师：同学们，下面我们来学习高二物理粤教版选择性必修一第三单元《机械波的传播现象》第一课时的内容。这节课主要包含两部分：一是机械波的衍射与惠更斯原理；二是机械波的反射与折射。
大家看左下图，这是自然界中常见的水波衍射现象，右边两幅图分别展示了反射和折射。我们先来看机械波的衍射。水波遇到小障碍物或者小孔时，能绕过障碍物或穿过小孔继续向前传播，这种现象就叫做波的衍射。左下图中，图片上方海面的强烈波动到达礁石后，并没有完全被阻挡，它穿过了小孔，使得礁石下方也有波动，不过水波强度较弱。右下方视频显示，水波有时可以轻易绕过障碍，有时仍然被阻挡，这说明衍射现象并非千篇一律。所以，我们需要通过精心设计的实验，来探究衍射的条件。
如果我们保持水波的波长不变，改变狭缝的宽度，会出现怎样的现象呢？请看实验一。
水槽中放置了一个水波发声装置，为了演示水波的衍射，我们用两块挡板创造一个狭缝。可以看到，水波不仅穿过了狭缝，还在挡板后形成了一片水波区域。进一步减小狭缝的间距，挡板后的水波区域越来越大，我们能够观察到明显的衍射现象。
由实验一可知，波长一定时，减小窄缝的宽度，能观察到更明显的衍射现象。在实验2中，我们保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长。从a图可看出，当波长比窄缝宽度小许多时，衍射现象不明显；b图中波长更长些，衍射更明显了；而c图中的衍射现象最明显，水波几乎充满了挡板后方。所以我们得出结论：窄缝一定时，波长越接近窄缝的宽度，水波的衍射现象越明显。进一步的实验表明，当缝孔的宽度或者障碍物的尺寸跟波长相近或者比波长更小时，能观察到明显的衍射现象。
事实上，不只是机械波，一切波都能发生衍射，衍射是波特有的现象。除水波外，声波也能发生衍射。“闻其声而不见其人”就是常见的例子。通常的声波波长在1.7厘米至17米之间，可以跟一般障碍物的尺寸相比，所以声波能绕过一般的障碍物，使我们听到障碍物另一侧的声音。
后面我们会学到，光也是一种波，光波的波长约在0.4 - 0.7微米的范围内，跟一般障碍物的尺寸相比非常小，所以通常情况下看不到光的衍射，我们就说光沿直线传播。但当狭缝尺寸接近1微米或更小时，可观察到明显的衍射现象。如右下图所示，光穿过狭缝、绕过针尖或是穿过圆孔，都可形成明暗相间的条纹。
衍射现象如此丰富，我们该如何解释呢？下面我们大胆猜想一下。我们知道，波动起源于波源的振动，波动的传播是由于介质中质点之间的相互作用。如果介质是连续分布的，介质中任何一点的振动将直接引起邻近各点的振动，因而在波动中任何一点都可看作新的波源。从各类实验中我们发现，若水面上有一任意波动传播，当波遇到一个很小的孔时，穿过小孔的圆形波与原来的波形状无关，这说明小孔可以看作新的波源。如下方图片所示。
荷兰物理学家惠更斯总结了上述现象，于1690年提出：介质中波动传到的各点都可看作是发射子波的波源，在其后的任意时刻，这些子波的包络就形成新的波面，这就是惠更斯原理。
为了理解惠更斯原理，我们先来学习一个基本概念——波面。我们把振动情况相同的点组成的面叫做波面。例如，水面有一个波源，水波向四周传播，图片中的亮线对应了一种相同的震动状态，这些震动情况相同的点组成了一个个圆，它们都可被称为波面。海岸边不断涌来的海浪，也是一种机械波，浪尖部分震动情况相同，组成了波面。
有了基本概念后，我们尝试分步骤理解惠更斯原理。第一，波动传到的任意一点都可看作是子波源，例如水波向各处传播，形成了一个圆形波面，波面上的各点都可以看作是子波源。第二，所有子波源各自同时向外发射子波，如红线所示。第三，各个子波所形成的包络就是新波面，下图中新波面也是圆形，这就解释了水面波为何是圆形。有些同学可能不明白包络的意思，简单来说，包络就是和所有子波面相切的图形，在这里恰好是一个大圆。注意，惠更斯原理对任何波动过程都是适用的，包括衍射、反射和折射，但这一原理不能解释波的强度。
理解了惠更斯原理之后，我们尝试利用它解释衍射。假设有水波从左向右传播，此时波动传到狭缝处，其中任意一点都可作为子波源。子波源各自同时向外发出子波，形成一条弧形包络，这就是新波面。我们可以看到障碍后也有波存在，即机械波绕过了障碍，而这就是衍射现象。
除衍射外，机械波还会发生反射和折射。当机械波在传播过程中从一种介质进入另一种不同介质时，机械波会同时发生反射和折射现象。可通过实验3来展现反射和折射。我们将两根不同的弹簧连接起来，抖动一端，从左边产生一列机械波在连接的两根弹簧上传播，如图所示。实验表明，当机械波从左弹簧传播到右弹簧时，分成了两个新的波。我们称初始传播的波为入射波，被反射回来的波称为反射波，在介质2传播的波称为折射波。可以发现反射波和折射波比入射波振幅都要小，这就是机械波在两种介质界面的反射和折射现象。
下面请看实验3的动画演示。
动画更明显地展示了入射波分裂为反射波和折射波的情况，不过真实的入射还可能存在第二种情景。请看第二段动画，可以发现反射波的振动方向和入射波相反。事实上，当入射波所在介质的波速更快时，反射波的振动方向将会反向。有兴趣的同学可以阅读大学教材，深入研究波的特性。