几何关 系得到成像位置和大小。
球面镜成像特点分析
• 球面镜成像特点：球面镜分为凸面镜和凹面镜，成像特点不同 。凸面镜成正立、缩小的虚像；凹面镜则根据物体与镜面的距 离不同，可以成倒立、放大的实像或正立、放大的虚像。惠更 斯原理可以帮助分析球面镜的成像特点，即考虑物体上每一点 发出的光线经过球面镜后的反射情况，结合几何关系得到成像 位置和大小。
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惠更斯原理及其应用
目标：①能看懂用波面和波线描述的波的情况
②了解波的反射、折射现象，知道波在反射、折射时所遵守的规律 重点：波的反射和折射规律
知识导航：
一、惠更斯原理
二、波的反射：
1．波的反射：波遇到障碍物会返回来继续传播，这种现象叫波的反射
2．波的反射规律：
①反射角=入射角
②反射波的波长、频率、波速跟入射波的相同
3．常见的声波反射现象：
①夏日雷声轰鸣不绝：声波在云层界面多次反射
②空房讲话会感到声音更响：
③回声：原声和回声相差0.1S 以上，人耳才能区分原声和回声
三、波的折射：
⒈波的折射：波从一种介质射入另一种介质时，传播的方向会改变，这种现象叫波的折射
⒉折射规律：①入射角i 、折射角r 和波速之间有下述关系： r Sin i Sin 2
1v
②在波的折射中，波的频率不变，波速和波长都发生变化。