Дифракция и интерференция волн: Интерференция и дифракция света кратко о явлении – формулы с примерами решений (9 класс)

Содержание

Дифракция и интерференция волн – презентация онлайн

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

2. Содержание

1. Введение.
2. Теория.
3. Экспериментальная часть.
4. Приложения.
5. Литература.

3. Введение

Между интерференцией и дифракцией волн много
общего, но существуют и некоторые различия. Когда
говорят об интерференции, обычно полагают, что
амплитуды возбуждающих источников заранее заданы. В
теории дифракции ситуация иная – падающая волна
возбуждает на поверхности или в объеме рассеивающего
тела некоторые токи, которые, в свою очередь, служат
вторичными источниками заранее не известны, и, строго
говоря, их можно найти лишь на основе решения
дифракционной задачи в целом. Общность понятий
интерференции и дифракции состоит в том, что в
результате обоих явлений происходит сложение двух или
нескольких волн, приходящих в точку приема с
определенным фазовым сдвигом.

4. Интерференция

Интерференцией
в
физике называют явление
сложения
двух
или
нескольких
волн,
приходящих
в
точку
приема из нескольких
источников.
Видео 1.
Видео 2.
Интерференции волн от 2 точечных
источников. Синий – максимумы,
красный/желтый – минимумы
Интерференция света заключается
в том, что при взаимном наложении
двух волн может происходить
усиление
или
ослабление
колебаний.
Принцип
интерференции был открыт в 1801
г. англичанином Томасом Юнгом
(1773—1829),
врачом
по
профессии. Юнг провел опыт с
двумя отверстиями. На экране
кончиком булавки прокалывались
два
близко
расположенных
отверстия, которые освещались
солнечным светом из небольшого
отверстия в зашторенном окне. За
экраном наблюдалась вместо двух
ярких точек серия чередующихся
темных и светлых колец.

6. интерференция электромагнитных волн на примере Возбуждения пространства нитью электрического тока

В качестве примера расчета интерференции волн рассмотрим задачу об
электромагнитном поле, которое создается бесконечно тонкой нитью электрического
тока, ориентированной вдоль оси z цилиндрической системы координат. Ток
изменяется во времени по гармоническому закону с частотой w; комплексная
амплитуда тока I в каждой точке оси z считается неизменной.
Электродинамические свойства среды заданы параметрами 0 и 0 .
Бесконечно большое расстояние реализуется для случая, когда r от точки наблюдения
достаточно велико в волновом масштабе. Если мысленно разбить излучающую нить
на бесконечно малые отрезки длиной , то каждый из них будет представлять собой
элементарный электрический излучатель (диполь). Комплексная амплитуда
напряженности результирующего магнитного поля определяется как:
j r 2 z 2
jI r e
H (r ) dH
dz
2
2
4 r z

7. Дифракция

Дифракцией называют
явление огибания
электромагнитным
и волнами
препятствий.
Дифракция первого и второго порядка, образованных
при падении плоской волны на непрозрачный экран с
парой щелей. Стрелками показаны линии, проходящие
через линии интерференционных максимумов
Дифракция была открыта Франческо Мария
Гримальди (1618–1663) в 1666 году — и именно
он ввел этот термин в физику. Гримальди
использовал тонкий пучок света, прошедший в
темную комнату через щель. Данный пучок
представлял из себя конус, поскольку солнце не
является точечным источником света, а также в
силу конечной ширины щели. На пути этого
конуса Гримальди поставил деревянную жердь
и наблюдал отбрасываемую ей тень. Оказалось,
что, во-первых, тень была несколько меньше
рассчитанных
им
предполагаемых
геометрических размеров, а во-вторых, что у
краев тени наблюдались несколько радужных
полос. Последние были едва различимы, однако
их цветовая окраска говорила в пользу
негеометрического характера распространения
света. Действительно, лучи разных длин волн
должны были распространяться по различным
траекториям.

9. Интегральные характеристики дифракции

Процесс дифракции характеризуют при помощи
интегральных энергетических параметров,
таких как: поперечное сечение рассеяния и
поперечное сечение прохождения.

10. Поперечное сечение рассеяния

Дифракция на теле ограниченного размера
описывается при помощи поперечного сечения
рассеяния :
P
1
S 0 0 П dS
П
П
Поперечное сечение рассеяния.docx

11. Поперечное сечение прохождения

Рассматривая дифракцию на отверстии вводят
понятие поперечного сечения прохождения:
P
1
T 0 0
П
П
П
dS
Поперечное сечение прохождения.docx
Дифракция плоской
электромагнитной волны
на щели в идеально
проводящем экране
Дифракция плоской
электромагнитной
волны на идеально
проводящем цилиндре
Дифракция плоской волны на
прямоугольном отверстии в
идеально проводящем экране
Дифракция плоской
электромагнитной волны
на идеально проводящем
металлическом шаре
Дифракция плоской электромагнитной волны
на круглом отверстии в идеально проводящем
экране и на идеально проводящем диске

13.

Дифракция плоской электромагнитной волны на щели в идеально проводящем экране В качестве примера, рассмотрим задачу о дифракции плоской электромагнитной
волны на идеально проводящем экране, в котором имеется щель шириной 2a,
бесконечно протяженная вдоль оси y.
2 sin a
E x r , E0 a
e
r
a
j r
4
Данное выражение описывает цилиндрическую волну, которая уже не является
однородной, а имеет угловую зависимость амплитуды поля, выраженную тем
сильнее, чем больше отношение ширины щели к длине волны. Интенсивность
излучения щели максимальна в направлении 0 ; первый дифракционный нуль
излучения наблюдается под углами 0 , которые удовлетворяют равенствам a 0 .
Угловая зависимость дифракционного поля щели имеет лепестковый характер. В
направлении 0 формируется основной лепесток, по обе стороны от которого
возникают симметричные боковые лепестки рассеянного поля, т.к. токи,
обусловленные падающей волной, затекают за кромки щели.

14. Дифракция плоской волны на прямоугольном отверстии в идеально проводящем экране

Простейшей моделью апертурной антенны является бесконечный идеально
проводящий экран с отверстием, через которое осуществляется
электромагнитная связь между двумя полупространствами
Считаем, что отверстие имеет форму прямоугольника со сторонами a и b.
Предположим, что отверстие возбуждается однородной плоской волной,
которая движется в левом полупространстве z
плоскости экрана и имеет единственную от нуля проекцию электрического
вектора E y . Пусть отверстие достаточно велико в волновом масштабе, т.е.
a
b
Предположим, что поле в отверстии совпадает с полем возбуждающей
плоской волны при отсутствии экрана, т.е. поле в плоскости раскрыва
E y E0 exp j z
Данное равенство выполняется в прямоугольной области, границы которой
устанавливаются неравенствами.
a
a
x
2
2
b
b
y
2
2
Вне раскрыва возбуждающее поле обращается в нуль.

15. Дифракция Френеля

Дифракция Фраунгофера имеет место в том случае, когда точка
наблюдения удалена от излучающей системы так, что
8
( / 8 принято для конкретности оценок условно). Говорят, что при этом
точка наблюдения находится в дальней зоне апертурной антенны. Поле в
дальней зоне имеет вид неоднородной сферической волны.
Если приблизить точку наблюдения к излучающей апертуре, то
максимальный фазовый сдвиг между элементарными колебаниями
становится больше / 8 . При этом точка наблюдения располагается в
ближней зоне антенны.
Условной границей между ближней и дальней зоной служит плоскость с
координатой:
z0
2a 2

16. Дифракция плоской электромагнитной волны на идеально проводящем металлическом шаре

Для решения задачи дифракции плоской волны на шаре внутреннее E и
внешнее H поля дифракции разлагаются в ряды с неопределенными
коэффициентами, которые определяются при наложении граничных
условий. При этом используются сферические гармоники и на основе
скалярных решений уравнения Гельмгольца строятся соответствующие
векторные решения уравнений Максвелла.
Как и в случае идеально проводящего цилиндра, с ростом относительного
радиуса объекта наблюдается обострение максимума рассеянного излучения
в области геометрической тени.

17. Дифракция плоской электромагнитной волны на круглом отверстии в идеально проводящем экране

Рассмотрим схему наблюдения дифракции от круглого отверстия на примере световой
волны. Освещенность в центре экрана больше или меньше освещенности от
незакрытого фронта в зависимости от того, уложится ли при данных условиях опыта на
площади отверстия нечетное или четное число зон Френеля. При удалении от центра
мы периодически встретим места с большей или меньшей освещенностью. Так как вся
картина должна обладать круговой симметрией, то около точки
возникнут
чередующиеся более светлые и менее светлые кольца.
Число наблюдаемых светлых и
темных колец и их положение зависят от числа зон, умещающихся на площади
отверстия при данных условиях наблюдения. Число зон , укладываемое на отверстии
радиуса определяется равенством:
a a R r0
k
r0 R
Если на площади отверстия укладывается лишь одна центральная зона Френеля или
часть ее, то на экране получается размытое пятно, не окруженное светлыми и темными
кольцами. Если на площади отверстия укладывается большое число зон Френеля, то
освещенность вблизи точки получается практически равномерной и лишь у краев
геометрической тени наблюдается чередование весьма узких светлых и темных полос.

18. Дифракция плоской электромагнитной волны на идеально проводящем диске

Рассмотрим схему наблюдения дифракции от непрозрачного диска. Пусть
излучение из точки источника падает на диск радиусом , за которым на
прямой, перпендикулярной плоскости диска и проведенной через его центр,
располагается точка наблюдения . Будем считать, что размер диска во много
раз меньше расстояний a от диска до источника и от диска до точки
наблюдения .
Амплитуды соседних зон Френеля примерно равны друг другу,
следовательно
E ( P) 0.5E m 1
Отсюда следует, что в центре дифракционной картины, создаваемой диском,
всегда наблюдается пятно максимума интенсивности, независимо от
размеров диска. В истории физики это свойство зон Френеля явилось
доказательством волновой природы света.
Дифракционная картина от диска, наблюдаемая на экране , имеет характер
чередующихся колец минимумов и максимумов интенсивности, в центре
которых находится пятно максимума.

19. Дифракция плоской электромагнитной волны на идеально проводящем цилиндре

Рассмотрим задачу о дифракции плоской волны на идеально проводящем
цилиндре радиусом , ось которого ориентирована вдоль оси z декартовой
системы координат. Плоская электромагнитная волна с линейной поляризацией
падает на цилиндр слева направо в положительном направлении оси. Плоскость
поляризации падающей волны выбрана таким образом, что соответствующий
вектор напряженности электрического поля имеет единственную отличную от
нуля проекцию E zппа , которая считается известной.
Цилиндры малых радиусов рассеивают энергию практически изотропно, т.к.
высокочастотные токи обтекают их, формируя цилиндрическую волну, фронтом
которой является семейство концентрических цилиндров с центром в месте
расположения цилиндра малого радиуса. Цилиндры средних размеров, у
которых размер приблизительно совпадает с длиной волны, имеют ярко
выраженный максимум рассеяния в области 0 , т.к. высокочастотные токи
еще способны обтекать цилиндры таких размеров. Цилиндры больших размеров
в основном отражают электромагнитную энергию назад, и в направлении углов
формируется область геометрической тени, т.к. высокочастотные токи в
основном сосредоточены на фронтальной стороне цилиндра.

20. Принцип Гюйгенса.

При анализе непрерывных излучающих систем с
конечной
площадью
требуется
найти
векторы
электромагнитного поля во всем пространстве при
условии, что возбуждающее поле в раскрыве задано.
Основой приближенного анализа служит принцип
Гюйгенса, согласно которому каждая точка на волновом
фронте служит фиктивным источником воображаемой
сферической волны. Полное поле впереди волнового
фронта есть результат интерференции сферических волн,
излучаемых фиктивными источниками. Такие источники
называют вторичными, чтобы отличать от первичных
или истинных источников, которыми являются токи в
проводниках или движущиеся заряды

21. Экспериментальная работа №1 «Наблюдение интерференции света на мыльном пузыре».

Учащиеся выдувают мыльные пузыри
Наблюдаем на верхней и нижней его
части образование интерференционных
колец, окрашенных в спектральные
цвета. Верхний край каждого светлого
кольца имеет синий цвет, нижний –
красный.
По
мере
уменьшения
толщины
пленки
кольца,
также
расширяясь, медленно перемещаются
вниз. Их кольцеобразную форму
объясняют кольцеобразной формой
линий равной толщины

22.

Экспериментальная работа № 2. “Наблюдение дифракции света на лазерном диске”. Лазерный
диск
является
хорошей
дифракционной решеткой.
1. Располагаем его параллельно нити лампы
и наблюдаем дифракцию в отраженном
свете.
2. Наблюдаем яркие дифракционные
спектры нескольких порядков.
Поверхность компакт-диска представляет
собой спиральную дорожку с шагом
соизмеримым с длиной волны видимого
света. На мелкоструктурной поверхности
проявляются
дифракционные
и
интерференционные явления. Блики
компакт- дисков имеют радужную
окраску.

23. Экспериментальная работа № 3. “Наблюдение дифракционной окраски насекомых по фотографиям”.

Внешняя поверхность оперения у
многих птиц и верхний покров
тела
бабочек
и
жуков
характеризуются
регулярным
повторением элементов структуры
с периодом от одного до
нескольких микрон, образующих
дифракционную
решетку
.
Например, структуру центральных
глазков
хвостового
оперения
павлина можно увидеть на
рисунке. Цвет глазков меняется в
зависимости от того, как падает на
них свет, под каким углом мы на
них смотрим.

24. Приложение

Контрольные вопросы
Проверочный тест

25. Литература

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. «Теория поля».
Наука, 1988.
2. Сивухин Д. В. «Общий курс физики», 1995
3. Кондратьев И. Г., Малюжинец Г. Д.
«Дифракция волн»М: Советская энциклопедия,
1988—1998.

Урок 17. дифракция света – Физика – 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 17. Дифракция света

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) условия возникновения явления дифракции света.

2) знания о дифракционной решетке.

3) понятие дифракции, где наблюдается данное явление в природе.

4) представление о дифракции, как о явлении, подтверждающее волновую теорию света;

5) знакомство с спектральным прибором (дифракционная решетка).

Глоссарий по теме

Интерференция и дифракция – явления, подтверждающие волновую природу света.

Дифракция света – огибание световой волной непрозрачных тел с проникновением в область геометрической тени и образованием там интерференционной картины.

Принцип Гюйгенсакаждая точка поверхности, достигнутая световой волной, является вторичным источником световых волн. Огибающая вторичных волн, становится волновой поверхностью в следующий момент времени.

Френеля Принцип Гюйгенсакаждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.

Дифракционная решётка – представляет собой совокупность большого числа узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я, Буховцев Б Б. Сотский Н. Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 213 – 220.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс.-Москва «Просвещение»1992. С.149 – 151

Основное содержание урока

Дифракция – огибание волнами краёв препятствий – присуща любому волновому движению

Но наблюдать дифракцию света нелегко, так как волны отклоняются от прямолинейного распространения на заметные углы только на препятствиях, размеры которых сравнимы с длиной волны, а длина световой волны, как мы с вами знаем, очень мала.

В 1802 г. Томас Юнг, поставил опыт по дифракции.

В непрозрачной ширме он сделал два маленьких отверстия на небольшом расстоянии друг от друга. Эти отверстия освещались узким световым пучком, прошедшим через первое отверстие в другой ширме. Волна от первого отверстия возбуждала когерентные колебания в двух других отверстиях. Вследствие дифракции из двух отверстий выходили два световых конуса, которые частично перекрывались. В результате интерференции этих двух световых волн на экране появились чередующиеся светлые и тёмные полосы. При закрывании Юнгом одной из отверстий, было обнаружено, что интерференционные полосы исчезали. Именно этот опыт помог Юнгу измерить длины волн, соответствующие световым лучам разного цвета. Следующий учёный Френель завершил в своих работах исследования дифракции. Он разработал количественную теорию дифракции, позволяющую в принципе рассчитать дифракционную картину, возникающую при огибании светом любых препятствий. Учёный впервые объяснил прямолинейное распространение света в однородной среде на основе волновой теории.

По идее Френеля каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причём все вторичные источники когерентны.

На явлении дифракции основано устройство оптического прибора – дифракционной решётки

Дифракционная решётка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделённых непрозрачными промежутками.

Если ширина прозрачных щелей равна а, и ширина непрозрачных промежутков равна b, то величина d = а + b называется периодам решётки.

Обычно период дифракционной решётки порядка 10 мкм.

Разбор тренировочных заданий

1.Дифракционная решетка освещается монохроматическим зеленым светом. При освещении решетки монохроматическим красным светом картина дифракционного спектр.

1) сузится; 2) расширится; 3) исчезнет;4) не изменится

Правильный ответ: 2) расширится

2. Сколько штрихов на каждый миллиметр содержит дифракционная решётка, если при наблюдении в монохроматическом свете 𝛌 = 0,6 мкм максимум пятого отклонён на угол φ = 18°.

Ответ: N = 103.

Поурочный план к уроку физики на тему “Интерференция. Дифракция механических волн”

КГУ «Индустриально-технологический колледж»

Поурочный план № 93-94

(для организаций технического и профессионального, послесреднего образования)

Распространение механических волн. Интерференция механических волн.  Дифракция механических волн.
(тема занятия)

Наименование дисциплины: Физика
Подготовил педагог: Тихоненко С.А.
Дата урока: 18.02.2021

 

1. Общие сведения

1.1 Курс, группы: первый, 9СЛ20, 9МК20, 9ОП20

1.2 Тип занятия: комбинированный

1.3 Межпредметные связи: математика, черчение, электротехника.

 

2. Цели, задачи:

Цели урока:

·         изучить основные закономерности интерференции на примере более понятных и наглядных механических волн;

·         способствовать формированию интереса к физике и процессу научного познания;

·         способствовать расширению кругозора учащихся, развитию умения делать выводы по результатам эксперимента;

Задачи урока:

Учащиеся должны знать:

·         понятие когерентных источников волн;

·         понятие явления интерференции волн;

·         условия максимума и минимума;

Учащиеся должны уметь: объяснять механизм формирования интерференционной картины от двух когерентных источников.

 

2.1 Перечень профессиональных умений, которыми овладеют обучающиеся в процессе учебного занятия: научиться выполнять преобразования по расчёту физических величин.

2.2 Результаты обучения:

1) Описывать колебания, распространяющиеся  в пространстве с течением времени.

2.3 Критерии оценки:

1) Исследует интерференцию от двух источников на поверхности воды;

2) Объясняет принцип Гюйгенса и условия наблюдения дифракционной картины механических волн.

3. Оснащение занятия

3.1 Учебно-методическое оснащение: дидактические материалы, справочно-инструктивные таблицы, карточки с заданиями, оценочные листы.

Справочная литература:

1.      Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков,  Т.Қыстаубаев. Физика.  Учебник. 1, 2  часть. Мектеп. 2019.

2.      С.Туякбаев,  Ш.Насохова,  Б.Кронгарт,  В.Кем ,  В.Загайнова .  Физика.  Учебник. Мектеп. 2015.

3.      Н.Закирова, Р.Аширов. Физика. Учебник + СD. Арман-ПВ. 2019.

4.      Н.Закирова, Р.Аширов. Физика. Дарслик.  Арман-ПВ. 2019.

5.      А.П.Рымкевич.  Сборник задач по физике.  Алматы.  Мектеп. 2011.

 

 3.2 Техническое оснащение, материалы, ИКТ: мультимедийный проектор, ноутбук, экран.

 

    4. Ход занятия

 

Заплани-

рованные этапы урока, время

Деятельность, запланированная на уроке

 

Ресурсы

 

 

Начало урока

Орг. момент.

 

 

Проверка домашнего задания.

1.       Подберите ассоциации к слову «ВОЛНА».

2.      Назовите виды волн.

3.      Назовите характеристики волн.

.

 

Презентация

Середина урока

https://docs.google.com/document/d/13AF0MtPCehJV05EmmSpYQOCuA8tsHEVaWBZfgtrfqbI/edit

Свойства механических волн 

   1. Отражение волн – механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред. Если механическая волна, распространяющаяся в среде, встречает на своем пути какое-либо препятствие, то она может резко изменить характер своего поведения. Например, на границе раздела двух сред с разными механическими свойствами волна частично отражается, а частично проникает во вторую среду.  

   2. Преломление волн –  при распространении механических волн можно наблюдать и явление преломления: изменение направления распространения механических волн при переходе из одной среды в другую.

   3. Дифракция волн – отклонение волн от прямолинейного распространения, то есть огибание ими препятствий.

   4. Интерференция волн – сложение двух волн. В пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция приводит к возникновению областей с минимальным и максимальным значениями амплитуды колебаний.

Интерференция и дифракция механических волн.

Волна, бегущая по резиновому жгуту или струне отражается от неподвижно закрепленного конца; при этом появляется волна, бегущая во встречном направлении.  

   При наложении волн может наблюдаться явление интерференции. Явление интерференции возникает при наложении когерентных волн.

   Когерентными называют волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости.

   Интерференцией называется постоянное во времени явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн.

   Результат суперпозиции волн зависит от того, в каких фазах накладываются друг на друга колебания.

   Если волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах, то произойдет усиление колебаний; если же – в противоположных фазах, то наблюдается ослабление колебаний. В результате в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей усиленных и ослабленных колебаний.

Условия максимума и минимума

   Если колебания точек А и Б совпадают по фазе и имеют равные амплитуды, то очевидно, что результирующее смещение в точке С зависит от разности хода двух волн.

Условия максимума

 

   Если разность хода этих волн равна целому числу волн (т. е. четному числу полуволн) Δd = kλ, где = 0, 1, 2, …, то в точке наложения этих волн образуется интерференционный максимум.

   Условие максимума

   Амплитуда результирующего колебания А = 2x0.

Условие минимума

 

   Если разность хода этих волн равна нечетному числу полуволн,  то это означает, что волны от точек А и Б придут в точку С в противофазе и погасят друг друга.

   Условие минимума: 

   Амплитуда результирующего колебания А = 0.

   Если Δd не равно целому числу полуволн, то 0 < А < 2х0.

 

Дифракция волн.

   Явление отклонения от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий называется дифракцией.

   Соотношение между длиной волны (λ) и размерами препятствия (L) определяет поведение волны. Дифракция наиболее отчетливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Опыты показывают, что дифракция существует всегда, но становится заметной при условии d<<λ, где d – размер препятствия.

   Дифракция – общее свойство волн любой природы, которая происходит всегда, но условия её наблюдения разные.

   Волна на поверхности воды распространяется в сторону достаточно большого препятствия, за которым образуется тень, т.е. волнового процесса не наблюдается. Такое свойство используется при устройстве волноломов в портах. Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны, то за препятствием будет наблюдаться волнение. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было вовсе, т.е. наблюдается дифракция волны.

Примеры проявления дифракции. Слышимость громкого разговора за углом дома, звуки в лесу, волны на поверхности воды.

 

Ссылка 1.

 

 

Презентация

 

Закрепление: синквейн Дифракция/ Интерференция – выбор учащегося.

 

Презентация, видео

Конец урока

Рефлексия

Рефлексия «+, -, интересно».

– Понравился ли вам урок?

– Что было трудным для вас?

– Что вам больше понравилось?

 

Слайд

 

Домашнее задание:

1.      Составить конспект.

2.      Синквейн.

3.      Диаграмма Вена «Интерференция и дифракция».

 

Слайд  

          5.Рефлексия по занятию

Рефлексия «+, -, интересно».

– Понравился ли вам урок?

– Что было трудным для вас?

– Что вам больше понравилось?

      6. Домашнее задание

Оценочный лист:

Выполненное задание

Баллы

1.       

Составлен конспект

20

2.       

Синквейн

30

3.        

Диаграмма Вена «Интерференция и дифракция»

50

Домашнее задание

1.      Составить конспект.

2.      Синквейн.

3.      Диаграмма Вена «Интерференция и дифракция».

 

 

Подпись преподавателя________________________

 

Лекция на тему Интерференция и дифракция световых волн

Лекция на тему: Интерференция и дифракция световых волн. Выполнена старостами групп 092111 и 092112 специально для кафедры физики и в частности для Мосиной Л. Г.

Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды двух или нескольких когерентных волн, одновременно распространяющихся в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн. Источники волн и испускаемые ими волны назваются когерентными в том случае, если источники колеблются с одинаковой частотой и разность фаз их колебаний не меняется со временем. Интерфернционные картины для разных Соотношений частот И расположений Источников волн. Интерференция волн от 2 точечных источников.

Изначально было два взгляда на природу света. Одни считали что свет это поток частиц (корпускул), другие что это волна. Конец спорам пришел в 1802 году, после того как английский ученый Томас Юнг провел опыт по сложению пучков света от двух источников и получив в виде результата не меняющуюся во времени картину, состоящую из чередующихся темных и светлых полос – Интерференционную картину. Поскольку явление интерференции присуще только волновым процессам, то опыт Юнга явился неопровержимым доказательством того, что свет обладает волновыми свойствами.

В опыте пучок света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Этот опыт демонстрирует интерференцию света, что является доказательством волновой теории. Особенность прорезей в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. Ниже рассматривается влияние ширины прорезей на интерференцию. Если исходить из того, что свет состоит из частиц (корпускулярная теория света), то на проекционном экране можно было бы увидеть только две параллельных полосы света, прошедших через прорези ширмы. Между ними проекционный экран оставался бы практически неосвещенным. С другой стороны, если предположить, что свет представляет собой распространяющиеся волны (волновая теория света), то, согласно принципу Гюйгенса, каждая прорезь является источником вторичных волн. Если вторичные волны достигнут линии в середине проекционного экрана, находящейся на равном удалении от прорезей, синхронно и в одной фазе, то на серединной линии экрана их амплитуды прибавятся, что создаст максимум яркости. То есть, максимум яркости окажется там, где согласно корпускулярной теории, яркость должна быть практически нулевой. Корпускулярная теория света является неверной, когда прорези достаточно тонкие, создавая тем самым интерференцию. На определенном удалении от центральной линии, напротив, волны окажутся в противофазе — их амплитуды компенсируются, что создаст минимум яркости (темная полоса). По мере дальнейшего удаления от средней линии яркость периодически изменяется, возрастая до максимума и снова убывая. На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос, что и было продемонстрировано Томасом Юнгом.

Пусть: Расстояние L – расстояние между вторичными источниками света S 1 и S 2 и экраном Э. d – расстояние между вторичными источниками. При этом L>>d. Главный максимум этой интерференционной картины будет находится в точке О – интенсивность света там будет самая большая.

Для произвольной точки P, лежащей на расстоянии х от нуля, интенсивность определяется оптической разностью хода Из условия следует, что поэтому

Максимумы интенсивности, то есть точки в которых поверхность экрана будет освещена наиболее сильно будут наблюдаться в координатах, которые можно вычислить по формуле: 1 2 Хmax – 1 Хmin – 2 1 (m = 0, 1, 2, …) Минимумы интенсивности, то есть точки в которых поверхность экрана будет освещена наименее или вообще не освещена, будут наблюдаться в координатах, которые можно вычислить по формуле: 2 1 2 1 Расстояние между двумя соседними максимумами (или минимумами) равно

Расстояние между двумя соседними максимумами называется Интерференционными полосами, а расстояние между соседними минимумами Шириной интерференционной полосы. Из перечисленных формул видно, что ширина интерференционной полосы и расстояние между ними зависят от длины волны λ. Только в центре картины при Х=0 совпадут максимумы всех волн. По мере удаления от центра максимумы разных цветов смещаются друг относительно друга все больше и больше. Это приводит, при наблюдении в белом свете, ко все большему размытию интерференционных полос. Интерференционная картина будет окрашенной, но нечеткой (смазанной). Измерив , зная l и d, можно вычислить длину волны λ. Именно так вычисляют длины волн разных цветов в спектроскопии.

Оптическая разность хода с учетом потери полуволны: Максимумы интерференции: Минимумы интерференции:

Ко льца Нью тона — кольцеобразные интерференционные максимумы и минимумы, появляющиеся вокруг точки касания слегка изогнутой выпуклой линзы и плоскопараллельной пластины при прохождении светаа сквозь линзу и пластину.

Волна 1 появляется в результате отражения от выпуклой поверхности линзы на границе стекло — воздух, а волна 2 — в результате отражения от пластины на границе воздух — стекло. Эти волны когерентны, то есть они имеют одинаковую длину и постоянную разность фаз, которая возникает из-за того, что волна 2 проходит больший путь, чем волна 1. Если вторая волна отстает от первой на целое число длин волн, то, складываясь, волны усиливают друга: Где – любое целое число, – длина волны Напротив, если вторая волна отстает от первой на нечетное число полуволн, то колебания, вызванные ими, будут происходить в противоположных фазах и волны гасят друга: Где – любое целое число, – длина волны Для учета того, что в разных веществах скорость света различна, для определения положения min и max используют не разность хода, а оптическую разность хода. Разность оптических длин пути называется оптическая разность хода. n – показатель преломления среды r – расстояние от центра линзы до точки падения луча

Радиус m-го светлого кольца определяется по формуле: Радиус m-го темного кольца определяется по формуле:

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Дифракция происходит всегда, когда волны распространяются в неоднородной среде. Если размеры преграды сравнимы или меньше длины волны – дифракция проявляется сразу за препятствием Если размеры препятствия больше длины волны – дифракция наблюдается на большом расстоянии от препятствия

Дифракция света приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени. Дифракция света сопровождается интерференцией. Интерферируют волны, обогнувшие препятствие (опыт Юнга). Принцип Гюйгенса-Френеля – каждая точка любой воображаемой поверхности, окружающей один или несколько источников света, является центром вторичных световых волн, которые когерентны, и интенсивность света в любой точке пространства есть результат интерференции этих вторичных волн. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Френель предложил метод разбиения фронта волны на кольцевые зоны, который впоследствии получил название метод зон Френеля. Пусть от источника света S распространяется монохроматическая сферическая волна, P – точка наблюдения. Через точку O проходит сферическая волновая поверхность. Она симметрична относительно прямой SP. Разобьем эту поверхность на кольцевые зоны I, III и т. д. так, чтобы расстояния от краев зоны до точки P отличались на l/2 – половину длины световой волны. Это разбиение было предложено O. Френелем и зоны называют зонами Френеля. Возьмем произвольную точку 1 в первой зоне Френеля. В зоне II найдется, в силу правила построения зон, такая соответствующая ей точка, что разность хода лучей, идущих в Вычисление радиусов зон точку P от точек 1 и 2 будет равна l/2. Френеля. Вследствие этого колебания от точек 1 и 2 погасят друга в точке P. Вычисление количества зон.

Дифракционная решётка — оптический прибор, работающий по принципу дифракции света, представляет собой совокупность большого числа регулярно расположенных штрихов (щелей, выступов), нанесённых на некоторую поверхность. Если на решетку падает монохроматическая волна. то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.

Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладыается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску. где k – порядок (или номер) дифракционного спектра Чем больше штрихов нанесено на решетке, тем дальше друг от друга находятся дифракционные спектры и тем меньше ширина каждой линии на экране, поэтому максимумы видны в виде раздельных линий, т. е. разрешающая сила решетки увеличивается. Точность измерения длины волны тем больше, чем больше штрихов приходится на единицу длины решетки.

Интерференция, дифракция и поляризация механических волн

Очень часто в среде одновременно распространяется не одна, а несколько различных волн. Так, например, если мы бросим в воду два камня, образовав тем самым две круговые волны. Однако посмотрите, каждая волна проходит сквозь другую и ведёт себя в дальнейшем так, как будто другой волны совсем не существовало.

Теперь посмотрим более внимательно, что происходит в местах, где волны накладываются одна на другую. Наблюдая волны на поверхности воды от двух брошенных в воду камней, можно заметить, что некоторые участки поверхности не возмущены, в других же местах возмущение усилилось. Если две волны встречаются в одном месте своими гребнями, то в этом месте возмущение поверхности воды усиливается. Если же, напротив, гребень одной волны встречается с впадиной другой, то поверхность воды не будет возмущена.

Вообще же в каждой точке среды колебания, вызванные двумя волнами, просто складываются.

Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний частиц среды, называется интерференцией.

Выясним, при каких условиях наблюдается интерференция волн. Для этого будем непрерывно создавать волны на поверхности воды в двух каких-нибудь её точках. Для этого в непосредственной близости к поверхности воды поместим концы двух проволочек, приделанных к упругой металлической пластинке.

При колебании пластинки концы проволочек будут периодически погружаться в воду и возбуждать колебания, распространяющиеся в виде волн одинаковой длины по её поверхности. Каждая из проволочек возбуждает свою систему волн. Две системы волн, налагаясь одна на другую, будут взаимодействовать. В результате на поверхности воды возникает определённое, неизменное во времени распределение амплитуд колебаний, которое называют интерференционной картиной.

Для дальнейшего важно, чтобы две системы волн были согласованы, то есть чтобы при одинаковой длине они выходили из центров колебания в одинаковых фазах. Такие волны называются когерентными.

В данном опыте когерентность обеспечена тем, что оба конца проволоки периодически касаются поверхности воды одновременно — волны оставляют центры колебания в одинаковых фазах.

В любой точке на поверхности воды будут складываться колебания, вызванные двумя волнами. Однако результат сложения этих волн, приходящих в данную точку, зависит от разности фаз между ними. Для решения вопроса о том, в каких фазах встретятся в данной точке интерферирующие волны, нужно учесть разность хода этих волн. Пусть нас интересует результат наложения волн в точке, находящейся на расстоянии r1 от первого источника волн и на расстоянии r2 от второго источника.

Расстояние Δr = r2r1, называется разностью хода волн. Если источники волн колебались в одинаковых фазах, то при разности хода, равной целому числу длин волн или чётному числу полуволн, в данную точку волны будут приходить в одинаковых фазах и при сложении их в этой точке возникает усиление колебаний:

Если разность хода окажется равной нечётному числу полуволн, то волны от источников придут в эту точку в противоположных фазах и в ней произойдёт ослабление колебаний:

Когда мы с вами только начинали изучать волновое движение, мы говорили о том, что в процессе распространения волн происходит перенос энергии без переноса вещества. Возникает логичный вопрос, что происходит с этой энергией при гашении волн друг другом? Может быть, она превращается в другие формы, и в минимумах интерференционной картины выделяется тепло? Оказывается нет. Наличие минимума в данной точке интерференционной картины означает, что энергия сюда совсем не поступает. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она не распределяется равномерно по всем частицам среды, а концентрируется в максимумах за счёт того, что в минимумы не поступает вовсе.

Ярким примером интерференции волн служит стоячая волна. Для её получения возьмём нить, один конец которой привязан к молоточку звонка, а к другому концу через блок подвешена маленькая гирька.

Частицы нити передают друг другу колебания от молоточка, и волна распространяется до блока, вызывая вынужденные колебания груза. Эти колебания порождают отражённую волну той же частоты. Таким образом, каждая точка нити участвует в двух колебаниях, которые приходят с разных сторон. Если изменять расстояние от молоточка до блока, то можно наблюдать, как при некоторых расстояниях возникают стоячие волны.

Стоячая волна — это вид волнового движения, происходящий без переноса энергии.

Такое название возникло потому, что при распространении таких волн нет перемещения фазы между колеблющимися точками, а некоторые из точек стоячей волны совсем не колеблются. Точки стоячей волны, которые не колеблются, называются узлами. Расстояние между соседними узлами составляет половину длины стоячей волны. А точки стоячей волны, амплитуды которых максимальны, называются пучностями.

Запишем уравнения прямой и обратной волны:

При наложении происходит сложение этих волн:

Упростим полученное выражение, вынеся общий множитель за скобки.

Далее воспользуемся формулой суммы синусов, знакомой вам из математики:  

В силу чётности функции косинуса, а также помня о том, что отношение 2π/Т — это циклическая частота, получим уравнение стоячей волны:

Из него видно, что в каждой точке стоячей волны происходят колебания той же частоты, что и во встречных волнах. А амплитуда колебаний при возбуждении стоячей волны зависит от положения колеблющейся точки, то есть определяет амплитуду колебаний в некоторой точке с координатой х.

В точках, находящихся на расстоянии целого числа длин полуволн, колебания происходят с удвоенной амплитудой, то есть наблюдаются интерференционные максимумы или пучности стоячей волны.

В точках же, находящихся на расстоянии нечётного числа четвертей волн, колебания вовсе не происходят. Здесь мы наблюдаем интерференционный минимум или узел.

В таблице приведено сравнение стоячей и бегущей волн:

Рассмотрим возбуждение стоячей волны в струне, закреплённой с двух концов. Очевидно, что точки закрепления будут являться узлами стоячей волны. Самая большая длина волны, возбуждаемая в струне, будет при условии, что её длина равна половине длины волны:

Такая длина волны соответствует самой низкой частоте, то есть основному музыкальному тону. Увеличивая частоту в целое число раз, мы можем получить первый, второй и так далее обертоны.

Частоты, при которых возникают стоячие волны, называются собственными или резонансными частотами.

Теперь давайте возьмём две одинаковые струны и поместим их на некотором расстоянии друг от друга одна под одной. Заставив нижнюю струну колебаться, мы заметим, как верхняя струна также начинает звучать. Это явление получило название акустического резонанса.

Таким образом, акустическим резонансом называется явление возрастания амплитуды звуковой волны в системе при приближении частоты источника, возбуждающего в ней колебания, к собственной частоте колебаний системы.

Теперь давайте проведём такой опыт. Получим в ванне на поверхности воды систему волн и ограничим их дальнейшее распространение отверстием, ширина которого в несколько раз больше длины волны. Не трудно увидеть, что за отверстием волны распространяются в области, ограниченной прямыми линиями, перпендикулярными к поверхности падающих волн. Только на сравнительно большом расстоянии от отверстия волны, слегка загибаясь, заходят за эти прямые.

Сузим ограничивающее отверстие до размера, меньшего длины волны падающих волн. Область за отверстием окажется заполненной круговыми волнами, как если бы в отверстии экрана находился источник волн — наблюдается дифракция волн.

Дифракцией называется явление огибания волнами препятствий, соизмеримых с длиной волны.

Это можно объяснить принципом Гюйгенса. Согласно ему каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (то есть новым) источником сферических волн. Огибающая фронтов волн всех вторичных источников становится фронтом волны в следующий момент времени.

Явление дифракции, как и явление интерференции, присуще любому волновому процессу.

И рассмотрим ещё одно явление. Возьмём шнур, один конец которого прикрепим к стене. Возьмём верёвку, один конец которой закрепим к стене, и будем рукой создавать в ней колебания. Возбуждая колебания в шнуре мы видим, что колебания шнура происходят с разными амплитудами и в разных направлениях. Однако если его пропустить через узкую щель, то такая щель будет выделять из волны единственное направление колебаний, параллельное щели.

Теперь поставим на пути волны второй поляризатор с такой же щелью. Волна, выйдя из первой щели, свободно проходит через вторую, когда они параллельны. Если же повернуть вторую щель, перпендикулярно первой, то волна полностью гасится. Такую волну называют плоскополяризованной. То есть волна называется плоскополяризованной, если колебания во всех её точках происходят только в одной плоскости.

Прибор, превращающий неполяризованную волну в поляризованную, называют поляризатором. А прибор, позволяющий установить, поляризована или нет проходящая через него волна — анализатором.

Очевидно, что поляризация может происходить только в случае поперечных волн. Продольная волна не поляризуется.

Для закрепления материала решим с вами задачу. Разность хода двух когерентных волн с одинаковыми амплитудами равна 12 см, а длина волны — 8 см. Каков результат интерференции волн?

5.3 интерференция и дифракция световых волн. Явления, связанные с интерференцией и дифракцией света

В этой статье рассматривается такое явление физики, как интерференция: что такое, когда возникает и как применяется. Также подробно рассказывается о смежном понятии волновой физики – дифракции.

Виды волн

Когда в книге или в разговоре возникает слово «волна», то, как правило, сразу представляется море: синий простор, безмерная даль, одна за другой на берег набегают соленые валы. Житель степей представит себе другой вид: безбрежный простор травы, она колышется под ласковым ветерком. Кто-то еще вспомнит волны, рассматривая складки тяжелой портьеры или трепетание флага в солнечный день. Математик подумает о синусоиде, любитель радио – об электромагнитных колебаниях. Все они имеют различную природу и относятся к разным видам. Но неоспоримо одно: волна – это состояние отклонения от равновесия, превращения какого-то «гладкого» закона в колебательный. Именно для них применимо такое явление, как интерференция. Что такое и как она возникает, рассмотрим чуть позже. Сначала разберёмся, какими бывают волны. Перечислим следующие виды:

  • механические;
  • химические;
  • электромагнитные;
  • гравитационные;
  • спиновые;
  • вероятностные.

С точки зрения физики, волны переносят энергию. Но случается, что перемещается и масса. Отвечая на вопрос о том, что такое интерференция в физике, следует отметить, что она характерна для волн абсолютно любой природы.

Признаки различия волн

Как ни странно, но единого определения волны не существует. Их виды настолько разнообразны, что только типов классификации более десятка. По каким же признакам различают волны?

  1. По способу распространения в среде (бегущие или стоячие).
  2. По характеру самой волны (колебательные и солитоны отличны именно по этому признаку).
  3. По типу распределения в среде (продольные, поперечные).
  4. По степени линейности (линейные или нелинейные).
  5. По свойствам среды, в которой они распространяются (дискретные, непрерывные).
  6. По форме (плоские, сферические, спиральные).
  7. По особенностям физической среды распространения (механические, электромагнитные, гравитационные).
  8. По направлению колебания частиц среды (волны сжатия или сдвига).
  9. По времени, которое требуется на возбуждение среды (одиночные, монохроматические, волновой пакет).

И к любому типу этих возмущений среды применима интерференция. Что такое особенное содержится в этом понятии и почему именно это явление делает наш мир таким, какой он есть, расскажем после приведения характеристик волны.

Характеристики волны

Вне зависимости от типа и вида волн, у них всех есть общие характеристики. Вот список:

  1. Гребень – это своего рода максимум. Для волн сжатия это место наибольшей плотности среды. Представляет собой наибольшее положительное отклонение колебания от состояния равновесия.
  2. Ложбина (в некоторых случаях долина) – это обратное гребню понятие. Минимум, наибольшее отрицательное отклонение от состояния равновесия.
  3. Временная периодичность, или частота – это время, за которое волна пройдет от одного максимума к другому.
  4. Пространственная периодичность, или длина волны – это расстояние между соседними пиками.
  5. Амплитуда – это высота пиков. Именно данное определение понадобится, чтобы разобраться, что такое интерференция волн.

Мы очень подробно рассмотрели волну, ее характеристики и различные классификации, ибо понятие «интерференция» невозможно объяснить без четкого понимания такого явления, как возмущение среды. Напоминаем, что интерференция имеет смысл только для волн.

Взаимодействие волн

Теперь мы вплотную подошли к понятию «интерференция»: что такое, когда возникает и как ее определить. Все перечисленные выше виды, типы и характеристики волн относились к идеальному случаю. Это были описания «сферического коня в вакууме», то есть неких теоретических конструкций, невозможных в реальном мире. Но на практике все пространство вокруг пронизано различными волнами. Свет, звук, тепло, радио, химические процессы – это среды. И все эти волны взаимодействуют. Надо отметить одну особенность: чтобы они могли повлиять друг на друга, у них должны быть схожие характеристики.

Волны звука никоим образом не смогут интерферировать со светом, а радиоволны никак не взаимодействуют с ветром. Конечно, влияние все равно есть, но оно настолько мало, что его действие просто не учитывается. Другими словами, при объяснении, что такое интерференция света, предполагается, что один фотон влияет на другой при встрече. Итак, подробнее.

Интерференция

Для многих видов волн действует принцип суперпозиции: встречаясь в одной точке пространства, они взаимодействуют. Обмен энергией отображается на изменении амплитуды. Закон взаимодействия следующий: если встречаются в одной точке два максимума, то в конечной волне интенсивность максимума увеличивается вдвое; если встречаются максимум и минимум, то итоговая амплитуда обращается в ноль. Это и есть наглядный ответ на вопрос о том, что такое интерференция света и звука. По сути, это явление наложения.

Интерференция волн с разными характеристиками

Описанное выше событие представляет встречу двух одинаковых волн в линейном пространстве. Однако две встречные волны могут иметь разные частоты, амплитуды, длины. Как представить итоговую картину в таком случае? Ответ кроется в том, что результат будет не совсем похож на волну. То есть строгий порядок чередования максимумов и минимумов будет нарушен: в какой-то момент амплитуда будет максимальной, в следующий – уже меньше, потом встретятся максимум и минимум и результат обратится в ноль. Однако, какими бы сильными ни были различия двух волн, амплитуда все равно рано или поздно повторится. В математике принято говорить о бесконечности, но в реальности силы трения и инерция могут остановить само существование результирующей волны до того, как картина пиков, долин и равнин повторится.

Интерференция волн, встречающихся под углом

Но, помимо собственных характеристик, у реальных волн может различаться положение в пространстве. Например, при рассмотрении вопроса о том, что такое интерференция звука, это необходимо учитывать. Представьте: идет мальчик и дует в свистульку. Он посылает звуковую волну впереди себя. А мимо него проезжает другой мальчик на велосипеде и звенит в звонок, чтобы пешеход посторонился. В месте встречи этих двух звуковых волн они пересекаются под некоторым углом. Как рассчитать амплитуду и форму конечного колебания воздуха, который долетит, например, до ближайшей торговки семечками бабушки Маши? Тут в силу вступает векторная составляющая звуковой волны. И складывать или вычитать в данном случае надо не только величины амплитуды, но и векторы распространения этих колебаний. Надеемся, что бабушка Маша при этом не будет сильно кричать на шумящих ребят.

Интерференция света с разной поляризацией

Бывает и так, что в одной точке встречаются фотоны разной поляризации. В этом случае тоже следует учитывать векторную составляющую электромагнитных колебаний. Если они не взаимно перпендикулярны или один из пучков света имеет круговую или эллиптическую поляризацию, то взаимодействие вполне возможно. На этом принципе строится несколько способов определения оптической чистоты кристаллов: в перпендикулярно поляризованных пучках не должно быть никакого взаимодействия. Если картина искажается, то кристалл неидеален, он изменяет поляризацию пучков, а значит, выращен неправильно.

Интерференция и дифракция

Взаимодействие двух пучков света приводит к их интерференции, в итоге наблюдатель видит ряд светлых (максимумов) и темных (минимумов) полос или колец. А вот взаимодействие света и вещества сопровождается другим явлением – дифракцией. Оно основано на том, что свет разной длины волны иначе преломляется средой. Например, если длина волны 300 нанометров, то угол отклонения составляет 10 градусов, а если 500 нанометров – уже 12. Таким образом, когда на призму из кварца падает свет от солнечного луча, красный преломляется не так, как фиолетовый (их длины волн различаются), и наблюдатель видит радугу. Это ответ на вопрос о том, что такое интерференция и дифракция света и чем они отличаются. Если направить на ту же призму монохроматическое излучение от лазера, никакой радуги не будет, так как нет фотонов различной длины волны. Просто луч отклонится от первоначального направления распространения на некоторый угол, и все.

Применение явления интерференции на практике

Возможностей получить практическую пользу из этого сугубо теоретического явления очень много. Здесь будут перечислены лишь основные из них:

  1. Исследование качества кристаллов. Чуть выше мы рассказывали об этом.
  2. Выявление погрешностей линз. Часто они должны быть отшлифованы в идеальной сферической форме. Наличие каких-либо дефектов обнаруживают именно с помощью явления интерференции.
  3. Определение толщины пленок. В некоторых видах производства очень много значит постоянная толщина пленки, например пластиковой. Определить ее качество позволяет именно явление интерференции вместе с дифракцией.
  4. Просветление оптики. Очки, линзы фотоаппаратов и микроскопов покрывают тонкой пленкой. Таким образом, электромагнитные волны определенной длины просто отражаются и накладываются сами на себя, уменьшая помехи. Чаще всего просветление делается в зеленой части оптического спектра, так как именно эту область человеческий глаз воспринимает лучше всего.
  5. Изучение космоса. Зная законы интерференции, астрономы способны разделить спектры двух близко расположенных звезд и определить их составы и расстояние до Земли.
  6. Теоретические исследования. Когда-то именно с помощью явления интерференции удалось доказать волновую природу элементарных частиц, таких как электроны и протоны. Этим была подтверждена гипотеза корпускулярно-волнового дуализма микромира и положено начало квантовой эре.

Надеемся, что с данной статьёй ваши познания о наложении когерентных (испускаемых источниками, имеющими постоянную разность фаз и одинаковую частоту) волн значительно расширились. Это явление и называется интерференцией.

Волновая природа света. В XVII веке голландский ученый Христиан Гюйгенс высказал мысль о том, что свет имеет волновую природу. Если размер предмета соизмерим с длиной волны, то свет как бы забегает в область тени и граница тени оказывается размытой. Эти явления нельзя объяснить прямолинейным распространением света. Идея противоречила высказываниям И.Ньютона о том, что свет представляет собой поток частиц, но волновая природа света экспериментально подтвердилась в таких явлениях как интерференция и дифракция.

Объяснить эти волновые явления можно при использовании двух понятий: принципа Гюйгенса и когерентности света.

Принцип Гюйгенса. Принцип Гюйгенса заключается в следующем: любую точку волнового фронта можно рассматривать как вторичный источник элементарных волн, распространяющихся в первоначальном направлении со скоростью первичной волны. Таким образом, первичная волна может рассматриваться как сумма вторичных элементарных волн. Согласно принципу Гюйгенса новое положение волнового фронта первичной волны совпадает с огибающей кривой от элементарных вторичных волн (рис.11.20).

Рис. 11.20. Принцип Гюйгенса.

Когерентность. Для возникновения дифракции и интерференции обязательно должно соблюдаться условие постоянства разности фаз световых волн от разных источников света:

Волны, у которых сохраняется постоянной разность фаз, называются когерентными.

Фаза волны является функцией расстояния и времени:

Основным условием когерентности является постоянство частоты света. Однако реально свет не является строго монохроматическим. Поэтому частота, а, следовательно, и разность фаз света может не зависеть от одного из параметров (либо от времени, либо от расстояния). В случае, если частота не зависит от времени, когерентность называют временной , а когда не зависит от расстояния – пространственной . На практике это выглядит так, что интерференционная или дифракционная картина на экране либо не меняется во времени (при временной когерентности), либо она сохраняется при перемещении экрана в пространстве (при пространственной когерентности).

Интерференция света. В 1801 году английский физик, врач и астроном Т.Юнг (1773 – 1829) получил убедительное подтверждение волновой природы света и измерил длину световой волны. Схема опыта Юнга представлена на рис.11.21. Вместо ожидаемых двух линий в случае, если свет представляет собой частицы, он увидел серию чередующихся полос. Это можно было объяснить в предположении, что свет – это волна.

Интерференцией света называется явление наложения волн. Интерференция света характеризуется образованием стационарной (постоянной во времени) интерференционной картины – регулярного чередования в пространстве областей повышенной и пониженной интенсивности света, получающейся в результате наложения когерентных световых волн, т.е. волн одинаковой частоты, имеющих постоянную разность фаз.

Добиться постоянной разности фаз волн от независимых источников практически невозможно. Поэтому для получения когерентных световых волн обычно используется следующий способ. Свет от одного источника каким-либо образом разделяют на два или несколько пучков и, пустив их по разным путям, сводят их затем вместе. Наблюдаемая на экране интерференционная картина зависит от разности хода этих волн.

Условия интерференционных максимумов и минимумов. Наложение двух волн с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз приводит к возникновению на экране, например, при попадании света на две щели, интерференционной картины – чередования на экране светлых и темных полос. Причина возникновения светлых полос – наложение двух волн таким образом, что в данной точке складываются два максимума. При наложении в данной точке максимума и минимума волны, они компенсируют друг друга и возникает темная полоса. На рис.11.22а и рис.11.22б иллюстрируются условия образования минимумов и максимумов интенсивности света на экране. Для объяснения этих фактов на количественном уровне введем обозначения: Δ – разность хода, d – расстояние между двумя щелями, – длина световой волны. В этом случае условие максимума, которое иллюстрируется на рис.11.22б, представляет кратность разности хода и длины волны света:

Это будет происходить если колебания, возбуждаемые в точке М обеими волнами, будут происходить в одинаковой фазе и разность фаз составит:

где m=1, 2, 3, ….

Условие возникновения минимумов на экране представляет кратность световых полуволн:

(11.4.5)

В этом случае колебания световых волн, возбуждаемых обеими когерентными волнами в точке М на рис. 11.22а, будут происходить в противофазе при разности фаз:

(11.4.6)


Рис. 11.21. Условия образование минимумов и максимумов интерференционной картины

Примером интерференции является интерференция в тонких пленках. Хорошо известно, что если на воду капнуть бензина или масла, то будут заметны цветные разводы. Это обусловлено тем, что бензин или масло образует тонкую пленку на воде. Часть света отражается от верхней поверхности, а другая часть от нижней поверхности – границы раздела двух сред. Эти волны являются когерентными. Лучи, отраженные от верхней и нижней поверхности пленки (рис.11.22), интерферируют, образуя максимумы и минимумы. Таким образом, на тонкой пленке возникает интерференционная картина. Изменение толщины пленки бензина или масла на поверхности воды приводит к изменению разности хода для волн разной длины и, следовательно, изменению цвета полос.

Рис. 11.22 Интерференция в тонких пленках

Одно из важнейших достижений в использовании интерференции является создание сверхточного прибора для измерения расстояний – интерферометра Майкельсона (рис. 11.24). Монохроматический свет падает на полупрозрачное зеркало, расположенное в центре рисунка, которое расщепляет пучок. Один пучок света отражается от неподвижного зеркала, расположенного вверху рис.11.23, второй от подвижного зеркала, расположенного на рис.11.23 справа. Оба пучка возвращаются в точку наблюдения, интерферируя между собой на регистраторе интерференции световых волн. Смещение подвижного зеркала на четверть волны приводит к замещению светлых полос на темные. Достигнутая в этом случае точность измерения расстояний составляет 10 -4 мм. Это один из наиболее высокоточных методов измерения размеров микроскопических величин, который позволяет измерять расстояния с точностью, сравнимой длиной волны света.

Настройка современных высокотехнологичных установок, например, элементов большого адронного коллайдера в ЦЕРНе происходит с точностью до длин волн света.

Рис. 11.23. Интерферометр Майкельсона

Дифракция . Экспериментальное открытие явления дифракции стало еще одним подтверждением справедливости волновой теории света.

В Парижской Академии наук в 1819 году А.Френель представил волновую теорию света, которая объясняла явление дифракции и интерференции. Согласно волновой теории дифракция света на непрозрачном диске должна приводить к появлению в центре диска светлого пятна, поскольку разность хода лучей в центре диска равна нулю. Эксперимент подтвердил это предположение (рис.11.24). Согласно теории Гюйгенса точки на ободе диска представляют собой источники вторичных световых волн, причем они когерентны между собой. Поэтому свет попадает в область за диском.

Дифракцией называют явление огибания волнами препятствий. Если длина волны велика, то волна как бы не замечает препятствия. Если длина волны сравнима с размерами препятствия, то на экране граница тени от препятствия будет размыта.

Рис. 11.24. Дифракция на непрозрачном диске

Дифракция света на одной щели приводит к появлению чередующихся светлых и темных полос. Причем условие первого минимума имеет вид (рис. 11.25):

где – длина волны, d – размер щели.

На этом же рисунке представлена зависимость интенсивности света от угла отклонения θ от прямолинейного направления.

Рис. 11.25. Условие образования 1-го максимума.

Простой пример дифракции можно наблюдать самим, если на комнатную лампочку смотреть через маленькую щель в ладони или через ушко иголки, то мы заметим вокруг источника света концентрические разноцветные окружности.

На основе использования явления дифракции работает спектроскоп – прибор для очень точного измерения длин волн с помощью дифракционной решетки (рис.11.26).

Рис. 11.26. Спектроскоп.

Спектроскоп был изобретён Йозефом Фраунгофером в начале XIX века. В нём свет, прошедший через щели и коллимирующие линзы превращался в тонкий пучок параллельных лучей. Свет от источника через узкую щель попадает на коллиматор. Щель находится в фокальной плоскости. Зрительная труба рассматривает дифракционную решетку. Если угол наклона трубы совпадает с углом направленным на максимум (обычно первый), то наблюдатель увидит яркую полосу. По углу θ расположения на экране первого максимума определяют длину волны. По сути этот прибор основан на принципе, который иллюстрирует рис.11.25.

Для получения зависимости интенсивности света от длины волны (эта зависимость и называется спектром) свет пропускали через призму. На выходе из нее в результате дисперсии свет расщеплялся на составляющие. С помощью зрительной трубы можно измерять спектры излучений. После изобретения фотопленки был создан более точный прибор: спектрограф. Работая по такому же принципу, как и спектроскоп, он имел фотокамеру вместо наблюдательной трубки. В середине двадцатого века фотокамера сменилась трубкой электронного фотоумножителя, что позволило значительно увеличить точность и проводить анализ в реальном времени.

Явления интерференции и дифракции света служат доказательствами его волновой природы.

Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление – в других. Постоянная во времени (стационарная) интерференционная картина возникает только при сложении волн равной частоты с постоянной разностью фаз. Такие волны и возбуждающие их источники называют когерентными .

Интерференция света – одно из проявлений его волновой природы, возникает, например, при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой. В данном случае интерференция возникает при сложении когерентных волн 1 и 2 , отразившихся от двух сторон воздушной прослойки. Эту интерференционную картину, имеющую вид концентрических колец, называют кольцами Ньютона в честь И. Ньютона, впервые описал её и установил, что радиусы этих колец для красного света больше, чем для синего.

Считая, что свет – это волны, английский физик Т. Юнг, объяснил интерференцию света следующим образом. Падающий на линзу луч 0 после отражения от выпуклой её поверхности и преломления даёт начало двум отражённым лучам (1 и 2 ). При этом световые волны в луче 2 запаздывают по отношению к лучу 1 на Dj, и разность фаз Dj зависит от «лишнего» пути, который прошёл луч 2 , по сравнению с лучом 1 .

Очевидно, что, если Dj = n l, где n – целое число, то волны 1 и 2 , складываясь, будут усиливать друг друга и, мы, смотря на линзу под эти углом, будем видеть яркое кольцо света данной длины волны. Наоборот, если

где n – целое число, то волны 1 и 2 , складываясь, будут гасить друг друга, и поэтому, смотря на линзу сверху под таким углом, мы будем видеть тёмное кольцо. Таким образом, интерференция волн приводит к перераспределению энергии колебаний между различными близко расположенными частицами среды.

Интерференция зависит от длины волны, и поэтому, измеряя угловые расстояния между соседними минимумами и максимумами интерференционной картины, можно определить длину волны света. Если интерференция происходит в тонких плёнках бензина на поверхности воды или в плёнках мыльных пузырей, то это приводит к окрашиванию этих плёнок во все цвета радуги. Интерференцию используют для уменьшения отражения света от оптических стёкол и линз, что называют просветлением оптики . Для этого на поверхность стекла наносят плёнку прозрачного вещества такой толщины, чтобы разность фаз отражённых от стекла и плёнки световых волн составила .

Дифракция света – огибание световыми волнами краёв препятствий, являющаяся ещё одним доказательством волновой природы света, впервые была продемонстрирована Т. Юнгом в опыте, когда плоская световая волна падала на экран с двумя близко расположенными щелями. Согласно принципу Гюйгенса щели можно рассматривать как источники вторичных когерентных волн. Поэтому, проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся, и на экране в области перекрытия световых пучков от щелей наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. Возникновение интерференционной картины объясняется тем, что волны от щелей до каждой точки P на экране проходят разные расстояния r 1 и r 2 , и соответствующая этому разность фаз между ними определяет яркость точки Р .

Поляризация света

Поляризация световых волн, являющаяся следствием их поперечности, изменяется при отражении, преломлении и рассеивании света в прозрачных средах.

Поперечность световых волн является одним из следствий электромагнитной теории Дж. К. Максвелла и выражается в том, что колеблющиеся в волнах векторы напряжённости электрического поля Е и индукции магнитного поля В перпендикулярны между собой и направлению распространения этих волн. Для описания электромагнитной волны достаточно знать, как изменяется один из этих двух векторов, например, E , который называют световым вектором. Поляризацией света называют ориентацию и характер изменений светового вектора в плоскости, перпендикулярной световому лучу. Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным .

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор, сохраняет свою ориентацию, то такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной , а плоскость, в которой колеблется световой вектор – плоскостью колебаний . Электромагнитная волна, испускаемая каким-либо атомом (или молекулой) в единичном акте излучения, всегда линейно-поляризована. Источником линейно-поляризованного света также являются лазеры .

Если плоскость колебаний электромагнитной волны постоянно и беспорядочно меняется, то свет называют неполяризованным . Естественный свет (солнца, лампы, свечи и т.п.) является суммой излучений огромного числа отдельных атомов, каждый из которых в определённый момент излучает линейно-поляризованные световые волны. Однако, так как плоскости колебаний этих световых волн хаотически изменяются и не согласованы между собой, то суммарный свет получается неполяризованным. Поэтому неполяризованный свет часто называют естественным .

Если амплитуда светового вектора в каком-то направлении больше, чем в остальных, то такой свет называют частично поляризованным . Естественный свет при отражении от неметаллических поверхностей (вода, стекло и т.п.) превращается в частично поляризованным так, что амплитуда светового вектора в направлении, параллельном отражающей плоскости, становится больше. Преломление естественного света на границе двух сред тоже превращает его в частично поляризованный, однако в этих случаях, как правило, амплитуда светового вектора в направлении, параллельном отражающей плоскости, становится меньше.

Естественный свет можно преобразовать в линейно-поляризованный, используя поляризаторы – устройства, пропускающие волны со световым вектором только определенного направления. В качестве поляризаторов часто применяют кристаллы турмалина, который сильно поглощает лучи со световым вектором, перпендикулярным к оптической оси кристалла. Поэтому естественный свет, проходя через пластинку турмалина, становится линейно-поляризованным с электрическим вектором, ориентированным параллельно оптической оси турмалина.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Интерференцией называют изменение средней плотности потока энергии, которое вызвано суперпозицией волн.

Или немного иначе: Интерференцией называют сложение в пространстве волн, при этом возникает неизменное во времени амплитудное распределение суммарных колебаний.

Интерференцией волн света называют сложение волн, при котором можно наблюдать устойчивую во времени картину усиления или ослабления суммарных колебаний света в разных пространственных точках. Термин интерференция в науку ввел Т. Юнг.

Условия возникновения интерференции

Для того чтобы при наложении волн образовывалась устойчивая интерференционная картина необходимо, чтобы источники волн обладали одинаковой частотой и постоянной разностью фаз. Подобные источники называют когерентными (согласованными). Когерентными называют волны, которые созданы когерентными источниками.

Так, исключительно при наложении когерентных волн возникает устойчивая интерференционная картина.

В оптике для создания интерференционной картины когерентные волны получают:

  1. делением амплитуды волны;
  2. делением фронта волны.

Условие минимумов интерференции

Амплитуда колебаний интерферирующих волн в рассматриваемой точке будет минимальной, если разность хода () волн в этой точке содержит нечетное число длин полуволн ():

Допустим, что на отрезке укладывается , тогда получается, одна волна отстает от другой на половину периода. Разность фаз этих волн оказывается равна , что означает – колебания происходят в противофазе. При сложении таких колебаний, амплитуда суммарной волны получится равной нулю.

Условие максимумов интерференции

Амплитуда колебаний интерферирующих волн в рассматриваемой точке будет максимальной, если разность хода () волн в этой точке содержит целое число длин волн ():

Определение дифракции

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Отклонение волн от распространения по прямой, огибание волной препятствий, называют дифракцией .

Слово дифракция с латинского языка означает разломанный.

Явление дифракции объясняют при помощи принципа Гюйгенса. Вторичные волны, которые испускаются участками вещества (среды), попадают за края препятствия, которое находится на пути движения волны. Согласно теории Френеля поверхность волны в любой произвольный момент времени – это не только огибающая вторичных волн, а результат их интерференции.

Условия, при которых наблюдается дифракция

Особенно явно дифракция проявляется тогда, когда размеры препятствия меньше или сравнимы с длиной волны.

Дифрагировать могут волны любой природы, как и интерферировать.

Условие минимумов интенсивности

При дифракции световой волны на одной щели при нормальном падении лучей условие минимума интенсивности записывается как:

где a – ширина щели; – угол дифракции; k – номер минимума; – длина волны.

Условие максимумов интенсивности

При дифракции световой волны на одной щели при нормальном падении лучей условие максимума интенсивности записывается как:

где – приближенная величина угла дифракции.

Условие главных максимумов интенсивности при дифракции на дифракционной решетке

Условие главных максимумов интенсивности дифракция света на дифракционной решетке при нормальном падении лучей записывают:

где d – период (постоянная) решетки; k – номер главного максимума; – угол между нормалью к плоскости решетки и направлением дифрагированных волн.

Значение дифракции

Дифракция не дает возможности получать четкие изображения мелких предметов, так как не всегда можно считать, что свет распространяется строго по прямой. Вследствие этого, изображения могут быть размытыми, при этом увеличение не помогает увидеть детали предмета, если его размер сравним с длиной волны света. Явление дифракции накладывает границы на применимость законов геометрической оптики и определяет предел разрешающей способности оптических приборов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание Почему нельзя наблюдать явление интерференции при помощи двух электрических лампочек?
Решение Если включить одну электрическую лампу, потом добавить к ней еще, то увеличится освещенность, но не будет ни каких чередований темных и светлых полос (минимумов и максимумов освещенности). Это происходит потому, что волны света, которые испускаются лампами, являются не когерентными (несогласованными). Для того чтобы получать устойчивую во времени интерференционную картину световые волны должны иметь одинаковые частоты (длины волн) и постоянную во времени разность фаз. Атомы источников света, например, ламп испускают волны независимо друг от друга отдельными цугами. Цуги разных источников накладываются друг на друга. Амплитуда колебаний в произвольной точке пространства меняется во времени хаотически, в зависимости от разности фаз цугов волн. Устойчивого распределения максимумов и минимумов увидеть нельзя.

ПРИМЕР 2

Задание На дифракционную решетку перпендикулярно ее поверхности падает монохроматический пучок света с длиной волны м. число штрихов на миллиметр решетки равно 500. Каков наибольший порядок спектра?
Решение Сделаем рисунок.

Интерференция – это сложение колебаний. В результате интерференции в каких-то точках пространства происходит рост амплитуды колебаний, а в других – их уменьшение. Неизменная картина интерференции наблюдается только тогда, когда разность складываемых колебаний постоянна (они когерентны ). Очевидно, что когерентными могут быть колебания одинаковой частоты. Поэтому чаще всего изучают интерференцию монохроматических колебаний.

Дифракцией — называют явления, связанные со свойством волн огибать препятствия,т.е отклоняться от прямолинейного распространения.

На рисунке справа показано, как меняют направление звуковые волны после прохождения через отверстие в стене. Согласно принципа Гюйгенса области 1-5 становятся вторичными источниками сферических звуковых волн. Видно, что вторичные источники в областях 1 и 5 приводят к огибанию волнами препятствий.

Вопрос 30.1

Стоячие волны. Уравнение стоячей волны.

Если в среде распространяется несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности. Волны накладываются друг на друга , не возмущая (не искажая друг друга ). Это и есть принцип суперпозиции волн.

Если две волны, приходящие в какую-либо точку пространства, обладают постоянной разностью фаз, такие волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникаетявление интерференции.

Очень важный случай интерференции наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называетсястоячей волной . Практически стоячие волны возникают при отражении от преград.

Напишем уравнения двух плоских волн, распространяющихся в противоположных направлениях (начальная фаза ):

В выражении для фазы не входит координата, поэтому можно записать:

Точки среды, находящиеся в узлах, колебаний не совершают.

Образование стоячих волн наблюдают при интерференции бегущей и отраженных волн. На границе, где происходит отражение волны, получается пучность, если среда, от которой происходит отражение, менее плотная (рис. 5.5, а ), и узел – если более плотная (рис. 5.5, б ).

Если рассматривать бегущую волну , то в направлении ее распространения переносится энергия колебательного движения. В случае же стоячей волны переноса энергии нет , т.к. падающая и отраженная волны одинаковой амплитуды несут одинаковую энергию в противоположных направлениях.

Вопрос 32

Звуковые волны.

Звуковыми (или акустическими ) волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16-20000 Гц. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука. Волны с n инфразвуковые ) и n > 20 кГц (ультразвуковые ) органами слуха человека не воспринимаются.

Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

Интенсивностью звука (или силой звука ) называется величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

Единица интенсивности звука в СИ –ватт на метр в квадрате (Вт/м 2).

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсив­ностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существуют наименьшая(порог слышимости) и наибольшая(порог болевого ощущения) интенсивности звука, которые способны вызвать звуковое восприятие. На рис. 223 представлены зависимости порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими двумя кривыми, являетсяобластью слышимости.

Если интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей волновой процесс, то субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука , зависящая от частоты. Согласно физиологическому закону Вебера – Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности:

где I 0 – интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10 –12 Вт/м 2 . Величина L называетсяуровнем интенсивности звука и выражается в белах (в честь изобретателя телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими, – децибелами (дБ).

Физиологической характеристикой звука является уровень громкости , который выражается в фонах (фон). Громкость для звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. Например, шум в вагоне метро при большой скорости соответствует »90 фон, а шепот на расстоянии 1м – »20 фон.

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим набором частот, т. е. звук обладает акустическим спектром , который может быть сплошным (в некотором интервале присутствуют колебания всех частот) и линейчатым (присутству­ют колебания отделенных друг от друга определенных частот).

Звук характеризуетсяпомимо громкости еще высотой и тембром.Высота звука – качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше». Характер акустического спектра и распределения энергии между определен­ными частотами определяет своеобразие звукового ощущения, называемоетембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустичес­кий спектр, т. е. их голоса имеют различный тембр.

Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента).

Совершая колебания, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последовательно передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е. в среде распространяется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды. Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле

где R – молярная газовая постоянная, М – молярная масса, g=С р /С V – отношение молярных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме, Т – термодинамическая температура. Из формулы (158.1) вытекает, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука. Например, при T =273 К скорость звука в воздухе (M =29×10 –3 кг/моль)v =331 м/с, в водороде (M =2×10 –3 кг/моль) v =1260 м/с. Выражение (158.1) соответствует опытным данным.

При распространении звука в атмосфере необходимо учитывать целый ряд фак­торов: скорость и направление ветра, влажность воздуха, молекулярную структуру газовой среды, явления преломления и отражения звука на границе двух сред. Кроме того, любая реальная среда обладает вязкостью, поэтому наблюдается затухание звука, т. е. уменьшение его амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание звука обусловлено в значительной мере его поглощением в среде, связанным с необратимым переходом звуковой энергии в другие формы энергии (в основном в тепловую).

Для акустики помещений большое значение имеет реверберация звука – процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. Если помещения пустые, то происходит медленное затухание звука и создается «гулкость» помещения. Если звуки затухают быстро (при применении звукопоглоща­ющих материалов), то они воспринимаются приглушенными. Время реверберации – это время, в течение которого интенсивность звука в помещении ослабляется в миллион раз, а его уровень – на 60 дБ. Помещение обладает хорошей акустикой, если время реверберации составляет 0,5-1,5 с.

Вопрос 32.1

Высота звука
Помимо громкости звук характеризуется высотой. Высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук. Колебаниям небольшой часто­ты соответствуют низкие звуки, колебаниям большой частоты – высокие звуки.

Так, например, шмель машет своими крылышками с меньшей частотой, чем комар: у шмеля она составляет 220 взмахов в секунду, а у комара – 500-600. Поэтому полет шмеля сопровожда­ется низким звуком (жужжанием), а полет комара – высоким (писком).

Звуковую волну определенной частоты иначе называют музыкальным тоном, поэтому о высоте звука часто говорят как о высоте тона.

Основной тон с примесью нескольких колебаний других частот образует музыкальный звук. Например, звуки скрипки и пианино могут включать до 15-20 различных колебаний. От состава каждого сложного звука зависит его тембр.

Частота свободных колебаний струны зависит от ее размеров и натяжения. Поэтому, натяги­вая струны гитары с помощью колышков и прижимая их к грифу гитары в разных местах, мы меняем их собственную частоту, а следовательно, и высоту издаваемых ими звуков.

Характер восприятия звука во многом зависит от планировки помещения, в котором слушает­ся речь или музыка. Объясняется это тем, что в закрытых помещениях слушатель воспринимает, кроме прямого звука, еще и слитный ряд быстро следующих друг за другом повторений, вызван­ных многократными отражениями звука от находящихся в помещении предметов, стен, потолка и пола.

Вопрос 32.2

Сила звука

Сила звука (относительная) – устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. Примерно такую же ситуацию мы наблюдаем для силы света (единица – кандела) – величины, подобной силе излучения (единица – ватт на стерадиан).

Сила звука измеряется по относительной шкале от порогового значения, которому соответствует интенсивность звука 1 пВт/м² при частоте синусоидального сигнала 1 кГц извуковом давлении 20 мкПа. Сравните это определение с определением единицы силы света: «кандела равна силе света, испускаемого в заданном направлении монохроматическим источником, при частоте излучения 540 ТГц и силе излучения в этом направлении 1/683 Вт/ср».

В настоящее время термин «сила звука» вытеснен термином «уровень громкости звука»

ТРИЗ САММИТ, TDS. ВОЛНЫ И СВЕТ. Указатель физических эффектов и явлений Ю.В.Горина.

VII-ВОЛНЫ И СВЕТ

VII-1. ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН

Волновое движение носит разнообразный характер и весьма распространено в природе. Выше уже было отмечено, что основной признак волнового движения – это перенос энергии без переноса вещества. Для всех волновых процессов характерны явления дифракции и интерференции. В общем случае дифракция – это отклонения волновых движений от законов геометрической /прямолучевой/ оптики. Если на пути распространения волны имеется препятствие, то на краях препятствия наблюдается огибание волной края. Если размеры препятствия велики по сравнению с длиной волны, то распространение волны почти не отклоняется от прямолинейного, т.е. дифракционные явления незначительны. Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны, то наблюдается сильное отклонение от прямолинейного распространения волнового фронта. При совсем малых размерах препятствия волна полностью его огибает – она «не замечает» препятствия. Очевидно, величина отклонения /количественная характеристика дифракции/ при заданном препятствии будет зависеть от длины волны; волны с большой длиной будут сильнее огибать препятствие.
Такое разделение волн используется в дифракционных спектроскопах, где белый свет /совокупность волн различной длины/ разлагается в спектр с помощью дифракционной решетки – системы частых полос.
Интерференция волн имеет место при наложении двух или более волновых движений, четкая интерференционная картина /характерна расположение максимумов и минимумов/ может наблюдаться лишь в том случае, если накладывающиеся волны когерентны, т.е. имеют одну и ту же частоту. Существует много различных методов получения когерентных волн, наиболее доступным является использование прямой и отраженной волны. Явление дифракции и интерференции широко используются в физико-дифракционные решетки,
интерферометры для определения длин волн, показателей преломления, дисперсности среды, контроля параллельности поверхностей /с точностью до четверти длины волны/. Существуют интерференционные микроскопы. При создании в жидкости ультразвуковых волн дифракция света на сгущениях и разрежениях, создаваемых ультразвуком, позволяет изучать очень тонкие эффекты распространения ультразвука.
Значительное развитие интерференционные методы получили с изобретением лазеров – мощных источников монохроматического излучения. Соединение интерференционных и теневых методов позволило получить очень сильное орудие для исследования неоднородностей в прозрачных средах /конвективные потоки, ударные волны и т.д./ Литература: Г.С.Ландсберг «Оптика», М., 1957г., Горелик Т.С. «Колебания и волны», М, 1959г., ФурдуевВ.В. «Интерференция и когерентность акустических сигналов Акустический журнал, 1959, т.5, № 1, стр.111, Менцер Дж. «Дифракция и рассеяние радиоволн», М, 1958г, Васильев Л.А. «Теневые методы», М, 1968г.
Примеры. Патент США 3586416: Модулятор света построен на интерферометра Майкельсона, в котором падающий луч разделяется и взаимодействует, образуя интерференционные полосы в пространстве. Световое излучение может селективно преобразовываться с помощью решетки или маски на выходе и электрического изменения длины оптического пути одной стороны. Это может быть достигнуто с помощью эффекта Керра или Покельса. При другом варианте используется эффект Фарадея для уничтожения интерференции между двумя когерентными лучами.
Основная задача – модуляция света – решена в этом патенте применением интерференции. Однако в этом же патенте для дальнейших манипуляций с модулированным пучком используется и другие эффекты. Эффекты Фарадея и Керра описаны в этом справочнике; эффект изменения оптической длины пути с помощью электрического поля обусловлен тем, что в ряде веществ показатель преломления изменяется при наложении электрического поля. Показатель преломления связан с поляризуемостью среды, которая для сегнетоэлектриков и полярных жидкостей в сильных полях зависит от величины электрического поля /см. Сканави Г.И. «Физика диэлектриков», 1949, 1958гг., Дж.Слэтер «Диэлектрики, полупроводники, металлы», Мир, 1969г, Хиппель А. Р. «Диэлектрики и их применение», 1959г/. Изменение показателя преломления в электрических полях может быть измерено с помощью методов молекулярной рефракции.
А.с 154676: Способ определения абсолютного значения ускорения силы тяжести, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести, время падения измеряют путем подсчета количества временных периодических интервалов, задаваемых эталоном частоты, в период между моментами совладения отрезков пути свободного падения с длиной трубчатого концевого эталона, сличаемых интерференционным методом в процессе свободного падения тела.
А.с. 268732: Способ определения распределения плотности газа с использованием интерферометрического метода, отличающийся тем, что, с целью определения распределения плотности отдельных компонентов в газовой смеси, исследуемый газ облучают двумя монохроматическими световыми потоками с длинами волн, близкими к линии поглощения исследуемой компоненты газа, и по полученной интерференционной картине судят о распределении плотности компоненты газа.
В авторском свидетельстве № 249468 изменение дифракционной картины при изменении размеров препятствий использовано для градуировки магнитного поля, под действием которого изменяются параметры ферромагнитной пленки с полосовой доменной структурой.
Способ градуировки магнитного поля с помощью эталона, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса, градуировки эталон, в качестве которого использована, тонкая ферромагнитная пленка с полосовой доменной структурой, на которую нанесен магнитный коллоид, намагничивают под определенным углом к направлению силовых линий градуируемого поля, освещают его светом и наблюдают дифрагировавший на эталоне луч света, затем увеличивают градуируемое поле до величины, при которой исчезает наблюдаемый луч, и сопоставляют эту величину с известным значением поля переключения эталона.
А.с. 252625: Способ определения статистических характеристик прозрачных диэлектрических пленок, заключающийся в том, что через исследуемую пленку пропускают луч света, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса и сокращения времени определения, на пути луча когерентного света за исследуемой пленкой устанавливают экран с отверстием, вращают исследуемую пленку в плоскости, перпендикулярной оси луча, получают усредненную дифракционную картину от отверстия и затем из сравнения, полученной усредненной дифракционной картины с расчетной картиной определяют статистические характеристики пленки.

VII-2. СВЕТ. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА. УЛЬТРОФИОЛЕТОВОЕ И ИНФРАКРАСНОЕ
ИЗЛУЧЕНИЕ

Свет – это совокупность электромагнитных волн различной длины. Область длин видимого света – от 400 до 750 нанометров /1 нанометр – 10-9 метра/; однако в понятие “свет” часто включается и примыкающие области спектра – ультрафиолетовую и инфракрасной. Об интегральных энергетических характеристиках света /фотометрия/ можно прочесть в книге Тиходеева П.М. «Световые измерения в светотехнике», 1962г.
Отметим некоторые характеристики световых потоков. При прохождении света через вещество часть светового потока поглощается; соответствующее количественные характеристики среды описываются коэффициентами поглощения и пропускания. Их значение для каждого вещества сильно зависит от длины волны света. Стандартный пример: обычное стекло пропускает видимый и инфракрасный свет и поглощает ультрафиолетовый. Кроме того, коэффициент пропускания зависит от угла падания и процессов рассеяния света в среде. С одной стороны, измерения коэффициента пропускания на определенном веществе в заданными свойствами может дать информацию о спектральном составе света, с другой стороны – при заданном спектральном составе светового пучка изменение коэффициента пропускания позволяет судить о состоянии вещества и об изменениях в этом веществе, приводящим к изменению поглощающей или рассеивающей способности вещества. /См. Гершун Л.А. «Избранные труды по фотометрии светотехнике», М, 1958г/.
Любая волна несет с собой энергию. Поэтому при отражении или поглощении света освещаемый предмет испытывает световое давление. Хотя величина давления света мала, она может быть достаточно точно измерена; это же давление можно использовать и в сугубо практических целях (фотонная ракета, световые паруса).
Немонохроматический свет, как отмечено выше, есть совокупность волн различной длины. Разложить естественный свет на составляющие можно с помощью спектральных приборов/ приём, дифракционных решеток/. Энергия световой волны зависит от частоты света, поэтому различные составляющие светового потока оказывают и различные действия на светоприемники /цвет/.
Таким образом, специфические свойства отдельных участков спектра, что часто используется в практике, определяются двумя факторами: различной энергией лучей с разной длиной волны и различным взаимодействием с веществом.
Ультрафиолетовая часть спектра /малые длины волн/ характеризуется большой энергией и более сильным поглощением в веществе, чем видимые и инфракрасные части. Обычно под ультрафиолетовой частью спектра понимается область спектра от 10 до 400 нанометров. В качестве источников ультрафиолетового света можно использовать накалённые твердые тела, солнечное излучение, газы или пары металлов, возбужденные в электрическом разряде, оптические квантовые генераторы /лазеры/. Ультрафиолетовое излучение при поглощении его веществом способно сильно изменять его физические и химические свойства или же вызывать появление излучений из вещества /обесцвечивание, химические реакции, фотоэффект, инициирование люминесценции, ультрафиолетовые микроскопы/. Ультрафиолетовое излучение действует на живые организмы; последствия зависят как от дозы облучения, так и от спектрального состава. /См. сборник «Ультрафиолетовое излучение», М,1958г и книгу «Ультрафиолетовое излучение и гигиена»/.
Область от 740 нанометров до 106 нанометров относят к инфракрасной области спектра; ввиду большой ее величины, ее обычно подразделяют на близкую /740 – 2500 нм/, среднюю /2500-50000 нм/ и далекую /5. 104 -100.104 нм/.
Близкая инфракрасная область – это область инфракрасной спектроскопии /см. Беллами Л. «Инфракрасные спектры молекул», 1957г/, являющейся одним из самых мощных методов изучения строения вещества. Средняя и далекая – это области, теплового излучения.
В качестве источников инфракрасного излучения обычно используют нагретые тела, солнечное излучение, лазеры: спектральный состав излучения очень сильно зависит от температуры тела. По своему характеру преемники инфракрасного излучения делятся на фотоэлектрические и тепловые – у первых под влиянием излучения меняются электрические свойства /фотоэлементы, фотосопротивления/, в фотоэлектрических приемниках выходной сигнал зависят от интенсивности и спектрального состава излучения; тепловые реагируют только на суммарную энергию излучения.
Для примера назовем некоторые области применения интересного излучения: инфракрасная фотография, приборы ночного видения, сушка различных материалов; более подробно см. Дерибере М. «Практическое применение инфракрасных лучей», М.-Л., 1959г., Лебедев П.Д. «Сушка инфракрасными лучами», 1955г.
Примеры A.с. 340782: Способ определения допустимых нагрузок с нагружением образца из прозрачных материалов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, через образец пропускают световой поток, и по изменению его интенсивности судят о состоянии образца.
Согласно а.с. № 172094 явление рассеяния света попользуется для измерения параметров капель жидкостей. Свет миниатюрной лампочки, пройдя через фотообъектив с диафрагмой, попадает на собирающую линзу, за которой стоит фотоумножитель.
Капля рассеивает часть светового потока пропорционально своему диаметру. С помощью реле времени можно подсчитать частоту падения капель, их плотность и даже концентрацию компонент в жидкости.
Патент США 3590932: B микровесах для уравновешивания небольших изменений массы или силы используется давление света на противовес. Микровесы содержат весовое и измерительное устройство. Исследуемый образец помещают на весовое устройство, а свет, который оказывает противодействующее давление, отражается от измерительного устройства на весовое. Предусмотрен детектор, который определяет, когда весовое устройство не уравновешено, и в соответствии с этим и меняет интенсивность света, чтобы скомпенсировать неуравновешенность. Во время этого процесса измерительное устройство определяет, какая величина светового давления потребовалась для уравновешивания изменения массы образца и восстановления равновесия системы.
А.с. 232591: Способ определения экспозиции засветки фоторезисторов на основе диасоединений и азинов в процессе фотолитографии, отличающийся тем, что, с целью улучшения воспроизводимости и увеличения выхода йодных приборов, полупроводниковый эпитаксиальный материал с нанесением на него фоторезистором облучают ультрафиолетовым или видимым светом, причём экспозицию определяют по времени исчезновения полосы поглощения пленки фоторезистора в области 2000-2500 см-1. (2000-2500 см-1 соответствует длинам волн от 5000 до 4000 нм, т.е.облучают ультрафиолетом, а изменение свойства регистрируют по поглощению в инфракрасной области).
А.с. 181372: Спосо: определения изопропилбензола в воздухе в присутствии толуола, бензола и гидроперекиси изопропилбензола, состоящий в просасывании исследуемого газа через поглотитель с крепкой нитросмесью и последующим калориметрированием полученного раствора, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса анализа, зону реакции облучают ультрафиолетовым излучением.
А.с. 282777: Способ измерения скорости газового потока при наличии собственных колебательно-возбужденных молекул газа путем создания метки пучком внешнего излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, поток газа просвечивает двумя пучками ультрафиолетового излучениями, и по запаздыванию пульсаций интенсивности этих пучков определяют скорость потока.
А.с. 348498: Способ очистки инертного газа путем пропускания через нагретый металл, отличающийся тем, что, с целью повышения степени очистки, газ перед очисткой облучают ультрафиолетовым светом.
А.с. 181824: Прибор для измерения линейных деформаций изделий или образцов при нагружении и нагреве, содержащий источник излучения, шторки, расположенные на пути луча и укрепленные на деформируемом объекте или образованные его краями, фокусирующее устройство, устройство для перемещения луча, приемник излучения, электрические преобразовательная, измерительное и записывающее устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения предела температура нагрева объекта и снижения погрешностей, вследствие влияния фона свечения шторок при нагреве, в качестве источника излучения использовав источник ультрафиолетовых лучей, а в качестве фокусирующего и развертывающего устройства – вогнутое зеркало, качаемое или вращаемое относительно оси, перпендикулярной к его оптической оси.
А.с. 271550: Способ ремонта асфальтобетонных дорожных покрытий на основе применения инфракрасного излучения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения ремонта дорожного покрытия в зимнее время, вначале создают тепловую защиту непосредственно в месте производства работ путем создания зон положительных температура посредством источников инфракрасного излучения, затем разогревают применяемые в качестве исходного материала асфальтобетонные брикеты одновременно с ремонтируемым участком дорожного покрытия до пластического состояния при помощи инфракрасных лучей.
А.с. 256335: Способ определения содержания воды в нефти с облучением исследуемого объекта инфракрасным излучением, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и чувствительности анализа , осуществляют регистрацию рассеянного ИК-излучения, лежащего в диапазона оптической прозрачности нефти /в области 1,3 – 2,2 мк/ и по интенсивности рассеянного излучения судят о количестве воды в нефти.
A.c. 269400: Способ противопожарного контроля волокнистого материала, например хлопка – сырца, подаваемого по трубопроводу к месту его хранения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности хранения, контроль осуществляют посредством расположенных по периметру трубопровода датчиков, реагирующих на инфракрасное излучение.
Патент США 3554628: Оптический прибор используется для визуального воспроизведения инфракрасного изображения участка местности. Прибор обеспечивает круговой обзор участка местности и плоскости изображения прибора.
Патент США 3558881: В процессе копирования кодировочная пластинка, находящаяся в теплопроводящем контакте с оригиналом, экспонируется инфракрасным излучением.
А.с. 257096: Способ обнаружения течи в высоковакуумных объектах, основанный на измерении парциального давления газа, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса обнаружения течи, в вакуумную камеру, соединенную с контролируемым объектом, помещают предварительно обезгаженный датчик парциального давления кислорода, выполненный в вида пластины монокристаллического кремния, регистрируют интенсивность теплового излучения, возникающего при окислении поверхности датчика, и по степени интенсивности теплового излучения судят о наличии течи.
А.с. 271532: Устройство для закрепления порошковых изображений на воспринимающей поверхности, например бумаге, состоящее из нагревателя и приспособления для подачи воздуха, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности труда и снижения себестоимости получаемых оттисков, нагреватель выполнен в виде инфракрасного излучателя, а приспособление для подачи воздуха представляет сбой полую металлическую куполообразную конструкцию, корпус которой имеет патрубок для засасывания воздуха внутрь и сопла для выбрасывания прогретого до температуры закрепления воздуха на поверхность закрепляемого порошкового изображения, а одна из внешних поверхностей корпуса является отражателем энергии излучателя.
А.с. 266560: Способ контроля процесса сушки пленок фоторезисторов, отличающийся тем, что, с целью получения стабильного качества и повышения процента выхода годных высушенных пленок фоторезисторов контроль ведут по содержанию паров испаряющегося растворителя в потоке газа-носителя путем измерения интенсивности поглощения упомянутыми парами электромагнитных воля в области инфракрасного спектра, соответствующей характеристической полосе поглощения паров данного растворителя.
А.с. 283327: Фотоэлектрический щуп с импульсной подсветкой экрана индикатора радиолокационной станции, содержащий источник питания, фотоприемник, сопротивление нагрузки, источник света, подсвечивающий фотоприёмник, отличающийся тем, что, с целью считывания сигналов по послесвечению люминофора экрана индикатора, параллельно источнику света, подсчитывающему фотоприемник, включен через ограничительный резистор и микровыключатель дополнительный импульсный источник подсветки с инфракрасным спектром, например светодиод из фосфида галлия.

VII-3. ГОЛОГРАФИЯ.

Собственно голография была открыта в 1848г. Д.Габором. Схема получения голографии была сильно усовершенствована в 1962г. – в основном, путем применения лазеров, высокая интенсивность излучения и большая длина когерентности которое позволили применить голографию к решению многочисленных задач. В 1962г. Ю.Денисюк открыл и осуществил схему голографии в стоячих волнах, объединив идею Габора в цветную фотографию /открытие № 88/. Формулировка открытия: «Установлено ранее неизвестное явление возникновения пространственного цветного изображения объекта при отражении излучения от трехмерного элемента прозрачной материальной среды, в которой распределение плотности вещества соответствует распределению интенсивности поля стоячих волн, образующихся вокруг объекта при рассеянии на нем излучения.
Суть обычной голографии состоит в следующем. Освещают объект когерентным светом. Фотографируют дифракционную картину, даваемую объектом, вместе с когерентным фоном. Получается фотография волнового поля – голограмма. Конечно, эта фотография – не фото объекта, голограмма не похожа на объект, однако она несет в себе значительную информацию об объекте, т.к. на ней /голограмма/ зафиксировано распределение амплитуд и фаз волнового поля /результата наложения опорной когерентной волны и волн, получающихся в результате дифракции/; что вполне достаточно, чтобы восстановить изображение объекта. Для этого освещают голограмму монохроматическим /лазеры!/ параллельным пучком света. Фотоэмульсия в голограмме неоднородна – и свет дифрагирует на этих неоднородностях. Именно вследствие этой дифракции на голограмме образуется изображения объекта. Эти изображения могут перекрываться; используя периферическую часть голограммы, можно получить изображения, которые при наблюдении не перекрываются. Если довести угол между опорным и предметным пучком до 180°С; то получается только одно изображение, создающее полную иллюзию реальности наблюдаемого предмета – сохраняется цвет, объемность и даже возможность рассматривать предмет под различным ракурсом.
С помощью голографии возможно получать интерференционные картины от объектов, диффузно рассеивающих свет. Совмещая голографическое изображение с самим объектом и изучая интерференционную картину, можно зафиксировать самые незначительные деформации объекта.
Если процессы регистрация и восстановления голограммы проводить при разных длинах волн, то изображение объекта увеличивается во столько раз, во сколько длина волны восстановления больше длины волны регистрации /голографический микроскоп/.
С помощью голографии успешно решается проблема распознавания образцов /можно научить машину читать рукописный текст/.
Существенно, что голографические изображения можно получать не только с помощью электромагнитных, но и акустических волн. Когерентные ультразвуковые волны создают возможность освещать большие объекты; кроме того, они могут проникать в оптически непрозрачные объекты. Следовательно, можно получить трехмерное изображение внутренних частей объекта, например, человеческого тела, недр Земли /геология, археология/, толщи океанской воды.
Возможности оптической и акустической голографии поняты сейчас еще не полностью: голографические методы проникают во все новые области науки и техники, позволяя изящно и надежно решать ранее неразрешимые задачи.
Литература:
Денисюк Ю.Н. «Образы внешнего мира», природа, 1971г, № 2
Сороко Л.М. «От линзы к запрограммированному оптическому рельефу», Природа, 1971, № 5
Островский Ю.И. «Голография», 1970г.
Кок У. Лазеры и голография, 1971г.
Сороко Л.М. «Основы голографии и когерентной оптики», 1971г.
Александров Е.Б., Бонч-Бруевич A.M. Исследование поверхностных деформаций тел с помощью голографической техники, Журн.Техн.Физ. 1967, 37, стр.360.
Зайдель А. и др. Голографическая диагностика плазмы, ЖТФ,1968, 338, стр.1405
Франсон М., Голография, Мир, Москва, 1972 г.
Пример А.с. 250465: Способ определения чистоты обработки поверхности изделия, заключающийся в том, что освещают поверхность контролируемого изделия, сравнивают интенсивность излучений, отраженных от поверхности изделия зеркально и диффузно, и по соотношению этих интенсивностей определяют чистоту обработки поверхности изделия, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и универсальности способа, сначала получают голограмму контролируемого изделия, производят освещение поверхности изделия, накладывая на поверхность изделия восстановленное с голограммой его действительное изображение, и регистрируют при этом интенсивность зеркально и диффузно отраженного от поверхности изделия излучения, затем изменяют взаимное расположение изделия и его действительного изображения на величину, большую, чем средняя высота микронеровностей поверхности, регистрируют интенсивность зеркально отраженного от поверхности изделия и по соотношению этих интенсивностей определяют чистоту обработки поверхностей.

VII-4. Оптико-акустический эффект.

При облучении газа, находящегося в замкнутом объеме, модулированным потоком инфракрасной радиации в газе возникают пульсации давления. (Белл, 1880г., Вейнгеров М.Л., 1938г.)
Механизм явления довольно прост: поглощение инфракрасного излучения происходит с возбуждением молекул газа; обратный переход происходит безизлучательнным процессом, т.е. энергия возбуждения молекул переходит в их кинетическую энергию, что и обуславливает изменение давления.
Количественные характеристики эффекта весьма чувствительны к составу газовой смеси; применение оптико-акустического эффекта для анализа смесей характеризуется простотой и надежностью, высокой селективной способностью по отношению к определяемым компонентам, высокой скоростью и непрерывностью контроля л широким диапазоном.
Оптико-акустический эффект используется при измерении времени жизни возбужденных молекул и в ряде других работ по определению влажности и потоков радиации.
Подробнее об ОАЭ см. Горелик Л.О., Сахаров Б.Б «Оптико-акустический эффект в физико-химических измерениях», Москва, Изд. комитета стандартов, 1969г.
См. а.с. № 208329, 208328, 109939,167072, а также Степанов Б.И «Основы спектроскопии отрицательных световых потоков»., БГУ, 1961г. B заключение отметим, что существование оптико-акустического эффекта возможно в жидкостях и твердых телах.

VII-5. ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Из геометрической оптики известно, что при переходе из одной среды в другую луч падающий, луч отраженный, луч преломленный и перпендикуляр к поверхности, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; при этом угол падения равен углу отражения, а углы падения и преломления связаны законом Снеллиуса:

h1*sin j=h2*sin y

где h1 и h2-показатели преломления сред, j и y  – углы падения и преломления. Закон отражения и преломления света – основа расчета оптических систем /отражение – зеркальные поверхности, преломление – линзы/. Кроме зеркального отражения, в физике рассматривается диффузное отражение света – от шероховатых /матовых/ поверхностей излучение углового распределения диффузно отраженного света может дать значительную информацию о структуре отражающей поверхности.
Отметим некоторые особенности. Детали процессов отражения и преломления света определяются молекулярным строением вещества; измерения показателя преломления – один из важнейших методов изучения структуры вещества; в частности эти измерения лежат в основе работы рефракционных приборов /см. Бацанов С.С. «Структурная рефрактометрия», М, 1959г/.
Вообще говоря, лучи отраженный и преломленный – это лучи поляризованного света /см. Поляризация света/, степень поляризации зависит от величины угла падения.
При определенных условиях может наблюдаться полное внутренние отражение света, при котором вся энергия волны, падающей на границу раздела двух сред из среды с большим показателем преломления /из оптически более плотной среды/, полностью отражается обратно в эту среду. На основе этого явление устроены световоды, обладающие значительными преимуществами перед обычными линзовыми системами. Широкие светопровода передают излучение, но не изображение; применение волоконной оптики – пучков очень тонких светопроводов – позволяет передавать и изображение, в том числе и по непрямым путям, поскольку пучок стеклянных волокон может быть сильно изогнут.
Примеры Патент США 3588258: Прибор предназначен для обнаружения трещин в объектах, изготовленных из прозрачного материала, в частности для проверки стеклянных контейнеров на отсутствие доводочных трещин. Прибор снабжен светильным устройством, содержащим несколько пучков оптических волокон, которые позволяют освещать проверяемую часть изделия с разных направлений при одновременном вращении изделия вокруг его центральной оси. При наличии трещины в приемник, расположенный по другую сторону от стенки контейнера, попадает отраженный свет. Приемник можно соединить с выталкивателем, который будет выбрасывать дефектный стеклянный контейнер, завершив тем самым полную автоматизацию проверки стеклянных контейнеров на отсутствие трещин.
Патент США 3586864: Световой луч последовательно обегает каждый участок поверхности тела, отражающего свет. Отраженный световой луч преобразуется в электрический сигнал, соответствующий по величине интенсивности отраженного светового луча. Электрический сигнал запоминается, а затем производится сравнение по величине электрического сигнала и запомненного сигнала. Разность величия этих сигналов характеризует неоднородность поверхности тела.
Патент США 3579775: Оптико-электронная аппаратура предназначается для измерения сильно нагретого участка посредством косвенного наблюдения за нагретой поверхностью режущего инструмента через отверстие небольшого диаметра, сделанное в этом инструменте и оканчивающееся вблизи сильно нагретого участка поверхности. Первый конец световода внутри отверстия воспринимает лучистую энергию, испускаемую нагретой торцевой поверхностью отверстия во время операции резания, а второй удаленный конец световода направляет энергии излучения на логометрический пирометр, состоящий из вращающегося диска, двух инфракрасных фильтров и первого фотоэлемента. С выхода фотоэлемента снимается последовательность электрических импульсов первой и второй амплитуды, характеризующих интенсивность энергии излучения в двух полосах спектра, определяемых фильтрами. Оптико-электронная схема разделяет импульсы на две отдельные последовательности импульсов с соответствующими амплитудами, детектирует и сравнивает пиковую амплитуду, импульсов для того, чтобы получить соотношение импульсных амплитуд. Температура нагретого участка определяется из известного корреляционного соотношения температуры и амплитуд импульсов.
Патент ФРГ 1249539: Устройство предназначено для измерения поверхности плоских предметов неправильной формы посредством световых сигналов растра. Устройство имеет транспортер для подачи измеряемых предметов, линейный источник света, расположенный под транспортером, фотоэлемент, установленный над транспортером, диафрагму в форме цилиндра с отверстиями, которая находится на пути световых лучей, охватывает фотоэлемент и вращается с постоянным числом оборотов, соответствующим скорости подачи предметов, а также прибор для счета импульсов выдаваемых фотоэлементом.
Устройство отличается тем, что выше транспортера /2/ на одинаковых расстояниях один от другого расположены световоды /5/. Один конец световода находится против источника света /4/, а другой конец цилиндрической формы охватывает вращающуюся диафрагму /6/ барабанного типа.
Авторское свидетельство 288464: Устройство для контроля распыления редкости, выполненное из источника света, воздействующего через собирательную линзу на фоторезистор, к которому подключен усилитель, отличающееся тем, что, с целью увеличения надежности контроля, на пути света за линзой последовательно установлены оптический многогранник полного внутреннего отражения и обхватывающая его изогнутая шторка, образующая с одной из граней клинообразное входное пространство.
А.с. 287363: Устройство для измерения температуры, содержащее измерительный элемент, установленный в контролируемой среде, и источник белого света с диафрагмой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения температуры и увеличения светосилы устройства, измерительный элемент выполнен в виде двух прозрачных прямоугольных призм, сложенных наклонными гранями, между которыми расположен слой прозрачного вещества с показателем преломления, зависящим от длины волны и температуры, причем источник света расположен относительно измерительного элемента так, что ось светового потока наклонена к плоскости входной грани призмы под предельным углом полного внутреннего отражения.

VII-6. МУАРОВЫЙ ЭФФЕКТ

Муаровый узор возникает при пересечении под небольшим углом двух систем равноудаленных параллельных линий. Небольшое изменение угла поворота ведет к значительным изменениям расстояния между элементами муарового узора. Муаровый узор, состоящий из сгущений, образуется также при наложении двух непересекающихся рядов эквидистантных параллельных линий, когда величина промежутков между линиями в одном и в другом рядах слегка отличается. Там, где линии одной серии попадают между линиями другой, образуется сгущение. Очевидно, что чем меньше разница в расстояниях между смежными линиями в той и в другой серии, тем больше промежуток между сгущениями. Так, например, если в одной серии прямых расстояние между линиями равно одному миллиметру, а в другой – на микрон меньше, т., наложив одну серию на другу можно увидеть, что расстояние между сгущениями равно одному метру. Следовательно, муаровый узор позволяет получить колоссальное увеличение разницы в ширине промежутков между линиями. Иначе говоря, муаровый эффект чрезвычайно чувствительный инструмент для визуального обнаружения ничтожных отклонений в почти одинаковых периодических структурах.
Лорд Рэлей предложив использовать муаровый эффект для проверки качества линейчатых дифракционных решеток. В последние годы эта католика широко применяется для проверки точности делительных устройств, с помощью которых изготавливаются дифракционные решетки. Совмещая пластмассовую копию с эталонной решеткой, можно сразу увидеть любую периодическую повторяющуюся погрешность делительного устройства или любой искажение, получившееся при изготовлении копии. Интересный эффект можно получить, экспериментируя с двумя семействами прямых, которые незначительно отличаются величиной промежутков между линиями. Двигая один ряд линий вдоль другого, можно заметить, что муаровое сгущение движется гораздо быстрее, чем сами линии. Муаровые узоры были замечены на снимках кристаллов, сделанных с помощью электронного микроскопа. Муаровый узор возникает только в том случае, если атомные решетки обоих кристаллов наложены почти точно друг на друга. Такие узоры позволяют наблюдать гораздо больше деталей, чем можно различить на обычной электронной микрофотографии любой дефект, нарушающий регулярность структуры кристалла, немедленно проявляется на муаровом узоре /например, дислокации/, колоссальное увеличение, которое дает этот узор, позволяет видеть такие смещения атомов, размер которых меньше диаметра самого атома. Это значит, что использование муарового эффекта позволяет увеличить разрешающую способность электронного микроскопа.
Для наглядной демонстрации изменений характеристик жидкой среды используют сложные оптические системы. Использование муарового эффекта намного упрощает задачу.
Муаровые узоры могут представать графическое решения исключительно сложных задач. И именно потому, что муаровые узоры – это простые аналогии сложных явлений, они найдут самое широкое применение в различных областях науки.
См. «Наука и жизнь», 1963г., №10, а также 1971г., №3 Многочисленные применения муарового эффекта описаны в книге Шнейдеровича Р. М. и Левина O.A. «Измерение полей пластических деформаций методом муара», вышедшей в издательстве «Машиностроение» в 1972г.
Муаровый эффект возможно использовать для составления топографических карт предметов. Объект помещают позади решетки из тонких нитей. Решетка ярко освещена и отбрасывает тонкую тень на объект. Тень деформируется в соответствии с рельефом объекта. Наблюдатель же видит объект сквозь две решетки: одну реальную, а вторую созданную ее тенью. Их взаимодействие создает необходимые условия для появления муаров. Остается лишь их сфотографировать. На фотографии расстояние между линиями соответствует глубине рельефа. Такой метод позволит по топографическим картам тела определять различные виды скилиозов, а в технике изучать деформации шины автомобильного колеса при его вращении с очень большой скоростью, анализировать волны, созданные корпусом судна.
Примеры А.с. 241021: Устройство для измерения прогибов плоских конструкций на основе регистрации мауровых полос, содержащее контрольную решетку в решетку из черно-белых полос, устанавливаемую на испытуемую конструкцию, и оптическую систему возводящую получать муаровые полосы, отличающееся тем, что, с целью измерений прогибов конструкций больших размеров, оно снабжено служащим для измерения шага муаровых полос с последующей регистрацией результатов измерения в цифровом виде телевизионным датчиком, на экран приемной трубки которого одновременно проектируются с помощью оптической системы изображения обеих решеток.
А.с. 187081: Способ преобразования телевизионных стандартов путем проекций изображения в экрана кинескопа на фотокатод передающей трубки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения «муар – эффекта» и повышения четкости телевизионного изображения, в кинескопе скорость движения луча по вертикали снижают в два раза, а полученные на экране кинескопа два изображения, соответствующие четному и нечетному полукадрам строчной развертки, проектируют на фотокатод передающей трубки, в которой частота кадров замедлена в два раза.
Патент США 3572942: Прибор позволяет отдаленному наблюдателю устанавливать точку в эталонной плоскости, определяемой этим прибором. Прибор содержит две линейные сетчатые структуры, сдвинутые друг относительно друга в плоскостях, перпендикулярных эталонной плоскости, и создающих фантомную, или муаровую картину для наблюдателя, который находится на далеком расстоянии в эталонной плоскости. Половины сетки одного экрана по обе стороны эталонной плоскости образуют небольшой угол с соответствующими половинами другого экрана. Это приводит к образованию муаровых полос, которые совпадают на центральной линии, что соответствует условию симметрии.
Патент США 3552856: Прибор предназначен для исследования деформаций в испытываемом образце. В этом приборе изображение эталонной решетки накладывают на совпадающую с ним рабочую решетку испытываемого образца или, наоборот, рабочую решетку накладывают на эталонную решетку, образец подвергают деформации. При этом возникают последовательные полосы, строго параллельные линиям решетки. Между эталонной решеткой и образцом располагают экран, затемняющий часть изображения. В одном положении экрана возникают одна результирующая система цветных полос и другая система черно-белых полос. В другом положении непрозрачного экрана возникает только одна система черно-белых полос»

VII-7. СВЕТ И ЦВЕТ

Восприятие цвета – явление сугубо субъективное, хотя в цветных ощущениях существует и объективные явления. С точки зрения физики – цвет есть характеристика спектрального состава излучения с учетом интенсивности. В обычной жизни под цветом предметов подразумеваются некоторые объективные свойства предметов, существенные для их узнавания; при этом цветовая гамма предмета может определяться как ею собственным свечением, так и отражающими свойствами.
Основными качествами цвета являются цветовой фон, насыщенность и светлота. Для уточнения в определение цвета часто прибегают к сравнениям, хотя иногда это лишь усугубляет неопределенность /напр. сиреневый цвет – но ведь сирень бывает и белой/.
Особняком в гамме цветов стоит белый цвет – все хорошо узнают его, но вряд ли кто осмелится дать ему точное определение; все остальные цвета узнаются, в той или иной степени, в сравнении с белым светом. Во всяком случае, наглядное представление о цвете определяется суммой излучений, действующих на сетчатку глаза. Отметим, что цветовым зрением обладает большинство позвоночных, начиная с рыб.
Очень интересные эффекты возникают при смешении цветов. При аддитивном смешении цветов /цветовые измерения, цветное телевидение/ на определенный участок направляются излучения различного цвета. Результирующий цвет зависит от соотношения интенсивностей составляющих /законы Грассмана/.
Субтрактивное смешение цветов получается при последовательном прохождении излучения через цветные фильтры /цветное кино, цветное фото/ цветная печать/.
В полиграфии, в живописи результирующий цвет определяется не только смешением цветов – существенную рожь играет рассеяние света в слоях краски.
Цвет минералов определяется различными причинами. Идиохроматические окраски обусловлены свойствами самих минералов, в основном, содержанием ионов титана (синяя и оранжево-желтая окраска), ванадия, хрома (красная, зеленая), марганца (розовая, черная), кобальта, никеля, железа. Цвет минерала может определяться рассеянными в минерале примесями /аллохроматическая окраска/ или же интерференционными явлениями в тонких слоях минерала /псевдохроматическая окраска/.
Цвета тел при нагревании определяются спектральным составом излучения этих тел, который зависит от температуры /цвет и температура, определение степени нагрева по цвету, создание цветового фона изменением температуры/.
Воспринимаемая человеком яркость окраски зависит от освещенности. При изменении освещенности имеет место кажущееся изменение яркости окраски различных цветов; это явление известно как явление Пуркине (в темноте все кошки серы). Оно обусловлено различием спектральных максимумов чувствительности рецепторов дневного и ночного зрения(максимум чувствительности колбочек – 560 нм, палочек – 510 нм).

Интерференция волн и дифракция — AP Physics 2

Если вы считаете, что контент, доступный с помощью Веб-сайта (как это определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или более ваших авторских прав, пожалуйста, сообщите нам, предоставив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному агенту, указанному ниже. Если университетские наставники примут меры в ответ на ан Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, предоставившей такой контент средства самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей контент, или третьим лицам, таким как так как ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или деятельность нарушают ваши авторские права. Таким образом, если вы не уверены, что содержимое находится на Веб-сайте или на который ссылается Веб-сайт, нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к адвокату.

Чтобы подать уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись владельца авторских прав или лица, уполномоченного действовать от его имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробно, чтобы преподаватели университета могли найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылку на конкретный вопрос (а не только название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Заявление от вас: (а) что вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права не разрешены законом или владельцем авторских прав или его агентом; б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владельцем авторских прав, либо лицом, уполномоченным действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему назначенному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

 

Интерференция волн, дифракция – Справочник по Chem 103/104

Введение

По мере того, как продолжались поиски решения научных парадоксов в классической физике, ученым необходимо было полностью пересмотреть свои представления о материи. В этом разделе исследуется поведение интерференции и дифракции волн.

| Основные понятия и резюме | Глоссарий |

Интерференция волн и дифракция

Если бы вы бросили камень в тихий пруд, вы бы увидели волны, расходящиеся от центра круга. Если бы вы бросили несколько камней в неподвижный пруд, вы бы увидели, как те же самые волны расходятся наружу, но когда волны встречаются, картина меняется. Когда две или более волны соприкасаются, они интерферируют друг с другом.Взаимодействующие волны на поверхности воды могут создавать интерференционные картины, подобные показанным ниже (рис. 1).

Рис. 1. Интерференционная картина на поверхности воды формируется взаимодействующими волнами. Волны вызваны возмущением воды камнями. (кредит: модификация работы Sukanto Debnath)

Существует два типа интерференции волн. Конструктивная интерференция возникает в областях, где пики или впадины двух волн совпадают (рис. 2а). Деструктивная интерференция возникает в областях, где пик одной волны совпадает с впадиной другой волны (рис. 2б). Амплитуды интерферирующих волн складываются и образуют результирующую волну, как показано ниже.

Рисунок 2. Амплитуды волн складываются. (а) Чистая конструктивная интерференция получается, когда одинаковые волны находятся в фазе. (б) Чистая деструктивная интерференция возникает, когда идентичные волны точно не совпадают по фазе или сдвинуты на половину длины волны.

Дифракция волн происходит, когда волна сталкивается с препятствием — кажется, что волна огибает небольшое препятствие или растекается полукругами после отверстия. Рассмотрим водные волны на рисунке 3, которые показывают, как водные волны преломляются и образуют большие полукруги после прохождения через волнорез.

Рисунок 3. Волны проходят через волнорез в Ашкелоне, Израиль, и образуют полукруглую форму. (кредит: «Dmitris1″/Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0)

Свет ведет себя как волна

Интерференция, наблюдаемая в волнах на воде, также наблюдается в свете, что указывает на то, что свет ведет себя как волна. На рис. 4 показаны интерференционных картин , которые возникают, когда свет проходит через узкие щели, расположенные близко друг от друга примерно на расстоянии длины волны. Если бы свет вел себя как классическая частица, свет через две узко расположенные щели привел бы к появлению на экране всего двух линий (по одной для световых частиц, проходящих через каждую щель). Тот факт, что возникает интерференционная картина, указывает на то, что чисто корпускулярное определение света не является точным. Образующиеся интерференционные узоры зависят от длины волны.Если бы вы пропускали свет с короткой и длинной волнами через набор щелей, свет с более короткой длиной волны давал бы более близко расположенные полосы, чем свет с большей длиной волны. Когда свет проходит через две щели, каждая щель фактически действует как новый источник, в результате чего две близко расположенные волны соприкасаются с детектором (в данном случае с камерой). Темные области на рис. 4 соответствуют областям, где пики волны от одной щели совпадают с впадинами волны от другой щели (деструктивная интерференция), а самые светлые области соответствуют областям, где пики для двух щелей совпадают. волны (или две их впадины) совпадают (конструктивная интерференция).Такие интерференционные картины нельзя объяснить движением частиц по законам классической механики.

Рис. 4. Интерференционные полосы показаны для света, проходящего через две близко расположенные узкие щели. Расстояние между полосами зависит от длины волны, причем полосы более близко расположены для более коротковолнового синего света. (Источник: PASCO)

Если свет проходит через щель, он также создает волновую картину, аналогичную изображенной на рисунке 3.Волна, прошедшая через два небольших отверстия, расположенных близко друг к другу, растечется и начнет интерферировать, как показано на рис. 5. Волна приходит слева и падает на две щели, которые преломляют плоскую волну. Интерференционная картина, возникающая при дифракции света, не может быть объяснена движением частиц в соответствии с законами классической механики и будет обсуждаться более подробно в следующем разделе.

Рис. 5. Плоская волна, идущая слева, проходит через две щели и создает интерференционную картину.

Поскольку фотоэлектрический эффект показал, что свет обладает корпускулярными характеристиками, а дифракция света и интерференция показывают, что свет обладает волновыми свойствами, мы часто ссылаемся на корпускулярно-волновой дуализм света: свет имеет как волновые, так и корпускулярные свойства. характеристики.

Ключевые понятия и резюме

Волны проявляют дифракцию и интерференцию. Электромагнитное излучение, прошедшее через две близко расположенные узкие щели, размеры которых примерно равны длине волны, покажет интерференционную картину, являющуюся результатом конструктивной и деструктивной интерференции волн.Поскольку свет дифрагирует при прохождении через узкие щели и поскольку свет может создавать интерференционные картины, мы говорим, что свет ведет себя как волна. Эти процессы нельзя объяснить движением частиц согласно классической механике.

Глоссарий

конструктивная интерференция
когда пики или впадины двух волн совпадают, образуя волну, являющуюся суммой двух отдельных волн

деструктивная интерференция
когда пик одной волны совпадает с впадиной другой волны, чтобы либо полностью подавить волну, либо создать меньшую волну

дифракция
процесс, при котором пучок света рассеивается при встрече с препятствием на своем пути, обычно сопровождающийся интерференцией между образующимися волнами

Комментарии
Пожалуйста, используйте эту форму, чтобы сообщить о любых несоответствиях, ошибках или других вещах, которые вы хотели бы изменить на этой странице. Мы ценим ваши комментарии. 🙂

Дифракция и интерференция

Интерференция описывает явление суперпозиции волн, при котором результирующая волна имеет амплитуду, зависящую от фазы составляющих волн. Это обычно демонстрируется в физике, когда две волны одинаковой амплитуды и частоты встречаются в точке пространства. В этой точке две волны наложатся друг на друга, и результатом будет либо уменьшение, либо уменьшение. усиление волны.Когда встречаются гребень одной волны и впадина другой волны, две волны сдвинуты по фазе на 180 градусов, и они компенсируют друг друга, а когда встречаются два гребня или две впадины, они совпадают по фазе, и волны будут усиливать друг друга.1–5 Однако это всего лишь один пример; волны различной частоты и амплитуды также будут интерферировать, хотя результирующая волна может принимать очень сложную форму. Дифракция, вызванная взаимодействием волн с объектом (или наоборот, таким как щель), заставит свет преломляться в область тени. Результирующие волны будут накладываться друг на друга, что приводит к интерференционной картине. Таким образом, дифракцию можно рассматривать как генератор интерференционных картин, вызванных волной, проходящей мимо объекта. Поскольку интерференция и дифракция так тесно связаны, полезно понимать, что интерференция используется для описания эффекта суперпозиции волн, в то время как дифракция относится к эффектам прохождения волн через препятствие или щель. Еще одним явлением, определяющим способ взаимодействия света, является когерентность, описывающая, как волны соотносятся друг с другом как в пространстве, так и во времени.В частности, когерентные волны будут иметь постоянную разность фаз внутри себя и по отношению к другим интересующим волнам. Эти три концепции — дифракция, интерференция и когерентность — управляют многими оптическими явлениями, с которыми мы имеем дело в оптическом дизайне и технике. Изменение любой из этих концепций приводит к новому и интересному результату. Многие ранние физические эксперименты в области оптики имели дело с этими тремя концепциями, из которых эксперименты с одной и двумя щелями могут быть использованы для получения значительного понимания. В этой главе мы рассмотрим различные расчеты, связанные с этими эффектами.

22.5: Дифракция и интерференция — Geosciences LibreTexts

Когда солнечный или лунный свет проходит через тонкое облако капель воды, дифракция и интерференция могут создать диск яркого неба с центром в светиле (источнике света), окруженный одним или несколькими цветными кольца или бахрома (рис. 22.48).

Рисунок 22.48 Корона, вызванная дифракционными полосами вокруг светила.

Вспомните из физики, что когда фронты волн ударяются о край объекта, часть волны огибает край — процесс, называемый дифракцией . Это согласуется с принципом Гюйгенса, согласно которому каждую точку на фронте падающей волны можно рассматривать как источник новых излучаемых вейвлетов, а последующее положение фронта волны зависит от суперпозиции вейвлетов. Аналогией являются океанские волны, движущиеся мимо вертикальных столбов или свай.

Рис. 22.49а Дифракция света от краев облачных капель.

На рис. 22.49а показаны облачные капли и волновые фронты падающего света от солнца или луны. Край каждой капли отмечен знаком «х». Рассмотрим вейвлеты, генерируемые каждым ребром, нарисованные в виде тонких серых концентрических кругов. Наложение этих вейвлетов, обозначенных толстой желто-коричневой волнистой линией, может конструктивно интерферировать для создания новой последовательности волн.На рис. 22.49а показан один из получившихся цугов волн — для света, который передается прямо через облако к наблюдателю. Остальные углы имеют деструктивных интерференций .

Однако есть много других углов, где фронты вейвлетов конструктивно интерферируют, один из которых изображен на рис. 22.49б. В результате получается дополнительный ряд волновых фронтов, покидающих облако под другим углом. Поскольку этот угол выхода света из облака совпадает с углом, наблюдаемым наблюдателем, наблюдатель видит конструктивную интерференцию (т. е., яркий свет) от всех тех разных капель, которые находятся под одним и тем же углом обзора от солнца. Различные углы, которые могут быть получены из набора капель, создают множество колец разного радиуса, называемых полосами.

Рисунок 22.49b Другое направление, где происходит конструктивная интерференция.

Угол θ к каждому кольцу зависит от радиуса R капли и длины волны λ света:

\begin{align}\theta=\arcsin\left(\frac{m \cdot \lambda}{R}\right)\tag{22.23}\end{выравнивание}

, где m — безразмерный параметр дифракции, приведенный в таблице 22-5.

Таблица 22-5. Дифракционные полосы.
Индекс бахромы м Относительная интенсивность

1

2

3

4

5

6

7

8

0

0. 819

1,346

1,858

2,362

2,862

3,362

3,862

1,0

0,01745

0,00415

0,00165

0,00078

0,00043

0,00027

0.00018

Для любого цвета существуют слабые световые кольца, разделенные более темным серым фоном. Различные цвета спектра имеют разные радиусы полос, в результате чего полосы одного цвета (например, сине-зеленого) появляются в темных промежутках между полосами другого цвета (например, красного). Полосы дальше от солнца (с более высоким индексом полос) менее яркие, как показано в Таблице 22-5 и изображено на Рис. 22.50.

Рисунок 22.50 Яркость дифракционной полосы. Индексы большего размера указывают на полосы, находящиеся дальше от светила.

Волновые облака (стоячие линзовидные облака) имеют чрезвычайно однородные размеры капель. Это означает, что все капли в облаке дают одинаковые углы полос для любого одного цвета. Следовательно, дифракция от всех капель усиливает друг друга, образуя яркие красочные полосы (кольца), называемые короной . Большинство других облаков содержат капли самых разных размеров, в результате чего цвета смешиваются друг с другом, образуя беловатый диск (называемый ореолом ), касающийся солнца или луны.

Уравнение Уравнение (22.23) можно решить в электронной таблице для различных размеров и цветов облачных капель. Результаты на рис. 22.51 показывают, что капли меньшего размера дают полосы большего диаметра. Для справки, типичные облачные капли имеют радиус 10 мкм, а угол обзора, образуемый солнцем, составляет 0,534°.

Чтобы помочь отличить корону от гало, помните, что корона — это яркие световые диски, которые касаются солнца или луны, а гало имеют темную область между светилом и кольцом гало. Кроме того, корона формируется из капель жидкой воды, а ореолы формируются из кристаллов льда.

Капли вблизи краев облаков (особенно волнистых облаков) могут быть очень маленькими, поскольку они образуются или испаряются, и могут образовывать полосы с очень большим угловым радиусом. В результате края облаков вблизи солнца или луны часто бывают красочными, явление, называемое радужностью .

При взгляде сверху на облако иногда видны дифракционные картины вокруг тени наблюдателя.Это называется слава и связано как с дифракцией, так и с отражением от облачных капель. Если смотреть с самолета, летящего над облаками, слава представляет собой круг света с центром в тени самолета.

Образец заявления

Первая видимая полоса (индекс = 2) красного цвета находится в 10° от Луны. Каков радиус падения облака?

Найдите ответ

Дано: θ = 10°, λ = 0,7 мкм.

м = 0. {\ circ} \ right)} = \ underline {\ bf {3,3 \ mu \ mathrm {m}}}

Проверка: Блоки в норме. Физика ок.

Согласен с рис. 22.51.

Экспозиция: Меньше, чем типичный размер облачной капли, возможно, связанный с волновым облаком.

Рисунок 22.51 Угол обзора в зависимости от размера облачной капли для красных (сплошные) и сине-зеленых (штриховые) дифракционных полос.

Как показано на рис. 22.7, дополнительные дуги представляют собой близко расположенные бледные розовато-пурпурные и бирюзовые дифракционные дуги, соприкасающиеся с внутренней частью основной радужной дуги.Ширина угла обзора этой дуги (содержащей от 2 до 4 последовательностей полос) составляет от 1 до 2°. Нештатные изгибы наиболее заметны, когда диаметр дождевых капель меньше примерно 1 мм, во время ливневого дождя, когда большинство падающих капель имеют почти одинаковый размер (т. е. узкое распределение капель по размерам).

Когда ливневый дождь имеет более широкое распределение капель по размеру, более сильное сплющивание более крупных капель приводит к тому, что многие капли имеют почти одинаковую вертикальную толщину, даже если их горизонтальные диаметры сильно различаются.Таким образом, нештатные дуги часто наиболее заметны внутри вершины радужной дуги (поскольку капли одинаковой вертикальной толщины вызывают одинаковые дифракционные полосы, которые конструктивно интерферируют) и менее заметны внутри боковых сторон. Радуги и нештатные радуги видны и тогда, когда солнце светит на капли росы на траве, и на брызги воды из оросительных систем. Иногда за пределами вторичной радуги можно увидеть очень слабые дополнительные дуги.

Чтобы объяснить оптику, посмотрите на рис. 22.13b и рассмотрите, например, красный свет при угле обзора 40°.Мы видим, что свет под этим углом обзора проходит через каплю дождя двумя разными путями: один с прицельным параметром 0,74, а другой с прицельным параметром 0,94. Эти два разных пути проходят через каплю на разное расстояние, поэтому их волновые фронты могут не совпадать по фазе друг с другом. Под определенными углами для определенных цветов фронты волн интерферируют друг с другом, сокращаясь и не давая света этого цвета. Под другими углами для других цветов фронты волн совпадают по фазе и усиливают друг друга, создавая яркий цвет.Эта конструктивная и деструктивная интерференция волновых фронтов создает нештатные единицы.

Дифракция и интерференция: Лаборатория физики – Видео и стенограмма урока

Ступени для лаборатории физики

Для этой лаборатории по физике вам потребуется:

Лазерная указка

1 лезвие бритвы

4–5 прищепок для одежды

И, экран или белая стена

Шаг 1: С помощью ножниц разрежьте лезвие бритвы на две половинки вдоль.

Шаг 2: Используя клейкую ленту, приклейте две половинки лезвия к направляющей рамке так, чтобы режущие кромки были направлены друг к другу, создавая прорезь. Прикрепите их в форме легкой буквы V, чтобы они соприкасались внизу и имели более значительный зазор вверху. Даже вверху разрез должен быть очень тонким. Максимальная ширина должна быть около 1 миллиметра.

Шаг 3: Закройте затворную рамку.

Шаг 4: Прикрепите прищепки к затворной раме (одна или две) и к лазерной указке (достаточно трех), чтобы они могли стоять самостоятельно.Вы можете поднимать или опускать прищепки на лазерной указке (при условии, что она имеет цилиндрическую форму), чтобы настроить прицел.

Шаг 5: Направьте лазерный луч через щель, пока он не попадет на экран на некотором расстоянии позади щели.

Шаг 6: Наведите лазерный указатель вверх и вниз вдоль щели и посмотрите, как изменится рисунок на экране. Запишите свои наблюдения.

Если вы еще этого не сделали, самое время поставить видео на паузу и начать. Удачи!

Анализ данных

Итак, теперь, когда вы завершили лабораторную работу, пришло время проанализировать результаты. Вы должны были видеть на экране узор, состоящий из более крупной яркой области и чередующихся темных и светлых полос с каждой стороны.

Итак, что произошло, когда вы переместили лазер с более тонкой щели на более широкую? Вы, наверное, заметили, что при большей ширине щели картина, видимая на экране, была менее широкой, особенно в случае центрального максимума, яркого центра картины. Это показывает, что по мере того, как вы делаете апертуру все меньше и меньше, свет дифрагирует или распространяется все больше.Это имеет смысл, потому что, если вы достаточно расширите зазор, свет, очевидно, просто пройдет незатронутым.

Вы также могли заметить, что светлые и темные полосы становятся все тусклее и тусклее. Количество света, отклоняющегося под большими углами, меньше, чем количество света, проходящего прямо или отклоняющегося под малыми углами.

Краткий обзор урока

Дифракция — это процесс распространения луча света при прохождении через отверстие или через край объекта. Луч света содержит множество отдельных волн, и эти волны могут накладываться друг на друга. Когда свет проходит через отверстие и дифрагирует, части волн, проходящих через середину щели, перекрываются с частями волн, проходящих через края, и это создает интерференционную картину. Интерференционная картина для света представляет собой область светлых и темных областей, созданную перекрытием множества световых волн. Когда пики двух волн встречаются или впадины двух волн, вы получаете светлую область, и это называется конструктивной интерференцией .Когда вершина одной волны встречается с впадиной другой, получается темная область, и это называется деструктивной интерференцией .

Чтобы наблюдать этот эффект, апертура (или отверстие, или щель) должна быть сравнима с длиной волны, а длина волны света очень мала, но ее можно наблюдать, что мы и сделали в сегодняшняя лаборатория. Мы заметили, что одна щель дает дифракционную картину с большим центральным максимумом и чередующимися темными и светлыми полосами по бокам. Мы также заметили, что более тонкие апертуры приводят к большей дифракции, и что рисунок становится все тусклее и тусклее по мере продвижения к внешним краям.

Результаты обучения

Когда вы закончите, вы сможете:

  • Дать определение дифракции
  • Определите и объясните два типа интерференционных картин
  • Описать, как наблюдать дифракцию света с помощью апертуры (или аналогичного устройства)

Дифракция от двух щелей

Дифракция от двух щелей


Дифракция от двух щелей

Водяные волны будут демонстрировать дифракционную интерференционную картину в эксперименте с двумя щелями. как показано ниже.На схеме показаны гребни волн на воде в некоторый момент времени. Ниже по течению от щелей мы увидим конструктивную интерференцию, где волны от щели находятся в фазе, а деструктивная интерференция там, где они сдвинуты по фазе на 180 градусов, например, когда гребень одной щели встречается с впадиной другой. Сюжет с надписью показана интерференционная картина в месте расположения поглотителя. Дифракция — это простое волновое явление .

Дифракция света была хорошо известным явлением к концу 19 века. и было хорошо объяснено в классической электромагнитной теории, поскольку свет считался электромагнитной волной.Дифракционную картину от двух узких щелей особенно легко понять с точки зрения волн. Установка показана на схеме ниже.

ЭМ волны длины волны излучаются одним источником света, например лазером. Они проходят к двум узким щелям, (для простоты) равноудаленным от источника, и на расстоянии отдельно. Свет проходит от щелей к экрану обнаружения. На экране обнаружения можно увидеть дифракционную картину, как показано на рисунке ниже.

Центр дифракционной картины находится в месте на экране, равноудаленном от каждой щели, где волны от двух щелей находятся в фазе (поскольку они прошли одинаковое расстояние) а поля складываются, значит волны конструктивно интерферируют и есть максимум интенсивности. На некотором расстоянии от этого центра дифракционной картины будет иметь место деструктивная интерференция. между волнами от двух щелей и интенсивность будет равна нулю. Это произойдет, когда расстояние, пройденное двумя волнами, отличается на , поэтому волны сдвинуты по фазе на 180 градусов, а поля от двух щелей компенсируют .

Мы можем вычислить это местоположение, взглянув на диаграмму выше. Предположим, что расстояние до экрана много больше, чем . Для света, обнаруженного под углом , дополнительное расстояние, пройденное от щели 1, равно .Таким образом, угол первого минимума (или нуля) можно найти из уравнения .

В более общем случае мы получим максимум , если пути от щелей отличаются на целое число длин волн . и мы получим нуля, когда пути отличаются на половину длины волны целого числа . .

Хотя это очень сложно, потому что электроны заряжены, 2-щелевая электронная дифракция также наблюдалась.

Таким образом, кажется, что все виды частиц дифрагируют, указывая на наличие какой-то волны. Теперь мы продолжим некоторые мысленные эксперименты по дифракции, чтобы проиллюстрировать физику что квантовая механика должна соответствовать.

* Пример: Определите расположение узлов на дифракционной картине от двух узких щелей, расположенных на расстоянии друг от друга. Теперь попробуйте вычислить распределение интенсивности.*

Джим Брэнсон 2013-04-22

Дифракция через щели – звуковая наука для школ и колледжей

Дифракция через одну щель

Дифракция также происходит, когда волна проходит через щель (или щель ) в преграде.Это показано на двух анимациях ниже. Разница между фильмами заключается в размере зазора.

Когда размер зазора изменяется, как это меняет дифракцию волны? Когда наблюдается максимальная дифракция? (Подумайте о своих предыдущих выводах о дифракции звука вокруг препятствия).

Ширина зазора = половина длины волны, т.е. щель уже длины волны Ширина зазора = две длины волны, т.е. щель шире длины волны

Когда ширина зазора больше длины волны (нижний фильм), волна проходит через зазор и не распространяется многое с другой стороны.Когда размер зазора меньше длины волны (верхнее видео), происходит большая дифракция и волны сильно расходятся — волновые фронты почти полукруглые.

Принцип Гюйгена

Одним из способов объяснения дифракции является использование математического метода, изобретенного физиком 17 века Христианом Гюйгенсом.

Гюйгенс утверждал, что волновой фронт можно смоделировать как серию вейвлетов. Вейвлет можно описать как круговую волну, очень похожую на рябь, которую вы получите, бросив в пруд небольшой камешек.Эти вейвлеты накладываются друг на друга и интерферируют, образуя более сложные волновые фронты. Например, если вы бросите несколько камешков по прямой линии, все за один раз в одно и то же время, будет создан прямой (в научном языке плоскость ) волновой фронт. Видео ниже показывает, как вы можете использовать этот метод, чтобы выяснить, как волновые фронты изменяются щелью.

Дифракция через две щели

Эксперимент Янга

До сих пор мы рассматривали только случай одной щели или зазора, через который проходит волна.Что произойдет, если есть две или более щелей? В итоге мы получим две или более дифрагирующих волн, которые, как мы могли бы ожидать, будут интерферировать друг с другом.

Ниже представлено моделирование дифракции через две щели. Эксперимент назван в честь парня, который первым провел его — эксперимент Янга с двумя щелями. Посмотрите, что происходит справа от щелей. Есть ли образец? Что это создает? Амплитуда больше в одних местах, чем в других?

Справа от щелей волны мешают друг другу.На самом деле, вы можете генерировать одинаковые узоры, размещая два источника там, где находятся щели. Звук через каждую щель дифрагирует и излучается подобно двум точечным источникам . Таким образом, наблюдаемые вами закономерности очень похожи на наблюдаемые для двух источников , чье волновое излучение интерферирует вместе. Возможно, вы захотите еще раз взглянуть на страницы, посвященные интерференции — все формулировки и концепции применимы к эксперименту Янга с двумя щелями. Это видео ниже прекрасно демонстрирует это с помощью волн на воде в пруду.

Вспомните: если мы имеем дело с интерференцией двух источников, будут места, где волны совпадают по фазе и вызывают конструктивную интерференцию, и другие места, где волны не совпадают по фазе и интерферируют деструктивно. В звуковом примере две щели можно заменить двумя громкоговорителями, и тогда максимумы и минимумы в суперпозиции волн будут соответствовать положениям громкости и тишины.

Мы слышали эти громкие/тихие области одну за другой, когда двигались по дуге перед громкоговорителями — они называются полосами Юнга .Если эксперимент проводится с использованием световых волн, вы получаете светлые места для конструктивной интерференции и темные места для деструктивной интерференции. Янг использовал этот эксперимент для измерения длины волны света.

Далее: Дифракционная решетка

.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.