10.5 波的衍射

教学目标

1．知道什么是波的衍射现象．

2．知道波发生明显衍射现象的条件． 3．知道衍射是波特有的现象． 新课引入

上节课我们学习了波遇到较大的障碍物会发生反射现象，波从一种介质射入另一种介质时，会发生折射现象．若波遇到缝、孔或较小的障碍物会发生什么现象呢？

大家都熟悉“闻其声不见其人”的物理现象，通过这节课的学习，就会知道，原来波遇到狭缝、小孔或较小的障碍物时会产生一种特有得现象，这就是波的衍射。 一、波的衍射

1、演示：用发波水槽做实验

a、在发波水槽中，波源的前方放一个障碍物（小挡板），使波源振动发波，当障碍物较大时，发现波被阻挡，在靠近障碍物后面没有波，也就是留下了“影子”，只是在离障碍物较远处，波才稍微有些绕到“影子”区域里，发生衍射现象，但不明显；当障碍物较小时发现波能绕过障碍物继续前进，如同障碍物不存在一样，衍射明显。

b、在发波水槽中，在波源前放一个有孔的屏，使波源振动发波，当孔较大时发现水波经过孔后再连接波源和孔的两条直线所的区域里传播，只是在较远处，波才稍微有些绕到“影子”区域里，发生衍射现象，但不明显；当孔较小时，发现孔后的整个区域里传播着以孔为中心的圆形波，衍射现象明显。

2、波的衍射：波在传播过程中遇到障碍物时，能够绕过障碍物的边缘继续传播的现象叫做波的衍射现象。

3、结论：

①衍射现象是波所特有的现象，一切波都会产生衍射现象； ②衍射现象总是存在的，只有明显和不明显的区别。 二、发生明显衍射现象的条件

1、演示：在水波槽里放两块挡板，当中留一窄缝，观察波源发出的水波通过窄缝后怎样传播？

①保持水波的波长不变，改变窄缝的宽度（缝由窄到宽改变），观察波的传播情况有什么变化？将实验现象没影在屏幕上．

观察到的现象：在窄缝的宽度跟波长相差不多的情况下，发生明显的衍射现象，水波绕到挡板后面继续传播．

在窄缝的宽度比波长大得多的情况下，波在挡板后面的传播就如同光线沿直线传播一样，在挡板后面留下了“阴影区”．

②保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长（由小到大），将实验现象投影在屏幕上．

可以看到：在缝宽不变的情况下，波长越长，衍射现象越明显． 2、演示结论：

窄缝宽度跟波长相差不多时，有明显的衍射现象； 窄缝宽度比波长大得越多，衍射现象越不明显；

窄缝宽度跟波长相比非常大时，水波将直线传播，观察不到衍射现象．

发生明显衍射现象的条件：只有缝、孔的宽度或障碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象．

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3、说明：

①障碍物或孔的尺寸大小，并不是决定衍射能否发生的条件，仅是衍射现象明显表现的条件，一般情况下，波长较大的容易产生明显的衍射现象。

②波传到小孔（或障碍物）时，小孔（或障碍物）仿佛一个新的波源，由它发生与原来同频率的波（称为子波）在孔后传播，于是就出现了衍射现象。

③当孔的尺寸远小于波长时，尽管衍射十分突出，但由于能量的减弱，衍射现象不容易观察到。

三、用惠更斯原理解释波的衍射现象：

当平面波到达障碍物AB上的一条狭缝时，缝上各点可看成是子波的波源，各子波源都发出球形子波。其波阵面的几何形状和波的传播方向均发生改变，这些子波的包络面已不再是平面。靠近狭缝的边缘处，波面弯曲，波线改变了原来的方向，即绕过了障碍物继续前进。衍射现象明显与否，与缝和障碍物的尺寸有关。

例如，当平面波通过一缝时，若缝的宽度远大于波的波长，波表现为直线传播；若缝的宽度略大于波长，在缝的中部，波的传播仍保持原来的方向；在缝的边缘处，波阵面弯曲，波的传播方向改变，波绕过障碍物向前传播；若缝的宽度小于波长（相当于小孔），衍射现象更加明显，波阵面由平面变成球面。

（1）平面波通过宽度略大于波长的缝时，在缝的中部，波的传播仍保持原来的方向，在缝的边缘处，波阵面弯曲，波的传播方向改变，波绕过障碍物向前传播。 （2）平面波通过宽度（线度）小于波长的缝时（相当于小孔），衍射现象更加明显，波阵面由平面变成球面。

（设波阵面为直线形的水波，到达障碍物的缝时，缝上各点成为新的子波源．以这些子波源为中心作半径为vt（v为波速）的半圆面，再作与半圆面相切的包面，这个包面就是波通过缝后在时刻t的波面．从图中可以看出，直线形水波通过缝后，除与缝的宽度相等部分的波面仍为直线外，在缝的边缘处，波面的相当大的一部分发生了弯曲，传播到了障碍物的后面，这就是衍射现象．

当缝的大小（或障碍物的大小）跟波长相差不多时就发生明显的衍射现象．如果缝很宽，其宽度远大于波长，则波通过缝后基本上是沿直线传播的，衍射现象就很不明显了． ）

用惠更斯原理虽然能定性地解释衍射现象，但不能对衍射现象作出定量的分析．19世纪初法国物理学家菲涅耳补充了惠更斯原理，他认为任一时刻的波面并不是简单地由子波的包迹形成的，而是它们互相干涉的结果．经过这样补充的惠更斯-菲涅耳原理，能够确切地解释波的衍射现象 四、波的衍射的应用：

在技术上凡需要定向传播信号，就必须利用波长较短的波，例如：用雷达探测物体和测定物体的远近时，需要把雷达发出的信号对准物体的方向发射出去，并从该物体上反射回来后被雷达所接受，这就需要用波长数量级为几厘米或几毫米的电磁波。

广播电台在播送节目时要采用波长数量级为几十米或几百米的无线电波。使的无线电收音机无论放到哪里，都能收到电台的广播

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泰山佛光是岱顶奇观之一．每当云雾弥漫的清晨或傍晚，游人站在较高的山头上,顺光而视，就可能看到缥缈的雾幕上，呈现出一个内蓝外红的彩色光环，将整个人影或头影映在里面，恰似佛象头上方五彩斑斓的光环，故得名“佛光”或“宝光”．泰山佛光是一种光的衍射现象，它的出现是有条件的．据记载，泰山佛光大多出现在6-8月中半晴半雾的天气，而且是太阳斜照之时．

奇怪的泊松亮斑

在多数人心中都认为光是沿直线传播的，光不可能离开直线路径绕到障碍物阴影里去，但是取一个不透光的屏，在它的中间装上一个宽度可以调节的狭缝，用平行的单色光照射，在缝后适当距离处放一个光屏．可以看到，当缝比较宽时，光沿直线传播，在光屏上产生一条跟缝宽度相当的亮线，若缝调到很窄时，光通过缝后就明显偏离了直线传播方向，照到了屏上相当宽的地方．并且出现了明暗相间的条纹．不只是狭缝，各种不同形状的障碍物若尺寸比较小时，用光照时，都出现光离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象．特别有趣的是在不透明小圆板的阴影中心，有一个亮斑，这就是著名的泊松亮班．1818年，当法国物理学家菲涅耳提出光的波动理论时，著名数学家泊松根据菲涅耳的理论推算出在圆板阴影中心应出现一个亮斑．由于从来没有人报道过这样的事情，而且在影子出现亮斑，似乎是十分荒谬的，所以泊松兴高采烈地宣称他驳倒了菲涅耳的波动理论．但是当实验证明了图板阴影中心确实有这样一个亮斑时，光的波动理论就确切无疑地被证实了．

原来光也是一种波长很小的波，当障碍物尺寸比光波长小或差不多时也能发生明显地衍射现象，使得光波绕到障碍物后传播．而我们平时所看到的物体尺寸都比光波长大得多，一般不会看到明显的衍射现象，所以光的直线传播只是一种近似的规律，只有在光的波长比障碍物尺寸小得多的情况下，光才可以看做是直进的．所以希望各位同学在平时生活中要细心观察，才有可能获得新的发现．

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