物理精讀:波的繞射

繞射是波在遇到障礙物或小孔時,偏離直線傳播方向,進入陰影區域的現象。這種現象在水波、聲波、光波等波動中廣泛存在,揭示了波動的基本特性之一。


1. 單縫對水波的影響

當水波通過一個狹縫時,波的繞射行為由狹縫的寬度與波長之間的關係決定:

狹縫寬度對繞射的影響

  • 狹縫較窄:當狹縫的寬度小於波長時,水波會產生更明顯的繞射,波前呈現圓形擴散的特徵。
  • 狹縫較寬:當狹縫寬度大於波長時,水波的繞射效果較弱,波前接近直線。

波長對繞射的影響

  • 波長較長:波長越長,繞射越顯著,波可以更輕鬆地繞過障礙物或通過狹縫擴散。
  • 波長較短:波長越短,繞射越不明顯,波更接近直線傳播。

記憶秘訣

口細波長繞勁D

  • 當狹縫很窄(口細),波長較長(波長),波的繞射效果會更強(繞勁D)。

2. 單縫繞射的水波圖案

通過單縫的水波會呈現出以下特徵:

  1. 中央擴散波前:水波從狹縫中傳出時,波前會在縫的中心附近擴散成圓弧狀。
  2. 邊界波紋:靠近狹縫邊緣的波相對密集,形成清晰的干涉條紋。

繞射後的波依然保持波的頻率和速度不變,但方向分佈會更加廣泛。


3. 障礙物後的波重連現象

當水波遇到障礙物時,即使波的一部分被阻擋,波也會在障礙物後「重連」。這種現象的根本原因在於繞射與折射的綜合作用

  • 波的邊緣部分會繞過障礙物並向後擴散。
  • 波的擴散區域會與另一側的波進行干涉,導致障礙物後方的波重新連續起來。