12.4波的衍射和干涉

1、思考與猜想,在機械運動中，當(dāng)運動的小球碰到障礙物時，將會發(fā)生什么現(xiàn)象？若運動的小球碰到小孔呢？若兩小球相碰呢？,波動是一種非常特殊的運動形式，如果是正在傳遞的機械波，碰到了上述的三種情況，又會看到什么現(xiàn)象呢？,五、波 的 衍 射,§12.4 波的衍射和干涉,生活現(xiàn)象,海面上有大小不一的礁石，水波在傳遞過程中遇上它們時會有什么不同呢？,1、定義：波可以繞過障礙物繼續(xù)傳播的現(xiàn)象叫做波的衍射。,波的衍射(diffraction),實

2、驗研究,1、當(dāng)水波的波長逐漸變大時，現(xiàn)象如下：,2、當(dāng)擋板的小孔逐漸變小時，現(xiàn)象如下：,實驗結(jié)論,1、窄縫或障礙物的寬度與波長相比非常大時，水波將直線傳播，觀察不到衍射現(xiàn)象。,2、窄縫或障礙物的寬度比波長大得越多，衍射現(xiàn)象越不明顯；,3、窄縫或障礙物的寬度與波長相差不多時，或者比波長更小時，才有明顯的衍射現(xiàn)象。,在水槽里放兩塊擋板，中間留有一個狹縫，觀察水波通過狹縫后的傳播情況。,保持水波的波長不變，改變狹縫的寬度，觀察水波的傳播情況有

3、什么變化。,實驗?zāi)M,水波傳遞中遇到與波長差不多尺寸的小孔時：,水波傳遞中通過小孔時，相當(dāng)于在小孔處衍生出一個新的與波源P類似的波源Q，稱為子波源。,波源P,衍生波源Q,1、只有縫、孔的寬度或障礙物的尺寸跟波長相差不多，或者比波長更小時，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。,2、衍射的實質(zhì)：振動的形式和能量傳到障礙物后方的陰影區(qū)域中。,發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象的條件,思考：衍射中真的是孔或障礙物的尺寸越小越好嗎？,當(dāng)孔或障礙物的尺寸過小時，由于衍射到后方

4、的能量較弱，故衍射現(xiàn)象仍不明顯。,2、具體實例：,1）聲波的衍射,——隔墻有耳,2）電磁波的衍射,——收看電視,波的衍射實例,1、衍射是波特有的現(xiàn)象，一切波都能發(fā)生衍射。但要發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象需要滿足一定的條件，當(dāng)不滿足時，衍射現(xiàn)象雖然存在，但由于是不明顯的衍射現(xiàn)象，不易被我們觀察到。,池塘中兩水波相遇時，會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？,生活現(xiàn)象,點擊下圖觀看實驗,結(jié)論：兩列波相遇時，位移發(fā)生合成變化；相遇后，波的形狀和傳播的情形都跟相遇前一樣，都

5、保持各自的運動狀態(tài)繼續(xù)傳播，彼此之間沒有互相影響。,1、相遇前,2、相遇時刻,3、相遇過程,4、相遇后,實驗研究,幾列波在同一介質(zhì)中傳播，在介質(zhì)中某一點（或某一區(qū)域）相遇后，每一列波都能夠保持各自的狀態(tài)繼續(xù)沿著原來的方向向前傳播，彼此之間互不干擾，好象沒有遇到另一列波一樣。,波的獨立傳播原理,在幾列波重疊的區(qū)域里，介質(zhì)的質(zhì)點同時參與這幾列波所產(chǎn)生的振動，每一質(zhì)點仍然是在各自的平衡位置附近做振動，質(zhì)點振動的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的

6、位移的矢量和。,,,,波相遇時位移的特點,幾列波相遇時能夠保持各自的運動狀態(tài)，繼續(xù)傳播，在它們重疊的區(qū)域里，介質(zhì)的質(zhì)點同時參與這幾列波引起的振動，質(zhì)點的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的矢量和。,波的疊加原理,獨立性：λ T f V A 不變,疊加：A=A1+A2,,,,峰峰相遇、谷谷相遇，引起質(zhì)點的振動最強烈——加強,峰谷相遇，引起質(zhì)點的振動最弱——減弱,如果希望a點的振動總能被加強（或減弱），應(yīng)該具備什么條件？,a,

7、,兩列頻率相同的波相遇時，在它們重疊的區(qū)域會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？我們先觀察下面的現(xiàn)象。,實驗結(jié)果：兩列波相遇后，在振動著的水面上，出現(xiàn)了一條條從兩個波源中間伸展出來的相對平靜的區(qū)域和激烈振動的區(qū)域，這兩種區(qū)域在水面上的位置是固定的，而且相互隔開。,1、定義： 頻率相同的兩列波疊加，使某些區(qū)域的振動加強，某些區(qū)域的振動減弱，而且振動加強和振動減弱的區(qū)域相互隔開的現(xiàn)象叫做波的干涉。,2、干涉圖樣：由波的干涉所形成的圖樣,波的干涉(interfe

8、rence),特征——振動加強的區(qū)域總是加強，振動減弱的區(qū)域總是減弱。,把相應(yīng)的振動最激烈的質(zhì)點連起來，就是振動加強區(qū)；相應(yīng)的振動最不激烈或靜止的質(zhì)點連起來，就是振動減弱區(qū)，且振動加強區(qū)和振動減弱區(qū)是相互間隔著出現(xiàn)的。,波的干涉(interference),為什么兩列波相遇時能出現(xiàn)振動始終加強的區(qū)域呢？,如果在某一時刻，在水面上的某一點是兩列波的波峰和波峰相遇，經(jīng)過半個周期，就變成波谷和波谷相遇。波峰和波峰、波谷和波谷相遇,時，質(zhì)點的位

9、移都是最大，等于這兩列波的振幅之和，因此在這一點，始終是兩列波干涉的加強點，質(zhì)點的振動最激烈。,思考與討論,為什么兩列波相遇時能出現(xiàn)振動始終減弱的區(qū)域呢？,如果在某一時刻，在水面上的某一點是兩列波的波峰和波谷相遇，經(jīng)過半個周期，就變成波谷和波峰相遇，在這一點,思考與討論,兩列波引起的振動始終是減弱的，質(zhì)點振動的振幅等于兩列波的振幅之差，如果兩列波的振幅相同，質(zhì)點振動的振幅就等于零，水面保持平靜。,形成穩(wěn)定干涉圖樣的條件,兩列波相遇疊加不

10、一定能得到穩(wěn)定的干涉圖樣，而要產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉現(xiàn)象，形成穩(wěn)定的干涉圖樣，則需要滿足一定的條件，產(chǎn)生穩(wěn)定明顯的干涉圖樣的條件是1、兩列波的頻率相同 2、兩波源相位差恒定。,注意：波的干涉是波的疊加的特殊情形，一切波都能發(fā)生干涉，干涉和衍射都是波的特有現(xiàn)象。,振動加強的區(qū)域始終加強是不是指該處的質(zhì)點的振動位移總是為最大值？振動減弱的區(qū)域始終減弱是不是指該處的質(zhì)點的振動位移總是為最小值？,結(jié)論：振動加強（或減弱）的區(qū)域是指質(zhì)點的

11、振幅達(dá)最大值（或最小值），而不是指振動的位移，因為不管是加強區(qū)還是減弱區(qū)，質(zhì)點都在作振動，它們的位移是時刻在變化的。,思考與討論,試從水波的干涉圖樣中分析出各加強區(qū)處的任一質(zhì)點到兩波源之間的距離存在什么規(guī)律？減弱區(qū)呢？,思考與討論,1、若P點為振動加強點：,假設(shè)在兩列波的疊加區(qū)域有一個P點，它到兩列波源的距離分別為S1、S2，兩列波的波長為λ，則有,（n = 0,1,2,……）,則有P點到兩列波的波源的距離差等于波長的整數(shù)倍或半個波長的

12、偶數(shù)倍。,2、若P點為振動減弱點：,則有P點到兩列波的波源的距離差等于半個波長的奇數(shù)倍。,（n = 0,1,2,……）,波的干涉,生活實例：聲波的干涉——操場上裝有很多個相同的揚聲器，當(dāng)它們同時發(fā)聲時，若繞操場一周，將會聽到某些地方聲音加強，某些地方聲音減弱。,生活中波的干涉實例,AD,1、下列關(guān)于波的衍射說法正確的是（ ）A、衍射是一切波特有的現(xiàn)象B、對同一列波，縫、孔或障礙物越小， 衍射現(xiàn)象越明顯C、只有橫波才能發(fā)

13、生衍射現(xiàn)象，縱波不 能發(fā)生衍射現(xiàn)象D、聲波容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，由于聲波波 長較大,課堂練習(xí),2、下列關(guān)于波的衍射圖象正確的是（ ）,BC,注意:有孔衍射的子波源在小孔處,課堂練習(xí),3、下列關(guān)于兩列波相遇時疊加的說法中正確的是（ ）A、相遇后，振幅小的一列波將減弱，振幅大的一列波將加強B、相遇后，兩列波的振動情況與相遇前完全相同C、在相遇區(qū)域，任一點的總位移等于兩列波分別引起的位移的矢量和D、幾個人在同一房間

14、說話，相互聽得清楚，這說明聲波在相遇時互不干擾,BCD,課堂練習(xí),4、兩列波發(fā)生了干涉現(xiàn)象，得到了干涉圖樣，則（ ）A、振動加強的質(zhì)點，始終處于最大位移處B、振動加強的質(zhì)點的位移，有時會小于振動削弱的質(zhì)點的位移C、波峰與波峰相遇處的質(zhì)點，其振動始終加強D、波峰與波谷相遇處的質(zhì)點，其振動始終削弱,BCD,課堂練習(xí),5、如圖所示，A、B為兩個完全相同的相干波源，它們產(chǎn)生的兩列波在AB連線的中垂線上的P點相遇時，則（ ）

15、A、P點振動始終加強B、P點振動有時加強，有時減弱C、P點位移始終等于振幅D、P點位移有時為零,AD,課堂練習(xí),6、如圖所示，S1、S2是兩個相干波源，它們振動同步且振幅相同。實線和虛線分別表示在某一時刻它們所發(fā)出的波的波峰和波谷。關(guān)于圖中所標(biāo)的a、b、c、d四點，下列說法中正確的有（ ）A、該時刻a質(zhì)點振動最弱， b、c質(zhì)點振動最強，d質(zhì)點 振動既不是最強也不是最弱 B、該時刻a質(zhì)點振動最弱， b、c、d質(zhì)

16、點振動都最強C、a質(zhì)點的振動始終是最弱的， b、c、d質(zhì)點的振動始終是最強的D、再過T/4后的時刻a、b、c三個質(zhì)點都將處于各自的平衡位置，因此振動最弱,BC,課堂練習(xí),7、如圖所示表示兩列相干水波的疊加情況，圖中的實線表示波峰，虛線表示波谷。設(shè)兩列波的振幅均為5cm，且圖示的范圍內(nèi)振幅不變，波速和波長分別為1m/s和0.5m，C點是BE連線的中點，下列說法中正確的是 （ ）A．C、E兩點都保持靜止不動B．圖示時刻A