第六章E波的干涉、衍射

1、第六章 E 波的干涉、衍射古代有一句成語：“隔墻有耳”。它的直接含義是，雖然說話的人與聽者之間隔一堵墻壁，但聽者照樣能夠聽到他說的話，如圖6-25（a）所示。這種現(xiàn)象表明，聲音在傳播過程中是能夠繞過障礙物的。還有一句成語叫“一葉障目，不見泰山”，它的含義是，一片葉子擋在眼前，使人連泰山也看不見了，如圖6-25（b）所示，這說明光是沿直線傳播的，光和聲音都是波，為什么聲音往往可以繞過障礙物，很容易被人們聽到，但光的“轉(zhuǎn)彎”現(xiàn)象卻很難被觀察到呢？要明白其中的道理，讓我們學(xué)習(xí)以下內(nèi)容吧。圖6-25觀察并比較兩列波在空間相遇和兩個(gè)球在空間相遇時(shí)所發(fā)生現(xiàn)象的區(qū)別，例如，在一個(gè)盛水的盆中同時(shí)產(chǎn)生兩列水波，

2、可以觀察到兩列水波相遇時(shí)所發(fā)生的現(xiàn)象，再看看桌球運(yùn)動中兩球相碰的情形，就不難找到答案。大家談如果有兩列波在空間相遇，猜想將會發(fā)生什么現(xiàn)象？請用自己的語言加以描述。自主活動如圖6-26所示，由兩個(gè)同學(xué)同時(shí)分別向上抖動一下繩的兩端，將會產(chǎn)生沿繩子傳播但方向相反的兩列波，觀察這兩列波在相遇前、相遇時(shí)和相遇后的波的圖形，并分別在圖中畫出觀察到的波形。圖6-26一、波的疊加當(dāng)兩列波相遇時(shí)，它們能保持原來的特性繼續(xù)傳播。在它們相遇的區(qū)域，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移是兩列波分別引起的位移的矢量和。圖6-27表示兩列波相遇時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移是兩列波分別引起的位移的矢量和，這兩列波的振動方向都沿圖中豎直方向，圖中細(xì)線箭頭表

3、示從左邊傳來一列波引起的位移，虛線箭頭表示從右邊傳來一列波引起的位移，粗線箭頭表示質(zhì)點(diǎn)的合位移，圖中粗線箭頭會遮住一部分細(xì)線或虛線，質(zhì)點(diǎn)的位置由合位移決定。圖6-27二、波的干涉下面我們來探究兩列頻率及其他振動情況相同的波疊加后將發(fā)生的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。探索研究【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】觀察水波的干涉現(xiàn)象。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹坑^察兩列頻率相同的水波相遇時(shí)發(fā)生的干涉現(xiàn)象。【實(shí)驗(yàn)器材】發(fā)波水槽、變頻電動機(jī)、電源等，如圖6-28所示。圖6-28【實(shí)驗(yàn)步驟】打開變頻電動機(jī)電源；調(diào)節(jié)兩小球擊水深度和頻率；觀察兩列波疊加區(qū)域水面的波形；改變實(shí)驗(yàn)條件，使兩個(gè)小球以不同頻率擊水，觀察不同頻率的兩列波疊加時(shí)，水面的波形

4、。【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】_。頻率及其他振動情況相同的兩列波疊加以后，某些區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的振動加強(qiáng)，某些區(qū)域質(zhì)點(diǎn)的振動減弱；這些區(qū)域是互相間隔的；而且這些區(qū)域的分布是穩(wěn)定的，這種現(xiàn)象叫做波的干涉現(xiàn)象。圖6-29圖6-29是兩列同頻率水波疊加時(shí)所獲得的干涉圖樣照片，與實(shí)驗(yàn)中觀察到的波形類似。兩列波的頻率相等是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象的必要條件。波的干涉是波的重要特性之一。大家談?lì)l率不同的波在空間疊加后能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象嗎？為什么？下面我們進(jìn)一步分析，干涉圖樣是怎樣產(chǎn)生的。如前所述，在兩列波疊加的區(qū)域，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的位移是兩列波分別引起的位移的矢量和。如果兩個(gè)分位移方向相同，振動加強(qiáng)，兩個(gè)分位移方向相反，振動減弱，而如果兩列波頻率

5、相等，則振動加強(qiáng)和振動減弱的區(qū)域是穩(wěn)定分布的，圖6-30表示干涉圖樣的分布規(guī)律，S1、S2表示兩個(gè)振源，實(shí)線大圓圈表示波峰，虛線大圓圈表示波谷，小圓點(diǎn)表示振動加強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)，小圓圈表示振動減弱的質(zhì)點(diǎn)，加強(qiáng)和減弱的區(qū)域間隔分布。圖6-30圖6-31是一幅三維的干涉圖樣，在播放課件的活動畫面時(shí)，可以清楚地看到，A、C、E點(diǎn)位于振動的加強(qiáng)區(qū)，振幅最大，B、D點(diǎn)位于振動的減弱區(qū)，基本保持靜止不動。圖6-31ABCDE三、波的衍射下面我們討論本節(jié)開始時(shí)提到的關(guān)于“隔墻有耳”和“一葉障目”的問題。自主活動列舉生活中類似于“隔墻有耳”的例子。探索研究在發(fā)波水槽中產(chǎn)生一列水波，然后用一支圓珠筆插入水中，如圖6-32所示，觀察圓珠筆對波的傳播有沒有影響。圖6-32觀察到的現(xiàn)象是_。在上面的實(shí)驗(yàn)中，如果將一塊木板插入水槽，使障礙物的尺寸比波長大得多，觀察到的現(xiàn)象是_。由該實(shí)驗(yàn)可得出結(jié)論：當(dāng)障礙物的尺寸比波長大很多時(shí)，_。當(dāng)障礙物的尺寸與波長差不多時(shí)，_。以上是波遇到障礙物的情況，如果波遇到狹縫或小孔，又將如何？在圖6-33所示的實(shí)驗(yàn)照片中，當(dāng)水波中的狹縫寬度與波長相差不多的情況下，水波可以繞過狹縫邊緣繼續(xù)傳播；當(dāng)水波中的狹縫寬度比波長大很多時(shí)，波幾乎不能繞過狹縫邊緣而只能沿直線傳播。圖6-33由以上探究可知，波能繞過障礙物而繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫做波的衍射，衍射也是波的重要特性，但觀察到明顯衍射現(xiàn)