1、 第十二章 机械 波 4、波的反射和折射 1818世纪世纪，意大利教士兼生物学家斯帕兰扎意大利教士兼生物学家斯帕兰扎 尼研究蝙蝠在夜间活动时尼研究蝙蝠在夜间活动时，发现蝙蝠是靠发现蝙蝠是靠 高频率的尖叫来确定障碍物的位置的高频率的尖叫来确定障碍物的位置的。这这 种尖叫声在每秒种尖叫声在每秒2 2万到万到1010万赫兹之间万赫兹之间，我我 们的耳朵对这样频率范围内的声波是听不们的耳朵对这样频率范围内的声波是听不 到的到的。这样的声波称为超声波这样的声波称为超声波。蝙蝠发出蝙蝠发出 超声波超声波，然后借助物体反射回来的回声然后借助物体反射回来的回声， 就能判断出所接近的物体的大小就能判断出所接近的
2、物体的大小、形状和形状和 运动方式运动方式。 蝙蝠的蝙蝠的“眼睛眼睛” 隐形飞机隐形飞机F F117117 雷达确定目标雷达确定目标 示意图示意图 雷达是利用无线电波发现目标，雷达是利用无线电波发现目标， 并测定其位置的设备。由于无并测定其位置的设备。由于无 线电波具有恒速、定向传播的线电波具有恒速、定向传播的 规律，因此，当雷达波碰到飞规律，因此，当雷达波碰到飞 行目标行目标( (飞机、导弹）等时，一飞机、导弹）等时，一 部分雷达波便会反射回来，根部分雷达波便会反射回来，根 据反射雷达波的时间和方位便据反射雷达波的时间和方位便 可以计算出飞行目标的位置。可以计算出飞行目标的位置。 由于一般飞
3、机的外形比较复杂由于一般飞机的外形比较复杂， 总有许多部分能够强烈反射雷总有许多部分能够强烈反射雷 达波达波，因此整个飞机表面涂以因此整个飞机表面涂以 黑色的吸收雷达波的涂料黑色的吸收雷达波的涂料。 一、波面和波线 波面：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 波线：用来表示波的传播方向的跟各个 波面垂直的线叫做波线 惠 更 斯 C.Huygens 荷兰物理学家荷兰物理学家 (1629-1695) 二、惠更斯原理二、惠更斯原理 波动所到达的媒质中各点，都可以波动所到达的媒质中各点，都可以 看作为发射子波的波源，而后一时刻这看作为发射子波的波源，而后一时刻这 些子波的包迹便是新
4、的波阵。些子波的包迹便是新的波阵。 三、惠更斯原理内容三、惠更斯原理内容 介质中任一波阵面上的各点介质中任一波阵面上的各点， 都是发射子波的都是发射子波的 新波源新波源，其后任意时刻其后任意时刻，这些子波的包络面就是新的这些子波的包络面就是新的 波阵面波阵面。 根据惠更斯原理，只要知道某一时刻的波阵面，根据惠更斯原理，只要知道某一时刻的波阵面， 就可以确定下一时刻的波阵面。就可以确定下一时刻的波阵面。 利用惠更斯原理可以由已知的波面通过几何利用惠更斯原理可以由已知的波面通过几何 作图方法确定下一时刻的波面，从而确定波作图方法确定下一时刻的波面，从而确定波 的传播方向。例如当波在均匀的各向同性介
5、的传播方向。例如当波在均匀的各向同性介 质中传播时，用上述作图法求出的波面的几质中传播时，用上述作图法求出的波面的几 何形状总是保持不变的。何形状总是保持不变的。 t t时刻波面时刻波面 波传播方向波传播方向 t+t+ t t时刻波面时刻波面 平面波平面波 u t t+ t 球面波球面波 . . . . . . . . . t 时刻的波面时刻的波面 t + t 时刻的波面时刻的波面 子波波源子波波源 t u 用惠更斯原理确定用惠更斯原理确定 下一时刻平面波的波前下一时刻平面波的波前 用惠更斯原理确定 下一时刻球面波的波前 . . . . . . . . . . . . . . . . 子波波源
6、子波波源 t + t 时刻时刻 的波面的波面 t 时刻时刻 的波面的波面 t u 四、波的反射 波遇到障碍物会返回来继续传播， 这种现象叫做波的反射 反射规律 入射角（i i）和反射角（ii）：入射波的波 线与平面法线的夹角i i叫做入射角反射波的 波线与平面法线的夹角i i 叫做反射角 反射定律：入射线、法线、反射线在同一平反射定律：入射线、法线、反射线在同一平 面内，入射线与反射线分居法线两侧，反射面内，入射线与反射线分居法线两侧，反射 角等于入射角。角等于入射角。 反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同 波遇到两种介质界面时，总存在反射 练习练习1： 某人想听到自己发出的声音的某人想听到
7、自己发出的声音的 回声回声，若已知声音在空气中的传播速度若已知声音在空气中的传播速度 为为340 m/s，那么它至少要离障碍物多远那么它至少要离障碍物多远? 五、波的折 射 波的折射：波从一种介质进入另一种介质 时，波的传播方向发生了改变的现象叫做波 的折射 折射规律： 1、折射角（r r）：折射波的波线与两介 质界面法线的夹角r r叫做折射角 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： 2 1 sin sin v v r i 折射波的频率、波速、波长与入射波的相等吗？折射
8、波的频率、波速、波长与入射波的相等吗？ 为何为何 ？ 折射规律折射规律 c：折射波的波速：折射波的波速、波长均发生波长均发生 改变改变 a：入射波波线与折射波波线及：入射波波线与折射波波线及 界面法线在同一平面内；界面法线在同一平面内； b：折射波频率等于入射波频率：折射波频率等于入射波频率. 波速不同波速不同 传播方向改变传播方向改变 2 1 sin sin v v r i 折射率： 1 12 2 v n v 由于一定的介质中的波速是一定的，所以由于一定的介质中的波速是一定的，所以 是一个只与两种介质的性质有关 是一个只与两种介质的性质有关 而与入射角度无关的常数，叫做第二种介而与入射角度无
9、关的常数，叫做第二种介 质对第一种介质的折射率质对第一种介质的折射率 由惠更斯原理，由惠更斯原理，A、B为同一波面上的两点，为同一波面上的两点，A、 B点会发射子波，点会发射子波， i r A B C D i 2 ut r 1 ut 经经t后，后， B点发射的子波到达界点发射的子波到达界 面处面处D点，点， A点的到达点的到达C点，点， sin BD i AD 1 ut AD sin AC r AD 2 ut AD 1 2 sin sin ui ru 1 2 / / t t 1 2 21 n 证毕证毕 定理证明定理证明: 当入射速度大于折射速度时，折射角折向法线. . 当入射速度小于折射速度时
10、，折射角折离法线. . 当垂直界面入射时，传播方向不改变，属折射 中的特例 在波的折射中，波的频率不改变，波速和波长 都发生改变 波发生折射的原因：是波在不同介质中的速度 不同 波波 的的 反反 射射 规律规律 ： 1入射波波线反射波波线和法线在入射波波线反射波波线和法线在 同一平面内同一平面内 反射角等于入射角反射角等于入射角 定义：波遇障碍物返回继续传播叫波的反射定义：波遇障碍物返回继续传播叫波的反射。 小小 结结 规律规律： 波波 的的 折折 射射 定义：定义：波从一种介质射入另一种介质时，传播波从一种介质射入另一种介质时，传播 方向会发生改变，这种现象叫波的折射。方向会发生改变，这种现
11、象叫波的折射。 入射波波线折射波波线和法线在同入射波波线折射波波线和法线在同 一平面内一平面内 2 1 sin sin v v r i 人体各个内脏的表面对超声人体各个内脏的表面对超声 波的反射能力是不同的，健康波的反射能力是不同的，健康 内脏和病变内脏的反射能力也内脏和病变内脏的反射能力也 不一样平常说的“不一样平常说的“B超”就是超”就是 根据内脏反射的超声波进行造根据内脏反射的超声波进行造 影，帮助医生分析体内的病变影，帮助医生分析体内的病变 的。的。 “B超”是亮度调制型超声诊超”是亮度调制型超声诊 断仪的简称。由于能在荧光屏断仪的简称。由于能在荧光屏 上显示出断面图像，所以又称上显示出断面图像，所以又称 断面显像仪。断面显像仪。 它所显示的图像具有与人体解剖位置直接对应的特点，所它所显示的图像具有与人体解剖位置直接对应的特点，所 以十分直观，使用方便，诊断正确率高。近年来，以十分直观，使用方便，诊断正确率高。近年来，B型超型超 声显象仪已被用于许多脏器的检查，但脑和眼等部位的辅声显象仪已被用于许多脏器的检查，但脑和眼等部位的辅 助检查仍以助检查仍以A型为主。型为主。 B 超超
