波の性質�G（干渉と回折の演示実験とホイヘンスの原理）

１．導入

前回は干渉という現象を学習しました。 お風呂でチャプチャプやってごらんといいましたが，やった人はいますか？ なかなかわからなかったと思います。今日は実際にみてみましょう。

２．演示実験（干渉）

これはOHPという機材で私が大学の時には， 透明なシートにペンで数式を書いて，このOHPの台の上にのせ， それをスクリーンに映して論文発表などしてました。
（いまはコンピュータになっていると思いますが･･･）
今日はシートの代わりに水を入れた水槽を置いてみます。
すると，このように波面がみることができるわけです。
この上で，球を１つ振動させると，このように同心円状の水面波が発生します。
そして，球を２つにして同位相で振動させてあげると･･･

白い筋が見えるでしょうか？一応節線を赤線で書いてみましたが，かなり適当です。 これは振動していない部分で，「節線」です。
その白い筋の間に大きく振動している線が「腹線」です。
これらが前回書いてもらったラインになります。

このように，これらの球からの距離の差が波長の整数倍となるところは強め合い， 波長の整数倍＋半波長になるところは弱め合います。そこは振動していないので， 白い線に見えるのです。
また，ｍの意味はわかりますか？中心の直線がｍ＝０の強め合うラインです。 外にいくに従い，ｍ＝１，２･･･となります。

→本数は減ります。

ちょっとわかりにくいですかね。実際には振動数を低いところから上げます。 その方が干渉がわかりやすい。ここでは，写真がなかったので，下げたことにしました。

３．演示実験（回折）

さて，今度は球を振動させる代わりに，このような割り箸状の棒を振動させてみます。 すると，このように平面波がみえます。

ちなみに，同じ振動（つまり同位相） の点を連ねた線を「波面」といいます。 山を連ねた線でもOKですので，これらは波面といえます。 そして，波の進行方向を示す線を「射線」といいます。

（一度停止させてから）ここで，問題です。

隙間の分だけ波が通り抜け，まっすぐに進みますか？

実際にやってみると･･･

このように，広がるのです。 このように，隙間の後ろ側まで波が回り込む現象を「回折」といいます。

隙間を広げるとどうでしょうか？

狭いときと比べて，広がりの程度が小さいのがわかります。

４．ホイヘンスの原理

では，なぜこのような現象が起きるのでしょうか？ 通過した分だけまっすぐに進みそうなもんですよね。 特に，これが波でなく粒子だったら広がるなんてことは絶対にありません。 回折は波に特有の現象なのです。 ここで，ホイヘンスは次のように波の性質を説明します。

そうすると回折は， 隙間を通った波面から素元波が出てそれが円状に広がるので， 障害物の影まで回り込むと説明ができます。

５．まとめ

今日は実験室で，干渉と回折という現象を観察しました。 そして回折からホイヘンスの原理を学習しました。 でも，ホイヘンスの原理って嘘くさくないですか？ 実際，「素元波自体は観測できない」「後ろに進む波は考えない」 という条件がついているのです。 しかし，それでもホイヘンスの原理が現在まで残っているのは， 回折だけでなく，反射や屈折といった現象まで説明できるからなのです。 次回はその反射や屈折を学習していきましょう。

授業を終えて。。。
干渉は説明してから演示実験を見るほうが理解が高い。 演示実験が先だと「節線」自体をすぐ見つけられないし， もともと面白い実験ではないので，理論が実際に現象と一致しているところを ここでは強調したい。

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