Электромагнитные волны. Понятие электромагнитной волны

Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и могут быть объяснены только на основе волновой теории.

Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинейны. Однако, на границе раздела сред их направления меняются. При этом образуется две волны: отраженная, распространяющаяся в первой среде с прежней скоростью, и преломленная, распространяющаяся во второй среде с другой скоростью, зависящей от свойств этой среды. Явление отражения известно как для звуковых (эхо), так и для световых волн. Благодаря отражению света формируется мнимое изображение в зеркале. Преломление света лежит в основе множества интересных атмосферных явлений. Оно широко используется в различных оптических устройствах: линзах, призмах, оптических волокнах. Эти устройства являются элементами приборов самого разного назначения: фотоаппаратов, микроскопов и телескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д.

Интерференция волн – явление перераспределения энергии при наложении двух (или нескольких) когерентных (согласованных) волн, сопровождающееся возникновением интерференционной картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности (амплитуды) результирующей волны. Когерентными называются волны, для которых разность фаз в точке сложения остаётся неизменной во времени, но может изменяться от точки к точке и в пространстве. Если волны встречаются «в фазе», т.е. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются «в противофазе», т.е. одновременно достигают противоположных отклонений, то ослабляют друг друга. Согласование колебаний двух волн (когерентность) двух волн в случае света возможно, только если они имеют общее происхождение, что обусловлено особенностями процессов излучения. Исключение составляют лазеры, излучение которых характеризуется высокой когерентностью. Поэтому для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счет отражения и преломления на границе сред в тонких пленках. Интерференционная картина от монохроматического источника (λ =const ) на экране для лучей, прошедших через две узкие близко расположенные щели, имеет вид чередующихся ярких и темных полос (опыт Юнга, 1801 г.). Яркие полосы – максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелей встречаются «в фазе», т. е. их разность фаз

, m =0,1,2,…, (3.10)

Это соответствует разности хода лучей, кратной целому числу длин волн λ

, m =0,1,2,…, (3.11)

Темные полосы (взаимные погашения), т.е. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются «в противофазе», т. е. их разность фаз составляет

, m =0,1,2,…, (3.12)

Это соответствует разности хода лучей, кратной нечетному числу полуволн

, m =0,1,2,…. (3.13)

Интерференция наблюдается для различных волн. Интерференция белого света, включающего все волны видимого света в диапазоне длин волн мкм может проявляться в виде радужной окраски тонких пленок бензина на поверхности воды, мыльных пузырей, окисных пленок на поверхности металлов. Условия интерференционного максимума в разных точках пленки выполняются для разных волн с разной длиной волны, что приводит к усилению волн разного цвета. Условия интерференции определяются длиной волны, которая для видимого света составляет доли микрон (1 мкм = 10 -6 м), поэтому данное явление лежит в основе различных прецизионных («сверхточных») методов исследования, контроля и измерения. На использовании интерференции основано использование интерферометров, интерференционных спектроскопов, а также метод голографии. Интерференция света используется для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральных линий, определения плотностей, показателей преломления веществ, толщины тонких покрытий.

Дифракция – совокупность явлений, возникающих при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью свойств. Это наблюдается при прохождении волн через отверстие в экране, вблизи границы непрозрачных объектов и т.д. Дифракция приводит к огибанию волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1см км. Для наблюдения дифракции света препятствия должны иметь существенно меньшие размеры. Дифракцией звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.

Дифракция волн сопровождается их интерференцией, что приводит к формированию дифракционной картины, чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. При похождении света через дифракционную решетку, представляющую собой совокупность чередующихся параллельных прозрачных и непрозрачных полос (до 1000 на 1мм), на экране возникает дифракционная картина, положение максимумов которой зависит от длины волны излучения. Это позволяет использовать дифракционную решетку для анализа спектрального состава излучения. Структура кристаллического вещества подобна трехмерной дифракционной решетки. Наблюдение дифракционной картины при прохождении рентгеновского излучения, пучка электронов или нейронов, через кристаллы, в которых упорядоченно расположены частицы вещества (атомы, ионы, молекулы), позволяет исследовать особенности их структуры. Характерной величиной для межатомных расстояний является d~10 -10 м, что соответствует длинам волн используемых излучений и делает их незаменимыми для кристаллографического анализа.

Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность – минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются – разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (например, звезды в телескопе) имеет вид кружка, так что близко расположенные объекты не разрешаются. Разрешающая способность зависит от ряда параметров, в т. ч. от длины волны: чем меньше длина волны, тем лучше разрешение. Поэтому размер объекта, наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны (приблизительно 0,5 мкм).

Явление интерференции и дифракции света лежат в основе принципа записи и воспроизведения изображения в голографии. В предложенном в 1948 году Д. Габором (1900 – 1979) методе фиксируется интерференционная картина, полученная при освещении объекта и фотопластинки когерентными лучами. Полученная голограмма представляет собой чередующиеся светлые и темные пятна, не имеющие сходства с объектом, однако, дифракция от голограммы световых волн, идентичных использовавшимся при ее записи, позволяет восстановить волну, рассеянную реальным объектом и получить его объемное изображение.

Поляризация – явление свойственное только поперечным волнам. Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического () и индукции магнитного () полей перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Действие света на регистрирующие устройства определяется вектором напряженности электрического поля, который называют световым вектором.

Световые волны, испущенные естественным источником излучения т.е. множеством независимых атомов, являются не поляризованными, т.к. направление колебаний светового вектора () в естественном луче непрерывно и беспорядочно изменятся, оставаясь перпендикулярным вектору скорости волны.

Свет, у которого направление светового вектора остается неизменным, называется линейно поляризованным. Поляризация – упорядочение колебаний вектора. Примером может служить гармоническая волна. Для поляризации света используются устройства, называемые поляризаторами, действие которых основано на особенностях процессов отражения и преломления света, а так же на анизотропии оптических свойств вещества в кристаллическом состоянии. Световой вектор в луче, прошедшем через поляризатор, колеблется в плоскости называемой плоскостью поляризатора. При прохождении поляризованного света через второй поляризатор оказывается, что интенсивности прошедшего луча изменяется при вращении поляризатора. Свет проходит через прибор без поглощения, если его поляризация совпадает с плоскостью второго поляризатора и полностью им задерживается при повороте кристалла на 90 градусов, когда плоскость колебаний поляризованного света оказывается перпендикулярно плоскости второго поляризатора.

Поляризация света нашла широкое применение в различных отраслях научных исследований и техники. она используется в микроскопических исследованиях, в процессах звукозаписи, оптической локации, скоростной кино- и фотосъемке, в пищевой промышленности (сахариметрия) и т.д.

Дисперсия - зависимость скорости распространения волн от их частоты (длины волны). При распространении электромагнитных волн в среде возникает -

Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. Например, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия. Звуковые и ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. При распространении их в среде гармонические волны разных частот, на которые может быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью, что приводит к искажению формы сигналов. Дисперсия света - зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. При изменении скорости света в зависимости от частоты (длины волны) показатель преломления меняется. В следствии дисперсии белый свет, состоящий из множества волн различной частоты, при прохождении сквозь прозрачную трехгранную призму разлагается и образуется сплошной (непрерывный) спектр. Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, показатель преломленияувеличивается с увеличением частоты (уменьшением длины волны), чему и соответствует распределение цветов в спектре. Наибольший показатель преломления оказывается для фиолетового света (=0,38 мкм), наименьший у красного (=0,76 мкм). Подобное явление наблюдается в природе при распространении солнечного света в атмосфере и его преломлении в частицах воды (летом) и льда (зимой). При этом возникает радуга или солнечное гало.

Эффект Доплера. Эффект Доплера - изменение частоты или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны u определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. Если наблюдатель или источник волн движется со скоростью относительно среды, то частота v принимаемых волнстановится иной. При этом, как установил К. Доплер (1803 – 1853), при приближении наблюдателя к источнику частота волн увеличивается, а при удалении – уменьшается. Это соответствует уменьшению длины волны λ при сближении источника и наблюдателя и увеличению λ при их взаимном удалении. Для звуковых волн Эффект Доплера проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются. Эффект Доплера обуславливает и «красное смещение», что описано выше. - понижение частот электромагнитного излучения от движущегося источника. Это название связано с тем, что в видимой части спектра в результате эффекта Доплера линии оказываются смещенными к красному концу; «красное смещение» наблюдается и в излучениях любых других частот, например в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, называется синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два «красных смещения» - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют «красное смещение», наблюдаемое для всех далёких источников (галактик, квазаров) - понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. «Красное смещение» для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что для далёких галактик оно больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. Это позволило выявить закон взаимного удаления (разбегания) галактик. Закон Хаббла в этом случае записывается в форме

u = Hr ; (3.14)

(u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величине «красного смещения» скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла Н. Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связано определение «возраста» Вселенной. В начале семидесятых годов двадцатого века для постоянной Хаббла принято значение Н = (3 – 5)*10 -18 с -1 , обратная величина Т = 1/Н = 18 млрд. лет. Гравитационное «красное смещение» является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление называется также эффектом Эйнштейна или обобщённым эффектом Доплера. Оно наблюдалось начиная с 1919 сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. В ряде случаев (например, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться «красное смещение» обоих типов.

Приятную картину можно наблюдать в детстве: тихая гладь поверхности воды на реке. И стоит только бросить небольшой камешек - эта картина сразу меняется. Вокруг места, где камень ударился о воду, кругами разбегаются волны. Все читали рассказы о морских путешествиях, о чудовищной силе морских волн, легко раскачивающих большие корабли. Однако при наблюдении этих явлений не всем известно, что звук всплеска воды доносится до нашего уха волнами в том воздухе, которым мы дышим, что свет, с помощью которого мы зрительно воспринимаем окружающее, тоже представляет собой волновое движение. Волны на поверхности воды, свет и звуковые волны можно объединить вместе. Это все примеры волнового движения. Но волны имеют различную природу появления. Что представляет собой волна, с точки зрения физики? Волна — это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Основным свойством волн является то, что идет распространение волны без переноса вещества. Например, если на поверхности воды будет лежать небольшой листик с дерева. Бросим в воду камень. От камня во все стороны, как говорилось ранее, начнут распространяться волны. При этом дойдя до листика, они не будут заставлять его двигаться в сторону волны. Листик так и останется на месте, но при этом будет совершать колебательные движения вверх и вниз. То есть будет меняться только форма воды, а течения не возникнет. Одной из самых важных характеристик воды является скорость её распространения. Скорость распространения любой волны всегда конечна. Скорость волн на поверхности воды сравнительно невелика, поэтому их очень легко наблюдать.
Нетрудно также наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна. Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура, отразится и побежит назад. В этом опыте при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия. Обратим внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура колебания совершаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными.
При этом в таких волнах возникает упругая деформация, называемая деформацией сдвига. Отдельные слои вещества сдвигаются относительно друг друга. При деформации сдвига в твердом теле возникают силы упругости, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние. Именно силы упругости и вызывают колебания частиц среды. Но колебания частиц среды могут происходить и вдоль направления распространения волны. Такая волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины, можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом.
В продольной волне происходит деформация сжатия. Силы упругости, связанные с этой деформацией, возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.
Примерами продольных волн могут служить акустические волны, т.е. те, которые воспринимает ухо человека. При распространении механической волны движение передается от одних частиц среды к другим. С передачей движения связана передача энергии. Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вещества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Через любое поперечное сечение, например шнура, передается энергия. Эта энергия слагается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии их упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний частиц при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.
Как же идет распространение механических волн? Проследим за движением отдельных частиц вещества при волновом движении. Сначала рассмотрим поперечную волну, которая распространяется, например, вдоль резинового шнура. Каждый участок шнура обладает массой и упругостью. При деформации шнура в любом его сечении появляются силы упругости. Эти силы стремятся возвратить шнур в исходное положение. Благодаря инертности участок колеблющегося шнура не останавливается в положении равновесия, а проходит его, продолжая двигаться до тех пор, пока силы упругости не остановят этот участок в момент максимального отклонения от положения равновесия. Вместо шнура возьмем цепочку одинаковых металлических шаров, подвешенных на нитях. Шары связаны между собой пружинками (рис.). Масса пружинок много меньше массы шаров. В этой модели инертные (масса) и упругие свойства разделены: масса сосредоточена в основном в шарах, а упругость — в пружинках. Это разделение несущественно при рассмотрении волнового движения. Если отклонить левый крайний шар в горизонтальной плоскости перпендикулярно цепочке шаров, то пружина деформируется и на 2-й шар начнет действовать сила, заставляя его отклоняться в ту же сторону, что и 1-й шар. Вследствие инертности движение 2-го шара не будет происходить согласованно с 1-м. Его движение, повторяющее движение 1-го шара, будет запаздывать по времени. Если 1-й шар заставить колебаться с периодом Т (просто рукой или с помощью какого-либо механизма), то 2-й шар тоже придет в колебательное движение вслед за 1 -м, но с некоторым отставанием по фазе. Третий шар под влиянием силы упругости, вызванной движением 2-го шара, тоже начнет колебаться, еще более отставая по фазе, и т. д. Наконец, все шары станут совершать вынужденные колебания с одной и той же частотой, но с различными фазами. При этом вдоль цепочки шаров побежит поперечная волна. На рисунке а, б, в, г, д, е изображен процесс распространения волны. Показаны положения шаров в последовательные моменты времени, отстоящие друг от друга на четверть периода колебаний (вид сверху). Стрелки у шаров — это векторы скоростей их движения в соответствующие моменты времени. На модели упругого тела в виде цепочки массивных шаров, связанных пружинками (рис. а), можно наблюдать процесс распространения продольных волн. Шары подвешены так, чтобы они могли колебаться только вдоль цепочки. Если 1-й шар привести в колебательное движение с периодом Т, то вдоль цепочки побежит продольная волна, состоящая из чередующихся уплотнений и разрежений шаров (рис. б). Этот рисунок соответствует рисунку е для случая распространения поперечной волны.

>> Волновые явления

§ 42 ВОЛНОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Каждый из нас наблюдал, как от камня, брошенного на спокойную поверхность пруда или озера, кругами разбегаются волны (рис. 6.1). Многие следили за морскими волнами, набегающими на берег. Все читали рассказы о морских путешествиях, о чудовищной силе морских волн, легко раскачивающих большие корабли. Однако при наб.тюдении этих явлений не всем известно, что звук всплеска воды доносится до нашего уха волнами в том воздухе, которым мы дышим, что свет, с помощью которого мы зрительно воспринимаем окружающее, тоже представляет собой волновое движение.

Волновые процессы чрезвычайно широко распространены в природе . Различны физические причины, вызывающие волновые движения. Но, подобно колебаниям, все виды волн описываются количественно одинаковыми или почти одинаковыми законами. Многие трудные для понимания вопросы становятся более ясными, если сравнивать различные волновые явления.

Что же называют волной? Почему возникают волны? Отдельные частицы любого тела -твердого, жидкого или газообразного - взаимодействуют друг с другом. Поэтому если какая-либо частица тела начинает совершать колебательные движения, то в результате взаимодействия между частицами это движение начинает с некоторой скоростью распространяться во все стороны.

Волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.

В воздухе, твердых телах и внутри жидкостей механические волны возникают благодаря действию сил упругости. Эти силы осуществляют связь между отдельными частями тела. Образование волн на поверхности воды вызывают сила тяжести и сила поверхностного натяжения.

Наиболее отчетливо главные особенности волнового движения можно увидеть, если рассматривать волны на поверхности воды. Это могут быть, например, волны, которые представляют собой бегущие вперед округлые валы. Расстояния между валами, или гребнями, примерно одинаковы. Однако если на поверхности воды, по которой бежит волна, находится легкий предмет, например лист с дерева, то он не будет увлекаться вперед волной, а начнет соверпгать колебания вверх и вниз, оставаясь почти на одном месте.

При возбуждении волны происходит процесс распространения колебаний, но не перенос вещества. Возникшие в каком-то месте колебания воды, например от брошенного камня, передаются соседним участкам и постепенно распространяются во все стороны, вовлекая в колебательные движения все новые и новые частицы среды. Течение же воды не возникает, перемещаются лишь локальные формы ее поверхности.

Скорость волны. Важнейшей характеристикой волны является скорость ее распространения. Волны любой природы не распространяются в пространстве мгновенно. Их скорость конечна. Можно себе, например, представить, что над морем летит чайка, причем так, что она все время оказывается над одним и тем же гребнем волны. Скорость волны в этом случае равна скорости чайки. Волны на поверхности воды удобны для наблюдения, так как скорость их распространения сравнительно невелика.

Поперечные и продольные волны. Нетрудно также наблюдать волны, распространяющиеся вдоль резинового шнура. Если один конец шнура закрепить и, слегка натянув шнур рукой, привести другой его конец в колебательное движение, то по шнуру побежит волна (рис. 6.2).

Скорость волны будет тем больше, чем сильнее натянут шнур. Волна добежит до точки закрепления шнура, отразится и побежит назад. В этом опыте при распространении волны происходят изменения формы шнура. Каждый участок шнура колеблется относительно своего неизменного положения равновесия.

Обратим внимание на то, что при распространении волны вдоль шнура колебания совершаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Такие волны называются поперечными (рис. 6.3). В поперечной волне смещения отдельных участков среды происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. При этом возникает упругая деформация , называемая деформацией сдвига. Отдельные слои вещества сдвигаются относительно друг друга. При деформации сдвига в твердом теле возникают силы упругости, стремящиеся вернуть тело в исходное состояние. Именно силы упругости и вызывают колебания частиц среды 1 .

Сдвиг слоев относительно друг друга в газах и жидкостях не приводит к появлению сил упругости. Поэтому в газах и жидкостях не могут существовать поперечные волны. Поперечные волны возникают в твердых телах.

Но колебания частиц среды могут происходить и вдоль направления распространения волны (рис. 6.4). Такая волна называется продольной. Продольную волну удобно наблюдать на длинной мягкой пружине большого диаметра. Ударив ладонью по одному из концов пружины (рис. 6.5, а), можно заметить, как сжатие (упругий импульс) бежит по пружине. С помощью серии последовательных ударов можно возбудить в пружине волну, представляющую собой последовательные сжатия и растяжения пружины, бегущие друг за другом (рис. 6.5, б).

Итак, в продольной волне происходит деформация сжатия. Силы упругости, связанные с этой деформацией, возникают как в твердых телах, так и в жидкостях и газах.

1 Когда мы говорим о колебаниях частиц среды, то имеем в виду колебания малых объемов среды, а не колебания молекул.

Эти силы вызывают колебания отдельных участков среды. Поэтому продольные волны могут распространяться во всех упругих средах. В твердых телах скорость продольных волн больше скорости поперечных.

Это учитывается при определении расстояния от очага землетрясения до сейсмической станции. Вначале на станции регистрируется продольная волна, так как ее скорость в земной коре больше, чем поперечной. Спустя некоторое время регистрируется поперечная волна, возбуждаемая при землетрясении одновременно с продольной. Зная скорости продольных и поперечных волн в земной коре и время запаздывания поперечной волны, можно определить расстояние до очага землетрясения.

Энергия волны. При распространении механической волны движение передается от одних частиц среды к другим. С передачей движения связана передача энергии . Основное свойство всех волн независимо от их природы состоит в переносе ими энергии без переноса вепцества. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания начала шнура, струны и т. д., и распространяется вместе с волной. Через любое поперечное сечение, например шнура, передается энергия. Эта энергия слагается из кинетической энергии движения частиц среды и потенциальной энергии их упругой деформации. Постепенное уменьшение амплитуды колебаний частиц при распространении волны связано с превращением части механической энергии во внутреннюю.

Волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Скорость волны конечна. Волна переносит энергию, но не переносит вещество среды.

1. Какие волны называются поперечными, а какие продольными!
2. Может ли в воде распространяться поперечная волна!

Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.

Планирование физике, материалы по физике 11 класса скачать , учебники онлайн

Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и бывают объяснены только на базе волновой теории.

Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинœейны. При этом, на границе раздела сред их направления меняются. При этом образуется две волны: отраженная, распространяющаяся в первой среде с прежней скоростью, и преломленная, распространяющаяся во второй среде с другой скоростью, зависящей от свойств этой среды. Явление отражения известно как для звуковых (эхо), так и для световых волн. Благодаря отражению света формируется мнимое изображение в зеркале. Преломление света лежит в базе множества интересных атмосферных явлений. Оно широко используется в различных оптических устройствах: линзах, призмах, оптических волокнах. Эти устройства являются элементами приборов самого разного назначения: фотоаппаратов, микроскопов и телœескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д.

Интерференция волн – явление перераспределœения энергии при наложении двух (или нескольких) когерентных (согласованных) волн, сопровождающееся возникновением интерференционной картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности (амплитуды) результирующей волны. Когерентными называются волны, для которых разность фаз в точке сложения остаётся неизменной во времени, но может изменяться от точки к точке и в пространстве. В случае если волны встречаются ʼʼв фазеʼʼ, ᴛ.ᴇ. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются ʼʼв противофазеʼʼ, ᴛ.ᴇ. одновременно достигают противоположных отклонений, то ослабляют друг друга. Согласование колебаний двух волн (когерентность) двух волн в случае света возможно, только если они имеют общее происхождение, что обусловлено особенностями процессов излучения. Исключение составляют лазеры, излучение которых характеризуется высокой когерентностью. По этой причине для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счёт отражения и преломления на границе сред в тонких пленках. Интерференционная картина от монохроматического источника (λ =const ) на экране для лучей, прошедших через две узкие близко расположенные щели, имеет вид чередующихся ярких и темных полос (опыт Юнга, 1801 ᴦ.). Яркие полосы – максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелœей встречаются ʼʼв фазеʼʼ, т. е. их разность фаз

, m =0,1,2,…, (3.10)

Это соответствует разности хода лучей, кратной целому числу длин волн λ

, m =0,1,2,…, (3.11)

Темные полосы (взаимные погашения), ᴛ.ᴇ. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются ʼʼв противофазеʼʼ, т. е. их разность фаз составляет

, m =0,1,2,…, (3.12)

Это соответствует разности хода лучей, кратной нечетному числу полуволн

, m =0,1,2,…. (3.13)

Интерференция наблюдается для различных волн. Интерференция белого света͵ включающего всœе волны видимого света в диапазоне длин волн мкм может проявляться в виде радужной окраски тонких пленок бензина на поверхности воды, мыльных пузырей, окисных пленок на поверхности металлов. Условия интерференционного максимума в разных точках пленки выполняются для разных волн с разной длиной волны, что приводит к усилению волн разного цвета. Условия интерференции определяются длиной волны, которая для видимого света составляет доли микрон (1 мкм = 10 -6 м), в связи с этим данное явление лежит в базе различных прецизионных (ʼʼсверхточныхʼʼ) методов исследования, контроля и измерения. На использовании интерференции основано использование интерферометров, интерференционных спектроскопов, а также метод голографии. Интерференция света используется для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральных линий, определœения плотностей, показателœей преломления веществ, толщины тонких покрытий.

Дифракция – совокупность явлений, возникающих при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью свойств. Это наблюдается при прохождении волн через отверстие в экране, вблизи границы непрозрачных объектов и т.д. Дифракция приводит к огибанию волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. В случае если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1см км. Стоит сказать, что для наблюдения дифракции света препятствия должны иметь существенно меньшие размеры. Дифракцией звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.

Дифракция волн сопровождается их интерференцией, что приводит к формированию дифракционной картины, чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. При похождении света через дифракционную решетку, представляющую собой совокупность чередующихся параллельных прозрачных и непрозрачных полос (до 1000 на 1мм), на экране возникает дифракционная картина, положение максимумов которой зависит от длины волны излучения. Это позволяет использовать дифракционную решетку для анализа спектрального состава излучения. Структура кристаллического вещества подобна трехмерной дифракционной решетки. Наблюдение дифракционной картины при прохождении рентгеновского излучения, пучка электронов или нейронов, через кристаллы, в которых упорядоченно расположены частицы вещества (атомы, ионы, молекулы), позволяет исследовать особенности их структуры. Характерной величиной для межатомных расстояний является d~10 -10 м, что соответствует длинам волн используемых излучений и делает их незаменимыми для кристаллографического анализа.

Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телœескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность – минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются – разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (к примеру, звезды в телœескопе) имеет вид кружка, так что близко расположенные объекты не разрешаются. Разрешающая способность зависит от ряда параметров, в т. ч. от длины волны: чем меньше длина волны, тем лучше разрешение. По этой причине размер объекта͵ наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны (приблизительно 0,5 мкм).

Явление интерференции и дифракции света лежат в базе принципа записи и воспроизведения изображения в голографии. В предложенном в 1948 году Д. Габором (1900 – 1979) методе фиксируется интерференционная картина, полученная при освещении объекта и фотопластинки когерентными лучами. Полученная голограмма представляет собой чередующиеся светлые и темные пятна, не имеющие сходства с объектом, однако, дифракция от голограммы световых волн, идентичных использовавшимся при ее записи, позволяет восстановить волну, рассеянную реальным объектом и получить его объёмное изображение.

Поляризация – явление свойственное только поперечным волнам. Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического () и индукции магнитного () полей перпендикулярны направлению распространения волны. Вместе с тем, эти векторы взаимно перпендикулярны, в связи с этим для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Действие света на регистрирующие устройства определяется вектором напряженности электрического поля, который называют световым вектором.

Световые волны, испущенные естественным источником излучения ᴛ.ᴇ. множеством независимых атомов, являются не поляризованными, т.к. направление колебаний светового вектора () в естественном луче непрерывно и беспорядочно изменятся, оставаясь перпендикулярным вектору скорости волны.

Свет, у которого направление светового вектора остается неизменным, принято называть линœейно поляризованным. Поляризация – упорядочение колебаний вектора. Примером может служить гармоническая волна. Для поляризации света используются устройства, называемые поляризаторами, действие которых основано на особенностях процессов отражения и преломления света͵ а так же на анизотропии оптических свойств вещества в кристаллическом состоянии. Световой вектор в луче, прошедшем через поляризатор, колеблется в плоскости называемой плоскостью поляризатора. При прохождении поляризованного света через второй поляризатор оказывается, что интенсивности прошедшего луча изменяется при вращении поляризатора. Свет проходит через прибор без поглощения, в случае если его поляризация совпадает с плоскостью второго поляризатора и полностью им задерживается при повороте кристалла на 90 градусов, когда плоскость колебаний поляризованного света оказывается перпендикулярно плоскости второго поляризатора.

Поляризация света нашла широкое применение в различных отраслях научных исследований и техники. она используется в микроскопических исследованиях, в процессах звукозаписи, оптической локации, скоростной кино- и фотосъемке, в пищевой промышленности (сахариметрия) и т.д.

Дисперсия - зависимость скорости распространения волн от их частоты (длины волны). При распространении электромагнитных волн в среде возникает -

Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. К примеру, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия. Звуковые и ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. При распространении их в среде гармонические волны разных частот, на которые должна быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью, что приводит к искажению формы сигналов. Дисперсия света - зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. При изменении скорости света исходя из частоты (длины волны) показатель преломления меняется. В следствии дисперсии белый свет, состоящий из множества волн различной частоты, при прохождении сквозь прозрачную трехгранную призму разлагается и образуется сплошной (непрерывный) спектр.
Размещено на реф.рф
Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, показатель преломленияувеличивается с увеличением частоты (уменьшением длины волны), чему и соответствует распределœение цветов в спектре. Наибольший показатель преломления оказывается для фиолетового света (=0,38 мкм), наименьший у красного (=0,76 мкм). Подобное явление наблюдается в природе при распространении солнечного света в атмосфере и его преломлении в частицах воды (летом) и льда (зимой). При этом возникает радуга или солнечное гало.

Эффект Доплера. Эффект Доплера - изменение частоты или длины волн, воспринимаемых наблюдателœем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны u определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. В случае если наблюдатель или источник волн движется со скоростью относительно среды, то частота v принимаемых волнстановится иной. При этом, как установил К. Доплер (1803 – 1853), при приближении наблюдателя к источнику частота волн увеличивается, а при удалении – уменьшается. Это соответствует уменьшению длины волны λ при сближении источника и наблюдателя и увеличению λ при их взаимном удалении. Для звуковых волн Эффект Доплера проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются. Эффект Доплера обуславливает и ʼʼкрасное смещениеʼʼ, что описано выше. - понижение частот электромагнитного излучения от движущегося источника. Это название связано с тем, что в видимой части спектра в результате эффекта Доплера линии оказываются смещенными к красному концу; ʼʼкрасное смещениеʼʼ наблюдается и в излучениях любых других частот, к примеру в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, принято называть синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два ʼʼкрасных смещенияʼʼ - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют ʼʼкрасное смещениеʼʼ, наблюдаемое для всœех далёких источников (галактик, квазаров) - понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. ʼʼКрасное смещениеʼʼ для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что для далёких галактик оно больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. Это позволило выявить закон взаимного удаления (разбегания) галактик. Закон Хаббла в данном случае записывается в форме

u = Hr ; (3.14)

(u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величинœе ʼʼкрасного смещенияʼʼ скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определœения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла Н. Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связано определœение ʼʼвозрастаʼʼ Вселœенной. В начале семидесятых годов двадцатого века для постоянной Хаббла принято значение Н = (3 – 5)*10 -18 с -1 , обратная величина Т = 1/Н = 18 млрд. лет. Гравитационное ʼʼкрасное смещениеʼʼ является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление принято называть также эффектом Эйнштейна или обобщённым эффектом Доплера. Оно наблюдалось начиная с 1919 сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. В ряде случаев (к примеру, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться ʼʼкрасное смещениеʼʼ обоих типов.

Физическая природа волнМеханические
Упругие
На поверхности
жидкости
Электромагнитные
световые
рентген
Звуковые
радиоволны
сейсмические

Механическая волна – колебание частиц вещества распространяющееся в пространстве.

Точки среды, в которой распространяются волны, колеблющиеся в одной фазе, называются волновыми поверхностями.

Для возникновения механической волны необходимо два условия:

Сопоставляя направление распространения волн и направление колебаний точек среды, можно выделить волны продольные и волны поперечные.

Волны, в которых направление колебаний точек возбужденной среды параллельно направлению распространения волн, называются продольными.

Волны, в которых направление колебаний точек возбужденной среды перпендикулярно направлению распространения волн, называются поперечным

Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Таким образом, волна на поверхности жидкости представляет собой

Круговые волны на поверхности жидкости

Свойства механических волн

Если волна переходит из одной среды в другую, падая на границу раздела двух сред под некоторым углом, отличным от нуля, то она испытывает пр

Волна может огибать препятствия, размеры которых соизмеримы с ее длиной. Явление огибания волнами препятствий называется дифракцией

Источники волн, колеблющиеся с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз называются когерентными. Как и любые волны, образованные ко

Звук – это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах и воспринимаемы ухом человека и животных. Механические волн

Чтобы услышать звук, необходимы:

Механические волны, возникающие в упругих средах, в которых частицы среды колеблются с частотами меньшими, чем частоты звукового диапазон

Механические волны, возникающие в упругих средах, в которых частицы среды колеблются с частотами, большими, чем частоты звукового диапазон