现在我们来考虑一个用水波做的实验。实验仪器示于图6-2中。我们有一个浅水槽,里面盛有水。一个标有“波源”字样的小物体用马达带动上下振动,产生圆形的波。波源的右边仍是一堵带两个孔的墙,墙外是第二道墙,为了使问题尽量简单化,我们假设这道墙是一个“吸收体”,因此到达它的波不发生反射。这可以用逐渐上升的“沙滩”做到。在沙滩前面放一个探测器,和以前一样,它可以沿 x 方向移动。这里的探测器是一个测量波动的强度的仪器。你可以想象它是一个测量波动高度的装置,但是它的刻度是正比于实际高度的平方而校准的,因此它的读数正比于波的强度。于是,我们的探测器的读数正比于波携带的能量——或更确切地说,正比于能量被带到探测器的速率。
图6-2 用水波做的干涉实验
用我们这套波动实验仪器,该注意的第一件事是,波动的强度可以是任意大小。如果波源只做很小的运动,那么在探测器处只有一点点波动。波源的运动更大时,探测器处波的强度更强。波的强度可以有任意的值。我们不认为波的强度有任何“颗粒性”。
现在我们来测量不同 x 值处波的强度(保持波源一直作同样的振动)。我们得到图6-2(c)中标有 I 12 的样子很有趣的曲线。
在我们研究电磁波的干涉时,已经知道了这种图样是怎样产生出来的。在那里,我们观察到原来的波在两个小孔处发生衍射,从每个孔有新的圆形波传播出来。如果我们每次盖上一个孔,测量吸收体上的强度分布,我们将求得图6-2(b)所示的很简单的强度分布曲线。 I 1 是关上孔2时穿过孔1的波的强度分布,而 I 2 是关上孔1时穿过孔2的波的强度分布。
两个孔都打开时观察到的强度分布 I 12 肯定不是 I 1 与 I 2 之和。我们说这里发生了两个波的“干涉”。在某些地方,两个波“同相”,波峰加在一起得出一个大的振幅,从而给出一个大的强度, I 12 在这些地方有极大值。我们说这两个波在这些地方发生“相长干涉”。只要探测器到一个孔的距离比探测器到另一个孔的距离大(或小)整数个波长,就会发生这样的相长干涉。
在两个波“反相”(相位差π)到达的那些地方,探测器上的合成波动的振幅是两个波振幅之差。两个波“相消干涉”,我们得到波的强度的一个很低的值。只要孔1到探测器的距离与孔2到探测器的距离相差奇数个半波长,我们就预期强度的值很低。图6-2中 I 12 曲线的最小值所在就对应于那些发生相消干涉的地方。
你会记得, I 1 , I 2 和I 12 之间的定量关系可以用以下的方式表示:在探测器处来自孔1的水波的瞬时高度可以写成 h 12 e iωt (的实部),其中振幅 h 1 一般是一个复数。强度正比于高度的均方值,或者在使用复数的情况下,正比于| h 1 | 2 。同样,来自孔2的水波的瞬时高度为 h 2 e iωt ,其强度正比于| h 2 | 2 。当两个孔都打开时,两个波的高度相加给出合成波的高度( h 1 + h 2 )e iωt 和强度| h 1 + h 2 | 2 。对于我们现在的目的,可以忽略掉比例常数,于是得到两个波发生干涉时适用的关系:
你会注意到,这个结果同用子弹得出的结果(6.1)式很不相同。展开|h 1 +h 2 | 2 ,我们得到
其中 δ 是h 1 和h 2 之间的相位差。上式用强度可以写成
(6.4)式中最后一项是“干涉项”。对水波我们就讨论到这里。其强度值可以是任意大小,并且它表现出干涉。