12.4波的衍射和干涉

1、思考與猜想,在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)運(yùn)動(dòng)的小球碰到障礙物時(shí)，將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？若運(yùn)動(dòng)的小球碰到小孔呢？若兩小球相碰呢？,波動(dòng)是一種非常特殊的運(yùn)動(dòng)形式，如果是正在傳遞的機(jī)械波，碰到了上述的三種情況，又會(huì)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(shí)會(huì)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(shí)

2、驗(yàn)研究,1、當(dāng)水波的波長(zhǎng)逐漸變大時(shí)，現(xiàn)象如下：,2、當(dāng)擋板的小孔逐漸變小時(shí)，現(xiàn)象如下：,實(shí)驗(yàn)結(jié)論,1、窄縫或障礙物的寬度與波長(zhǎng)相比非常大時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)相差不多時(shí)，或者比波長(zhǎng)更小時(shí)，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(gè)狹縫，觀察水波通過狹縫后的傳播情況。,保持水波的波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)?zāi)M,水波傳遞中遇到與波長(zhǎng)差不多尺寸的小孔時(shí)：,水波傳遞中通過小孔時(shí)，相當(dāng)于在小孔處衍生出一個(gè)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(zhǎng)相差不多，或者比波長(zhǎng)更小時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象。,2、衍射的實(shí)質(zhì)：振動(dòng)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？,生活現(xiàn)象,點(diǎn)擊下圖觀看實(shí)驗(yàn),結(jié)論：兩列波相遇時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(shí)刻,3、相遇過程,4、相遇后,實(shí)驗(yàn)研究,幾列波在同一介質(zhì)中傳播，在介質(zhì)中某一點(diǎn)（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(dú)立傳播原理,在幾列波重疊的區(qū)域里，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)同時(shí)參與這幾列波所產(chǎn)生的振動(dòng)，每一質(zhì)點(diǎn)仍然是在各自的平衡位置附近做振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移等于這幾列波單獨(dú)傳播時(shí)引起的

6、位移的矢量和。,,,,波相遇時(shí)位移的特點(diǎn),幾列波相遇時(shí)能夠保持各自的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)同時(shí)參與這幾列波引起的振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)的位移等于這幾列波單獨(dú)傳播時(shí)引起的位移的矢量和。,波的疊加原理,獨(dú)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(diǎn)的振動(dòng)最強(qiáng)烈——加強(qiáng),峰谷相遇，引起質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)最弱——減弱,如果希望a點(diǎn)的振動(dòng)總能被加強(qiáng)（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(shí)，在它們重疊的區(qū)域會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？我們先觀察下面的現(xiàn)象。,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：兩列波相遇后，在振動(dòng)著的水面上，出現(xiàn)了一條條從兩個(gè)波源中間伸展出來的相對(duì)平靜的區(qū)域和激烈振動(dòng)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(dòng)加強(qiáng)，某些區(qū)域的振動(dòng)減弱，而且振動(dòng)加強(qiáng)和振動(dòng)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(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域總是加強(qiáng)，振動(dòng)減弱的區(qū)域總是減弱。,把相應(yīng)的振動(dòng)最激烈的質(zhì)點(diǎn)連起來，就是振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)；相應(yīng)的振動(dòng)最不激烈或靜止的質(zhì)點(diǎn)連起來，就是振動(dòng)減弱區(qū)，且振動(dòng)加強(qiáng)區(qū)和振動(dòng)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(shí)能出現(xiàn)振動(dòng)始終加強(qiáng)的區(qū)域呢？,如果在某一時(shí)刻，在水面上的某一點(diǎn)是兩列波的波峰和波峰相遇，經(jīng)過半個(gè)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(shí)，質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)，始終是兩列波干涉的加強(qiáng)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)最激烈。,思考與討論,為什么兩列波相遇時(shí)能出現(xiàn)振動(dòng)始終減弱的區(qū)域呢？,如果在某一時(shí)刻，在水面上的某一點(diǎn)是兩列波的波峰和波谷相遇，經(jīng)過半個(gè)周期，就變成波谷和波峰相遇，在這一點(diǎn),思考與討論,兩列波引起的振動(dòng)始終是減弱的，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(diǎn)振動(dòng)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(dòng)加強(qiáng)的區(qū)域始終加強(qiáng)是不是指該處的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移總是為最大值？振動(dòng)減弱的區(qū)域始終減弱是不是指該處的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移總是為最小值？,結(jié)論：振動(dòng)加強(qiáng)（或減弱）的區(qū)域是指質(zhì)點(diǎn)的

11、振幅達(dá)最大值（或最小值），而不是指振動(dòng)的位移，因?yàn)椴还苁羌訌?qiáng)區(qū)還是減弱區(qū)，質(zhì)點(diǎn)都在作振動(dòng)，它們的位移是時(shí)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(qiáng)區(qū)處的任一質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)為振動(dòng)加強(qiáng)點(diǎn)：,假設(shè)在兩列波的疊加區(qū)域有一個(gè)P點(diǎn)，它到兩列波源的距離分別為S1、S2，兩列波的波長(zhǎng)為λ，則有,（n = 0,1,2,……）,則有P點(diǎn)到兩列波的波源的距離差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍或半個(gè)波長(zhǎng)的

12、偶數(shù)倍。,2、若P點(diǎn)為振動(dòng)減弱點(diǎn)：,則有P點(diǎn)到兩列波的波源的距離差等于半個(gè)波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。,（n = 0,1,2,……）,波的干涉,生活實(shí)例：聲波的干涉——操場(chǎng)上裝有很多個(gè)相同的揚(yáng)聲器，當(dāng)它們同時(shí)發(fā)聲時(shí)，若繞操場(chǎng)一周，將會(huì)聽到某些地方聲音加強(qiáng)，某些地方聲音減弱。,生活中波的干涉實(shí)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(duì)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(zhǎng)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(shí)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(qiáng)B、相遇后，兩列波的振動(dòng)情況與相遇前完全相同C、在相遇區(qū)域，任一點(diǎn)的總位移等于兩列波分別引起的位移的矢量和D、幾個(gè)人在同一房間

14、說話，相互聽得清楚，這說明聲波在相遇時(shí)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(dòng)加強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)，始終處于最大位移處B、振動(dòng)加強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)的位移，有時(shí)會(huì)小于振動(dòng)削弱的質(zhì)點(diǎn)的位移C、波峰與波峰相遇處的質(zhì)點(diǎn)，其振動(dòng)始終加強(qiáng)D、波峰與波谷相遇處的質(zhì)點(diǎn)，其振動(dòng)始終削弱,BCD,課堂練習(xí),5、如圖所示，A、B為兩個(gè)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(diǎn)相遇時(shí)，則（ ）

15、A、P點(diǎn)振動(dòng)始終加強(qiáng)B、P點(diǎn)振動(dòng)有時(shí)加強(qiáng)，有時(shí)減弱C、P點(diǎn)位移始終等于振幅D、P點(diǎn)位移有時(shí)為零,AD,課堂練習(xí),6、如圖所示，S1、S2是兩個(gè)相干波源，它們振動(dòng)同步且振幅相同。實(shí)線和虛線分別表示在某一時(shí)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(diǎn)，下列說法中正確的有（ ）A、該時(shí)刻a質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最弱， b、c質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最強(qiáng)，d質(zhì)點(diǎn) 振動(dòng)既不是最強(qiáng)也不是最弱 B、該時(shí)刻a質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)最弱， b、c、d質(zhì)

16、點(diǎn)振動(dòng)都最強(qiáng)C、a質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)始終是最弱的， b、c、d質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)始終是最強(qiáng)的D、再過T/4后的時(shí)刻a、b、c三個(gè)質(zhì)點(diǎn)都將處于各自的平衡位置，因此振動(dòng)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(shí)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(zhǎng)分別為1m/s和0.5m，C點(diǎn)是BE連線的中點(diǎn)，下列說法中正確的是 （ ）A．C、E兩點(diǎn)都保持靜止不動(dòng)B．圖示時(shí)刻A