炎炎夏日去海邊遊玩

如果附近剛好有人工堤防

就會看到海浪打到堤防上

再仔細看堤防的缺口處

溢入岸邊的海水

會變成半圓形的海浪繼續傳播

可是

先前的惠更斯原理告訴我們

直線波傳遞還是直線波

圓形波傳遞還是圓形波

那麼

當直線波前的海浪進入堤防缺口處

為什麼會改變波前的形狀呢？

另外

為什麼平常說話

在門後面的人可以聽到講話聲音

而不會被門擋到呢？

還有為什麼登山客需要遠距通話時

若使用無線電對講機

通常會採用較低頻率的無線電波來通話呢？

你知道這三個現象的基本原理是一樣的嗎？

就讓我們來看看是怎麼一回事吧！

思考波的行為

最主要就是從惠更斯原理出發

所以我們先來複習一下

什麼是惠更斯原理吧！

首先

在t等於0的時刻

波前的形狀如畫面所示

惠更斯將波前上的每一個點

都當成一個新的點波源

稱為「子波」

子波在前進方向以半圓形波擴散

在t等於t Prime時刻

這些子波擴散的圖形如畫面所示

而將這些子波的前緣的切點

用平滑曲線連起來

稱為「包絡線」或「包跡線」

而此包絡線即為新波前

這就是我們前面學的惠更斯原理喔！

接下來

我們就利用惠更斯原理

來分析看看水波遇到各種狀況的傳播情況吧！

我們要如何預測波前經過孔隙a會變得如何呢？

我們可以看到

打在牆壁上的波前將無法通過

會直接反射

而通過孔隙a的波前

我們用藍色標記出來

接著利用惠更斯原理

將藍色波前視為3個點波源進行擴散

可以看到新波前開始產生弧形的樣子

接著再從這個弧形的波前

再畫出4個點波源進行擴散

產生出來的新波前

又更接近圓弧形的波

從這裡可以知道

即使是直線波前

如果經過孔隙中的一小段波前進行擴散

那麼新波前就會變成圓弧形的喔！

而這也使得本來被障礙物擋住的區域

也可以有波抵達

看起來就是波轉彎了

我們就把這種現象稱為繞射喔！

那麼如果是遇到一個寬度為a的障礙物

又會變成什麼樣子呢？

當直線波遇到寬度為a的障礙物時

可以通過的波前為下面藍色的部分

其餘的將被牆壁反射

接著一樣利用惠更斯原理畫出新的波前

可以看出

隨著波前的擴散

障礙物後方也會漸漸地有波抵達

這種繞到障礙物後方的現象

稱為「繞射」

接著我們來看

如果直線水波遇到不同寬度的孔隙

繞射的情況又是如何呢？

首先我們看到孔隙比水波波長稍大的情形

a等於4λ

若依照惠更斯原理

將繞射波前畫出

圖形如畫面所示

可以看到繞射後的水波

幾乎還是以原來直線波前的方式前進

繞射程度不明顯

接著將孔隙縮小至a等於2λ

其繞射的結果會變成這樣

同學們有發現波前變得更圓弧狀嗎？

沒錯

當孔隙變小一點

繞射的程度會變得更明顯喔！

而當孔隙a等於λ時

會發現繞射波前幾乎變圓形波前

這時候繞射非常明顯

所以我們發現

如果波遇到孔隙或障礙物

繞射波前越接近圓弧形

繞射越明顯喔！

這樣你懂了嗎？

所以我們可以用孔隙大小與波長的比值

來衡量水波的繞射程度

如果λ分之a遠大於1

那麼直線波前通過孔隙後

仍然以直線波前行進

繞射不明顯

而當λ分之a近似於1時

直線波前通過孔隙後

波前會以圓形波前行進

繞射最為明顯喔

我們來思考一下這個問題

回到片頭的問題

當水波經過堤防的孔隙時

會因為只有部分的波前可以通過孔隙

加上惠更斯原理的分析

就可以得到繞射後的波形變成圓弧狀的喔！

而平常人與人講話的頻率約為100至400赫茲之間

室溫下聲速約為每秒340公尺

所以一般講話的聲波波長

大約是1到3公尺左右

和房間門的寬度接近

使得聲音很容易繞過門後

跑到牆壁後面

這就是聲音的繞射現象喔！

在高山上如果要遠距通話

採用頻率較低

波長較長的無線電通話時

可以使訊號產生繞射現象

即使對方在好幾個山頭後方

訊號也可以透過繞射傳達到該處

這樣一來

就可以維持較遠的通話距離喔！

是不是很有趣呢？

讓我們來整理一下所學到的重點內容

直線波遇到孔隙會產生轉彎的現象

稱為繞射

直線波遇到障礙物產生轉彎的現象

也稱為繞射

繞射程度與λ分之a比值有關

比值越接近1

繞射波前越接近圓形波前

即繞射越顯著

當λ分之a遠大於1

繞射不明顯

最後想一想

生活中常見的光也是一種電磁波

那為什麼平常我們看到光通過門縫時

幾乎都是直線前進

很難觀察到光的繞射現象呢？

這又要怎麼解釋呢？

歡迎留言分享你的想法喔？

下次見囉

bye bye