第一節 水波的繞射
觀察繞射現象


本課會繼續以水波為情境,介紹波的其中一種獨有特性。顯示有來自遠處的水波傳至某碼頭的台階附近。換言之,其傳播方向是指向我們的。留意位於與台階末端鄰接的水波,當越過台階的轉角處時,水波會擴散至台階凹入的部分。換言之,水波的傳播方向偏離了其原來的直線傳播,部分會繞過轉角、出現轉向。這種現象,稱為 繞射 (diffraction) 或 衍射。

繞射發生時,由於水波一直維持在同一介質中傳播,所以:

繞射:波的傳播方向會改變,但頻率、波長及波速不變。


繞射除發生於 轉角處 外,亦能見於當水波穿越 狹縫 或繞過 障礙物

【轉角處】
當直線水波經過一個轉角或檔板邊緣時,邊緣附近的波陣面便會彎曲,使水波擴散到轉角位置的後方。

【狹縫】
當直線水波通過一個狹縫時,狹縫邊緣附近的波陣面會彎曲,並擴散到形成狹縫的兩邊阻擋物的後方範圍,發生繞射。便顯示了這現象。

【障礙物】
當長長的直線水波經過一件細小的障礙物時,波陣面便一分為二。水波在障礙物的邊緣發生繞射,繞過障礙物後會擴散至其後方。如所示。


水波繞過碼頭梯級轉角處邊緣時的繞射(可點擊選框,標示水波傳播方向)
水波槽實驗觀察:來自畫面上方的水波穿過狹縫時的繞射
水波槽實驗觀察:來自畫面上方的水波繞過障礙物時的繞射
波陣面圖展示繞射

如何以波陣面圖展示繞射這現象呢?

在水波繞過轉角處、穿過狹縫和繞過障礙物這三種情況,擬藉波陣面圖表示一列從圖下方流向上方的直線水波的繞射;每種情況設圖 (a) 和圖 (b)。試參考之前中所示的實景記錄,判斷每種情況中圖 (a) 還是圖 (b) 是正確的波陣面圖:

水波繞過轉角處的繞射
水波穿過狹縫時的繞射
水波繞過障礙物的繞射
水波繞過轉角處的繞射
水波穿過狹縫時的繞射
水波繞過障礙物的繞射
水波繞過轉角處的繞射
水波穿過狹縫時的繞射
水波繞過障礙物的繞射

      在,圖
  • (a)
  • (b)
正確顯示水波繞過轉角處的波陣面;
      在,圖
  • (a)
  • (b)
正確顯示水波穿過狹縫時的波陣面;
      在,圖
  • (a)
  • (b)
正確顯示水波繞過障礙物的波陣面。

在轉角處、狹縫和障礙物這三種情況,水波的傳播方向皆會偏離原來的直線方向,擴散至遮擋物的後方(可按下方加上射線)。所以在水波擴散的部分,留意波陣面皆呈現出若干程度的彎曲。

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