Interferenca in uklon valov. Dopplerjev učinek. Stoječe valovanje in nihalo. Zvočni valovi. Valovne lastnosti svetlobe. Difrakcija. motnje. Razpršenost

Ta članek preučuje fizikalni pojav interference: kaj je, kdaj se pojavi in kako se uporablja. Podrobno je obravnavan tudi soroden koncept v valovni fiziki, uklon.

Vrste valov

Ko se v knjigi ali pogovoru pojavi beseda "val", se praviloma takoj zamisli morje: modro prostranstvo, neizmerna razdalja, eden za drugim, slani valovi hitijo na obalo. Prebivalec stepe si bo predstavljal drugačen pogled: prostrano travnato prostranstvo, ki se ziblje pod nežnim vetričem. Še kdo se bo spomnil valov, pogleda na gube težke zavese ali plapolanja zastave na sončen dan. Matematik bo razmišljal o sinusnem valovanju, radioamater o elektromagnetnem nihanju. Vse so drugačne narave in se nanašajo na različni tipi. Toda ena stvar je neizpodbitna: val je stanje odstopanja od ravnotežja, preoblikovanje nekega "gladkega" zakona v nihajno. Zanje velja takšen pojav, kot je motnja. Kaj je in kako nastane, bomo pogledali malo kasneje. Najprej ugotovimo, kaj so valovi. Navajamo naslednje vrste:

mehanski;
kemična;
elektromagnetni;
gravitacijski;
vrtenje;
verjetnostni.

S fizikalnega vidika valovi prenašajo energijo. Zgodi pa se, da se masa tudi premika. Ko odgovarjamo na vprašanje, kaj je motnja v fiziki, je treba opozoriti, da je značilna za valove absolutno katere koli narave.

Znaki valovnih razlik

Nenavadno je, da ni enotne definicije vala. Njihove vrste so tako raznolike, da je samo klasifikacijskih vrst več kot ducat. Po katerih znakih se razlikujejo valovi?

Glede na način porazdelitve v okolju (tekajoče ali stoječe).
Po naravi samega valovanja (natančno po tem se razlikujejo oscilatorni in solitoni).
Po vrsti porazdelitve v okolju (vzdolžno, prečno).
Po stopnji linearnosti (linearni ali nelinearni).
Glede na lastnosti medija, v katerem se širijo (diskretne, zvezne).
Oblika (ravna, sferična, spiralna).
Glede na značilnosti fizikalnega medija širjenja (mehanski, elektromagnetni, gravitacijski).
V smeri nihanja srednjih delcev (kompresijski ali strižni valovi).
Glede na čas, potreben za vzbujanje medija (enojni, monokromatski, valovni paket).

In motnje so uporabne za vse vrste teh okoljskih motenj. Kaj je posebnega pri tem konceptu in zakaj ravno ta pojav dela naš svet to, kar je, vam bomo povedali po podajanju značilnosti valovanja.

Značilnosti valov

Ne glede na vrsto in vrsto valov imajo vsi Splošne značilnosti. Tukaj je seznam:

Glavnik je nekakšen maksimum. Za kompresijske valove je to mesto največje gostote medija. Predstavlja največji pozitivni odklon nihanja od ravnotežnega stanja.
Kotanja (v nekaterih primerih dolina) je nasprotje grebena. Najmanjši, največji negativni odmik od ravnotežnega stanja.
Časovna periodičnost ali frekvenca je čas, ki je potreben, da val potuje od enega maksimuma do drugega.
Prostorska periodičnost ali valovna dolžina je razdalja med sosednjimi vrhovi.
Amplituda je višina vrhov. Ta definicija bo potrebna za razumevanje, kaj je motnja valovanja.

Zelo podrobno smo si ogledali val, njegove značilnosti in različne klasifikacije, ker pojma "motnje" ni mogoče razložiti brez jasnega razumevanja takega pojava, kot je motnja v okolju. Spomnimo vas, da so motnje smiselne samo za valove.

Interakcija valov

Zdaj smo se približali konceptu "motnje": kaj je, kdaj se pojavi in kako jo opredeliti. Vse zgoraj naštete vrste, vrste in značilnosti valov so bile povezane z idealnim primerom. To so bili opisi »sferičnega konja v vakuumu«, torej določene teoretične konstrukcije, ki so v realnem svetu nemogoče. Toda v praksi je ves prostor naokoli prežet z različnimi valovi. Svetloba, zvok, toplota, radio, kemični procesi- to so okolja. In vsi ti valovi medsebojno delujejo. Upoštevati je treba, da morajo imeti podobne značilnosti, če želijo vplivati drug na drugega.

Zvočni valovi ne bodo mogli na noben način motiti svetlobe, radijski valovi pa ne bodo na noben način vplivali na veter. Vpliv seveda še vedno obstaja, vendar je tako majhen, da se njegov učinek enostavno ne upošteva. Z drugimi besedami, pri razlagi, kaj je interferenca svetlobe, se predpostavlja, da en foton vpliva na drugega, ko se srečata. Torej, več podrobnosti.

motnje

Za mnoge vrste valov velja načelo superpozicije: ko se srečajo na eni točki v prostoru, medsebojno delujejo. Izmenjava energije se kaže v spremembi amplitude. Zakon interakcije je naslednji: če se dva maksimuma srečata v eni točki, potem se v končnem valu intenzivnost maksimuma podvoji; če se srečata maksimum in minimum, potem posledična amplituda postane nič. To je jasen odgovor na vprašanje, kaj je interferenca svetlobe in zvoka. To je v bistvu fenomen superpozicije.

Interferenca valov z različnimi karakteristikami

Zgoraj opisan dogodek predstavlja srečanje dveh enakih valov v linearnem prostoru. Vendar imata lahko dva valova, ki se nasprotno širita, različne frekvence, amplitude in dolžine. Kako v tem primeru predstaviti končno sliko? Odgovor se skriva v tem, da rezultat ne bo ravno podoben valovanju. To pomeni, da bo kršen strogi vrstni red izmeničnih maksimumov in minimumov: v nekem trenutku bo amplituda največja, v naslednjem - manjša, nato se srečata maksimum in minimum in rezultat bo šel na nič. Ne glede na to, kako močne so razlike med obema valovoma, se bo amplituda slej ko prej ponovila. V matematiki je običajno govoriti o neskončnosti, v resnici pa lahko sile trenja in vztrajnosti ustavijo sam obstoj nastalega vala, preden se vzorec vrhov, dolin in ravnin ponovi.

Interferenca valov, ki se srečujejo pod kotom

Ampak poleg tega lastne lastnosti, imajo lahko pravi valovi različne položaje v prostoru. Na primer, ko razmišljamo, kaj so zvočne motnje, je to treba upoštevati. Predstavljajte si: deček hodi in piha na piščalko. Pred seboj pošilja zvočni val. In mimo njega se pelje drug fant na kolesu in pozvoni, da se pešec umakne. Kjer se ta dva zvočna vala srečata, se sekata pod določenim kotom. Kako izračunati amplitudo in obliko končnega tresljaja zraka, ki bo letel na primer do najbližjega prodajalca sončničnih semen, babice Maše? Tu pride do veljave vektorska komponenta zvočnega valovanja. In v tem primeru je treba dodati ali odšteti ne le vrednosti amplitude, ampak tudi vektorje širjenja teh nihanj. Upamo, da babica Maša ne bo preveč kričala na hrupne fante.

Interferenca svetlobe z različno polarizacijo

Zgodi se tudi, da se na eni točki srečajo fotoni različnih polarizacij. V tem primeru je treba upoštevati tudi vektorsko komponento elektromagnetne vibracije. Če nista medsebojno pravokotna ali ima eden od svetlobnih žarkov krožno ali eliptično polarizacijo, je interakcija povsem možna. Več metod za določanje optične čistosti kristalov temelji na tem principu: v pravokotno polariziranih žarkih ne sme biti interakcije. Če je slika popačena, potem kristal ni idealen, spreminja polarizacijo žarkov, kar pomeni, da je bil nepravilno vzgojen.

Interferenca in uklon

Medsebojno delovanje dveh svetlobnih žarkov povzroči njuno interferenco, posledično opazovalec vidi niz svetlih (maksimumi) in temnih (minimum) trakov ali obročev. Toda interakcijo svetlobe in snovi spremlja še en pojav - uklon. Temelji na dejstvu, da se svetloba različnih valovnih dolžin v mediju različno lomi. Na primer, če je valovna dolžina 300 nanometrov, potem je kot odklona 10 stopinj, in če je 500 nanometrov - že 12. Torej, ko svetloba pade na kremenčevo prizmo iz sončni žarek, rdeča se lomi drugače kot vijolična (njuni valovni dolžini sta različni), opazovalec pa vidi mavrico. To je odgovor na vprašanje, kaj sta interferenca in uklon svetlobe in v čem se razlikujeta. Če usmerite monokromatsko sevanje laserja na isto prizmo, mavrice ne bo, saj ni fotonov različnih valovnih dolžin. Žarek bo preprosto odstopil od prvotne smeri širjenja za določen kot in to je vse.

Uporaba pojava interference v praksi

Obstaja veliko priložnosti za pridobitev praktičnih koristi od tega povsem teoretičnega pojava. Tukaj bodo navedeni samo glavni:

Raziskave kakovosti kristalov. O tem smo govorili malo višje.
Prepoznavanje napak objektiva. Pogosto jih je treba zmleti v popolno sferično obliko. Prisotnost kakršnih koli okvar se zazna prav s pomočjo pojava motenj.
Določitev debeline filma. Pri nekaterih vrstah proizvodnje je konstantna debelina filma, na primer plastike, zelo pomembna. Prav pojav interference skupaj z uklonom omogoča ugotavljanje njegove kakovosti.
Razsvetljujoča optika. Očala, leče fotoaparatov in mikroskopi so prekriti s tanko folijo. Tako se elektromagnetni valovi določene dolžine preprosto odbijejo in prekrivajo vase, kar zmanjša motnje. Najpogosteje se čiščenje izvaja v zelenem delu optičnega spektra, saj je ravno to območje človeško oko najbolje zaznava.
Raziskovanje vesolja. S poznavanjem zakonov interference lahko astronomi ločijo spektra dveh blizu lociranih zvezd ter določijo njuno sestavo in oddaljenost od Zemlje.
Teoretične raziskave. Nekoč je bilo prav s pomočjo pojava interference mogoče dokazati valovno naravo elementarni delci, kot so elektroni in protoni. To je potrdilo hipotezo o valovno-delčni dvojnosti mikrosveta in pomenilo začetek kvantne dobe.

Upamo, da se je s tem člankom vaše znanje o superpoziciji koherentnih (oddajanih iz virov, ki imajo konstantno fazno razliko in enako frekvenco) valov bistveno razširilo. Ta pojav se imenuje interferenca.

Če vržeš kamen, bo letel naravnost. Lahko trči ob oviro in se odbije. Če zadene letalo, ki se nahaja pod kotom glede na smer leta, se bo odbilo na stran.

Toda v nobenem primeru kamen ne bo mogel obiti ovire. Razen seveda, če mu ne pomagaš. To pomeni, da sam tega ne bo zmogel. Gibanje vseh teles in s tem delcev je predmet tega zakona. Od ovire se bodisi odbijejo bodisi letijo mimo, vendar je ne obidejo.

Valovi se obnašajo drugače. Ne glede na to, ali ste to opazili ali ne, ni težko preveriti: val, ki gre mimo ovire, se rahlo upogne okoli nje. Hkrati se spremeni smer njegovega širjenja. Na primer, vodni val, ki je šel skozi ozko odprtino, se bo med nadaljnjim širjenjem razširil bočno. Izkazalo se je, da je obšla oviro v obliki meja odprtine.

Odklon svetlobe in dodajanje svetlobnih valov

Vsi valovi se obnašajo tako, pa naj bodo mehanski ali elektromagnetni. Ker je svetloba elektromagnetno valovanje, se obnaša na enak način. Pojav odstopanja svetlobe od linearnega širjenja pri zaokroževanju ovire imenujemo uklon svetlobe. Na primer, zamegljeni robovi sence so primer uklona svetlobe na meji telesa, ki ustvarja senco.

Zaradi uklona obstaja še en pojav, imenovan interferenca svetlobe. Svetlobna interferenca je seštevek jakosti dveh ali več svetlobnih valov. Posledično se oblikuje vzorec maksimumov in minimumov jakosti svetlobe.

Interferenca in uklon svetlobe sta med seboj povezani na najbolj neposreden in neposreden način. Pravzaprav je motnja posledica difrakcije. Poskuse je mogoče izvesti za opazovanje interference in uklona svetlobe v laboratorijskih pogojih. Da bi to naredili, žarek svetlobe spustimo skozi ozko režo v neprozornem materialu, za katero se nahaja zaslon.

Na zaslonu se pojavi svetlobni trak, ki bo opazno širši od velikosti reže. To je razloženo z uklonom svetlobe, ki se je ob prehodu skozi režo rahlo upognila okoli dveh ovir v obliki meja reže in tako je svetlobni žarek postal širši. Če ustvarimo ne eno, ampak dve reži, ki se nahajata v bližini, potem na zaslonu ne bomo videli dveh svetlobnih trakov, temveč cel niz izmeničnih trakov svetlobe in sence. V tem primeru bo na sredini en najsvetlejši trak.

To je posledica interference svetlobe in videli bomo tako imenovani "interferenčni vzorec". Razlaga te slike bo preprosta: zaradi difrakcije na vsaki reži se svetlobni žarki razširijo in pri nadaljnjem prehodu se dva vala seštejeta.

Poleg tega se amplitude teh valov razlikujejo na vseh točkah v prostoru. Posledično bo končna amplituda celotnega vala, ki izhaja iz seštevanja dveh valov, odvisna od tega, kako so amplitude prvotnih valov porazdeljene v prostoru.

Na mestu, kjer so amplitude valov največje, bo opazen maksimum celotnega vala. Na drugih mestih, kjer amplitude niso v fazi, bo skupna amplituda enaka nič. Preostala mesta bodo v prehodni fazi med tema dvema primeroma.

Difrakcija in disperzija- tako lepe in podobne besede, ki za ušesa fizika zvenijo kot glasba! Kot že vsi uganili, danes ne govorimo več o geometrijski optiki, temveč o pojavih, ki jih povzročajo prav valovna narava svetlobe.

Svetlobna disperzija

Kaj je torej pojav disperzije svetlobe? Preučili smo zakon loma svetlobe. Potem nismo pomislili, oziroma se nismo spomnili te luči ( elektromagnetno valovanje) ima določeno dolžino. Spomnimo se:

Svetloba– elektromagnetno valovanje. Vidna svetloba- To so valovi z dolžino v območju od 380 do 770 nanometrov.

Tako je stari Newton opazil, da je lomni količnik odvisen od valovne dolžine. Z drugimi besedami, rdeča svetloba, ki pada na površino in se lomi, bo odstopala pod drugačnim kotom kot rumena, zelena itd. Ta odvisnost se imenuje disperzija.

S prehodom bele svetlobe skozi prizmo lahko ustvarite spekter, sestavljen iz vseh barv mavrice. Ta pojav je neposredno razložen z disperzijo svetlobe. Ker je lomni količnik odvisen od valovne dolžine, pomeni, da je odvisen tudi od frekvence. V skladu s tem bo tudi hitrost svetlobe za različne valovne dolžine v snovi različna

Svetlobna disperzija– odvisnost hitrosti svetlobe v snovi od frekvence.

Kje se uporablja disperzija svetlobe? Da povsod! Ni samo lepa beseda, ampak tudi lep pojav. Razpršitev svetlobe v vsakdanjem življenju, naravi, tehniki in umetnosti. Na primer, disperzija je predstavljena na naslovnici albuma Pink Floyd.

Uklon svetlobe

Pred difrakcijo morate povedati o njenem "prijatelju" - motnje. Navsezadnje sta interferenca in uklon svetlobe pojava, ki ju opazujemo sočasno.

Interferenca svetlobe- to je, ko se dva koherentna svetlobna vala, ko se naneseta, okrepita ali, nasprotno, oslabita.

Valovi so skladen, če je njihova fazna razlika v času konstantna in ko seštejemo, dobimo val enake frekvence. Od razlike v fazah nihanj je odvisno, ali bo nastalo valovanje ojačano (interferenčni maksimum) ali obratno oslabljeno (interferenčni minimum). Maksimum in minimum med interferenco se izmenjujeta in tvorita interferenčni vzorec.

Uklon svetlobe– še ena manifestacija valovnih lastnosti. Zdi se, da mora svetlobni žarek vedno potovati v ravni črti. Vendar ne! Ob srečanju z oviro svetloba zavije od svoje prvotne smeri, kot da bi oviro obšla. Kateri pogoji so potrebni za opazovanje uklona svetlobe? Pravzaprav je ta pojav opazen na predmetih katere koli velikosti, na velikih objektih pa ga je težko in skoraj nemogoče opazovati. To je najbolje narediti na ovirah, ki so po velikosti primerljive z valovno dolžino. Pri svetlobi so to zelo majhne ovire.

Uklon svetlobe je pojav svetlobnega odstopanja od premočrtne smeri pri prehodu blizu ovire.

Do difrakcije ne pride le pri svetlobi, ampak tudi pri drugih valovih. Na primer za zvok. Ali pa za valove na morju. Odličen primer difrakcije je, kako slišimo pesem Pink Floydov iz mimo vozečega avtomobila, medtem ko stojimo za vogalom. Če bi se zvočni val širil neposredno, preprosto ne bi prišel do naših ušes in bi stali v popolni tišini. Strinjam se, dolgočasno je. Toda difrakcija je veliko bolj zabavna.

Za opazovanje pojava difrakcije se uporablja posebna naprava - uklonska rešetka. Uklonska mreža je sistem ovir, ki so po velikosti primerljive z valovno dolžino. To so posebne vzporedne poteze, vgravirane na površini kovinske ali steklene plošče. Razdalja med robovi sosednjih rež rešetke se imenuje perioda rešetke ali njena konstanta.

Kaj se zgodi s svetlobo, ko gre skozi uklonsko mrežo? Ko svetlobni val zadene rešetko in naleti na oviro, gre skozi sistem prozornih in neprozornih področij, zaradi česar se razcepi na ločene snope koherentne svetlobe, ki po uklonu interferirajo drug z drugim. Vsaka valovna dolžina se odkloni za določen kot, svetloba pa se razgradi v spekter. Posledično opazimo uklon svetlobe na rešetki

Formula uklonske rešetke:

Tukaj d– obdobje rešetke, fi– kot odklona svetlobe po prehodu skozi rešetko, k– vrstni red uklonskega maksimuma, lambda– valovna dolžina.

Danes smo spoznali, kaj sta pojava uklon in disperzija svetlobe. Pri predmetu optika so zelo pogoste težave na temo interference, disperzije in uklona svetlobe. Avtorji učbenikov imajo zelo radi tovrstne probleme. Tega ne moremo reči za tiste, ki jih morajo rešiti. Če se želite z lahkoto spopasti z nalogami, razumeti tematiko in hkrati prihraniti čas, kontaktirajte. Pomagali vam bodo pri vseh nalogah!

Valovna narava svetlobe. V 17. stoletju je nizozemski znanstvenik Christiaan Huygens izrazil idejo, da ima svetloba valovno naravo. Če je velikost predmeta primerljiva z valovno dolžino, potem se zdi, da svetloba teče v območje sence in meja sence je zamegljena. Teh pojavov ni mogoče razložiti s premočrtnim širjenjem svetlobe. Ideja je bila v nasprotju z izjavami I. Newtona, da je svetloba tok delcev, vendar je bila valovna narava svetlobe eksperimentalno potrjena v takih pojavih, kot sta interferenca in uklon.

Te valovne pojave je mogoče razložiti z uporabo dveh konceptov: Huygensovega principa in koherence svetlobe.

Huygensovo načelo.Huygensovo načelo kot sledi: katera koli točka na valovni fronti se lahko obravnava kot sekundarni vir elementarnih valov, ki se širijo v prvotni smeri s hitrostjo primarnega vala. Tako lahko primarni val obravnavamo kot vsoto sekundarnih elementarnih valov. Po Huygensovem principu nov položaj valovne fronte primarnega vala sovpada z ovojnico iz elementarnih sekundarnih valov (slika 11.20).

riž. 11.20. Huygensovo načelo.

Skladnost. Za pojav uklona in interference mora biti izpolnjen pogoj konstantnosti fazne razlike svetlobnih valov iz različnih virov svetlobe:

Valovi, katerih fazna razlika ostane konstantna, se imenujejo skladen.

Faza valovanja je funkcija razdalje in časa:

Glavni pogoj za koherenco je konstantnost frekvence svetlobe. Vendar v resnici svetloba ni strogo enobarvna. Zato frekvenca in posledično fazna razlika svetlobe morda nista odvisna od enega od parametrov (bodisi časa ali razdalje). Če frekvenca ni odvisna od časa, se imenuje koherenca časovno, in ko ni odvisno od razdalje – prostorsko. V praksi je videti tako, da se interferenčni ali uklonski vzorec na zaslonu sčasoma ne spremeni (pri časovni koherenci) ali pa se ohrani, ko se zaslon premika v prostoru (pri prostorski koherenci).

Interferenca svetlobe. Leta 1801 angleški fizik, zdravnik in astronom T. Jung (1773 - 1829) je dobil prepričljivo potrditev valovne narave svetlobe in izmeril dolžino svetlobnega vala. Diagram Youngovega poskusa je prikazan na sliki 11.21. Namesto pričakovanih dveh črt, če bi bila svetloba delci, je videl vrsto izmeničnih črt. To bi lahko razložili s predpostavko, da je svetloba val.

Interferenca svetlobe imenujemo pojav valovne superpozicije. Za svetlobno interferenco je značilno oblikovanje stacionarnega (časovno konstantnega) interferenčnega vzorca - redno menjavanje območij povečane in zmanjšane jakosti svetlobe v prostoru, ki je posledica superpozicije koherentnih svetlobnih valov, tj. valovi iste frekvence s konstantno fazno razliko.

Skoraj nemogoče je doseči konstantno fazno razliko med valovi iz neodvisnih virov. Zato se za pridobivanje koherentnih svetlobnih valov običajno uporablja naslednja metoda. Svetloba iz enega vira se na nek način razdeli na dva ali več žarkov, ki jih pošljejo po različnih poteh in nato združijo. Interferenčni vzorec, ki ga opazimo na zaslonu, je odvisen od razlike v poteh teh valov.

Pogoji maksimuma in minimuma motenj. Superpozicija dveh valov z enako frekvenco in konstantno fazno razliko vodi do pojava na zaslonu, na primer, ko svetloba zadene dve reži, interferenčni vzorec - izmenične svetle in temne črte na zaslonu. Vzrok za pojav svetlih trakov je superpozicija dveh valov tako, da se na dani točki seštejeta dva maksimuma. Ko se maksimum in minimum vala prekrivata na določeni točki, se kompenzirata in pojavi se temen trak. Slika 11.22a in slika 11.22b prikazujeta pogoje za nastanek minimumov in maksimumov jakosti svetlobe na zaslonu. Za razlago teh dejstev kvantitativno raven Uvedemo naslednje oznake: Δ – razlika poti, d – razdalja med dvema režama, – valovna dolžina svetlobe. V tem primeru največji pogoj, ki je prikazan na sliki 11.22b, predstavlja večkratnik razlike med potjo in valovno dolžino svetlobe:

To se bo zgodilo, če se nihanja, ki jih vzbujata oba valovanja v točki M, pojavijo v isti fazi in je fazna razlika:

kjer je m=1, 2, 3, ….

Pogoj za pojav minimumov na zaslonu je množica svetlobnih polvalov:

(11.4.5)

V tem primeru se bodo nihanja svetlobnih valov, ki jih vzbudita oba koherentna vala v točki M na sliki 11.22a, pojavila v protifazi s fazno razliko:

(11.4.6)

riž. 11.21. Pogoji za nastanek minimumov in maksimumov interferenčnega vzorca

Primer interference je interferenca v tankih filmih. Splošno znano je, da če bencin ali olje spustimo na vodo, bodo vidni barvni madeži. To je posledica dejstva, da bencin ali olje tvorita tanek film na vodi. Del svetlobe se odbija od zgornje površine, drugi del pa od spodnjo površino– vmesnik med dvema medijema. Ti valovi so koherentni. Žarki, ki se odbijajo od zgornje in spodnje površine filma (slika 11.22), interferirajo in tvorijo maksimume in minimume. Tako se na tankem filmu pojavi interferenčni vzorec. Sprememba debeline filma bencina ali olja na površini vode vodi do spremembe razlike v poti za valove različnih dolžin in posledično do spremembe barve trakov.

riž. 11.22 Interferenca v tankih plasteh

Eden najpomembnejših dosežkov pri uporabi motenj je izdelava ultra natančne naprave za merjenje razdalj - Michelsonov interferometer(Slika 11.24). Monokromatska svetloba pade na prosojno ogledalo, ki se nahaja v središču vzorca, ki razcepi žarek. En žarek svetlobe se odbije od fiksnega zrcala, ki se nahaja na vrhu slike 11.23, drugi pa od premičnega zrcala, ki se nahaja desno na sliki 11.23. Oba žarka se vrneta na točko opazovanja in interferirata drug z drugim na zapisovalniku interference svetlobnih valov. Premik gibljivega zrcala za četrtino valovne dolžine povzroči zamenjavo svetlih trakov s temnimi. V tem primeru je dosežena natančnost merjenja razdalje 10 -4 mm. To je ena najnatančnejših metod za merjenje velikosti mikroskopskih veličin, ki omogoča merjenje razdalj z natančnostjo, primerljivo z valovno dolžino svetlobe.

Sodobne visokotehnološke naprave, na primer elementi velikega hadronskega trkalnika v CERN-u, so natančno uglašeni na valovne dolžine svetlobe.

riž. 11.23. Michelsonov interferometer

Difrakcija. Eksperimentalno odkritje pojava uklona je bila še ena potrditev veljavnosti valovne teorije svetlobe.

Na pariški akademiji znanosti leta 1819 je A. Fresnel predstavil valovno teorijo svetlobe, ki je pojasnila pojava uklona in interference. Po valovni teoriji naj bi uklon svetlobe na neprozornem disku povzročil pojav svetle točke v središču diska, saj je razlika v poti žarkov v središču diska enaka nič. Poskus je to domnevo potrdil (slika 11.24). Po Huygensovi teoriji so točke na robu diska viri sekundarnih svetlobnih valov in so med seboj koherentni. Zato svetloba vstopi v območje za diskom.

Difrakcija imenujemo pojav valov, ki se upogibajo okoli ovir. Če je valovna dolžina dolga, se zdi, da val ne opazi ovire. Če je valovna dolžina primerljiva z velikostjo ovire, bo meja sence ovire na zaslonu zamegljena.

riž. 11.24. Difrakcija na neprozornem disku

Uklon svetlobe na eni sami reži povzroči pojav izmenično svetlih in temnih trakov. Poleg tega ima pogoj za prvi minimum obliko (sl. 11.25):

kjer je valovna dolžina, d je velikost reže.

Na isti sliki je prikazana odvisnost jakosti svetlobe od kota odstopanja θ od premice.

riž. 11.25. Pogoj za nastanek 1. maksimuma.

Preprost primer uklona si lahko ogledamo sami: če pogledamo sobno žarnico skozi majhno režo na dlani ali skozi igelno uho, bomo okrog vira svetlobe opazili koncentrične raznobarvne kroge.

Na podlagi uporabe uklonskega pojava deluje spektroskop- naprava za zelo natančno merjenje valovnih dolžin z uporabo uklonske rešetke (slika 11.26).

riž. 11.26. Spektroskop.

Spektroskop je izumil Joseph Fraunhofer leta začetku XIX stoletja. V njem se je svetloba skozi reže in kolimacijske leče spremenila v tanek snop vzporednih žarkov. Svetloba iz vira vstopa v kolimator skozi ozko režo. Reža je v goriščni ravnini. Teleskop pregleduje uklonsko mrežo. Če kot nagiba cevi sovpada s kotom, usmerjenim na največ (običajno prvi), bo opazovalec videl svetel trak. Valovna dolžina je določena s kotom θ lokacije prvega maksimuma na zaslonu. V bistvu ta naprava temelji na principu, ki je prikazan na sliki 11.25.

Da bi dobili odvisnost jakosti svetlobe od valovne dolžine (to odvisnost imenujemo spekter), smo svetlobo spustili skozi prizmo. Na izhodu iz nje se je zaradi disperzije svetloba razdelila na komponente. S pomočjo teleskopa lahko merite spektre sevanja. Po izumu fotografskega filma je nastal natančnejši instrument: spektrograf. Deluje po enakem principu kot spektroskop, namesto opazovalne cevi je imel kamero. Sredi dvajsetega stoletja je kamero zamenjala elektronska fotopomnoževalna cev, kar je omogočilo močno povečano natančnost in analizo v realnem času.

Opazovanja širjenja valov na vodni gladini iz dveh oz več viri kažejo, da valovi prehajajo drug skozi drugega, ne da bi sploh vplivali drug na drugega. Na enak način ne vplivajo drug na drugega in zvočni valovi. Ko orkester igra, prihajajo zvoki iz vsakega inštrumenta do nas popolnoma enaki, kot če bi vsak inštrument igral posebej.

To eksperimentalno ugotovljeno dejstvo je razloženo z dejstvom, da v mejah elastične deformacije stiskanje ali raztezanje teles v eni smeri ne vpliva na njihove elastične lastnosti pri deformaciji v kateri koli drugi smeri. Zato je na vsaki točki, ki jo dosežejo valovi iz različnih virov, rezultat delovanja več valov v danem trenutku enaka vsoti rezultate vsakega vala posebej. Ta vzorec se imenuje princip superpozicije.

Motnje valov.

Da bi globlje razumeli vsebino principa superpozicije, izvedimo naslednji poskus.

V valovni kopeli bomo z uporabo vibratorja z dvema palicama ustvarili dva točkovna izvora valov z enako frekvenco.

obotavljanje. Opazovanja kažejo, da se v tem primeru v valovni kopeli pojavi poseben vzorec širjenja valov. Na vodni gladini so proge, kjer ni tresljajev (slika 226).

Podoben pojav najdemo pri poskusih z zvočnimi valovi. Namestimo dva dinamična zvočnika in ju priključimo na izhod enega generator zvoka. Premikanje na kratke razdalje v učilnica, na uho lahko ugotovite, da je na nekaterih točkah prostora zvok glasen, na drugih pa tih. Zvočna valovanja iz dveh virov se na nekaterih točkah prostora medsebojno krepijo, na drugih oslabijo (slika 227).

Pojav povečanja ali zmanjšanja amplitude nastalega valovanja, ko se seštejeta dva ali več valov z enakimi nihajnimi obdobji, imenujemo interferenca valov.

Pojav interference valov ni v nasprotju z načelom superpozicije. Na točkah z ničelno amplitudo nihanj se dva srečena vala med seboj ne "izničita", oba se brez sprememb širita naprej.

Pogoji za najmanjše in največje motnje.

Amplituda nihanj je enaka nič pri

tiste točke v prostoru, do katerih prihajajo valovi z enako amplitudo in frekvenco s faznim zamikom nihanja za ali za polovico nihajne dobe. Pri enakem zakonu nihanja dveh valovnih virov bo razlika polovica nihajne dobe, pod pogojem, da je razlika v razdaljah od valovnih virov do te točke enaka polovici valovne dolžine:

ali liho število polvalov:

Razlika se imenuje razlika poti motečih valov in stanje

se imenuje pogoj minimalne motnje.

Interferenčne maksimume opazimo na točkah v prostoru, kjer valovi prihajajo z enako fazo nihanja. Glede na enak zakon nihanja dveh virov mora biti za izpolnitev tega pogoja razlika poti enaka celemu številu valov:

Skladnost.

Interferenca valov je mogoča le, če je izpolnjen pogoj koherence. Beseda koherenca pomeni doslednost. Nihanja z enako frekvenco in konstantno fazno razliko v času imenujemo koherentna.

Interferenca in zakon o ohranitvi energije.

Kam izgine energija dveh valov na mestih interferenčnih minimumov? Če upoštevamo le eno mesto, kjer se srečata dva vala, potem na takšno vprašanje ni mogoče pravilno odgovoriti. Širjenje valov ni skupek neodvisnih nihajnih procesov v posameznih točkah prostora. Bistvo valovnega procesa je prenos energije nihanja iz ene točke v prostoru v drugo itd. Ko valovi interferirajo na mestih interferenčnih minimumov, je energija nastalih nihanj dejansko manjša od vsote energij dveh interferenčnih valov. . Toda na mestih interferenčnih maksimumov energija nastalih nihanj presega vsoto energij motečih valov za točno toliko, kolikor se je zmanjšala energija na mestih interferenčnih minimumov. Pri interferenci valov se energija nihanja prerazporedi v prostoru, hkrati pa se strogo upošteva zakon o ohranitvi energije.

Valovni ulomek.

Če zmanjšate velikost luknje v oviri vzdolž poti vala, potem manjša kot je velikost luknje, večja bodo odstopanja od premočrtne smeri širjenja valov (slika 228, a, b) . Odstopanje smeri širjenja valov od ravne črte na meji ovire imenujemo uklon valov.

Za opazovanje uklona zvočnih valov na izhod zvočnega generatorja priključimo zvočnike in na pot zvočnih valov postavimo zaslon iz materiala.

absorbiranje zvočnih valov. S premikanjem mikrofona za zaslonom lahko ugotovite, da so zvočni valovi posneti tudi za robom zaslona. Spreminjanje frekvence zvočne vibracije in s tem dolžine zvočnih valov, lahko ugotovimo, da postane pojav uklona bolj opazen z večanjem valovne dolžine.

Do difrakcije valov pride, ko naletijo na oviro kakršne koli oblike in velikosti. Običajno, ko je velikost ovire ali luknje v oviri velika v primerjavi z valovno dolžino, je uklon valov malo opazen. Difrakcija se najbolj jasno pokaže, ko gredo valovi skozi odprtino z dimenzijami, ki so enake valovni dolžini, ali ko naletijo na ovire istih dimenzij. Pri dovolj velikih razdaljah med virom valovanja, oviro in mestom opazovanja valov lahko pride do uklonskih pojavov tudi, ko velike velikosti luknje ali ovire.

Huygens-Fresnelov princip.

Kvalitativno razlago pojava uklona lahko damo na podlagi Huygensovega principa. Vendar Huygensovo načelo ne more pojasniti vseh značilnosti širjenja valov. V valovno kopel postavimo pregrado s široko luknjo na poti ravnih valov. Izkušnje kažejo, da gredo valovi skozi luknjo in se širijo vzdolž prvotne smeri žarka. Valovi iz luknje se ne širijo v druge smeri. To je v nasprotju s Huygensovim načelom, po katerem naj bi se sekundarni valovi širili v vse smeri od točk, ki jih doseže primarni val.

Postavimo široko pregrado na pot valov. Izkušnje kažejo, da se valovi ne širijo čez oviro, kar je spet v nasprotju s Huygensovim načelom. Francoski fizik Augustin Fresnel (1788-1827) je leta 1815 za razlago pojavov, ki jih opazimo, ko valovi naletijo na ovire, dopolnil Huygensov princip z idejami o koherenci sekundarnih valov in njihovi interferenci. Odsotnost valov stran od smeri žarka primarnega vala za široko luknjo po Huygens-Fresnelovem principu je razloženo z dejstvom, da sekundarni koherentni valovi oddajajo različna področja luknje se med seboj motijo. Na mestih, kjer so izpolnjeni pogoji interferenčnih minimumov za sekundarne valove iz različnih območij, ni valov.

Polarizacija valov.

Interferenčni in difrakcijski pojavi

opazimo med širjenjem vzdolžnih in prečnih valov. Imajo pa transverzalna valovanja eno lastnost, ki je longitudinalni valovi nimajo – lastnost polarizacije.

Polarizirano valovanje je transverzalno valovanje, pri katerem vsi delci nihajo v isti ravnini. Ravninsko polariziran val v gumijasti vrvici nastane, ko konec vrvice niha v eni ravnini. Če konec vrvice vibrira v različnih smereh, potem val, ki se širi vzdolž vrvice, ni polariziran.

Polarizacijo tega vala lahko dosežemo tako, da mu na pot postavimo oviro z odprtino v obliki ozke reže. Reža prepušča samo tresljaje vrvice, ki se pojavljajo vzdolž nje. Zato se po prehodu skozi režo val polarizira v ravnini reže (slika 229). Če naprej na poti ravninsko polariziranega vala postavimo drugo režo vzporedno s prvo, gre val prosto skozi njo. Vrtenje druge reže glede na prvo za 90° ustavi proces širjenja valov v vrvici.

Naprava, ki izstopa od vseh možna nihanja, ki se pojavlja v eni ravnini (prva reža), imenujemo polarizator. Naprava, ki vam omogoča določanje ravnine polarizacije valovanja (druga reža), se imenuje analizator.