衍射是波在通过缝隙或绕过障碍物时的散开现象。散开的程度取决于波长与缝隙大小的比较:波长越接近缝隙的大小,波就散开得越多。
日常说话的声波波长约为一米,与门口的宽度相近,所以它散开得很强,会绕过拐角。这就是为什么你能听到隔壁房间朋友说话,或在弯道处还没看到摩托车就先听到它驶近。
光的波长短得多,绕过门口时衍射太小、难以察觉,所以你无法像听到拐角后的声音那样看到拐角后的东西。
在 SPM 中,你应把衍射的程度与波长和缝隙大小联系起来,并举出日常例子。
常见误解
- 声音绕过拐角只是靠在墙上反弹 -> 反射有帮助,但关键效应是衍射,即波在边缘和缝隙处散开。
- 光完全不会衍射 -> 光会衍射,只是它极小的波长使得通过普通开口时散开可忽略不计。
- 衍射会改变波的频率 -> 衍射改变波的方向和散开程度,而不是频率。
背后的物理
衍射是波在通过缝隙或绕过障碍物边缘时的散开现象。散开的程度取决于波长与缝隙宽度的比较:两者尺寸越接近,波就越向后方区域散开。
波的方程 v = fλ 让我们能估算这一点。一个较低沉的男声约 150 Hz,取声速为 340 m s⁻¹,其波长为 λ = v/f = 340 m s⁻¹ ÷ 150 Hz ≈ 2.3 m。
较高的声音在 500 Hz 时,λ = 340 m s⁻¹ ÷ 500 Hz = 0.68 m。
这两个波长都与建筑物之间约一米宽的普通缝隙或大门相当,所以声音衍射得很强,即使声源看不见也能传到你耳中。而光的波长不到百万分之一米,与这样的缝隙相比实在太小,所以它几乎不衍射,沿近乎直线传播。
在日常生活中看它
在住宅区行走时,你常常先听到小贩的叫卖声或经过的面包车录音广告,然后才转过街角真正看到车。角落那户人家的砖墙完全挡住了你的视线,声音却清晰地传来。
这是因为声波到达墙的边缘后,向墙后被遮挡的区域散开,弯进你所站的巷子里。它的波长约一米,与它经过的缝隙和边缘的尺寸相近,所以衍射得很充分。
同一辆车发出的光波长极小,根本不会绕过街角,所以你的耳朵比眼睛先得到消息。
对于远处沉闷的雷声,这种效应更强,它很长的波长轻易地绕过房屋和山丘,所以声音仿佛同时从四面八方传来,而不是来自一个清晰的方向。
在 SPM 中怎么考
在卷二中,这个概念常用关联(relate)、解释(explain)、描述(describe)和比较(compare)等指令词来考查。你可能被要求把衍射的程度与波长和缝隙大小关联起来、解释为什么声音比光衍射得多,或描述水波槽里的衍射演示。
在同一个波章节里,衍射位于折射与干涉之间:折射在波速改变时改变波的方向,而干涉则需要来自两个缝隙的衍射波相叠加。它以波的基础为依托,那里 v = fλ 把波速、频率和波长联系起来。
一个常见任务是描述水波在水波槽中先通过宽缝、再通过窄缝时如何变化,并把窄缝处更大的散开与波长关联起来。画出在边缘弯曲的波前,让波长在通过缝隙时保持不变,需要具体波长时用 v = fλ 带正确单位计算。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)