波的衍射、干涉和多普勒效应
波的衍射、干涉和多普勒效应
顿悟者娟娟 物理即生活 2025年03月19日
嗨，孩子们，大家好。
我们又见面了。
最近，我又稍微有些时间了……
所以我们见面的次数明显增加了呢。
这对你来说，是好消息还是坏消息呢？
反正我不管。
我该说的还是要说的。
物理即生活，生活即物理嘛。
今天我们就来聊聊波的干涉、衍射和多普勒效应的问题。
波的衍射
“波的衍射”，啥是衍射？
脑补中……
孩子，你清醒点……
物理不是想象出来的。
我们还是老老实实看书上的定义吧。
“在水塘里，微风激起的水波遇到小石子、芦苇等细小的障碍物时，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。”
当然了，这么细节的描述，你在生活中可能真的没有注意过。
其实，我也没有注意过。
但是，你可能听说过——“未见其人，先闻其声”
有请这方面的杰出代表——王熙凤
所以呢，物理上，我们就把——
波可以绕过障碍物继续传播的现象叫作波的衍射。
一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象。
那么，波在什么条件下能够发生明显的衍射现象呢?
我们一起看一个实验——
，时长02:04
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，波长为1.7cm~17 m，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。
波的干涉
要谈波的干涉，先要弄清楚波的叠加。
你想知道，两列波相遇时会出现什么有意思的事情吗？
我们来看一个实验视频——
，时长00:31
可以发现，两列波在彼此相遇并穿过后，波的形状和相遇前一样，传播的情形也和相遇前一样。
生活中常见的水波也是如此，两列水波相遇后彼此穿过仍然保持各自的运动特征，继续传播，就像没有跟另一列水波相遇一样。
你有没有觉得，上面对波的描述，有那么一点点哲理的味道？
“保持各自的运动特征”指的是各自的波长、频率等保持不变，不因其他波的存在而受影响。
事实表明，几列波相遇时能够保持各自的运动特征继续传播，在它们重叠的区域里，介质的质点同时参与这几列波引起的振动，质点的位移等于这几列波单独传播时引起的位移的矢量和。
那啥是波的干涉呢？
我们先给定义：
频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波叠加时，某些区域的振动总是加强，某些区域的振动总是减弱，这种现象叫作波的干涉。
形成的这种稳定图样叫作干涉图样。
看视频——
，时长00:20
注意：
①振动加强的区域振动始终加强，振动减弱的区域振动始终减弱。
②振动加强（减弱）的区域是指质点的振幅大（小），而不是指振动的位移大（小），因为位移是在时刻变化的。
③两列波相遇叠加不一定能得到干涉图样。要产生干涉现象形成稳定的图样，则需要满足一定的条件——频率相同、相位差恒定、振动方向相同的两列波。
干涉也是波特有的现象。
在这一部分，大家需要掌握一个技能——会判断空间某点是振动“加强点”还是振动“减弱点”。
方法是：
①设波源S1、S2振动情况完全相同,它们产生的两列波在同一介质中传播。对介质中的任一点P,如图离两波源距离分别是S1P、S2P,P点到波源的距离差Δx=S1P-S2P。
a.当Δx=nλ(n=0,1,2,…)即距离差为波长的整数倍时,P点为振动加强点;
b.当Δx=(2n+1)λ/2 (n=0,1,2,…)即距离差为半波长的奇数倍时,P点为振动减弱点;
②若两列波波源振动步调相反,则上述结论反之即可。
看一道例题
例.(多选)下图表示两个相干波源S1、S2产生的波在同一种均匀介质中相遇。图中实线表示某时刻的波峰,虚线表示的是波谷,下列说法正确的是( )
A.a、c两点的振动加强,b、d两点的振动减弱
B.e、f 两点的振动介于加强点和减弱点之间
C.经适当的时间后,加强点和减弱点的位置互换
D.经半个周期后,原来位于波峰的点将位于波谷,原来位于波谷的点将位于波峰
答案：AD。
你做对了吗？
多普勒效应
1、定义
当波源与观察者相互靠近或者相互远离时，观察者接收到的波的频率会发生变化，这种现象叫作多普勒效应。
2、原因分析
波源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动次数。
波源的频率=单位时间内波源发出的完全波的个数
观测到的频率=单位时间内接收的完全波的个数
3、规律
（1）波源S与观察者A相对静止：观测到的频率等于波源振动的频率。
相同时间内，观察者接收到波的个数等于波源发出的波的个数，即接收到的频率等于发出的频率。
（2）波源S与观察者A相互靠近时：
单位时间内，通过观察者的波峰(或密部)的数目增加，观察者观测到的频率大于波源的频率，即观测到的频率增加。
波源不动，观察者靠近波源
由A→B，f观察者>f波源，频率增加
观察者不动，波源靠近观察者
接近观察者，f观察者>f波源，频率增加
（3）波源S与观察者A相互远离时：
单位时间内，通过观察者的波峰(或密部)的数目减少，观察者观测到的频率小于波源的频率，即观测到的频率降低。
波源不动，观察者远离波源
由A→C，f观察者<f波源，频率降低
观察者不动，波源远离观察者
远离观察者，f观察者<f波源，频率降低
4、特点
（1）发生多普勒效应时，波源的频率保持不变，只是由于波源和观察者之间存在相对运动，观察者接收到的频率会发生变化。波的传播速度不会因波源的移动而改变。
（2）多普勒效应是所有波动过程的共有特征，一切波（机械波、电磁波、光波等）都会发生多普勒效应。
5、应用
（1）多普勒测速仪测速（测水流、血流速度，气象测速）
交通警车向行进中的车辆发射已知频率的超声波，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少，就能知道车辆的速度。
（2）光波的多普勒效应——红移现象
，时长01:11
好了，今天又是收获满满的一天。
为我们自己点个赞。
孩子们，改天见！
拜拜~
