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3.3波的反射、折射和衍射

波的反射、折射和衍射
我们知道,声音在传播过程中,遇到障碍物时会发生反射。对着远处的峭壁大喊一声会听到回声,就是声波在峭壁上反射的结果。生活中,你是否注意过水波的反射?波的反射应该遵从什么规律?
波的反射
我们可以通过实验来研究水波的反射规律。
演示
水波的反射
水波的反射
如图 3.3-1 甲,在发波水槽一端有一平板振动发生器,振动发生器在水槽中能够产生水波。在水槽中斜向放置一个挡板,观察水波在传播过程中发生的现象。
如 图3.3-1乙, 当 水 波 遇 到 挡 板 时 会 发 生 反 射(reflflection)。如果用一条射线代表水波的入射方向(入射线),用另一条射线代表水波的反射方向(反射线),我们发现水波的反射与初中学过的光的反射遵循同样的规律。反射线、法线与入射线在同一平面内,反射线与入射线分居法线两侧,反射角等于入射角。
波的折射
我们知道光从一种介质进入另一种介质时会发生折射,机械波会发生折射吗?理论和实验证明,一切波都会发生折射现象。一列水波在深度不同的水域传播时,在交界面处将发生折射(refraction),如图3.3-2所示。
 3.3-2 水波的折射
如果用一条射线代表水波的入射方向,用另一条射线代表水波的折射方向,可以更清晰地看出水波的折射现象。
波的衍射
在水塘里,微风激起的水波遇到小石、芦苇等细小的障碍物,会绕过它们继续传播。在波的前进方向上放一个有孔的屏,可以看到波通过小孔而在屏的后面向各个方向传播。
波可以绕过障碍物继续传播,这种现象叫作波的衍射(diffraction)。波在什么条件下能够发生明显的衍射现象?
演示
水波的衍射
在水槽里放两块挡板,中间留一个狭缝,观察水波通过狭缝后的传播情况(图 3.3-3 甲)。
保持水波的波长不变,改变狭缝的宽度,观察水波的传播情况有什么变化(图 3.3-3 乙)。
图 3.3-3 波长一定的水波通过宽度不同的狭缝
通过实验可以看到,在狭缝宽度比波长大得多的情况下,波的传播如同光沿直线传播一样,在挡板后面产生“阴影区”,如图 3.3-3 甲所示;在狭缝宽度与波长相差不多或者狭缝宽度比波长更小的情况下,发生明显的衍射现象,水波可以绕到挡板后面继续传播,如图 3.3-3 乙所示。保持狭缝的宽度不变,改变水波的波长,观察波的传播情况有什么变化。
图 3.3-4 波长不同的水波通过宽度一定的狭缝
图3.3-4是实验时拍摄的照片,在甲、乙、丙三幅照片中,波长分别是狭缝宽度的 7/10
对比这三张照片会再次看到,波长与狭缝宽度相差不多时,有明显的衍射现象,
随着波长的减小,衍射现象变得不明显。可以推测,当波长与狭缝宽度相比非常小时,水波将沿直线传播,观察不到衍射现象。
实验表明,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。
不只是水波,声波也能发生衍射。“闻其声而不见其人”,这是司空见惯的现象。通常的声波,波长在1.7 cm ~17 m之间,跟一般障碍物的尺寸相当,所以声波能绕过一般的障碍物,使我们能听到障碍物另一侧的声音。一切波都能发生衍射。衍射是波特有的现象。
练习与应用
1. 蝙蝠是通过声波的反射来判断前方是否有障碍物的。科学家在蝙蝠飞行的空间里横跨了很多系有铜铃的绳索,蝙蝠黑暗中在此空间飞行时不会碰撞这些绳索而导致铜铃发声。据此,你认为蝙蝠发出的声波频率应该具有怎样的特征?尽可能用数量级来描述你的估算。
2. 操场上的喇叭正在播放音乐,有高音也有低音。走到离操场不远的教学大楼后面,听到喇叭播放的音乐声有所减弱。是高音还是低音减弱得明显一些?为什么?
波动衍射
3. 如 图 3.3-5,挡板M 是固定的,挡板 N 可以上下移动。现在把 M、N两块挡板中的空隙当作一个“小孔”做水波的衍射实验,出现了图示中的图样,P 点的水没有振动起来。为了使挡板左边的振动传到 P 点,可以采用什么办法?

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