Електромагнитни вълни. Концепция за електромагнитни вълни

Тези явления са присъщи на вълни от всякакво естество. Освен това явленията интерференция, дифракция, поляризация са характерни само за вълновите процеси и могат да бъдат обяснени само въз основа на вълновата теория.

Отражение и пречупване.Разпространението на вълната се описва геометрично с помощта на лъчи. В хомогенна среда ( н= const) лъчите са праволинейни. Но на границата между медиите посоките им се променят. В този случай се образуват две вълни: отразена, разпространяваща се в първата среда с еднаква скорост, и пречупена, разпространяваща се във втората среда с различна скорост, в зависимост от свойствата на тази среда. Феноменът на отражението е известен както за звукови (ехо), така и за светлинни вълни. Благодарение на отразяването на светлината в огледалото се образува виртуален образ. Пречупването на светлината е в основата на много интересни атмосферни явления. Намира широко приложение в различни оптични устройства: лещи, призми, оптични влакна. Тези устройства са елементи на устройства за различни цели: камери, микроскопи и телескопи, перископи, проектори, оптични системикомуникации и др.

Намесавълни - феноменът на преразпределение на енергията, когато се наслагват две (или няколко) кохерентни (съвпадащи) вълни, придружени от появата на интерференчен модел на редуващи се максимуми и минимуми на интензитета (амплитудата) на получената вълна. Вълни, при които фазовата разлика в точката на добавяне остава постоянна във времето, но може да варира от точка до точка и в пространството, се наричат ​​кохерентни. Ако вълните се срещат „във фаза“, т.е. едновременно достигат максималното отклонение в една посока, тогава те се подсилват взаимно и ако се срещнат „в противофаза“, т.е. едновременно достигат противоположни отклонения, взаимно се отслабват. Координацията на трептенията на две вълни (кохерентност) на две вълни в случай на светлина е възможна само ако те имат общ произход, което се дължи на особеностите на радиационните процеси. Изключение правят лазерите, чието излъчване се характеризира с висока кохерентност. Следователно, за да се наблюдава интерференция, светлината, идваща от един източник, се разделя на две групи вълни, или чрез преминаване през два отвора (процепа) в непрозрачен екран, или чрез отражение и пречупване на интерфейса на медиите в тънки филми. Интерферентен модел от монохроматичен източник ( λ =конст) на екрана за лъчи, преминаващи през два тесни, близко разположени процепа, има вид на редуващи се ярки и тъмни ивици (експеримент на Young, 1801). Ярки ивици - максимуми на интензитета се наблюдават в онези точки на екрана, в които вълните от двата процепа се срещат "във фаза", т.е. тяхната фазова разлика

, m =0,1,2,…,(3.10)

Това съответства на разликата в пътя на лъчите, кратна на цяло число дължини на вълните λ

, m =0,1,2,…,(3.11)

Тъмни ивици (взаимни анулации), т.е. минимумите на интензитета се появяват в онези точки на екрана, в които вълните се срещат „в противофаза“, т.е. тяхната фазова разлика е

, m =0,1,2,…,(3.12)

Това съответства на разликата в пътя на лъчите, кратна на нечетен брой полувълни

, m =0,1,2,….(3.13)

Интерференция се наблюдава при различни вълни. Интерференция на бяла светлина, включително всички дължини на вълните Видима светлинав диапазона на дължината на вълната микроните могат да се появят като тънък слой от бензин с цвят на дъга върху повърхността на водата, сапунени мехури, оксидни филми върху повърхността на металите. Максимални условия на смущение в различни точкифилмите се правят за различни дължини на вълната, което води до усилване на различни цветни вълни. Условията на смущение се определят от дължината на вълната, която за видимата светлина е част от микрона (1 µm = 10 -6 m), поради което това явление е в основата на различни прецизни („свръхпрецизни“) методи за изследване, контрол и измерване. Използването на интерференция се основава на използването на интерферометри, интерферентни спектроскопи, както и метода на холографията. Светлинната интерференция се използва за измерване на дължината на вълната на излъчване, изследване на фината структура на спектралните линии, определяне на плътността, показателите на пречупване на веществата и дебелината на тънките покрития.

Дифракция– съвкупност от явления, които възникват при разпространение на вълна в среда с изразена разнородност на свойствата. Това се наблюдава, когато вълните преминават през дупка в екрана, близо до границата на непрозрачни обекти и т.н. Дифракцията води до огъване на вълна около препятствие, чиито размери са съизмерими с дължината на вълната. Ако размерът на препятствието е много по-голям от дължината на вълната, тогава дифракцията е слаба. Върху макроскопични препятствия се наблюдава дифракция на звук, сеизмични вълни и радиовълни, за които 1 cm km. За да се наблюдава дифракция на светлината, препятствията трябва да са значително по-малки. Дифракция звукови вълниобяснява способността да чувате гласа на човек, който се намира зад ъгъла на къщата. Дифракцията на радиовълните около земната повърхност обяснява приемането на радиосигнали в обхвата на дълги и средни радиовълни далеч отвъд линията на видимост на излъчващата антена.

Дифракцията на вълните е придружена от тяхната интерференция, което води до образуването на дифракционна картина, редуващи се максимуми и минимуми на интензитета. Когато светлината преминава през дифракционна решетка, която представлява набор от редуващи се успоредни прозрачни и непрозрачни ивици (до 1000 на 1 mm), на екрана се появява дифракционна картина, позицията на максимумите на която зависи от дължината на вълната на излъчване. . Това позволява използването на дифракционна решетка за анализ на спектралния състав на радиацията. Структура кристално веществоподобно на триизмерното дифракционна решетка. Наблюдението на дифракционната картина по време на преминаването на рентгеново лъчение, лъч от електрони или неврони, през кристали, в които частиците на материята (атоми, йони, молекули) са подредени по подреден начин, позволява да се изследват характеристиките на тяхната структура . Характерната стойност за междуатомните разстояния е d~10 -10 m, което съответства на дължините на вълните на използваното лъчение и ги прави незаменими за кристалографски анализ.

Дифракцията на светлината определя границата на разделителната способност на оптичните инструменти (телескопи, микроскопи и др.). Разделителна способност - минималното разстояние между два обекта, при което те се виждат отделно и не се сливат - разрешават се. Поради дифракцията изображението на точков източник (например звезда в телескоп) изглежда като кръг, така че близките обекти не се разрешават. Разделителната способност зависи от редица параметри, включително дължина на вълната: колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-добра е разделителната способност. Следователно размерът на обект, наблюдаван в оптичен микроскоп, е ограничен от дължината на вълната на светлината (приблизително 0,5 μm).

Явлението интерференция и дифракция на светлината е в основата на принципа на записване и възпроизвеждане на изображения в холографията. Методът, предложен през 1948 г. от Д. Габор (1900 – 1979), записва интерференционната картина, получена при осветяване на обект и фотоплака с кохерентни лъчи. Получената холограма се състои от редуващи се светли и тъмни петна, които нямат никаква прилика с обекта; но дифракцията от холограмата на светлинни вълни, идентични с тези, използвани при нейния запис, позволява да се реконструира вълната, разпръсната от реалния обект, и да се получат нейните три -измерен образ.

Поляризация– явление, характерно само за напречните вълни. Напречното сечение на светлинните вълни (както и всяко друго електромагнитни вълни) се изразява във факта, че осцилиращите в тях вектори на напрегнатост на полето на електрическата () и магнитната индукция () са перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната. Освен това тези вектори са взаимно перпендикулярни, така че за пълно описаниесъстоянието на поляризация на светлината изисква познаване на поведението само на един от тях. Ефектът на светлината върху записващите устройства се определя от вектора на напрежението електрическо поле, който се нарича светлинен вектор.

Светлинни вълни, излъчвана от естествен източник на радиация, т.е. много независими атоми, не са поляризирани, т.к посоката на трептенията на светлинния вектор () в естествен лъч ще се променя непрекъснато и произволно, оставайки перпендикулярна на вектора на скоростта на вълната.

Светлината, при която посоката на светлинния вектор остава непроменена, се нарича линейно поляризирана. Поляризацията е подреждането на векторните трептения. Пример за това е хармонична вълна. За поляризиране на светлината се използват устройства, наречени поляризатори, чието действие се основава на особеностите на процесите на отражение и пречупване на светлината, както и на анизотропията на оптичните свойства на веществото в кристално състояние. Светлинният вектор в лъч, преминаващ през поляризатор, осцилира в равнина, наречена поляризаторна равнина. Когато поляризираната светлина преминава през втория поляризатор, се оказва, че интензитетът на предавания лъч се променя с въртенето на поляризатора. Светлината преминава през устройството без поглъщане, ако нейната поляризация съвпада с равнината на втория поляризатор и се забавя напълно от него, когато кристалът се завърти на 90 градуса, когато равнината на трептене на поляризираната светлина е перпендикулярна на равнината на втория поляризатор .

Намерена е поляризация на светлината широко приложениев различни отрасли на научните изследвания и технологиите. използва се в микроскопски изследвания, в процесите на звукозапис, оптична локация, високоскоростно филмиране и фотография, в Хранително-вкусовата промишленост(захариметрия) и др.

дисперсия- зависимост на скоростта на разпространение на вълните от тяхната честота (дължина на вълната). Когато електромагнитните вълни се разпространяват в среда, -

Дисперсията се определя физични свойствасредата, в която се разпространяват вълните. Например във вакуум електромагнитните вълни се разпространяват без дисперсия, но в материална среда, дори в такава разредена среда като йоносферата на Земята, възниква дисперсия. Звуковите и ултразвуковите вълни също показват дисперсия. Когато се разпространяват в среда, хармоничните вълни с различни честоти, на които сигналът може да бъде разложен, се разпространяват с различна скорост, което води до изкривяване на формата на сигнала. Светлинната дисперсия е зависимостта на коефициента на пречупване на дадено вещество от честотата (дължината на вълната) на светлината. Когато скоростта на светлината се променя в зависимост от честотата (дължината на вълната), индексът на пречупване се променя. Поради дисперсия Бяла светлина, състоящ се от много вълни с различни честоти, при преминаване през прозрачна триъгълна призма се разлага и се образува непрекъснат (непрекъснат) спектър. Изследването на този спектър доведе И. Нютон (1672) до откриването на светлинната дисперсия. За веществата, които са прозрачни в дадена област от спектъра, индексът на пречупване нараства с увеличаване на честотата (намаляване на дължината на вълната), което съответства на разпределението на цветовете в спектъра. Най-високият индекс на пречупване е за виолетовата светлина (=0,38 микрона), най-малкият за червената светлина (=0,76 микрона). Подобно явление се наблюдава в природата при разпространение слънчева светлинав атмосферата и нейното пречупване в частици вода (лято) и лед (зима). Това създава дъга или слънчев ореол.

Доплер ефект.Ефектът на Доплер е промяна в честотата или дължината на вълните, възприемани от наблюдател (приемник), поради движението на източника на вълна и наблюдателя един спрямо друг. Скорост на вълната uсе определя от свойствата на средата и не се променя, когато източникът или наблюдателят се движат. Ако наблюдателят или източникът на вълни се движи със скорост спрямо средата, тогава честотата vполучените вълни стават различни. В същото време, както установи К. Доплер (1803 – 1853), когато наблюдателят се приближи до източника, честотата на вълните се увеличава, а при отдалечаване намалява. Това съответства на намаляване на дължината на вълната λ когато източникът и наблюдателят се приближат и се увеличат λ когато са отстранени един от друг. За звуковите вълни ефектът на Доплер се проявява в увеличаване на височината на звука, когато източникът на звук и наблюдателят се приближат (в 1 секнаблюдателят възприема по-голям бройвълни) и съответно в намаляване на тона на звука, когато се отдалечават. Ефектът на Доплер също причинява "червеното изместване", което е описано по-горе. - намаляване на честотата електромагнитно излъчванеот движещ се източник. Това име се дължи на факта, че във видимата част на спектъра, в резултат на ефекта на Доплер, линиите се изместват към червения край; „червено изместване“ се наблюдава и при емисии на всякакви други честоти, например в радиообхвата. Обратният ефект, свързан с по-високи честоти, се нарича синьо (или виолетово) изместване. В астрофизиката се разглеждат две "червени премествания" - космологично и гравитационно. Космологично (метагалактично) се нарича „червено изместване“, наблюдавано за всички далечни източници (галактики, квазари) - намаляване на честотите на излъчване, което показва разстоянието на тези източници един от друг и по-специално от нашата Галактика, т.е. нестационарност (разширяване ) Метагалактики. "Червеното изместване" за галактиките е открито от американския астроном У. Слайфър през 1912-14 г.; през 1929 г. Е. Хъбъл открива, че за далечните галактики тя е по-голяма, отколкото за близките, и нараства приблизително пропорционално на разстоянието. Това направи възможно идентифицирането на закона за взаимното разстояние (разсейване) на галактиките. Законът на Хъбъл в този случай е записан във формата

u = Hr; (3.14)

(uе скоростта, с която галактиката се отдалечава, r- разстояние до него, Н -константа на Хъбъл). Чрез определяне на скоростта, с която една галактика се отдалечава от своето червено отместване, може да се изчисли разстоянието до нея. За да определите разстоянията до извънгалактични обекти с помощта на тази формула, трябва да знаете числената стойност на константата на Хъбъл Н.Познаването на тази константа също е много важно за космологията: тя е свързана с определянето на „възрастта“ на Вселената. В началото на седемдесетте години на двадесети век беше приета стойността на константата на Хъбъл N =(3 – 5)*10 -18 s -1 , реципрочен T = 1/H = 18 милиарда години. Гравитационното „червено преместване“ е следствие от забавяне на скоростта на времето и се причинява от гравитационното поле (ефект обща теорияотносителност). Това явление се нарича още ефект на Айнщайн или генерализиран ефект на Доплер. Наблюдава се от 1919 г., първо в радиацията на Слънцето, а след това и от някои други звезди. В някои случаи (например по време на гравитационен колапс) трябва да се наблюдава „червено изместване“ и на двата вида.

В детството може да се наблюдава приятна картина: тихата повърхност на водата на реката. И всичко, което трябва да направите, е да хвърлите малко камъче - тази картина веднага се променя. Около мястото, където камъкът се удари във водата, вълните се разпръскват в кръгове. Всеки е чел истории за морски пътешествия, за чудовищната сила на морските вълни, които лесно се люлеят големи кораби. Въпреки това, когато наблюдаваме тези явления, не всеки знае, че звукът от плискане на вода достига до ухото ни чрез вълни във въздуха, който дишаме, че светлината, с която визуално възприемаме заобикалящата ни среда, също е вълново движение. Вълните на повърхността на водата, светлинните и звуковите вълни могат да се комбинират заедно. Всичко това са примери за вълново движение. Но вълните имат различен характер на външен вид. Какво е вълна от гледна точка на физиката? Вълната е трептене, което преминава през пространството във времето. Основното свойство на вълните е, че вълната се разпространява без пренасяне на материя. Например, ако малко листо от дърво лежи на повърхността на водата. Да хвърлим камък във водата. Както споменахме по-рано, вълните ще започнат да се разпространяват от камъка във всички посоки. В същото време, достигайки листа, те няма да го принудят да се движи към вълната. Листът ще остане на мястото си, но в същото време ще прави колебателни движения нагоре и надолу. Тоест, само формата на водата ще се промени, но няма да възникне поток. Една от най-важните характеристики на водата е скоростта на нейното разпространение. Скоростта на разпространение на всяка вълна винаги е крайна. Скоростта на вълните на повърхността на водата е относително ниска, така че те са много лесни за наблюдение.
Също така е лесно да се наблюдават вълни, разпространяващи се по гумена корда. Ако единият край на кабела е закрепен и като леко издърпате кабела с ръка, другият край се задвижи в осцилаторно движение, тогава по кабела ще тече вълна. Колкото по-бързо се издърпва кабелът, толкова по-голяма ще бъде скоростта на вълната. Вълната ще достигне точката, където е прикрепен кабелът, ще се отрази и ще се върне обратно. В този експеримент, докато вълната се разпространява, настъпват промени във формата на кабела. Всеки участък от кабела осцилира около постоянното си равновесно положение. Нека обърнем внимание на факта, че когато вълната се разпространява по връвта, възникват трептения в посока, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната. Такива вълни се наричат ​​напречни.
В този случай в такива вълни възниква еластична деформация, наречена деформация на срязване. Отделните слоеве материя се изместват един спрямо друг. По време на деформация на срязване в твърдо тяло възникват еластични сили, стремящи се да върнат тялото в първоначалното му състояние. Това са еластичните сили, които причиняват вибрации на частиците на средата. Но трептенията на средните частици могат да възникнат и по посока на разпространение на вълната. Такава вълна се нарича надлъжна. Удобно е да се наблюдава надлъжна вълна върху дълга мека пружина с голям диаметър. Като удряте един от краищата на пружината с дланта си, можете да видите как компресията (еластичен импулс) протича покрай пружината. С помощта на поредица от последователни удари е възможно да се възбуди вълна в пружината, която представлява последователно свиване и разтягане на пружината, вървящи един след друг.
Деформацията на натиск възниква в надлъжна вълна. Еластичните сили, свързани с тази деформация, възникват както в твърди вещества, както и в течности и газове.
Примери за надлъжни вълни са акустичните вълни, т.е. тези, които се възприемат от човешкото ухо. Когато се разпространява механична вълна, движението се предава от една частица на средата към друга. С предаването на движението е свързано предаването на енергия. Основното свойство на всички вълни, независимо от тяхната природа, е, че пренасят енергия, без да пренасят материя. Енергията идва от източник, който възбужда вибрации в началото на шнур, струна и т.н., и се разпространява заедно с вълната. Енергията се пренася през всяко напречно сечение, като например кабел. Тази енергия се състои от кинетична енергиядвижение на частици от околната среда и потенциална енергиятяхната еластична деформация. Постепенното намаляване на амплитудата на вибрациите на частиците по време на разпространение на вълните е свързано с превръщането на част от механичната енергия във вътрешна.
Как се разпространяват механичните вълни? Нека проследим движението на отделни частици материя по време на вълново движение. Първо, нека разгледаме напречна вълна, която се разпространява, например, по протежение на гумен шнур. Всеки участък от шнура има маса и еластичност. Когато кордата се деформира в което и да е сечение, възникват еластични сили. Тези сили се стремят да върнат кабела в първоначалното му положение. Поради инерцията участъкът от трептящия шнур не спира в равновесното положение, а преминава през него, продължавайки да се движи, докато еластичните сили спрат този участък в момента на максимално отклонение от равновесното положение. Вместо шнур, нека вземем верига от еднакви метални топки, окачени на нишки. Топките са свързани една с друга с пружини (фиг.). Масата на пружините е много по-малка от масата на топките. В този модел инерционните (масовите) и еластичните свойства са разделени: масата е концентрирана главно в топките, а еластичността е концентрирана в пружините. Това разделение не е важно, когато се разглежда вълновото движение. Ако отклоните лявата външна топка в хоризонтална равнина, перпендикулярна на веригата от топки, пружината ще се деформира и върху втората топка ще започне да действа сила, карайки я да се отклони в същата посока като първата топка. Поради инерцията движението на 2-рата топка няма да се осъществи в координация с 1-вата. Неговото движение, повтарящо движението на 1-вата топка, ще бъде забавено във времето. Ако 1-вата топка бъде принудена да осцилира с период T (просто на ръка или с помощта на някакъв механизъм), тогава 2-рата топка също ще започне да осцилира след 1-вата, но с известно забавяне във фазата. Третата топка, под въздействието на еластичната сила, причинена от движението на втората топка, също ще започне да трепти, изоставайки още повече във фазата и т.н. Накрая всички топки ще започнат да извършват принудителни трептения с еднаква честота , но с различни фази. В този случай по веригата от топки ще тече напречна вълна. Фигура a, b, c, d, e, f показва процеса на разпространение на вълната. Показани са позициите на топките в последователни моменти от време, отдалечени една от друга на една четвърт от периода на трептене (изглед отгоре). Стрелките върху топките са векторите на скоростите на тяхното движение в съответните моменти от време. На модела на еластично тяло под формата на верига от масивни топки, свързани с пружини (фиг. а), може да се наблюдава процесът на разпространение на надлъжни вълни. Топките са окачени така, че да могат да се люлеят само по веригата. Ако първата топка се задвижи в колебателно движение с период Т, тогава по веригата ще тече надлъжна вълна, състояща се от редуващи се уплътнявания и разреждания на топките (фиг. б). Тази фигура съответства на фигура e за случая на разпространение на срязваща вълна.

>> Вълнови явления

§ 42 ВЪЛНОВИ ЯВЛЕНИЯ

Всеки от нас наблюдава как вълните се разпръскват в кръгове от камък, хвърлен върху спокойната повърхност на езеро или езеро (фиг. 6.1). Мнозина наблюдаваха как морските вълни се втурват към брега. Всеки е чел разкази за морски пътешествия, за чудовищната сила на морските вълни, които лесно разклащат големи кораби. Въпреки това, когато наблюдаваме тези явления, не всеки знае, че звукът от плискане на вода достига до ухото ни чрез вълни във въздуха, който дишаме, че светлината, с която визуално възприемаме околната среда, също е вълново движение.

Вълновите процеси са изключително широко разпространени в природата. Има различни физически причини, които предизвикват вълнови движения. Но, подобно на трептенията, всички видове вълни се описват количествено от едни и същи или почти идентични закони. Много трудни за разбиране въпроси стават по-ясни, когато се сравнят различни вълнови явления.

Какво се нарича вълна? Защо възникват вълни?Отделните частици на всяко тяло - твърдо, течно или газообразно - взаимодействат помежду си. Следователно, ако някоя частица от тялото започне да извършва колебателни движения, то в резултат на взаимодействието между частиците това движение започва да се разпространява във всички посоки с определена скорост.

Вълната е трептене, което се разпространява в пространството във времето.

Във въздуха, твърдите тела и вътре в течностите механичните вълни възникват поради действието на еластични сили. Тези сили комуникират между отделните части на тялото. Образуването на вълни на повърхността на водата се причинява от гравитацията и повърхностното напрежение.

Основните характеристики на вълновото движение могат да се видят най-ясно, ако разгледаме вълните на повърхността на водата. Това могат да бъдат например вълни, които са заоблени валове, които се движат напред. Разстоянията между валовете, респективно гребените, са приблизително еднакви. Ако обаче на повърхността на водата, по която се движи вълната, има лек обект, например лист от дърво, тогава той няма да бъде отнесен напред от вълната, а ще започне да се колебае нагоре и надолу, оставайки почти на едно място.

При възбуждане на вълна протича процесът на разпространение на вибрациите, но не и пренасянето на материята. Вибрациите на водата, които възникват на някое място, например от хвърлен камък, се предават на съседни области и постепенно се разпространяват във всички посоки, като включват все повече и повече частици от средата в колебателни движения. Воден поток не се случва, само местни форми на повърхността му се движат.

Скорост на вълната. Най-важната характеристикана една вълна е скоростта на нейното разпространение. Вълни от каквото и да е естество не се разпространяват в космоса моментално. Тяхната скорост е ограничена. Можете да си представите например, че една чайка лети над морето и то така, че винаги да се озовава над един и същи гребен на вълната. Скоростта на вълната в този случай е равна на скоростта на чайката. Вълните на повърхността на водата са удобни за наблюдение, тъй като скоростта на тяхното разпространение е сравнително ниска.

Напречни и надлъжни вълни.Също така е лесно да се наблюдават вълни, разпространяващи се по гумена корда. Ако единият край на кабела е закрепен и като леко издърпате кабела с ръка, другият край се задвижи в осцилаторно движение, тогава по кабела ще тече вълна (фиг. 6.2).

Колкото по-бързо се издърпва кабелът, толкова по-голяма ще бъде скоростта на вълната. Вълната ще достигне точката, където е прикрепен кабелът, ще се отрази и ще се върне обратно. В този експеримент, докато вълната се разпространява, настъпват промени във формата на кабела. Всеки участък от кабела осцилира около постоянното си равновесно положение.

Нека обърнем внимание на факта, че когато вълната се разпространява по връвта, възникват трептения в посока, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната. Такива вълни се наричат ​​напречни (фиг. 6.3). При напречна вълна изместванията на отделни участъци от средата се извършват в посока, перпендикулярна на посоката на разпространение на вълната. В този случай възниква еластична деформация, наречена деформация на срязване. Отделните слоеве материя се изместват един спрямо друг. По време на деформация на срязване в твърдо тяло възникват еластични сили, стремящи се да върнат тялото в първоначалното му състояние. Това са еластичните сили, които причиняват вибрации на частиците на средата 1.

Изместването на слоевете един спрямо друг в газове и течности не води до появата на еластични сили. Следователно напречните вълни не могат да съществуват в газове и течности. В твърдите тела възникват напречни вълни.

Но трептенията на средните частици могат да възникнат и по посока на разпространение на вълната (фиг. 6.4). Такава вълна се нарича надлъжна. Удобно е да се наблюдава надлъжна вълна върху дълга мека пружина с голям диаметър. Като удряте един от краищата на пружината с длан (фиг. 6.5, а), можете да видите как компресията (еластичен импулс) протича покрай пружината. С помощта на серия от последователни удари е възможно да се възбуди вълна в пружината, която представлява последователно компресиране и разширяване на пружината, вървящи един след друг (фиг. 6.5, b).

И така, при надлъжна вълна възниква деформация на натиск. Еластичните сили, свързани с тази деформация, възникват както в твърди тела, така и в течности и газове.

1 Когато говорим за вибрации на частици от среда, имаме предвид вибрации на малки обеми от среда, а не вибрации на молекули.

Тези сили предизвикват вибрации в отделни части на средата. Следователно надлъжните вълни могат да се разпространяват във всички еластични среди. В твърдите тела скоростта на надлъжните вълни е по-голяма от скоростта на напречните вълни.

Това се взема предвид при определяне на разстоянието от огнището на земетресението до сеизмичната станция. Първо, на станцията се записва надлъжна вълна, тъй като нейната скорост в земната кора е по-голяма от тази на напречна вълна. След известно време се записва напречна вълна, възбудена по време на земетресение едновременно с надлъжна. Познавайки скоростите на надлъжните и напречните вълни в земната кора и времето на забавяне на напречната вълна, е възможно да се определи разстоянието до източника на земетресението.

Вълнова енергия.Когато се разпространява механична вълна, движението се предава от една частица на средата към друга. С предаването на движението е свързано предаването на енергия. Основното свойство на всички вълни, независимо от тяхната природа, е, че те пренасят енергия, без да пренасят материя на тялото. Енергията идва от източник, който възбужда вибрации в началото на шнур, струна и т.н., и се разпространява заедно с вълната. Енергията се пренася през всяко напречно сечение, като например кабел. Тази енергия се състои от кинетичната енергия на движение на частиците на средата и потенциалната енергия на тяхната еластична деформация. Постепенното намаляване на амплитудата на вибрациите на частиците по време на разпространение на вълните е свързано с превръщането на част от механичната енергия във вътрешна.

Вълната е трептене, което се разпространява в пространството във времето. Скоростта на вълната е крайна. Вълната пренася енергия, но не пренася материята на средата.

1. Кои вълни се наричат ​​напречни и кои надлъжни!
2. Може ли напречна вълна да се разпространява във вода?

Мякишев Г. Я., Физика. 11 клас: учебен. за общо образование институции: основни и профилни. нива / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; редактиран от В. И. Николаева, Н. А. Парфентиева. - 17-то изд., преработено. и допълнителни - М.: Образование, 2008. - 399 с.: ил.

Планиране по физика, изтегляне на материали по физика за 11 клас, учебници онлайн

Тези явления са присъщи на вълни от всякакво естество. Освен това явленията интерференция, дифракция, поляризация са характерни само за вълновите процеси и могат да бъдат обяснени само въз основа на вълновата теория.

Отражение и пречупване.Разпространението на вълната се описва геометрично с помощта на лъчи. В хомогенна среда ( н= const) лъчите са праволинейни. В същото време на границата между медиите посоките им се променят. В този случай се образуват две вълни: отразена, разпространяваща се в първата среда с еднаква скорост, и пречупена, разпространяваща се във втората среда с различна скорост, в зависимост от свойствата на тази среда. Феноменът на отражението е известен както за звукови (ехо), така и за светлинни вълни. Благодарение на отразяването на светлината в огледалото се образува виртуален образ. Пречупването на светлината е в основата на много интересни атмосферни явления. Намира широко приложение в различни оптични устройства: лещи, призми, оптични влакна. Тези устройства са елементи на устройства за различни цели: камери, микроскопи и телескопи, перископи, проектори, оптични комуникационни системи и др.

Намесавълни - феноменът на преразпределение на енергията, когато се наслагват две (или няколко) кохерентни (съвпадащи) вълни, придружени от появата на интерференчен модел на редуващи се максимуми и минимуми на интензитета (амплитудата) на получената вълна. Вълни, при които фазовата разлика в точката на добавяне остава постоянна във времето, но може да варира от точка до точка и в пространството, се наричат ​​кохерентни. Ако вълните се срещнат ʼʼвъв фазаʼʼ, ᴛ.ᴇ. едновременно достигат максимално отклонение в една посока, след което се подсилват взаимно, а ако се срещнат „в противофаза“, ᴛ.ᴇ. едновременно достигат противоположни отклонения, взаимно се отслабват. Координацията на трептенията на две вълни (кохерентност) на две вълни в случай на светлина е възможна само ако те имат общ произход, което се дължи на особеностите на радиационните процеси. Изключение правят лазерите, чието излъчване се характеризира с висока кохерентност. Поради тази причина, за да се наблюдава интерференция, светлината, идваща от един източник, се разделя на две групи вълни, или преминаващи през два отвора (процепа) в непрозрачен екран, или поради отражение и пречупване на интерфейса на медиите в тънки филми. Интерферентен модел от монохроматичен източник ( λ =конст) на екрана за лъчи, преминаващи през два тесни, близко разположени процепа, има вид на редуващи се ярки и тъмни ивици (експеримент на Юнг, 1801 ᴦ.). Ярки ивици - максимуми на интензитета се наблюдават в онези точки на екрана, в които вълните от два процепа се срещат "във фаза", т.е. тяхната фазова разлика

, m =0,1,2,…,(3.10)

Това съответства на разликата в пътя на лъчите, кратна на цяло число дължини на вълните λ

, m =0,1,2,…,(3.11)

Тъмни ивици (взаимни анулирания), ᴛ.ᴇ. минимумите на интензитета се появяват в онези точки на екрана, в които вълните се срещат „в противофаза“, т.е. тяхната фазова разлика е

, m =0,1,2,…,(3.12)

Това съответства на разликата в пътя на лъчите, кратна на нечетен брой полувълни

, m =0,1,2,….(3.13)

Интерференция се наблюдава при различни вълни. Интерференция на бяла светлина, която включва всички вълни на видимата светлина в диапазона на дължината на вълната микроните могат да се появят под формата на тънки филми с цвят на дъгата от бензин върху повърхността на водата, сапунени мехурчета и оксидни филми върху повърхността на металите. Условията за максимум на интерференцията в различни точки на филма са изпълнени за различни вълни с различна дължина, което води до усилване на вълни с различни цветове. Условията на смущение се определят от дължината на вълната, която за видимата светлина е част от микрона (1 μm = 10 -6 m); следователно това явление е в основата на различни прецизни („свръхпрецизни“) методи за изследване, контрол и измерване. Използването на интерференция се основава на използването на интерферометри, интерферентни спектроскопи, както и метода на холографията. Светлинната интерференция се използва за измерване на дължината на вълната на излъчване, изследване на фината структура на спектралните линии, определяне на плътността, показателите на пречупване на веществата и дебелината на тънките покрития.

Дифракция– съвкупност от явления, които възникват при разпространение на вълна в среда с изразена разнородност на свойствата. Това се наблюдава, когато вълните преминават през дупка в екрана, близо до границата на непрозрачни обекти и т.н. Дифракцията води до огъване на вълна около препятствие, чиито размери са съизмерими с дължината на вълната. Ако размерът на препятствието е много по-голям от дължината на вълната, тогава дифракцията е слаба. Върху макроскопични препятствия се наблюдава дифракция на звук, сеизмични вълни и радиовълни, за които 1 cm km. Струва си да се каже, че за да се наблюдава дифракцията на светлината, препятствията трябва да са значително по-малки по размер. Дифракцията на звуковите вълни обяснява способността да чувате гласа на човек, който се намира зад ъгъла на къщата. Дифракцията на радиовълните около земната повърхност обяснява приемането на радиосигнали в обхвата на дълги и средни радиовълни далеч отвъд линията на видимост на излъчващата антена.

Дифракцията на вълните е придружена от тяхната интерференция, което води до образуването на дифракционна картина, редуващи се максимуми и минимуми на интензитета. Когато светлината преминава през дифракционна решетка, която представлява набор от редуващи се успоредни прозрачни и непрозрачни ивици (до 1000 на 1 mm), на екрана се появява дифракционна картина, позицията на максимумите на която зависи от дължината на вълната на излъчване. . Това позволява използването на дифракционна решетка за анализ на спектралния състав на радиацията. Структурата на кристалното вещество е подобна на триизмерна дифракционна решетка. Наблюдението на дифракционната картина по време на преминаването на рентгеново лъчение, лъч от електрони или неврони, през кристали, в които частиците на материята (атоми, йони, молекули) са подредени по подреден начин, позволява да се изследват характеристиките на тяхната структура . Характерната стойност за междуатомните разстояния е d~10 -10 m, което съответства на дължините на вълните на използваното лъчение и ги прави незаменими за кристалографски анализ.

Дифракцията на светлината определя границата на разделителната способност на оптичните инструменти (телескопи, микроскопи и др.). Разделителна способност - минималното разстояние между два обекта, при което те се виждат отделно и не се сливат - разрешават се. Поради дифракцията изображението на точков източник (например звезда в телескоп) изглежда като кръг, така че близките обекти не се разрешават. Разделителната способност зависи от редица параметри, включително дължина на вълната: колкото по-къса е дължината на вълната, толкова по-добра е разделителната способност. Поради тази причина размерът на обект, наблюдаван в оптичен микроскоп, е ограничен от дължината на вълната на светлината (приблизително 0,5 µm).

Явлението интерференция и дифракция на светлината е в основата на принципа на записване и възпроизвеждане на изображения в холографията. Методът, предложен през 1948 г. от Д. Габор (1900 – 1979), записва интерференционната картина, получена при осветяване на обект и фотоплака с кохерентни лъчи. Получената холограма се състои от редуващи се светли и тъмни петна, които нямат никаква прилика с обекта; но дифракцията от холограмата на светлинни вълни, идентични с тези, използвани при нейния запис, позволява да се реконструира вълната, разпръсната от реалния обект, и да се получат нейните три -измерен образ.

Поляризация– явление, характерно само за напречните вълни. Напречната природа на светлинните вълни (както и на всички други електромагнитни вълни) се изразява във факта, че осцилиращите в тях вектори на силата на полето на електрическата () и магнитната индукция () са перпендикулярни на посоката на разпространение на вълната. В същото време тези вектори са взаимно перпендикулярни, следователно, за да се опише напълно състоянието на поляризация на светлината, е необходимо да се знае поведението само на един от тях. Въздействието на светлината върху записващите устройства се определя от вектора на напрегнатост на електрическото поле, който се нарича светлинен вектор.

Светлинни вълни, излъчвани от естествен източник на радиация ᴛ.ᴇ. много независими атоми, не са поляризирани, т.к посоката на трептенията на светлинния вектор () в естествен лъч ще се променя непрекъснато и произволно, оставайки перпендикулярна на вектора на скоростта на вълната.

Светлината, при която посоката на светлинния вектор остава непроменена, обикновено се нарича линейно поляризирана. Поляризацията е подреждането на векторните трептения. Пример за това е хармонична вълна. За поляризиране на светлината се използват устройства, наречени поляризатори, чието действие се основава на особеностите на процесите на отражение и пречупване на светлината, както и на анизотропията на оптичните свойства на веществото в кристално състояние. Светлинният вектор в лъч, преминаващ през поляризатор, осцилира в равнина, наречена поляризаторна равнина. Когато поляризираната светлина преминава през втория поляризатор, се оказва, че интензитетът на предавания лъч се променя с въртенето на поляризатора. Светлината преминава през устройството без поглъщане, ако нейната поляризация съвпада с равнината на втория поляризатор и се забавя напълно от него, когато кристалът се завърти на 90 градуса, когато равнината на трептене на поляризираната светлина е перпендикулярна на равнината на втория поляризатор .

Поляризацията на светлината е намерила широко приложение в различни области на научните изследвания и технологиите. използва се в микроскопски изследвания, в процеси на звукозапис, оптична локация, високоскоростно филмиране и фотография, в хранително-вкусовата промишленост (захариметрия) и др.

дисперсия- зависимост на скоростта на разпространение на вълните от тяхната честота (дължина на вълната). Когато електромагнитните вълни се разпространяват в среда, -

Дисперсията се определя от физичните свойства на средата, в която се разпространяват вълните. Например във вакуум електромагнитните вълни се разпространяват без дисперсия, но в материална среда, дори в такава разредена среда като йоносферата на Земята, възниква дисперсия. Звуковите и ултразвуковите вълни също показват дисперсия. Когато се разпространяват в среда, хармоничните вълни с различни честоти, на които сигналът трябва да се разложи, се разпространяват с различна скорост, което води до изкривяване на формата на сигнала. Светлинната дисперсия е зависимостта на коефициента на пречупване на дадено вещество от честотата (дължината на вълната) на светлината. Когато скоростта на светлината се променя в зависимост от честотата (дължината на вълната), индексът на пречупване се променя. В резултат на дисперсия бялата светлина, състояща се от много вълни с различни честоти, когато преминава през прозрачна триъгълна призма, се разлага и се образува непрекъснат (непрекъснат) спектър.
Публикувано на реф.рф
Изследването на този спектър доведе И. Нютон (1672) до откриването на светлинната дисперсия. За веществата, които са прозрачни в дадена област от спектъра, индексът на пречупване нараства с увеличаване на честотата (намаляване на дължината на вълната), което съответства на разпределението на цветовете в спектъра. Най-високият индекс на пречупване е за виолетовата светлина (=0,38 микрона), най-малкият за червената светлина (=0,76 микрона). Подобно явление се наблюдава в природата при разпространението на слънчевата светлина в атмосферата и нейното пречупване в частици вода (лято) и лед (зима). Това създава дъга или слънчев ореол.

Доплер ефект.Ефектът на Доплер е промяна в честотата или дължината на вълните, възприемани от наблюдател (приемник), поради движението на източника на вълна и наблюдателя един спрямо друг. Скорост на вълната uсе определя от свойствата на средата и не се променя, когато източникът или наблюдателят се движат. Ако наблюдателят или източникът на вълни се движи със скорост спрямо средата, тогава честотата vполучените вълни стават различни. В същото време, както установи К. Доплер (1803 – 1853), когато наблюдателят се приближи до източника, честотата на вълните се увеличава, а при отдалечаване намалява. Това съответства на намаляване на дължината на вълната λ когато източникът и наблюдателят се приближат и се увеличат λ когато са отстранени един от друг. За звуковите вълни ефектът на Доплер се проявява в увеличаване на височината на звука, когато източникът на звук и наблюдателят се приближат (в 1 секнаблюдателят възприема по-голям брой вълни) и съответно намаляване на тона на звука, когато те се отдалечават. Ефектът на Доплер също причинява "червеното изместване", което е описано по-горе. - понижаване на честотите на електромагнитното излъчване от движещ се източник. Това име се дължи на факта, че във видимата част на спектъра, в резултат на ефекта на Доплер, линиите се изместват към червения край; „Червено изместване“ се наблюдава и при емисии на всякакви други честоти, например в радиообхвата. Обратният ефект, свързан с повишаване на честотите, обикновено се нарича синьо (или виолетово) изместване. В астрофизиката се разглеждат две "червени смени" - космологично и гравитационно. Космологично (метагалактично) се нарича „червено изместване“, наблюдавано за всички далечни източници (галактики, квазари) - намаляване на честотите на излъчване, което показва разстоянието на тези източници един от друг и по-специално от нашата Галактика, т.е. нестационарност (разширяване ) Метагалактики. „Червеното изместване“ за галактиките е открито от американския астроном У. Слайфър през 1912-14 г.; през 1929 г. Е. Хъбъл открива, че за далечните галактики тя е по-голяма, отколкото за близките, и нараства приблизително пропорционално на разстоянието. Това направи възможно идентифицирането на закона за взаимното разстояние (разсейване) на галактиките. Законът на Хъбъл в този случай е записан във формата

u = Hr; (3.14)

(uе скоростта, с която галактиката се отдалечава, r- разстояние до него, Н -константа на Хъбъл). Чрез определяне на скоростта, с която галактиката се отдалечава от червеното отместване, може да се изчисли разстоянието до нея. За да определите разстоянията до извънгалактични обекти с помощта на тази формула, трябва да знаете числената стойност на константата на Хъбъл Н.Познаването на тази константа също е много важно за космологията: определянето на „възрастта“ на Вселената е свързано с нея. В началото на седемдесетте години на двадесети век беше приета стойността на константата на Хъбъл N =(3 – 5)*10 -18 s -1 , реципрочен T = 1/H = 18 милиарда години. Гравитационното „червено изместване” е следствие от забавянето на скоростта на времето и се причинява от гравитационното поле (ефект на общата теория на относителността). Това явление се нарича още ефект на Айнщайн или генерализиран ефект на Доплер. Наблюдава се от 1919 г., първо в радиацията на Слънцето, а след това и от някои други звезди. В някои случаи (например по време на гравитационен колапс) трябва да се наблюдава „червено изместване“ и на двата вида.

Физическа природа на вълните Механични
Еластичен
На повърхност
течности
Електромагнитна
светлина
Рентгенов
Звук
радио вълни
сеизмични

Механичната вълна е вибрация на частици от вещество, разпространяващи се в пространството.

Точките в средата, в които се разпространяват вълни, осцилиращи в една и съща фаза, се наричат ​​вълнови повърхности.

За възникване на механична вълна са необходими две условия:

Сравнявайки посоката на разпространение на вълните и посоката на трептенията на точките в средата, можем да различим надлъжни вълни и напречни вълни.

Вълни, при които посоката на трептене на точки от възбудената среда е успоредна на посоката на разпространение на вълните, се наричат ​​надлъжни.

Вълни, при които посоката на трептене на точки от възбудената среда е перпендикулярна на посоката на разпространение на вълните, се наричат ​​напречни.

Вълните на повърхността на течността не са нито надлъжни, нито напречни. По този начин, вълна на повърхността на течност е

Кръгови вълни на повърхността на течност

Свойства на механичните вълни

Ако една вълна преминава от една среда в друга, падайки върху границата между две среди под определен ъгъл, различен от нула, тогава тя изпитва

Една вълна може да се огъва около препятствия, чиито размери са съизмерими с нейната дължина. Феноменът на вълните, които се огъват около препятствия, се нарича дифракция

Източници на вълни, които трептят с еднаква честота и постоянна фазова разлика, се наричат ​​кохерентни. Като всякакви вълни, образувани от

Звукът е еластични вълни, които се разпространяват в газове, течности и твърди тела и се възприемат от ухото на хората и животните. Механични вълни

За да чуете звука, от който се нуждаете:

Механични вълни, възникващи в еластична среда, в която частиците на средата вибрират с честоти, по-ниски от тези в звуковия диапазон

Механични вълни, възникващи в еластична среда, в която частиците на средата вибрират с честоти, по-високи от тези в звуковия диапазон