Kolebaniya i volny. Lekcii.
V.A.Aleshkevich, L.G.Dedenko, V.A.Karavaev (Fizicheskii fakul'tet MGU)Izdatel'stvo Fizicheskogo fakul'teta MGU, 2001 g. Soderzhanie
Odin iz takih opytov vyglyadit sleduyushim obrazom (ris. 5.21). V neglubokuyu
kyuvetu K s bol'shoi ploshad'yu osnovaniya nalivayut vodu. Volny na ee poverhnosti
vozbuzhdayut s pomosh'yu vibratora V, privodyashego v periodicheskoe dvizhenie dva
malen'kih sharika O1 i O2, kotorye yavlyayutsya tochechnymi istochnikami
voln. Eti shariki slegka pogruzheny v vodu i sovershayut sinhronnye kolebaniya s
chastotoi v napravlenii, perpendikulyarnom poverhnosti
vody. Ot kazhdogo iz tochechnyh istochnikov rasprostranyaetsya volna s dlinoi
i skorost'yu
Grebni etih voln v
fiksirovannyi moment vremeni izobrazheny na risunke punktirom. V rezul'tate
nalozheniya voln obrazuetsya interferencionnaya kartina, kotoruyu udobno
nablyudat' v stroboskopicheskom osveshenii (osveshaya ee vspyshkami sveta,
sleduyushimi takzhe s chastotoi
). Pri takom osveshenii volny
budut kazat'sya prakticheski nepodvizhnymi.
![]() |
Ris. 5.21. |
Naibolee sil'nye vozmusheniya poverhnosti budut nablyudat'sya v teh mestah, gde
volny skladyvayutsya v faze. Govoryat, chto zdes' raspolagayutsya
interferencionnye maksimumy. V mestah, kuda volny prihodyat v protivofaze,
poverhnost' budet prakticheski ne vozmushena: zdes' raspolagayutsya
interferencionnye minimumy. Vozmushenie poverhnosti v proizvol'noi tochke M
zavisit ot raznosti hoda gde
i
- rasstoyaniya ot tochki M do sootvetstvuyushego tochechnogo istochnika.
Deistvitel'no, smeshenie s poverhnosti zhidkosti v tochke M mozhno rassmatrivat'
kak rezul'tat nalozheniya dvuh sinusoidal'nyh (t.e. monohromaticheskih) voln,
proshedshih rasstoyaniya
i
:
![]() | (5.44) |
Zdes' predpolagaetsya, chto obe volny v tochke M imeyut odinakovye amplitudy
(hotya eto i ne sovsem verno), i postoyannye fazovye dobavki i
tak chto ih raznost'
ne zavisit ot vremeni.
Vypolnyaya v (5.44) summirovanie, poluchaem:
![]() | (5.45) |
Esli polozhit' dlya prostoty to polozhenie
interferencionnyh maksimumov opredelyaetsya iz usloviya
![]() | (5.46) |
Poskol'ku to poslednemu usloviyu sootvetstvuet
raznost' hoda
![]() | (5.47) |
gde
Kazhdomu maksimumu prinyato prisvaivat' poryadkovyi nomer, opredelyaemyi
sootvetstvuyushim chislom (maksimum nulevogo, pervogo, minus pervogo i t.d.
poryadka). Interferencionnye minimumy raspolagayutsya v teh mestah, gde
![]() | (5.48) |
i tak zhe numeruyutsya
Rassmotrennaya interferencionnaya kartina sootvetstvuet idealizirovannoi
situacii. Real'nye volny dazhe v luchshem sluchae yavlyayutsya
kvazimonohromaticheskimi. Dlya takih voln amplitudy i fazy
i
yavlyayutsya medlenno menyayushimisya funkciyami vremeni
(zametnye izmeneniya etih funkcii proishodyat za vremya
). Odnako, esli oba sharika privodyatsya v
kolebatel'noe dvizhenie odnim vibratorom, raznost' faz
v
(5.45) ostaetsya postoyannoi, polozhenie interferencionnyh maksimumov zadaetsya
formuloi (5.47) i ne zavisit ot vremeni.
V prakticheski vazhnyh sluchayah istochniki interferiruyushih voln mogut byt'
nezavisimy. V nashem opyte eto mozhno osushestvit', esli ispol'zovat' dva
vibratora, k kazhdomu iz kotoryh prisoedinen malen'kii sharik. Togda raznost'
faz budet takzhe izmenyat'sya na masshtabe vremeni
i
ee mozhno zapisat' v vide
![]() | (5.49) |
gde - srednee po vremeni znachenie raznosti
faz,
- znakoperemennaya funkciya. Schitaya dlya prostoty v (5.45)
prihodim k vyvodu, chto interferencionnaya kartina, kak
celoe, budet dostatochno haotichno smeshat'sya v raznye storony. Esli takuyu
kartinu snimat' na kinoplenku so vremenem ekspozicii kadra
to na kazhdom kadre budet otpechatana usrednennaya za vremya
"razmazannaya" kartina. Ona mozhet stat' sovsem nerazlichimoi, esli
interferencionnye maksimumy budut smeshat'sya na velichiny, ravnye ili
prevyshayushie rasstoyaniya mezhdu sosednimi maksimumami. Takaya situaciya
dostatochno chasto vstrechaetsya pri interferencii svetovyh voln. Chtoby polnogo
"smazyvaniya" kartiny ne proizoshlo, ochevidno, neobhodimo vypolnenie
sleduyushego usloviya:
![]() | (5.50) |
Chem luchshe vypolnyaetsya eto neravenstvo, tem vyshe kachestvo kartiny. Tak,
naprimer, dlya svetovyh voln i pri
vizual'nom nablyudenii (dlya organov zreniya
) my vsegda
registriruem "razmazannuyu" interferencionnuyu kartinu.
S kachestvom kartiny napryamuyu svyazano ponyatie kogerentnosti interferiruyushih
voln. Kogerentnost' harakterizuetsya bezrazmernym koefficientom
(stepen'yu kogerentnosti), kotoryi mozhet menyat'sya v intervale
Chem vyshe kachestvo kartiny, tem bol'she stepen' kogerentnosti. Dlya
monohromaticheskih voln, konechno,
Etim zamechaniem o kogerentnosti voln my zdes' i ogranichimsya, a detal'noe opisanie etogo ponyatiya budet dano v kurse "Optika".
Difrakciya voln.
V uproshennom smysle pod difrakciei ponimayut krug yavlenii, v kotoryh proyavlyaetsya otstuplenie ot pryamolineinogo rasprostraneniya voln. Takoe ponimanie difrakcii, voobshe govorya, neverno, poskol'ku pryamolineinoe rasprostranenie voln yavlyaetsya lish' opredelennym priblizheniem. Deistvitel'no, specifika lyubogo volnovogo dvizheniya proyavlyaetsya v tom, chto eto dvizhenie, vozniknuv vnachale v ogranichennoi oblasti, stremitsya rasprostranit'sya v ravnoi stepeni vo vse storony. Vyborom special'noi formy etoi oblasti mozhno dobit'sya togo, chto volna pobezhit preimushestvenno v nekotoryh napravleniyah. Vdol' odnogo iz takih napravlenii pobezhit fragment volny, kotoryi s opredelennoi tochnost'yu mozhno schitat' dvizhushimsya pryamolineino.
Dlya nablyudeniya osnovnyh zakonomernostei difrakcii vidoizmenim harakter
vozbuzhdeniya voln na poverhnosti vody v opisannom ranee opyte. V kachestve
istochnika volny vmesto sharikov budem ispol'zovat' plastinu O1O2,
dlina kotoroi t.e. zametno prevyshaet dlinu volny
(ris. 5.22). V rezul'tate po poverhnosti vody pobezhit
"ploskaya" volna v napravlenii, perpendikulyarnom plastine. Otchetlivo
nablyudayutsya dve pryamolineinye granicy G1 i G2, otdelyayushie
vozmushennuyu volnoi i gladkuyu chasti poverhnosti vody. Dlya etoi poslednei
chasti mozhno upotrebit' zaimstvovannyi iz optiki termin: "oblast'
geometricheskoi teni". Samu volnu chasto nazyvayut volnovym puchkom, ili luchom.
V etom eksperimente mozhno schitat', chto volna rasprostranyaetsya pryamolineino i
ne zahodit v oblast' teni. Eto svyazano s tem, chto razmer ee volnovogo fronta
![]() |
Ris. 5.22. |
Umen'shim teper' etot razmer. Eto naibolee prosto osushestvit', esli
parallel'no plastine O1O2 ustanovit' dve vertikal'nye stenki
S1 i S2, rasstoyanie mezhdu kotorymi mozhno izmenyat' (ris.
5.23).
![]() |
Ris. 5.23. |
Esli sdelat' to
volna nachnet postepenno zahodit' v oblast' teni, a ee front budet
iskrivlyat'sya. Na nekotorom harakternom rasstoyanii
volnovoi puchok
priobretet zametnuyu uglovuyu rashodimost' i dalee budet rasprostranyat'sya po
chasti poverhnosti, ogranichennoi uglom
Pri umen'shenii zazora
mezhdu stenkami ugol
vozrastaet, a rasstoyanie
umen'shaetsya. Eto otstuplenie ot pryamolineinogo rasprostraneniya yavlyaetsya
rezul'tatom difrakcii, sushestvenno togda, kogda
Ne sostavlyaet truda ocenit' velichiny i
ispol'zuya podhod,
predlozhennyi francuzskim uchenym O. Frenelem v XIX stoletii dlya ob'yasneniya
difrakcii svetovyh voln. Sleduya Frenelyu, uchastok fronta padayushei volny v
zazore mezhdu stenkami mozhno rassmatrivat' kak cepochku iz
blizko
raspolozhennyh odinakovyh tochechnyh istochnikov
(ris. 5.24).
![]() |
Ris. 5.24. |
Vozmushenie v lyuboi tochke M poverhnosti vody est' rezul'tat interferencii
voln ot etih, tak nazyvaemyh "vtorichnyh" istochnikov, i zavisit ot raznosti
hoda vseh interferiruyushih voln. V prakticheski vazhnyh sluchayah rasstoyaniya
poetomu otrezki
mozhno schitat' parallel'nymi. Ponyatno, chto v tochku P,
lezhashuyu na osi volnovogo puchka, interferiruyushie volny prihodyat v faze i
vozmushenie poverhnosti v nei budet maksimal'nym. Naprotiv, v tochke M volny
mogut pogasit' drug druga, esli raznost' hoda
mezhdu volnami ot krainego istochnika O1 i srednego istochnika
budet ravna
Poskol'ku eta raznost', kak vidno iz ris.
5.24, ravna
to
![]() | (5.51) |
Analogichno, v protivofaze budut prihodit' volny i ot drugih par istochnikov
Govoryat, chto v tochke M budet nablyudat'sya pervyi minimum
difrakcionnoi kartiny. Ne sostavlyaet truda napisat' uslovie, podobnoe
(5.51), i dlya drugih minimumov. Odnako, kak pokazyvaet strogii analiz, bolee
90% vsei energii perenositsya volnoi v predelah ugla
Poetomu na risunke (5.23) granicy G1 i G2 ves'ma uslovny i
ocherchivayut lish' osnovnuyu, naibolee energoemkuyu chast' puchka.
Dlya ocenki difrakcionnoi rashodimosti volnovyh puchkov ispol'zuetsya ugol
kotoryi pri
ocenivaetsya soglasno (5.51) po
formule
![]() | (5.52) |
Takuyu rashodimost' puchok priobretaet na nekotorom harakternom rasstoyanii
Ego mozhno legko ocenit' iz risunka 5.25, na kotorom punktirom izobrazheny
asimptoty k granicam G1 i G2. Budem uslovno schitat', chto na
rasstoyanii
poperechnyi razmer puchka udvoilsya i stal ravnym
Togda
s uchetom (5.52) my mozhem zapisat':
![]() | (5.53) |
Otsyuda
![]() | (5.54) |
Velichina nazyvaetsya difrakcionnoi dlinoi puchka s dlinoi volny
i
poperechnym razmerom
Ona opredelyaet masshtab rasstoyanii, na kotoryh
razvivaetsya zametnaya difrakciya puchka.
![]() |
Ris. 5.25. |
Sdelaem nekotorye ocenki. V opyte, izobrazhennom na risunke (5.22), i
Eto oznachaet, chto v kyuvete
difrakciya prosto ne uspevaet zametno razvit'sya. Pri umen'shenii
(ris.
5.23) do velichiny
difrakcionnaya dlina puchka
i difrakciya stanovitsya otchetlivo vidna.
Esli na puti volnovogo puchka postavit' prepyatstvie - stenku S (ris. 5.26),
to srazu za stenkoi budet ten', odnako volna, proidya rasstoyanie obognet prepyatstvie. Illyustraciei k skazannomu
yavlyaetsya, naprimer, vozmozhnost' uslyshat' zvukovoi signal avtomobilya,
nahodyas' pozadi nebol'shogo stroeniya. Odnako za mnogoetazhnyi dom zvuk
prakticheski ne pronikaet.
![]() |
Ris. 5.26. |
Publikacii s klyuchevymi slovami:
kolebaniya - volny
Publikacii so slovami: kolebaniya - volny | |
Sm. takzhe:
|