惠更斯原理可以用来解释波的衍射现象
近代物理学发展到七十年代，“波”这项概念以及其相关原理成
为研究者们新兴的话题。波的衍射现象的出现也催生了许多实验者们致力于解释它的理论。如今，其中最有名的一个理论应该就是惠更斯原理了。
惠更斯原理是根据力学中的“反射”原理来推导出的，原理最早由法国科学家路易惠更斯（Louis-Philippe de Huygens）提出。简
单来说，惠更斯原理认为，每个波对象上的每个点都可以发出相同大小的圆锥型波，波面聚集入口处，而尖端按比例分布于入口处。这样，当波面向一个固定方向反射时，不同部分的波浪都经历过不同的延迟，最终合并到一起，形成衍射现象。而惠更斯原理帮助科学家们很好地解释了波的衍射现象，这是物理研究的一大重要发明。
惠更斯原理的发现更多的是由实验得出的结果，而不是经过理性的演绎，因此，也有其他的研究者也提出了跟惠更斯原理相近的理论，比如贝贝尔（F.R.M.Bopp）首先提出的反射原理，以及马德可
（J.F.Mendelsohn）提出的半波原理。综上所述，惠更斯原理可以用来解释波的衍射现象，它已经成为现代物理学的一个重要概念。
大体上，惠更斯原理的理论和实验都有显著的成果。首先，它可以精确地解释波的衍射现象，可以很好地解释许多实验。其次，它还可以解释多种实验现象，包括衍射、干涉、激发态和反射现象。这一原理也应用于电磁学、热力学和声学等方面，使物理研究有了非常重要的突破。
本文介绍了惠更斯原理可以用来解释波的衍射现象。惠更斯原理可以从力学的“反射”理论出发，解释波的衍射现象。它可以精确地解释波的衍射现象，可以很好地解释许多实验，也可以解释多种实验现象，并且应用于电磁学、热力学和声学等方面。可以说，惠更斯原理的研究已经给现代物理学研究带来了非常重要的发展。
惠更斯原理，菲尔马定理 声音的基本性质特点
声音的基本性质 一、声音的产生 声音产生于物体的振动。例如，讲话声音产生于喉管内声带的振动，扬声器（喇叭）发声产生于纸盆的振动，机械噪声产生于机械部件的振动等。我们把能够发出声音的物体称为声源。 声源发声后，还要经过一定的介质才能向外传播。例如扬声器发声，当外加信号使扬声器纸盆来回振动时，随之也使它邻近的空气振动起来。当纸盆向某个方向振动时，便压缩其邻近空气，使这部分空气变密；当纸盆向相反方向振动时，这部分空气变稀疏。邻近空气这样一疏一密地随着纸盆的振动而振动，同时又使较远的空气做同样的振动，空气这种一疏一密地振动传播的波叫做声波。声波的传播示意图如图1-1所示。声波以一定速度向四面八方传播，当声波传到入耳中时，会引起人耳鼓膜发生相应的振动，这种振动通过听觉神经，使我们产生声音的感觉。 由此可见，听到声音，要有三个基本条件。一是存在发声体或声源。二是要有传播过程中的弹性介质，例如空气，或者液体、固体的弹性介质；真空中没有弹性介质，所以真空不能传送声波：月球上没有空气，所以月球上是无声的世界。三是要通过入耳听觉才能产生声音的感觉。 声波的传播 声波的传播也可以用水面波作形象的比喻。把一石块投入平静的水中，水面上便可看到一圈圈的水面波，它由波峰和波谷这样高低起伏交替变化着向外传播。因为水面在波动，所以水面波带有能量。如果在水面卜浮一很小的木块，就可以看到这一小木块随着水面波峰波谷做上下运动，待水面平静下来，木块则仍停留在它的原来位置。由此可见，水的质点本身并不沿着波动前进，而是水波动的能量从一部分水面到邻近的另一部分水面相继传递。这与声波在空气中传播时空气层并不跟随声音一块传播出去，而只是在平衡位置附近振动是相似的。所以说声波的传播，实际上是声波的能量随声波在传播。有声波存在的空间叫做声场。 但是，声波与水波也有不同，水面波的振动方向与波的传播方向相垂直，因此水波是一种横波。声波的传播方向与疏密相间振动方向是一致的，所以声波在空气中的表现形式是纵波。 由上述可见，振动和波动是互相密切联系的运动形式，振动是波动的产生根源，而波动是振动的传播过程。声音的本质是一种波动，因此声音也叫声波。为了清楚起见，通常把声的物理过程称为声波，而把与听觉有关的过程称为声音。 二、频率、波长与声速 声源完成一次振动所经历的时间称为周期，记作T为秒(s)。Is内振动的次数称为频率，记作?单位为赫兹( Hz)，它是周期的倒数，即 声源的振动能产生声波，但不是所有振动产生的声波人们都能听得见，这是由于人耳特性决定的。只有当频率在20～20000Hz范围内的声波传到人耳，引起耳膜振动，才能产生声音的感觉。所以通常将频率在20—20000Hz范围内的声波叫做可听声。低于20Hz的
cv 一、简答题 1． 惠更斯原理的内容是什么？利用惠更斯原理可以定性解释哪些物理现象？ 答案：介质中任一波振面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任一时刻，这些子波的包络面就是该时刻的波振面。利用惠更斯原理可以定性解释波的干涉、衍射反射和折射现象。 1. 平面简谐波传播过程中的能量特点是什么？在什么位置能量为最大？ 答案：能量从波源向外传播，波传播时某一体元的能量不守桓，波的传播方向与能量的传播方向一致，量值按正弦或余弦函数形式变化，介质中某一体元的波动动能和势能相同，处于平衡位置处的质点，速度最大，其动能最大，在平衡位置附近介质发生的形变也最大，势能也为最大。 3．简述波动方程的物理意义。 答：波函数cos x y A t u ωφ????=- + ???????，是波程 x 和时间 t 的函数，描写某一时刻任意位置处质点振动位移。 （1）当x d =时，()y f t =，为距离波源为 d 处一点的振动方程。 （2）当t c =时（c 为常数），()y f x =，为某一时刻各质点的振动位移，波形的“拍照”。 4. 驻波是如何形成的？驻波的相位特点什么？ 答案：驻波是两列频率、振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向传播时叠加而成。驻波的相位特点是：相邻波节之间各质点的相位相同，波节两边质点的振动有π的相位差。 二、选择题 1. 在下面几种说法中，正确的说法是( C )。 (A)波源不动时，波源的振动周期与波动的周期在数值上是不同的； (B)波源振动的速度与波速相同； (C)在波传播方向上的任一质点振动相位总是比波源的相位滞后； (D)在波传播方向上的任一质点的振动相位总是比波源的相位超前． 2.一横波以速度u 沿x 轴负方向传播，t 时刻波形图如图所 示，则该时刻（B ）。 （A ）A 点相位为π； （B ）B 点相位为 2π （C ）C 点相位为2 π； （D ）D 点向上运动； 3. 一列波在介质分界面反射而产生半波损失的条件是( C )。 （A ）波是横波 （B ）波是纵波 （C ）波从波疏介质入射到波密介质 （D ）波从波密介质入射到波琉介质 4．在简谐波传播过程中，沿传播方向相距为λ2 1（λ 为波长）的两点的振动速度必定( A )。 A. 大小相同，而方向相反 B. 大小和方向均相同 C. 大小不同，方向相同 D. 大小不同，而方向相反 5. 一平面简谐波的波动方程为)](4 )40(10cos[3SI x t y ππ--=，则x ＝5m 处质点
【波的衍射】亦称波的“绕射”，是波的重要特性之一。是指波在传播过程中，遇到障碍物或缝隙时传播方向发生变化的现象。水波、声波、光波都能发生衍射现象。障碍物或缝隙的宽度越小，而波长越大，则衍射现象就越明显。波绕过障碍物或通过小孔绕到障碍物的背后。这种波能绕过障碍物继续传播的现象，叫“波的衍射”。室内发出声波可以绕过门、窗而到达室外的各角落。如果障碍物或缝隙的宽度远远超过波长时，波的衍射现象就不明显。波的衍射现象可用惠更斯原理来解释。 【波的干涉】由两个或两个以上的波源发出的具有相同频率，相同振动方向和恒定的相位差的波在空间迭加时，在交迭区的不同地方振动加强或减弱的现象，称为“波的干涉”。符合上列条件的波源叫做“相干波源”，它们发出的波叫做“相干波”。这是波的迭加中最简单的情况。 二相干波迭加后，在迭加区内每一位置有确定的振幅。在有的位置上，振幅等于二波分别引起的振动的振幅之和，这些位置的合振动最强。称为“相长干涉”；而有些位置的振幅等于二波分别引起的振动的振幅之差，这些位置上的合振动最弱，称为“相消干涉”。它是波的一个重要特性。【波的反射】波由一种媒质达到与另一种媒质的分界面时，返回原媒质的现象。例如声波遇障碍物时的反射，它遵从反射定律。在同类媒质中由于媒质不均匀亦会使波返回到原来密度的介质中，即产生反射。 【波的折射】波在传播过程中，由一种媒质进入另一种媒质时，传播方向发生偏折的现象，称波的折射。在同类媒质中，由于媒质本身不均匀，亦会使波的传播方向改变。此种现象也叫波的折射。它也遵从波的折射定律。 【声学】物理学的一个分支，是研究声波的产生、传播、接收和作用等问题的学科。根据研究的方法、对象和频率范围的不同，它与许多其他学科交叉在一起，形成了很多独特的边缘学科，例如，大气声学、水声学、电声学、生物声学、心理声学、语言声学、建筑声学、环境声学、几何声学、物理声学、生理声学、分子声学、声能学、超声学、次声学、微观声学、音乐声学、振动与波动声学、噪声控制学等部分。随着近代工业发展起来的声学，是古典声学、电子技术和各种工业应用相结合的产物，它还在随着工业的发展而继续发展。 【音】即“律音”。具有单一基频的声音。纯律音（或纯音）具有近似于单一的谐振波形。这种律音可由音叉产生。乐器则产生复杂的律音，它可以分解成一个基频以及一些较高频率的泛音。参见“音品”。 【声源】一个向周围媒质辐射声波的振动系统叫“声源”。例如，二胡、小提琴等弦乐器是靠弦的振动发声；笛子等管乐器是靠空气柱的振动发声；锣、鼓等膜乐器是靠板或膜的振动发声；唱歌或说话是靠咽喉声带的振动发声。任何发声的物体都在振动着，所以把各种振动着的发产物体，叫做声源。固体、液体、气体都能振动发声，都可视为声源。 【声波】弹性媒质中，各质点振动的传播过程称为“声波”。它是一种机械波。起源于发声体的振动频率在20赫兹与20000赫兹之间的声波能引起人的听觉，故又称可听声波，频率在10-4～20赫兹的机械波称为次声波，频率在2×104～2×108赫兹的机械波称为超声波。次声波和超声波一般不能引起人的听觉。从物理的观点来看，频率在20～20000赫兹的声振动与这个频率外的声振动没有本质上的不同。因此，广义的声波包含次声波与超声波在内。是否能引起人的听觉，不完全由机械波的频率决定，还与声强有关。声波在固体中以纵波和横波两种形式传播，但在液体和气体中，则只能以纵波的形式传播。 【声速】又称音速。是指声音在介质中的传播速度。它与介质的密度、弹性系数以及介质所处的状态有关。在固体中声波可以纵波和横波两种形式传播，其纵波的传播速度 v=根号下E比ρ（打不出来，o(∩_∩)o 不好意思啊，看懂就行啦） E是固体的弹性模量，ρ是它的密度。 在气体和液体中声波是纵波，其传播速度（跟纵波的一样，不打出来了） K是介质的体积弹性模量。
第四、五节波的反射、折射和衍射 引言：波在各向同性的均匀介质中传播时，波速、波振面形状、波的传播方向等均保持不变。但是，如果波在传播过程中遇到障碍物或传到不同介质的界面时，则波速、波振面形状、以及波的传播方向等都要发生变化，产生反射、折射、衍射、散射等现象。在这种情况下，要通过求解波动方程来预言波的行为就比较复杂了。惠更斯原理提供了一种定性的几何作图方法，在很广泛的范围内解决了波的传播方向等问题。 一、惠更斯原理 惠更斯(Christian Huygens，1629—1695) 惠更斯是最著名的物 理学家之一。 惠更斯的力学研究成 果很多。1656年制成了第一 座机械钟。1673年推算出了 向心力定律。1678年他完成 《光论》，提出了光的波动 说，建立了著名的惠更斯原理。惠更斯原理可以预料光的衍射现象的存在。 在数学方面：发表过关于计算圆周长、椭圆弧及双曲线的著作。 在天文学方面：研制和改进光学仪器上。他1665年发现了土星的光环和木星的卫星(木卫六)。 1．前提条件 当波在弹性介质中传播时，介质中任一点P 的振动，将直接引起 其邻近质点的振动。 就P点引起邻近质点 的振动而言，P点和 波源并没有本质上 的区别，即P点也可 以看作新的波源。例 如，水面波传播时，遇到障碍物，当障碍物上小孔的大小与波长相差不多时，就会看到穿过小孔后的波振面是圆弧形的，与原来的波振面无关，就象以小孔为波源产生的波动一样。 2．惠更斯原理——是关于波面传播的理论在总结这类现象的基础上，荷兰物理学家惠更斯于1678年首先提出：介质中任一波面上的各点，都可看成是产生球面子波（或称为次波）的波源；在其后的任一时刻，这些子波的包络面就是新的波面。 3．用惠更斯原理来解释波动的传播方向 不论对机械波还是电磁波，也不论波动所经过的介质是均匀的还是非均匀的，是各向同性的还是各向异性的，惠更斯原理都是适用的。只要知道某一时刻的波面与波速，就可以根据惠更斯原理，用几何作图方法决定下一时刻的波面，从而确定波的传播方向。 根据惠更斯原理，应用几何作图方法，由已知的某一时刻波阵面，可以确定下一时刻的波阵面，从而确定波的传播方向。应用惠更斯原理可以解释波的折射、反射和衍射等现象。 例如 （1）点波源O发出的球面波 （2）平面波 惠更斯原理对任何波动过程都是适用的。只要知道某一时刻的波阵面，就可根据这一原理用几何方法来决定任一时刻的波阵面，因而在很广泛的范围内解决了波的传播问题。但惠更斯原理不能说明波的强度分布。 二、波的反射与折射 1．什么是波的反射现象和折射现象？ 当波传播到两种 介质分界面时，一部 分波从分界面上返 回，形成反射波，另 一部分进入另一介 质，形成折射波，这 就是波的反射现象和 折射现象。 2．波的反射定律 －反射线、入射线和法线在同一平面内； －反射角等于入射角。 3．波的折射定律 －折射线、入射线和法线在同一平面内； －入射角的正弦与反射角的正弦之比等于波
7光的衍射 7.1惠更斯—菲涅耳原理 1. 根据惠更斯－菲涅耳原理，假设光在某时刻的波阵面为S ，那么S 的前方某点P 的光强度决定于波阵面S 上所有面积元发出的子波各自传到P 点的 (A) 振动振幅之和． (B) 光强之和． (C) 振动振幅之和的平方． (D) 振动的相干叠加． 答案：(D) 参考解答： 惠更斯原理可以定性说明波遇到障碍物时为什么会拐弯，但是它不能解释拐弯之后波的强度的重新分布〔对光而言，表现为出现明暗相间的衍射条纹〕现象。在杨氏双缝干预实验的启发下，注意到干预可导致波的能量出现重新分布，法国物理学家菲涅耳认为：同一波阵面上发出的子波是彼此相干的，它们在空间相遇以后发生相干迭加，使得波的强度出现重新分布，由此而形成屏上观察到的衍射图样。这一经 “子波相干叠加〞思想补充开展后的惠更斯原理，称为惠更斯－菲涅耳原理。 对所有选择，均给出参考解答，进入下一步的讨论。 2. 衍射的本质是什么？干预和衍射有什么区别和联络？ 参考解答： 根据惠更斯-菲涅耳原理，衍射就是衍射物所发光的波阵面上各子波在空间场点的相干叠加，所以衍射的本质就是干预，其结果是引起光场强度的重新分布，形成稳定的图样。 干预和衍射的区别主要表达在参与叠加的光束不同，干预是有限光束的相干叠加，衍射是无穷多子波的相干叠加。 7.2单缝衍射 1. 在夫琅禾费单缝衍射实验中，对于给定的入射单色光，当缝宽度变小时，除中央亮纹的中心位置不变外，各级衍射条纹 (A) 对应的衍射角变小． (B) 对应的衍射角变大． (C) 对应的衍射角也不变． (D) 光强也不变． 答案：(B) 参考解答： 根据半波带法讨论的结果，单缝衍射明纹的角位置由下式确定， ,2 )12(sin λθ+±=k a 即...)3,2,1(2)12(sin =+±=k a k λ θ .显然对于给定的入射单色光，当缝宽度a 变小时，各级衍射条纹对应的衍射角变大。 对所有选择，均给出参考解答，进入下一步的讨论。
§12.6惠更斯原理 一、波面和波线 波面：振动状态相同的质点组成的面。 波线：表示波的传播方向的线，箭头表示传播方向 波面和波线的关系：垂直 二、惠更斯原理 1) 行进中的波面上任意一点都可看作是新的子波源； 2) 所有子波源各自向外发出许多子波； 3）之后任意时刻,这些子波在波前进方向的包络面是波在该时刻的新的波面 说明： 1．原理的依据：1）波动在介质中是逐点传播的；2）各质点作与波源完全相同的振动 2．在均匀的各向同性介质中传播时，波面的几何形状总是保持不变的。 3．该原理对非均匀媒质也成立，只是波面的形状和传播方向可能发生变化。 三、惠更斯原理的应用 1．波的反射： 1）波的反射：波遇到障碍物会返回来继续传播，这种现象叫做波的反射． 2）入射角（i）：入射波的波线与平面法线的夹角i叫做入射角。 3）反射角（i’）：反射波的波线与平面法线的夹角i’叫做反射角。 4）反射定律： 入射波线、法线、反射波线在同一平面内，入射波线与反射波线分居法线两侧，反射角等于入射角。 由惠更斯原理解释证明：AB为波的一个波面经?t后，B点发射的子波到达界面处B`点，A点发射的子波到达A`点。同种介质，波速不变。 ` `AA B B= ` ` `AA B B AB? ? ? A BB AB A` ` `∠ = ∠ i i=` 注意：1)反射波的波长、频率、波速都跟入射波相同。 2)波遇到两种介质界面时，总存在反射。2．波的折射： 1）波的折射：波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生了改变的现象叫做波的折射。2）折射角（r）：折射波的波线与法线的夹角 3）折射定律：入射波线、法线、折射波线共面，入射波线与折射波线分居法线两侧．入射角、折射角的正弦比等于波在第一种介质和第二种介质中的速度比 2 1 sin sin v v r i = 表达式： 4）折射的原因：波在不同介质中速度不同 由惠更斯原理解释证明，A、B为同一波面上的两点经?t后，B点发射的子波到达界面处D点，A点的到达C点， AD BD i= sin AD t v? =1 AD AC r= sin AD t v? =2 2 1 sin sin v v r i = 注意： 1)当入射速度大于折射速度时，折射波线靠拢法线；当入射速度小于折射速度时，折射波线远离法线。 2)当垂直界面入射时，传播方向不改变，属折射中的特例 3)在波的折射中，波的频率不改变，波速、波长都发生改变 4)波发生折射的原因：是波在不同介质中的速度不同． 3．由惠更斯原理分析波的衍射现象 当波传到孔（缝）时，在孔（缝）处的波面上有许多子波源，每个子波源都向外传播子波面，从而使波传到孔（缝）后面的衍射区域，产生了衍射现象。 注意：惠更斯原理只能解释波的传播方向，不能解释波的强度，无法说明衍射现象与狭缝或障碍物的大小的关系。 同步练习：
惠更斯原理解释衍射 惠更斯原理是描述波动现象中衍射现象的一种基本原理。衍射是波动现象中的特有现象，描述的是波与障碍物或孔径的相互作用过程中的传播特性。下面将从最基本的波动模型和惠更斯原理出发，详细解释衍射现象的发生及其原因。 首先，我们来了解一下波动现象中的基本模型。波动现象可以使用波动方程来描述，其中最基本的波动方程就是三维空间中的波动方程。对于一维情况下的波动，波动方程可以简化为一维波动方程： ∂²u/∂t²= c²∂²u/∂x² 其中，u(x,t)表示波幅的分布，c表示波速，x表示空间坐标，t表示时间。以上方程描述了波动在时空中传播的规律。 在波动现象中，惠更斯原理是解释波通过障碍物或孔径传播后形成衍射的一种基本原理。惠更斯原理的核心思想是，波通过某一点后，每个点都可以看作是一个次波源，次波源发出的波以原波的波前为基准继续传播。 对于障碍物上的波动衍射现象，可以通过以下步骤进行解释。假设有一个平面波垂直照射到一个波长远大于障碍物尺寸的障碍物上。根据惠更斯原理，波通过障碍物上每个点后，各个点都可以看作是次波源。这样，在障碍物后方可以看到波阻塞部分的背后出现了新的波源。
具体通过惠更斯原理进行推导。在波阻塞区域的每个点都可以看作是一个次波源。这些次波源发出的波以波阻塞区域的波前（即原波的波前）为基准继续传播。在波传播过程中，不同次波源发出的波相位存在差异，当波阻塞区域的尺寸大于波长时，波的传播过程会导致相干干涉现象的产生。具体而言，当障碍物上不同点的次波源相对于某一特定观测点的相位差达到整数倍时，这些次波源的波振幅将相长干涉，使得观测点的波幅增强；当次波源的相位差为奇数倍时，这些次波源的波振幅将相消干涉，使得观测点的波幅减弱或干脆消失。 相干干涉的结果，就是障碍物后形成的衍射现象。通过惠更斯原理的推导，可以得到经典的夫琅禾费衍射公式，用于计算衍射波的幅度分布。夫琅禾费衍射公式可以用来解释从一个狭缝或者一个光阑上发出的波的传播特性。 在绕射现象中，光通过狭缝或者孔径后会发生弯曲，即传统的几何光学中所描述的直线传播效应无法预测地形成了局部的偏离。这是因为在波动光学中，波面在通过狭缝或者孔径后会发生弯曲，这种弯曲就是衍射现象。 总结来说，惠更斯原理对波的传播进行解释，每个点都可以看作是次波源。障碍物或者孔径对波传播过程中产生的相位差导致相干干涉，形成了衍射现象。惠更斯原理的应用使我们能够理解光线如何避开障碍物，绕射到背后的区域，为我们认识光的传播提供了基础。衍射现象的研究在物理学、光学等领域有着广泛的应
惠更斯原理可以用来解释波的衍射现象 近代物理学发展到七十年代，“波”这项概念以及其相关原理成 为研究者们新兴的话题。波的衍射现象的出现也催生了许多实验者们致力于解释它的理论。如今，其中最有名的一个理论应该就是惠更斯原理了。 惠更斯原理是根据力学中的“反射”原理来推导出的，原理最早由法国科学家路易惠更斯（Louis-Philippe de Huygens）提出。简 单来说，惠更斯原理认为，每个波对象上的每个点都可以发出相同大小的圆锥型波，波面聚集入口处，而尖端按比例分布于入口处。这样，当波面向一个固定方向反射时，不同部分的波浪都经历过不同的延迟，最终合并到一起，形成衍射现象。而惠更斯原理帮助科学家们很好地解释了波的衍射现象，这是物理研究的一大重要发明。 惠更斯原理的发现更多的是由实验得出的结果，而不是经过理性的演绎，因此，也有其他的研究者也提出了跟惠更斯原理相近的理论，比如贝贝尔（F.R.M.Bopp）首先提出的反射原理，以及马德可 （J.F.Mendelsohn）提出的半波原理。综上所述，惠更斯原理可以用来解释波的衍射现象，它已经成为现代物理学的一个重要概念。 大体上，惠更斯原理的理论和实验都有显著的成果。首先，它可以精确地解释波的衍射现象，可以很好地解释许多实验。其次，它还可以解释多种实验现象，包括衍射、干涉、激发态和反射现象。这一原理也应用于电磁学、热力学和声学等方面，使物理研究有了非常重要的突破。
本文介绍了惠更斯原理可以用来解释波的衍射现象。惠更斯原理可以从力学的“反射”理论出发，解释波的衍射现象。它可以精确地解释波的衍射现象，可以很好地解释许多实验，也可以解释多种实验现象，并且应用于电磁学、热力学和声学等方面。可以说，惠更斯原理的研究已经给现代物理学研究带来了非常重要的发展。
惠更斯原理的具体应用 什么是惠更斯原理？ 惠更斯原理是物理学中一项重要的理论，由法国科学家惠更斯于17世纪提出。该原理描述了光的传播方式以及光线与物体的相互作用过程。 根据惠更斯原理，光在传播过程中会以波的形式传播，并且会沿着尽可能短的 路径传播，这个路径被称为最短时间路径或费马原理。惠更斯原理提供了解释光的传播以及折射、干涉、衍射等现象的基础。 惠更斯原理的应用 1. 光的折射 光的折射是惠更斯原理的一个重要应用。当光线从一种介质射入另一种介质时，会发生折射现象。根据惠更斯原理，光线会沿着最短时间路径传播，因此在介质交界面上出现了折射现象。根据斯涅尔定律，光线的入射角和折射角之间存在一个确定的关系。 2. 光的干涉 光的干涉是指两束或多束光线相遇而产生干涉图样的现象。根据惠更斯原理， 光线会沿着所有可能的路径传播，因此在干涉现象中，光线会沿着不同的路径到达干涉屏上的同一点，形成干涉条纹。通过分析干涉条纹的形状和间距，我们可以推导出光的波长和光源的性质。 3. 光的衍射 光的衍射是指光通过一个或多个细缝、孔洞或物体边缘时产生的弯曲现象。根 据惠更斯原理，光线会沿着所有可能的路径传播，因此在衍射现象中，光线会通过细缝或孔洞的边缘弯曲，并在背后形成衍射图样。通过分析衍射图样的形状和大小，我们可以推导出光的波长和衍射物体的尺寸。 4. 光的反射 光的反射是指光线从物体表面弹回的现象。根据惠更斯原理，光线会沿着尽可 能短的路径传播，因此在反射现象中，光线会按照入射角等于反射角的规律进行反射。通过分析反射光线的方向和角度，我们可以确定物体表面的形状和光学特性。
惠更斯原理在实际中的应用 1. 光学仪器设计 惠更斯原理在光学仪器的设计中起着重要的作用。例如，在设计光学透镜时， 可以根据惠更斯原理来确定光线的传播路径和折射规律，以实现所需的像差和焦距。 2. 光学成像 惠更斯原理在光学成像领域也有广泛的应用。通过分析光线的折射、反射和衍 射等现象，可以确定目标物体的形状和位置，实现光学成像。 3. 光学通信 光学通信是一种基于光传输的通信技术。惠更斯原理可以用来优化光信号的传 输路径和传播规律，提高光信号的传输距离和传输速度。 4. 光学测量 光学测量是一种基于光学原理进行距离、速度、形状等参数测量的技术。惠更 斯原理可以用来分析光线的传播路径和相位差，实现精准的光学测量。 总结 惠更斯原理的具体应用包括光的折射、干涉、衍射和反射等现象。在实际中， 惠更斯原理广泛应用于光学仪器设计、光学成像、光学通信和光学测量等领域。通过研究光的传播规律和相互作用过程，我们可以深入理解光的性质和行为，为光学技术的发展和应用提供理论依据和指导。
激光衍射技术 电测控51 05043005 冯宁
激光衍射测试技术 摘要：激光衍射的原理，激光衍射的应用，激光衍射的发展 关键词：激光、衍射、测量、波、传播等 光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方向会偏离直线传播，弯入到障碍物的几何阴影中，并呈现光强的不均匀分布的现象 惠更斯——菲涅耳原理是波动光学的基本原理, 是研究衍射现象的理论基础。 一、惠更斯原理 在研究波的传播时，总可以找到同位相 各点的几何位置，这些点的轨迹是一个等相 面，叫做波面，惠更斯曾提出次波的假设来 阐述波的传播现象，从而建立了惠更斯原 理。惠更斯原理可表述如下：任何时刻波面 上的每一点都可作为次波的波源，各自发出 球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次 波波面的包络面形成整个波在该时刻的新波面。 根据这个原理，可以从某一时刻已知的波面位置求出另一时刻波面的位置。 s' s'(图2－1) 图2-1可以用来说明这个原理，图中SS 是某一时刻（0=t ）的波面，箭头表示光的传播方向，若光速为υ，为了求得另一时刻τ的波面的位置，可以把原波面上的每一点作为次波源，各点均发出次波，经时间τ后，次波传播的距离为υτγ=，于是各次波的包络面''S S 就是在时刻τ的波面，光的直线传播、反射、折射等都能以此来进行较好的解释。此外，惠更斯原理还可解释晶体的双折射现象，但是，原始的惠更斯原理是十分粗糙的，用它不能说明衍射的存在，更不能解释波的干涉和衍射现象，而且由惠更斯原理还会导致有倒退波的存在，而其实并不存在倒退波。 由于惠更斯原理的次波假设不涉及波的时空周期特性——波长，振幅和位相，因而不能说明在障碍物边缘波的传播方向偏离直线的现象。事实上，光的衍射现象要细微得多。例如还有明暗相间的条纹出现，表明各点的振幅大小不等，因此必须能够定量计算光所到达的空间范围内任何一点的振幅， 才能更精确地解
惠更斯原理可以用来解释波的衍射现象 什么是“波的衍射”？波的衍射是指在一定环境中，波的传播过程中，由于物体的形状、大小以及空间的设置而导致的波的反射和折射现象。衍射的原理被英国物理学家威廉惠更斯（William Henry Fox Talbot）在19世纪提出，即“波的衍射现象可以用惠更斯原理来解释”。 惠更斯原理是一种物理原理，它认为波的传播过程中，由于空气的反射和折射，波的衍射现象会发生，这就是惠更斯原理的基本概念。根据惠更斯原理，当一个可以发出的波被一个物体阻挡时，波会反射、折射和衍射这三种现象，这三种现象都是由波的波长、波的频率等特征决定的。 首先，当一个物体阻挡了发出的波，这个波会反射回去。这就是折射现象，因为当发出的波穿过物体时，波的频率和波长会发生变化，从而使波发生变化，最终形成反射波。 其次，当发出的波穿过一个物体且与物体表面的角度相差不大时，波会发生折射现象，即波从一个介质向另一个介质的转折。这是因为当波穿过物体时，波的方向会发生变化，由于介质的不同，波的频率会发生变化，从而导致波发生折射现象。 最后，当发出的波穿过物体或者是遇到两个物体时，波会发生衍射现象。衍射是指在一定环境中，由于物体的形状、大小而导致的波的反射以及折射现象。如果在一条两头封闭的弯管中放入一个波，这个波会在管道内形成一个圆环，从而产生衍射现象。
总的来说，惠更斯原理可以用来解释波的衍射，当发出的波在一定环境中穿越物体时，会发生反射、折射和衍射现象，这一切都是由波的波长、波的频率、物体的形状以及大小等特征决定的。惠更斯原理通过描述波在物体和介质之间的传播过程，使人们理解了波的衍射现象，可以说，这一原理对物理学的发展具有重要性。 随着科技发展，对惠更斯原理的了解也越来越深入。如今，物理学家们不仅可以用此原理来解释波的衍射现象，而且还可以用它来探究很多其他物理现象，比如微粒衍射、波的干涉和共振等，从而有助于我们更深入地理解物理学。 因此，惠更斯原理的发现，对物理学的发展具有重要的意义。它不仅让我们能够更好地解释波的衍射现象，而且还可以探究其他复杂的物理现象，从而让我们更加深入地理解物理学。 此外，惠更斯原理还可以应用到现实生活中，比如说在医学检测领域，运用此原理可以利用X射线波的衍射现象来观察体内的结构和物质，从而直接看到病灶的位置，大大提高了医疗效果。同时，在工业领域，惠更斯原理也广泛应用，比如说当光线通过一个结构精细的晶体物质时，可以运用惠更斯原理来控制光线的传播，实现精确控制光线的方向，使其只能沿着指定路径反射，从而改善工业生产的效率，节省能源、降低成本。 综上所述，惠更斯原理是19世纪提出的一种物理原理，它可以用来解释波的衍射现象。通过此原理，可以帮助我们更好地理解物理学，并且此原理还可以应用到日常生活中，大大提升生活质量。可以
惠更斯原理解释衍射现象 引言 衍射是物理学中一个重要的现象，它描述了当光线通过一个障碍物或者通过一 个边缘时，发生的弯曲和扩散。这个现象可以通过惠更斯原理来解释和理解。惠更斯原理认为，每个点都可以看作是发射出波的波源，这些波在传播过程中相互干涉，形成新的波前。在本文中，我们将详细说明惠更斯原理以及如何利用该原理解释衍射现象。 惠更斯原理的基本概念 惠更斯原理是由法国物理学家惠更斯在17世纪提出的。该原理认为，光线传 播过程中，每个点都可以看作是发出波的波源。在传播过程中，波会沿着各个方向传播，而波前则是波传播线上各个点的集合。惠更斯原理的核心思想是，波会在传播过程中与其他波相互干涉，形成新的波前。 衍射现象的解释 衍射现象可以被理解为波在通过障碍物或者经过边缘时产生的干涉现象。当光 线通过一个具有边缘或者孔径的障碍物时，波的传播会受到一定程度的限制和干涉，导致光线的扩散和弯曲。这种现象就是衍射。惠更斯原理可以很好地解释衍射现象。 惠更斯原理认为，波将在波前上的每一个点发出次波作为次波源。这些次波源 在传播过程中相互干涉，并产生新的波前。当波在通过一个边缘时，边缘上的每个点都可以看作是一个次波源。这些次波源发出的次波将以不同的相位和振幅发生干涉，产生一个新的波前。这个新的波前将继续传播，并将波的能量扩散到边缘之外的区域，从而形成衍射现象。 衍射的实际应用 衍射现象在光学和声学领域有许多实际应用。以下是一些常见的应用： 1.衍射光栅：衍射光栅是一种具有周期性结构的光学元件，它利用衍射 现象将光分散成不同的颜色。衍射光栅广泛应用于光谱仪、激光器和光通信等领域。 2.衍射声纳：衍射现象也存在于声学领域。声波在通过边缘或孔径时会 产生衍射现象，导致声波的传播方向发生变化。基于衍射原理的声纳技术被广泛应用于水下通信和探测等领域。 3.衍射成像：衍射现象可以用于成像。例如，透过窄缝或小孔的光线经 过衍射后，可以在屏幕上形成干涉条纹。基于这种原理，人们可以用衍射成像技术观察微小的细节和结构。
惠更斯原理 一、波面、波线和惠更斯原理┄┄┄┄┄┄┄┄① 1．波面、波线 (1)波面：在波的传播过程中，某时刻任何振动状态都相同的介质质点所组成的面，叫做波面。 (2)波线：与波面垂直，代表了波的传播方向的那些线，叫做波线。如图所示： (3)波的分类 ①球面波：由空间一点发出的波，它的波面是以波源为球心的一个个球面，波线就是这些球面的半径； ②平面波：波面是平面的波。 2．惠更斯原理 (1)内容：介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面。 (2)作用 ①如果知道某时刻一列波的某个波面的位置，还知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个波面的位置，从而确定波的传播方向； ①利用惠更斯原理只能解释衍射现象中波的传播方向，不能解释波的强度，无法说明衍射 现象与狭缝或障碍物大小的关系。 ①[判一判] 1．波面一定与波线垂直(√) 2．波面一定是平面(×) 3．波的传播方向与波面平行(×) 4．用惠更斯原理能够解释波的衍射现象与障碍物大小的关系(×) [说明] 惠更斯原理的实质：波面上的每一点(面源)都是一个次级波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络面就是该时刻总的波动的波面。其核心思想是：介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的。
二、波的反射和折射┄┄┄┄┄┄┄┄② 1．波的反射：波遇到两种介质的界面会返回来继续传播的现象。 2．反射角和入射角 (1)入射角：入射波的波线与界面法线的夹角，如图中i。 (2)反射角：反射波的波线与界面法线的夹角，如图中i′。 3．波的折射：波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生偏折的现象。如图所示。 ②[选一选] 人在室内讲话的声音比在室外空旷处讲话声音要洪亮，是因为( ) A．室内空气不流动 B．室内声音多次反射 C．室内声音发生折射 D．室内物体会吸收声音 解析：选B 室内声音多次反射后叠加，声音变洪亮，B正确。 [注意] 1．关于反射波的两点提醒 (1)波在同一均匀介质中传播可以看成匀速直线运动，其规律可以利用匀速直线运动的规律进行分析。 (2)反射波的波长、频率、波速跟入射波的相同。 2．关于波的折射的两点提醒 (1)波在两种介质的界面上发生折射的原因是波在不同介质中的传播速度不同。 (2)对于入射角为零的特殊现象，折射角也为零，即沿原方向传播，但介质发生了变化，其波长和波速也相应发生变化。
第5、6节多普勒效应惠更斯原理 1.多普勒效应：波源与观察者互相靠近或者互相 远离时，观察者接收到的波的频率都会发生变化的 现象。 2．波源与观察者如果相互靠近，观察者接收到 的频率增大，二者如果远离，观察者接收到的频率 减小。 3．利用多普勒效应可以测车辆速度、星球速度、 血流速度等。 4．惠更斯原理：介质中任一波面上的各点，都 可以看做发射子波的波源，其后任意时刻，这些子 波在波前进方向的包络面就是新的波面。 一、多普勒效应 1．多普勒效应 (1)音调：音调由频率决定，频率高则音调高，频率低则音调低。 (2)多普勒效应：波源与观察者互相靠近或者互相远离时，接收到的波的频率都会发生变化的现象。 2．多普勒效应产生的原因 (1)波源与观察者相对静止时，1 s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的，观察者观测到的频率等于波源振动的频率。 (2)当波源与观察者相互靠近时，1 s内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加，观察到的频率增加；反之，当波源与观察者互相远离时，观察到的频率变小。 二、多普勒效应的应用 1．测车辆速度：交警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，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．测星球速度：测量星球上某些元素发出的光波的频率。然后与地球上这些元素静止时发光的频率对照，可得星球的速度。 3．测血流速度：向人体内发射已知频率的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化就可得血流速度。 三、惠更斯原理 1．波面与波线 (1)波面和波线的概念：
①波面：波源发出的波，向四周传开，波峰组成了一个个圆，波谷也组成一个个圆，振动状态相同的点都组成了一个个圆，这些圆叫作一个个波面。 ②波线：指与波面垂直的那些线，代表了波的传播方向。 如图所示。 (2)波的分类： ①球面波：由空间一点发出的波，它的波面是以波源为球心的一个个球面，波线就是这些球面的半径。 ②平面波：指波面是平面的波。 2．惠更斯原理 (1)内容：介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面。 (2)应用： ①如果知道某时刻一列波的某个波面的位置，还知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个波面的位置，从而确定波的传播方向。 ②利用惠更斯原理只能解释衍射现象中波的传播方向，不能解释波的强度。无法说明衍射现象与狭缝或障碍物大小的关系。 3．波的反射与折射 (1)反射现象：波遇到介质界面会返回来继续传播的现象。 (2)折射现象：波从一种介质射入另一种介质时，波的传播方向发生改变的现象。 1．自主思考——判一判 (1)发生多普勒效应时，波源的频率没有发生变化。(√) (2)当波源和观察者向同一个方向运动时，一定发生多普勒效应。(×) (3)只有横波才能发生多普勒效应。(×) (4)波面一定是平面。(×) (5)波的传播方向与波面平行。(×) (6)用惠更斯原理能够解释波的衍射现象与障碍物大小的关系。(×) 2．合作探究——议一议 (1)炮弹由远处飞来从头顶呼啸而过的整个过程中，我们所听到的音调会发生怎样的变
惠更斯原理知识要点归纳 惠更斯原理是物理学中的一项基本原理，它是描述波的传播过程的重要依据。本文将对惠更斯原理的相关内容进行归纳总结，帮助读者更好地理解这一重要原理。 1. 惠更斯原理的基本概念 惠更斯原理又称为波前二次重构原理，简要概括为：在任何时刻，波前上的每一点都可以看作是新的次波源，新的次波源所发射出的波，沿原波传播方向重构成为新的波前。 惠更斯原理的阐述可以从两个方面来理解。 （1）波前的演化 惠更斯原理首先强调的是波前的演化，也就是随着时间的推移，波前上各个点的状态不停地发生变化。如下图所示，波源 A 反复振动，向四周传播的波在波前上画出一系列同心圆。 当波源 A 向右移动一个波长时，这些圆圈就排列成更密集的波前一部分，而波后一部分则更加疏松。因此，惠更斯原理认为波前随着时间的推移会不断演化，从而对应出不同的波形。 （2）新的次波源与波的重构 随着波前的演化，惠更斯原理还指出，波在传播过程中始终是以波源为中心进行传播的。当波到达某一点时，这一点的波前表面上的每一个小区域，都会感受到新的次波源发出的波，从而将这个小区域内的波向前传播。 这些新的次波源在整个波前表面上分布均匀，因此它们所发出的波也是均匀分布的。它们之间相互干扰，交织在一起，由此形成了一个新的波前。这样，整个波向前传播的过程就是由无数个波源发出的波汇聚在一起，重构成为新的波前。 惠更斯原理主要应用在波的传播过程中，不论是波的衍射、折射还是反射，都有它的应用。以下是惠更斯原理在波的传播过程中的具体应用： （1）波的衍射和折射 在波通过界面时，界面上的每一点也可以看作是新的次波源，它所发射出的波沿着原波的路径重构成为新的波前，这个过程就是波的折射。 （2）波的反射 惠更斯原理的实验验证主要采用一种双缝干涉实验来进行验证。这个实验的基本原理是在一面屏幕上开两个小缝，当光线透过两个小缝后在另一面屏幕上形成干涉条纹。
《惠更斯原理》教学设计 天水市第六中学徐新顺 一、教材分析 本节内容选自人教版高中物理《选修 3-4》第十二章《机械波》的最后一节，前面学生已经学习了波的基本概念以及波的衍射现象等，本节内容是用惠更斯原理解释波传播相关的现象——衍射、反射、折射。就像教科书中p39-40所讲的那样，利用叠加原理可以解释两个振动频率相同，振动方向相同的波源发出的两列波的干涉现象。在这种情况下，确实没有利用到惠更斯原理。但是，两个频率相同，振动方向相同，而且相位差恒定的两个或多个独立波源并不容易多见。常见的则是在一个波源的波场中，对称地放置一个有两个或多个缝或孔的装置，这些缝和孔就成了子波波源。这里就利用了惠更斯原理。这些子波具有频率相同，振动方向相同，相位差恒定的特点，它们的叠加就形成了干涉图样。可见，一般而言，要解释干涉和衍射，需要惠更斯原理和叠加原理这两个要素。 二、学情分析 学生在初中已经对光的反射、折射有了一定的认识，高中阶段又对波的衍射进行了一定的学习，所以本节的授课就基于学生对波传播有了一定的感性认识的基础上，来介绍波传播的理论依据——惠更斯原理；进而用惠更斯原理解释波的衍射、反射、折射现象。 三、教学目标 依据以上对教材内容的分析，制定了如下的教学目标： 物理观念：1知道波面和波线的概念，了解惠更斯原理的表述；2能用惠更斯原理解释波的衍射现象；3能用惠更斯原理解释波的反射现象；4用惠更斯原理解释波的折射现象。 科学思维：1通过初中学习过的光的反射、折射实验引入，启发学生对波的传播方向有一个由浅入深的认识； 2利用发波水槽的分组实验，帮助学生对波的反射、衍射有一个形象直观的认识，为理解惠更斯原理做好必要的铺垫； 科学探究：引导学生通过画波面图，理解惠更斯原理，并用惠更斯原理对波的衍射、反射、折射做出解释；再配合实例展示波的反射、折射在生产、生活中的应用。 科学态度与责任：通过惠更斯原理引导学生对物理现象背后物理规律、原理的思索与探究。再引导学生用物理原理来认识、分析生活中的现象。从生活到物理，又从物理到生活。 四、教学重难点 1教学重点：理解波面、波线的含义；理解惠更斯原理； 2教学难点：用惠更斯原理解释波的衍射、反射和折射现象。 五、教学策略 依据建构主义学习理论，学生学习过程是在教师创设的情境下，借助已有的知识和经验，主动探索，积极交流，从而建立新的认知结构的过程。学习是学生主体进行意义建构的过程。因此要创设建构知识的学习环境，树立以人为本的教育观念，发展不断建构的认知过程。 依据教材的地位和基本学情，本节课将从学生实际生活的实例出发，极大地调动学生的积极性和主动性，将学生的兴趣转化为学习的内驱力。同时在教学过程中，将采取以问题为主线，营造宽松、自主的课堂氛围。对新概念除了让学生“知其然”，更让学生“知其所以然”。同时，给学生尽可能多的时间和空间，创造尽可能多的机会让学生思考、探究和交流，使学生学会自主学习、合作学习。在课堂上通过学生的互相讨论，把学生的思维充分地调动起来，让他们主动参与学习，成为学习的主人。从而使复杂性的内容演变成简单易懂的内容。 在教学过程中，将充分发挥实物投影和多媒体等教学设备的功能，为学生提供趣味性和启发性的学习情境。最大限度地发挥学生的主动性和创造性，提高他们的思维能力和观察能力，同时教师的适当总结，使他们对知识有了更深更全面的认识。 另外，结合这节课教学内容，有意识在物理教学中渗透中国传统文化，对学生在物理知识的教学开展中进行传统美育渗透。 六、课时安排：1课时。 七、教学过程设计：