第二節 相長和相消干涉的條件

本次實驗中,波源 \({{S}_{1}}\) 和 \({{S}_{2}}\) 是相干源,並且同相。對於這類干涉,該如何確定水波槽中某點(設為 \(P\))是否在發生相長或相消干涉呢?之前的學習我們已瞭解:

若兩波在點 \(P\) 的相遇是 同相 的,會出現 相長干涉
若兩波在點 \(P\) 的相遇是 反相 的,則出現 相消干涉

而透過觀察干涉圖形上的圖案,亦可以分辨發生相長和相消干涉的區域。然而當實驗的干涉圖形為未知,如何估算發生相長或相消干涉的位置呢?我們可以透過計算「程差」(path difference) 來確定。

程差

程差 就是某一點與兩個波源的距離之差。若 \(P\) 是所示波陣面圖中的任意一點,\(P\) 與波源 \({{S}_{1}}\) 和 \({{S}_{2}}\) 之間的距離、分別是圖中長度 \({{S}_{1}P}\) 和 \({{S}_{2}P}\);程差即是 (\({{S}_{1}P}\) \(-\) \({{S}_{2}P}\)) 或 (\({{S}_{2}P}\) \(-\) \({{S}_{1}P}\))。若只關注程差的大小,可寫成:

\(程差=\left| {S}_{1}P-{S}_{2}P \right|\)

由於腹線和節線是發生相長和相消干涉的地方,現試找出沿這些線上的程差:

【例 1】
所示,設以 \({{A}_{0}}\), \({{A}_{1}}\), \({{A}_{1}}’\), \({{A}_{2}}\), \({{A}_{2}}’\),‧‧‧ 表示波陣面圖中不同位置的腹線;以 \({{N}_{1}}\), \({{N}_{1}}’\), \({{N}_{2}}\), \({{N}_{2}}’\),‧‧‧ 表示波陣面圖中不同的節線。現考慮於腹線 \({{A}_{1}}\) 上的點 \(P\)。如所示,從 \({{S}_{1}}\) 至 \(P\) 是 4 個波長 (\(\lambda \)) 的距離,所以 \({{S}_{1}P}\) 等於 \(4\lambda \);而從 \({{S}_{2}}\) 至 \(P\) 是 3 個波長距離,所以 \({{S}_{2}P}\) 等於 \(3\lambda \)。換言之:

\(程差(例\ 1)=\left| 4-3 \right|\lambda=1\ \lambda\)

【例 2】
繼續關注腹線 \({{A}_{1}}\),但考慮沿線的另一位置,如所示。留意點 \(P\) 沒在波陣面上,它剛好位於來自 \({{S}_{1}}\) 的相鄰波陣面的中間,亦剛好位於來自 \({{S}_{2}}\) 的相鄰波陣面的中間。由於波陣面代表波峰(特別說明才除外),可知現點 \(P\) 是來自 \({{S}_{1}}\) 波谷與來自 \({{S}_{2}}\) 波谷的相遇位置,如所示。類似例 1 般找出 \({{S}_{1}P}\) 和 \({{S}_{2}P}\) 後,可計算程差:

\(程差(例\ 2)=\left| 3½-2½ \right|\lambda=\) \(1\ \lambda\)

【例 3】
現改為考慮所示的節線 \({{N}_{1}}\) 上某點 \(P\)。這裡波谷與波峰重疊(見),換言之:

      \(程差(例\ 3)=\left| {S}_{1}P-{S}_{2}P \right|=| \)
  • 2
  • 3
  • 4
\(-\)
  • 2
  • 3
  • 4
\(|\lambda=½\ \lambda\)


位於 \(P\) 的程差等於 \(\left| {S}_{1}P-{S}_{2}P \right|\)
源自相干源 \({{S}_{1}}\) 和 \({{S}_{2}}\) 的干涉。腹線以黑色虛線 (\(A\)) 表示,節線以灰色虛線 (\(N\)) 表示。圖中顯示腹線 \({{A}_{1}}\) 上某點 \(P\) 的程差。
來自 \({{S}_{1}}\) 的波峰與來自 \({{S}_{2}}\) 的波峰在點 \(P\) 重疊,發生相長干涉。\({{S}_{1}P}\) 與 \({{S}_{2}P}\) 的長度分別為 \(4\lambda \) 和 \(3\lambda \)。
源自相干源 \({{S}_{1}}\) 和 \({{S}_{2}}\) 的干涉。腹線以黑色虛線 (\(A\)) 表示,節線以灰色虛線 (\(N\)) 表示。圖中顯示腹線 \({{A}_{1}}\) 上某點 \(P\) 的程差。
來自 \({{S}_{1}}\) 的波谷與來自 \({{S}_{2}}\) 的波谷在點 \(P\) 重疊,發生相長干涉。\({{S}_{1}P}\) 與 \({{S}_{2}P}\) 的長度分別為 \(3½\lambda \) 和 \(2½\lambda \)。
源自相干源 \({{S}_{1}}\) 和 \({{S}_{2}}\) 的干涉。腹線以黑色虛線 (\(A\)) 表示,節線以灰色虛線 (\(N\)) 表示。圖中顯示節線 \({{N}_{1}}\) 上某點 \(P\) 的程差。
來自 \({{S}_{1}}\) 的波谷與來自 \({{S}_{2}}\) 的波峰在點 \(P\) 重疊,發生相消干涉。\({{S}_{1}P}\) 與 \({{S}_{2}P}\) 的長度分別為 \(3½\lambda \) 和 \(3\lambda \)。
從程差歸納干涉的條件

我們可在諸如之前的中,繼續找出沿各腹線和節線的更多位置的程差,部分結果已顯示在本小節裡的素材下方(請在素材切換不同的腹線/節線和 \(P\) 點位置)。由此將可歸納出相長及相消干涉的條件。

我們知道,相長干涉會發生在腹線上。在觀察素材中結果可知:

  • 腹線 \({{A}_{0}}\) 上任何一點的程差是 0;
  • 腹線 \({{A}_{1}}\) 和 \({{A}_{1}}’\) 上任何一點的程差是
    • 0
    • 1
    • ½
    • 1+½
    • 2
    \(\lambda \);
  • 腹線 \({{A}_{2}}\) 和 \({{A}_{2}}’\) 上任何一點的程差是
    • 0
    • 1
    • ½
    • 1+½
    • 2
    \(\lambda \)。

另一方面,相消干涉會在節線上發生。在觀察素材中結果可知:

  • 節線 \({{N}_{1}}\) 和 \({{N}_{1}}’\) 上任何一點的程差是 (
    • 0
    • 1
    • ½
    • 1+½
    • 2
    ) \(\lambda \);
  • 節線 \({{N}_{2}}\) 和 \({{N}_{2}}’\) 上任何一點的程差是 (
    • 0
    • 1
    • ½
    • 1+½
    • 2
    ) \(\lambda \)。


換言之,當點 \(P\) 的程差等於 0、\(\lambda \)、\(2\lambda \)、\(3\lambda \)、\(4\lambda \)、‧‧‧‧‧‧ \(n\lambda \),點 \(P\) 是在發生相長干涉;而當點 \(P\) 的程差等於 \((½)\lambda \)、\((1+½)\lambda \)、\((2+½)\lambda \)、\((3+½)\lambda \)、‧‧‧‧‧‧ \((n+½)\lambda \),點 \(P\) 是在發生相消干涉;其中 \(n\) 為整數。

歸納以上討論,干涉的條件可以寫成:

發生 相長干涉 的條件:        \(程差=n\lambda \)

發生 相消干涉 的條件:        \(程差=(n+½)\lambda \)

其中 \(n\) 是整數 (0, 1, 2, 3, ‧‧‧‧‧‧)。



腹線 \({{A}_{2}}’\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿腹線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
節線 \({{N}_{2}}’\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿節線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
腹線 \({{A}_{1}}’\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿腹線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
節線 \({{N}_{1}}’\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿節線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
腹線 \({{A}_{0}}\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿腹線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
節線 \({{N}_{1}}\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿節線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
腹線 \({{A}_{1}}\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿腹線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
節線 \({{N}_{2}}\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿節線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
腹線 \({{A}_{2}}\) 上點 \(P\) 的程差。請按 "<" 或 ">" 改變點 \(P\) 沿腹線的位置。
(您可點擊這裡以模擬演示干涉圖形中任意位置的程差)
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