反射、折射与衍射

波的介绍

波是物理学中一种迷人的现象，代表着能量通过介质的传播。它们可以以各种形式观察到，例如水波、声波和光波。理解波的行为有助于我们理解许多自然现象和技术应用。

反射

反射发生在波碰到表面或边界并返回其来自的介质时。这是许多类型波中观察到的共同特征，包括水波、声波和光波。反射的一个关键原理是入射角等于反射角。

考虑光波落在平面镜上。光波以称为入射角的角度击中镜子。然后以称为反射角的角度击中镜子。这些角度是相对于称为法线的镜面垂线来测量的。

入射角 = 反射角 θi = θr

图像可视化

反射的例子

反射的一个常见例子是回声。当你对着一个大的平面表面，比如建筑物或岩石喊叫时，声波反射回到你的耳朵，让你听到回声。

反射也可以在光学中看到，例如当光从镜子反弹时。该原理在潜望镜设计中使用，使观众可以看到障碍物或拐角。

折射

折射发生在波从一种介质传播到另一种介质并改变速度，导致波的方向发生变化。这是因为波在不同介质中的传播速度不同。波在两个介质间边界处的速度变化导致波弯曲，这称为折射。

控制折射的定律称为斯涅尔定律。它将入射角和折射角与波在各介质中的速度联系起来：

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

其中n1和n2分别为第一种和第二种介质的折射率，θ1和θ2为入射角和折射角。

折射的可视化

折射的例子

折射的经典例子是放在水杯中的吸管。从侧面看，吸管在水面上看起来是断裂或弯曲的，因为光在从空气进入水或从水出进入空气时弯曲。

折射也是彩虹等现象的原因。当阳光穿过大气中的雨滴时，光被折射并分散成其组成色彩，形成彩虹。

衍射

衍射涉及波绕过障碍物或通过孔的弯曲。与反射和折射不同，后者涉及波与表面相互作用或介质转换引起的方向变化，衍射展示了当波遇到边缘或狭缝时如何扩散。

衍射的程度取决于障碍物或孔的大小与波长的关系。当波通过一个小间隙或绕过一个小障碍物时，它弯曲并形成一系列从间隙或阴影区散发出的波前。

衍射的可视化

衍射的例子

当声波绕着拐角弯曲时可以看到衍射。当某人从另一个房间说话时，他们的声音仍然可以被听到，因为声波通过门扩散开来。

另一个例子是光通过狭缝时出现的图案。这一原理被用于光栅仪器，这些仪器用于将光分成不同的波长或颜色。