Elektromagnetlained. Elektromagnetlaine mõiste

Need nähtused on omane mis tahes laadi lainetele. Pealegi on interferentsi, difraktsiooni ja polarisatsiooni nähtused iseloomulikud ainult laineprotsessidele ja neid saab seletada ainult laineteooria põhjal.

Peegeldus ja murdumine. Lainete levikut kirjeldatakse geomeetriliselt kiirte abil. Homogeenses keskkonnas ( n= const) kiired on sirgjoonelised. Meedia liideses aga nende suunad muutuvad. Sel juhul moodustub kaks lainet: peegeldunud laine, mis levib esimeses keskkonnas sama kiirusega, ja murdunud laine, mis levib teises keskkonnas erineva kiirusega, sõltuvalt selle keskkonna omadustest. Peegeldusnähtus on tuntud nii heli (kaja) kui ka valguslainete kohta. Valguse peegeldumise tõttu tekib peeglis kujutluspilt. Valguse murdumine on paljude huvitavate tegurite aluseks atmosfääri nähtused. Seda kasutatakse laialdaselt erinevates optilistes seadmetes: läätsed, prismad, optilised kiud. Need seadmed on erinevatel eesmärkidel kasutatavate seadmete elemendid: kaamerad, mikroskoobid ja teleskoobid, periskoobid, projektorid, optilised süsteemid side jne.

Sekkumine lained - energia ümberjaotumise nähtus, kui kattuvad kaks (või mitu) koherentset (sobivat) lainet, millega kaasneb saadud laine intensiivsuse (amplituudi) vahelduvate maksimumide ja miinimumide interferentsmuster. Koherentseks nimetatakse laineid, mille puhul faasierinevus liitumispunktis jääb ajas muutumatuks, kuid võib muutuda punktist punkti ja ruumis. Kui lained kohtuvad "faasis", st. saavutavad samaaegselt maksimaalse hälbe ühes suunas, siis tugevdavad nad üksteist ja kui kohtuvad "antifaasis", st. samaaegselt saavutada vastupidiseid kõrvalekaldeid, seejärel üksteist nõrgendada. Kahe laine kahe laine võnkumiste koordineerimine (koherents) valguse korral on võimalik ainult siis, kui neil on ühine päritolu, mis on tingitud kiirgusprotsesside iseärasustest. Erandiks on laserid, mille kiirgust iseloomustab kõrge koherentsus. Seetõttu jagatakse häirete vaatlemiseks ühest allikast tulev valgus kahte lainerühma, mis läbivad läbipaistmatul ekraanil kahte auku (pilu) või õhukeste kilede kandja liidese peegelduse ja murdumise tõttu. Ühevärvilise allika häiremuster ( λ = konst) kahe kitsa, tihedalt asetseva pilu läbivate kiirte ekraanil on vahelduvate heledate ja tumedate triipude kujul (Jungi eksperiment, 1801). Eredad triibud - intensiivsuse maksimumid täheldatakse ekraani nendes punktides, kus kahe pilu lained kohtuvad "faasis", st nende faaside erinevus

, m = 0,1,2,…,(3.10)

See vastab kiirte teekonna erinevusele, täisarvu lainepikkuste kordsele λ

, m = 0,1,2,…,(3.11)

Tumedad ribad (vastastikused tagasimaksed), st. intensiivsuse miinimumid tekivad ekraani nendes punktides, kus lained kohtuvad "faasist väljas", st nende faaside erinevus on

, m = 0,1,2,…,(3.12)

See vastab kiirte teekonna erinevusele, mis on paaritu arvu poollainete kordne

, m = 0,1,2,….(3.13)

Häireid täheldatakse erinevate lainete puhul. Valge valguse häired, sealhulgas kõik lained nähtav valgus lainepikkuste vahemikus mikronid võivad ilmneda õhukeste bensiinikilede sillerdava värvusega veepinnal, seebimulle, oksiidkiled metallide pinnal. Häire maksimaalsed tingimused erinevad punktid filme tehakse erinevatele lainepikkustele erineva lainepikkusega, mis toob kaasa erinevat värvi lainete võimenduse. Häiretingimused määratakse lainepikkuse järgi, mis nähtava valguse korral moodustab mikroni murdosa (1 μm = 10-6 m), seega on see nähtus erinevate täppis- (“kõrge täpsusega”) uurimis-, juhtimis- ja mõõtmismeetodite aluseks. Häirete kasutamine põhineb interferomeetrite, interferentsispektroskoopide, aga ka holograafiameetodil. Valgusinterferentsi kasutatakse kiirguse lainepikkuse mõõtmiseks, spektrijoonte peenstruktuuri uurimiseks, ainete tiheduste, murdumisnäitajate ja õhukeste katete paksuse määramiseks.

Difraktsioon- nähtuste kogum, mis esineb laine levimisel keskkonnas, mille omadused on selgelt ebahomogeensed. Seda täheldatakse siis, kui lained läbivad ekraanil oleva augu, läbipaistmatute objektide piiride lähedal jne. Difraktsioon põhjustab laine keerdumise ümber takistuse, mille mõõtmed on proportsionaalsed lainepikkusega. Kui takistuse suurus on lainepikkusest palju suurem, on difraktsioon nõrk. Makroskoopilistel takistustel täheldatakse heli difraktsiooni, seismilisi laineid, raadiolaineid, mille puhul 1 cm km. Valguse difraktsiooni jälgimiseks peavad takistused olema oluliselt väiksemad. Difraktsioon helilained selgitab võimet kuulda inimese häält maja nurga taga. Raadiolainete difraktsioon ümber Maa pinna seletab raadiosignaalide vastuvõtmist pikkade ja keskmiste raadiolainete levialas, mis on kaugel kiirgava antenni vaateväljast.

Lainete difraktsiooniga kaasneb nende interferents, mis viib difraktsioonimustri moodustumiseni, intensiivsuse maksimumide ja miinimumide vaheldumiseni. Kui valgus läbib difraktsioonvõre, mis on vahelduvate paralleelsete läbipaistvate ja läbipaistmatute ribade kogum (kuni 1000 1 mm kohta), ilmub ekraanile difraktsioonimuster, mille maksimumide asukoht sõltub kiirguse lainepikkusest. See võimaldab kiirguse spektraalse koostise analüüsimiseks kasutada difraktsioonvõre. Struktuur kristalne aine sarnane kolmemõõtmelisele riiv. Difraktsioonimustri jälgimine röntgenikiirte, elektronide või neuronite kiirte läbimisel läbi kristallide, milles aine osakesed (aatomid, ioonid, molekulid) on korrapäraselt paigutatud, võimaldab uurida nende omadusi. struktuur. Aatomitevaheliste kauguste iseloomulik väärtus on d ~ 10 -10 m, mis vastab kasutatava kiirguse lainepikkustele ja muudab need kristallograafilises analüüsis hädavajalikuks.

Valguse difraktsioon määrab optiliste instrumentide (teleskoobid, mikroskoobid jne) eraldusvõime piiri. Eraldusvõime – minimaalne kaugus kahe objekti vahel, mille juures neid nähakse eraldi, ei liideta – on lubatud. Difraktsiooni tõttu näeb punktallika (näiteks tähe teleskoobis) pilt välja nagu ring, mistõttu üksteise lähedal olevaid objekte ei lahendata. Eraldusvõime sõltub paljudest parameetritest, sealhulgas lainepikkusest: mida lühem on lainepikkus, seda parem on eraldusvõime. Seetõttu on optilises mikroskoobis vaadeldava objekti suurus piiratud valguse lainepikkusega (umbes 0,5 µm).

Valguse interferentsi ja difraktsiooni nähtus on holograafias kujutiste salvestamise ja taasesitamise põhimõtte aluseks. D. Gabori (1900 - 1979) 1948. aastal välja pakutud meetod fikseerib interferentsmustri, mis saadakse objekti ja fotoplaadi valgustamisel koherentsete kiirtega. Saadud hologramm on vahelduvad heledad ja tumedad laigud, mis ei meenuta objekti, kuid difraktsioon valguslainete hologrammist, mis on identne selle salvestamisel kasutatud lainetega, võimaldab taastada reaalse objekti poolt hajutatud laine ja saada selle kolm mõõtmetega pilt.

Polarisatsioon- ainult põiklainetele iseloomulik nähtus. Valguslainete (nagu ka kõigi teiste elektromagnetlained) väljendub selles, et neis võnkuvate elektriliste () ja magnetväljade () induktsiooni vektorid on risti laine levimise suunaga. Lisaks on need vektorid üksteisega risti, nii et täielik kirjeldus valguse polarisatsiooniseisundite puhul on vaja teada ainult ühe neist käitumist. Valguse toime salvestusseadmetele määratakse intensiivsuse vektoriga elektriväli, mida nimetatakse valgusvektoriks.

kerged lained, mida kiirgab looduslik kiirgusallikas s.o. sõltumatute aatomite komplekt, ei ole polariseeritud, sest valgusvektori () võnkesuund loomulikus kiires muutub pidevalt ja juhuslikult, jäädes lainekiiruse vektoriga risti.

Valgust, mille valgusvektori suund jääb muutumatuks, nimetatakse lineaarselt polariseeritud. Polarisatsioon on vektori võnkumiste järjestamine. Näiteks on harmooniline laine. Valguse polariseerimiseks kasutatakse seadmeid, mida nimetatakse polarisaatoriteks, mille toime põhineb valguse peegeldus- ja murdumisprotsesside iseärasustel, aga ka kristallilises olekus aine optiliste omaduste anisotroopias. Polarisaatorit läbiva kiire valgusvektor võngub tasapinnal, mida nimetatakse polarisaatori tasapinnaks. Kui polariseeritud valgus läbib teist polarisaatorit, selgub, et edastatava kiire intensiivsus muutub koos polarisaatori pöörlemisega. Valgus läbib seadet neeldumata, kui selle polarisatsioon langeb kokku teise polarisaatori tasandiga ja on kristalli 90 kraadi pööramisel täielikult blokeeritud, kui polariseeritud valguse võnketasand on risti teise polarisaatori tasandiga. polarisaator.

Valguse polarisatsioon on leitud lai rakendus erinevates tööstusharudes teaduslikud uuringud ja tehnoloogia. seda kasutatakse mikroskoopilised uuringud, helisalvestuse, optilise asukoha, kiire filmi ja fotograafia protsessides, sisse Toidutööstus(sahharimeetria) jne.

Dispersioon- laine levimiskiiruse sõltuvus nende sagedusest (lainepikkusest). Kui elektromagnetlained levivad keskkonnas, tekivad

Dispersioon määratakse füüsikalised omadused keskkond, milles lained levivad. Näiteks vaakumis levivad elektromagnetlained hajutatult, samas kui reaalses keskkonnas, isegi nii haruldases keskkonnas nagu Maa ionosfäär, tekib dispersioon. Heli- ja ultrahelilained tuvastavad ka hajumise. Kui need levivad keskkonnas, levivad erineva kiirusega erineva sagedusega harmoonilised lained, milleks saab signaali lagundada, mis põhjustab signaali kuju moonutamist. Valguse hajumine - aine murdumisnäitaja sõltuvus valguse sagedusest (lainepikkusest). Kui valguse kiirus muutub, olenevalt sagedusest (lainepikkusest), muutub murdumisnäitaja. Hajutamise tulemusena valge valgus, mis koosneb paljudest erineva sagedusega lainetest, läbipaistva kolmikprisma läbimisel laguneb ja tekib pidev (pidev) spekter. Selle spektri uurimine viis I. Newtoni (1672) valguse hajumise avastamiseni. Ainete puhul, mis on antud spektripiirkonnas läbipaistvad, suureneb murdumisnäitaja sageduse suurenemisega (lainepikkuse vähenemisega), mis vastab värvide jaotusele spektris. Suurim murdumisnäitaja on violetsel valgusel (=0,38 µm), madalaim punasel (=0,76 µm). Sarnast nähtust täheldatakse looduses levimise ajal päikesevalgus atmosfääris ja selle murdumine vee (suvi) ja jää (talv) osakestes. See loob vikerkaare või päikesehalo.

Doppleri efekt. Doppleri efekt on vaatleja (vastuvõtja) poolt tajutava sageduse või lainepikkuse muutus, mis on tingitud laineallika ja vaatleja liikumisest üksteise suhtes. Laine kiirus u määratakse keskkonna omadustega ja see ei muutu allika või vaatleja liikumisel. Kui vaatleja või laineallikas liigub keskkonna suhtes kiirusega, siis sagedus v vastuvõetud lained muutuvad erinevaks. Sel juhul, nagu on kindlaks teinud K. Doppler (1803 - 1853), kui vaatleja läheneb allikale, siis lainete sagedus suureneb ja eemaldamisel väheneb. See vastab lainepikkuse vähenemisele λ kui allikas ja vaatleja lähenevad üksteisele ja suurenevad λ kui need on vastastikku eemaldatud. Helilainete puhul väljendub Doppleri efekt heli kõrguse suurenemises, kui heliallikas ja vaatleja lähenevad üksteisele (1 puhul sek vaatleja tajub rohkem lained) ja vastavalt heli tooni vähenemine nende eemaldamisel. Doppleri efekt põhjustab ka "punase nihke", nagu eespool kirjeldatud. - sageduse vähendamine elektromagnetiline kiirgus liikuvast allikast. See nimi tuleneb sellest, et spektri nähtavas osas nihkuvad Doppleri efekti tulemusena jooned punasesse otsa; "Punanihet" täheldatakse ka muude sageduste kiirguses, näiteks raadiosagedusalas. Sageduste suurenemisega seotud vastupidist efekti nimetatakse siniseks (või violetseks) nihkeks. Astrofüüsikas käsitletakse kahte "punanihet" – kosmoloogilist ja gravitatsioonilist. Kosmoloogiline (metagalaktiline) viitab kõigi kaugemate allikate (galaktikad, kvasarid) puhul täheldatud "punanihkele" - kiirgussageduse vähenemisele, mis näitab nende allikate eemaldamist üksteisest ja eriti meie galaktikast, st mittestatsionaarsust. (laienemine ) Metagalaktikad. Galaktikate "punanihke" avastas Ameerika astronoom W. Slifer aastatel 1912–1914; 1929. aastal avastas E. Hubble, et kaugete galaktikate puhul on see suurem kui läheduses asuvate galaktikate puhul ja suureneb ligikaudu proportsionaalselt kaugusega. See võimaldas paljastada galaktikate vastastikuse eemaldamise (taganemise) seaduse. Hubble'i seadus on antud juhul kirjutatud kujul

u = HR; (3.14)

(u on galaktika taandumise kiirus, r- kaugus sellest, H - Hubble'i konstant). Määrates "punase nihke" suuruse järgi galaktika eemaldamise kiiruse, saate arvutada selle kauguse. Ekstragalaktiliste objektide kauguste määramiseks selle valemi abil peate teadma Hubble'i konstandi arvväärtust N. Selle konstandi tundmine on väga oluline ka kosmoloogia jaoks: sellega on seotud Universumi "vanuse" määratlus. 1970. aastate alguses peeti Hubble'i konstantiks H =(3 – 5)*10 –18 s –1 , vastastikune T = 1/H = 18 miljardit aastat. Gravitatsiooniline "punanihe" on ajatempo aeglustumise tagajärg ja on tingitud gravitatsiooniväljast (efekt üldine teooria relatiivsusteooria). Seda nähtust nimetatakse ka Einsteini efektiks või üldistatud Doppleri efektiks. Seda on täheldatud alates 1919. aastast, esmalt Päikese kiirguses ja seejärel mõnes teises tähes. Mõnel juhul (näiteks gravitatsioonilise kollapsi ajal) tuleks jälgida mõlemat tüüpi "punanihet".

Lapsepõlves võib jälgida meeldivat pilti: veepinna vaikne avarus jõel. Ja tuleb vaid väike kivike visata – see pilt muutub kohe. Selle koha ümber, kus kivi vastu vett, jooksevad lained ringi. Kõik lugesid lugusid merereisidest, merelainete koletu jõust, kergesti õõtsumisest suured laevad. Neid nähtusi jälgides ei tea aga kõik, et veepritsmete heli jõuab meie kõrva lainetena õhus, mida me hingame, et valgus, millega me ümbritsevat visuaalselt tajume, on samuti laineline liikumine. Veelaineid, valgus- ja helilaineid saab omavahel kombineerida. Need on kõik näited laine liikumisest. Kuid lainetel on erinev välimus. Mis on laine füüsika mõistes? Laine on võnkumine, mis levib aja jooksul läbi ruumi. Lainete peamine omadus on see, et laine levib ilma aine ülekandmiseta. Näiteks kui veepinnal lebab puu väike leht. Viskame kivi vette. Kivist igas suunas, nagu varem mainitud, hakkavad lained levima. Samal ajal, olles jõudnud leheni, ei sunni nad seda laine poole liikuma. Leht jääb paigale, kuid samal ajal teeb see üles-alla võnkuvaid liigutusi. See tähendab, et muutub ainult vee kuju ja voolu ei tule. Vee üks olulisemaid omadusi on selle leviku kiirus. Mis tahes laine levimiskiirus on alati piiratud. Lainete kiirus veepinnal on suhteliselt väike, mistõttu on neid väga lihtne jälgida.
Samuti on lihtne jälgida kumminööri mööda levivaid laineid. Kui nööri üks ots on fikseeritud ja nööri käega kergelt tõmmates viia teine ​​ots võnkuvasse liikumisse, siis jookseb mööda nööri laine. Laine kiirus on seda suurem, mida tugevamaks juhe tõmmatakse. Laine jõuab punktini, kus juhe on fikseeritud, peegeldub ja jookseb tagasi. Selles katses muutub laine levimisel nööri kuju. Iga nööri osa võngub oma muutumatu tasakaaluasendi ümber. Pöörakem tähelepanu sellele, et laine levimisel mööda nööri toimuvad võnked laine levimise suunaga risti olevas suunas. Selliseid laineid nimetatakse risti.
Sel juhul toimub selliste lainete korral elastne deformatsioon, mida nimetatakse nihkedeformatsiooniks. Eraldi ainekihid nihkuvad üksteise suhtes. Kui tahkes aines toimub nihkedeformatsioon, kipuvad elastsed jõud keha algsesse olekusse tagasi viima. Need on elastsusjõud, mis põhjustavad keskkonna osakeste võnkumisi. Kuid keskkonna osakeste võnkumine võib toimuda ka laine levimise suunas. Sellist lainet nimetatakse pikisuunaliseks. Pikilainet on mugav jälgida suure läbimõõduga pikal pehmel vedrul. Peopesaga ühte vedru otsast lüües on näha, kuidas kokkusurumine (elastne impulss) vedru mööda jookseb. Järjestikuste löökide jada abil on võimalik kevadel ergutada lainet, mis on vedru järjestikune kokkusurumine ja pikenemine, mis jookseb üksteise järel.
Survedeformatsioon toimub pikisuunalises laines. Selle deformatsiooniga seotud elastsusjõud tekivad nagu tahked ained samuti vedelikes ja gaasides.
Akustilised lained võivad olla näideteks pikilainetest, st. need, mida inimkõrv tajub. Kui mehaaniline laine levib, kandub liikumine keskkonna ühelt osakeselt teisele. Liikumise ülekandmine on seotud energia ülekandega. Kõigi lainete peamine omadus, olenemata nende olemusest, on energia ülekandmine ilma aine ülekandmiseta. Energia tuleb allikast, mis ergastab vibratsiooni nööri, nööri vms alguses ja levib koos lainega. Energia edastatakse läbi mis tahes ristlõike, näiteks juhtme. See energia koosneb kineetiline energia keskkonna osakeste liikumine ja potentsiaalne energia nende elastne deformatsioon. Osakeste võnkumiste amplituudi järkjärguline vähenemine laine levimisel on seotud osa mehaanilise energia muundumisega siseenergiaks.
Kuidas mehaanilised lained levivad? Jälgime üksikute aineosakeste liikumist lainelise liikumise ajal. Vaatleme esmalt põiklainet, mis levib näiteks mööda kumminööri. Igal nööriosal on mass ja elastsus. Kui nöör deformeerub, tekivad selle mis tahes sektsioonis elastsed jõud. Need jõud kipuvad viima nööri algsesse asendisse. Inertsi mõjul võnkuva nööri lõik ei peatu tasakaaluasendis, vaid möödub sellest, jätkates liikumist seni, kuni elastsusjõud selle lõigu tasakaaluasendist maksimaalse kõrvalekalde hetkel peatavad. Nööri asemel võtame keermele riputatud identsete metallkuulikeste keti. Kuulid on omavahel ühendatud vedrudega (joonis). Vedrude mass on palju väiksem kui kuulide mass. Selles mudelis on inertsed (mass) ja elastsed omadused eraldatud: mass on koondunud peamiselt kuulidesse ja elastsus vedrudesse. See jaotus ei ole laine liikumise kaalumisel oluline. Kui vasakpoolseim kuul on kuulide ahelaga risti asetseval horisontaaltasandil kõrvale kaldunud, siis vedru deformeerub ja teisele kuulile hakkab mõjuma jõud, mis sunnib seda 1. kuuliga samas suunas kõrvale kalduma. Inertsi tõttu ei ole 2. kuuli liikumine kooskõlas 1. kuuliga. Selle liikumine, mis kordab 1. palli liikumist, lükkub ajaliselt edasi. Kui 1. pall on sunnitud võnkuma perioodiga T (lihtsalt käsitsi või mingi mehhanismi abil), siis hakkab ka 2. pall võnkuma peale 1., kuid teatud faasivahega. Ka kolmas kuul hakkab 2. kuuli liikumisest tingitud elastsusjõu mõjul võnkuma, jäädes faasist veelgi maha jne Lõpuks hakkavad kõik kuulid sooritama sundvõnkumisi palliga. sama sagedusega, kuid erinevate faasidega. Sel juhul kulgeb ristlaine mööda pallide ahelat. Joonisel a, b, c, d, e, f on kujutatud laine levimise protsessi. Kuulide asukohti näidatakse järjestikustel ajahetkedel, üksteisest veerandi võnkeperioodi kaugusel (pealtvaade). Kuulide nooled on nende liikumise kiirusvektorid vastavatel ajahetkedel. Vedrudega ühendatud massiivsete kuulide keti kujul oleva elastse keha mudelil (joonis a) saab jälgida pikisuunaliste lainete levimise protsessi. Kuulid on riputatud nii, et need saaksid võnkuda ainult mööda ketti. Kui esimene pall viiakse võnkuvasse liikumisse perioodiga T, jookseb piki ahelat pikisuunaline laine, mis koosneb pallide vahelduvatest tihenemistest ja harvenemisest (joonis 1). b). See arv vastab joonisele e nihkelainete levimise korral.

>> Lainenähtused

§ 42 LAINENÄHTUSED

Igaüks meist on täheldanud, kuidas lained hajuvad tiigi või järve rahulikule pinnale visatud kivilt ringidena (joonis 6.1). Paljud vaatasid, kuidas merelained kaldale löövad. Kõik lugesid lugusid merereisidest, merelainete koletu jõust, kergesti kiigutavatest suurtest laevadest. Neid nähtusi jälgides ei tea aga kõik, et veepritsmete heli jõuab meie kõrva lainetena õhus, mida me hingame, et valgus, millega me ümbritsevat visuaalselt tajume, on samuti laineline liikumine.

Laineprotsessid on looduses äärmiselt laialt levinud. Lainete liikumist põhjustavad erinevad füüsilised põhjused. Kuid nagu võnkumisi, kirjeldatakse kõiki laineid kvantitatiivselt samade või peaaegu samade seadustega. Paljud raskesti mõistetavad küsimused saavad selgemaks erinevate lainenähtuste võrdlemisel.

Mida nimetatakse laineks? Miks tekivad lained? Mis tahes keha eraldi osakesed - tahked, vedelad või gaasilised - interakteeruvad üksteisega. Seega, kui mõni kehaosake hakkab tegema võnkuvaid liikumisi, siis osakeste omavahelise vastasmõju tulemusena hakkab see liikumine teatud kiirusega levima igas suunas.

Laine on võnkumine, mis levib aja jooksul läbi ruumi.

Õhus, tahkestes ja vedelikes tekivad elastsusjõudude toimel mehaanilised lained. Need jõud loovad ühenduse keha üksikute osade vahel. Lainete teket veepinnal põhjustavad gravitatsioon ja pindpinevus.

Laine liikumise põhijooned on kõige selgemini näha, kui arvestada laineid veepinnal. Need võivad olla näiteks lained, mis on ümarad ettepoole jooksvad võllid. Võllide ehk harjade vahelised kaugused on ligikaudu samad. Kui aga veepinnal, mida mööda laine kulgeb, asub kerge objekt, näiteks puu leht, siis laine seda edasi ei kanna, vaid hakkab üles-alla võnkuma, jäädes alles. peaaegu ühes kohas.

Laine ergastamisel toimub võnkumiste levimise protsess, kuid mitte aine ülekandmine. Mõnes kohas, näiteks visatud kivist, tekkinud veevõnked kanduvad edasi naaberaladele ja levivad järk-järgult igas suunas, kaasates võnkuvatesse liikumistesse üha rohkem keskkonna osakesi. Veevoolu ei teki, liiguvad ainult selle pinna kohalikud vormid.

Laine kiirus. Kõige olulisem omadus laine on selle levimise kiirus. Mis tahes laadi lained ei levi kosmoses silmapilkselt. Nende kiirus on piiratud. Võib ette kujutada näiteks, et kajakas lendab üle mere ja seda nii, et ta satub alati sama laineharja kohale. Laine kiirus on sel juhul võrdne kajaka kiirusega. Veepinnal olevad lained on vaatlemiseks mugavad, kuna nende levimiskiirus on suhteliselt väike.

Rist- ja pikisuunalised lained. Samuti on lihtne jälgida kumminööri mööda levivaid laineid. Kui nööri üks ots on fikseeritud ja nööri käega kergelt tõmmates viia selle teine ​​ots võnkuvasse liikumisse, siis jookseb mööda nööri laine (joonis 6.2).

Laine kiirus on seda suurem, mida tugevamaks juhe tõmmatakse. Laine jõuab punktini, kus juhe on fikseeritud, peegeldub ja jookseb tagasi. Selles katses muutub laine levimisel nööri kuju. Iga nööri osa võngub oma muutumatu tasakaaluasendi ümber.

Pöörakem tähelepanu sellele, et laine levimisel mööda nööri toimuvad võnked laine levimise suunaga risti olevas suunas. Selliseid laineid nimetatakse põiklaineteks (joon. 6.3). Ristlaines toimuvad keskkonna üksikute lõikude nihked laine levimise suunaga risti. Sel juhul tekib elastne deformatsioon, mida nimetatakse nihkedeformatsiooniks. Eraldi ainekihid nihkuvad üksteise suhtes. Kui tahkes aines toimub nihkedeformatsioon, kipuvad elastsed jõud keha algsesse olekusse tagasi viima. Just elastsusjõud põhjustavad keskkonna osakeste võnkumisi 1 .

Kihtide nihkumine gaasides ja vedelikes üksteise suhtes ei too kaasa elastsete jõudude ilmnemist. Seetõttu ei saa gaasides ja vedelikes eksisteerida põiklaineid. Ristlained tekivad tahkistes.

Kuid keskkonna osakeste võnkumine võib toimuda ka laine levimise suunas (joonis 6.4). Sellist lainet nimetatakse pikisuunaliseks. Pikilainet on mugav jälgida suure läbimõõduga pikal pehmel vedrul. Peopesaga ühte vedru otsast lüües (joon. 6.5, a) näete, kuidas kokkusurumine (elastne impulss) jookseb vedru mööda. Järjestikuste löökide jada abil on võimalik kevadel ergutada lainet, mis kujutab endast vedru järjestikust kokkusurumist ja pikenemist, mis jookseb üksteise järel (joon. 6.5, b).

Seega toimub pikisuunalises laines survedeformatsioon. Selle deformatsiooniga seotud elastsusjõud tekivad nii tahkestes kui ka vedelikes ja gaasides.

1 Kui me räägime keskkonna osakeste võnkumisest, siis peame silmas keskkonna väikeste ruumalade võnkumisi, mitte molekulide võnkumisi.

Need jõud põhjustavad söötme üksikute osade võnkumisi. Seetõttu võivad pikisuunalised lained levida kõigis elastsetes keskkondades. Tahketes kehades on pikisuunaliste lainete kiirus suurem kui põiklainete kiirus.

Seda võetakse arvesse maavärina allika ja seismilise jaama kauguse määramisel. Esiteks registreeritakse jaamas pikisuunaline laine, kuna selle kiirus maakoores on suurem kui põiklainel. Mõne aja pärast registreeritakse põiklaine, mis ergastub maavärina ajal samaaegselt pikisuunalisega. Teades piki- ja põiklainete kiirusi maakoores ning põiklaine viiteaega, on võimalik määrata kaugus maavärina allikani.

Laineenergia. Kui mehaaniline laine levib, kandub liikumine keskkonna ühelt osakeselt teisele. Liikumise ülekandmisega on seotud energia ülekandmine. Kõigi lainete peamine omadus, olenemata nende olemusest, on energia ülekandmine ilma terviku ülekandmiseta. Energia tuleb allikast, mis ergastab vibratsiooni nööri, nööri vms alguses ja levib koos lainega. Energia edastatakse läbi mis tahes ristlõike, näiteks juhtme. See energia koosneb keskkonna osakeste liikumise kineetilisest energiast ja nende elastse deformatsiooni potentsiaalsest energiast. Osakeste võnkumiste amplituudi järkjärguline vähenemine laine levimisel on seotud osa mehaanilise energia muundumisega siseenergiaks.

Laine on võnkumine, mis levib aja jooksul läbi ruumi. Laine kiirus on piiratud. Laine kannab üle energiat, kuid ei kanna edasi keskkonna ainet.

1. Milliseid laineid nimetatakse põik- ja milliseid pikisuunalisteks!
2. Kas ristlaine võib vees levida!

Myakishev G. Ya., füüsika. 11. klass: õpik. üldhariduse jaoks institutsioonid: põhi- ja profiil. tasemed / G. Ya. Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; toim. V. I. Nikolajev, N. A. Parfenteva. - 17. väljaanne, muudetud. ja täiendav - M.: Haridus, 2008. - 399 lk.: ill.

Füüsika planeerimine, füüsikaalased materjalid 11. klass allalaadimine, õpikud võrgus

Need nähtused on omane mis tahes laadi lainetele. Pealegi on interferentsi, difraktsiooni ja polarisatsiooni nähtused iseloomulikud ainult laineprotsessidele ja neid saab seletada ainult laineteooria põhjal.

Peegeldus ja murdumine. Lainete levikut kirjeldatakse geomeetriliselt kiirte abil. Homogeenses keskkonnas ( n= const) kiired on sirgjoonelised. Samal ajal meedia vahelisel liidesel nende suunad muutuvad. Sel juhul moodustub kaks lainet: peegeldunud laine, mis levib esimeses keskkonnas sama kiirusega, ja murdunud laine, mis levib teises keskkonnas erineva kiirusega, sõltuvalt selle keskkonna omadustest. Peegeldusnähtus on tuntud nii heli (kaja) kui ka valguslainete kohta. Valguse peegeldumise tõttu tekib peeglis kujutluspilt. Valguse murdumine on paljude huvitavate atmosfäärinähtuste aluseks. Seda kasutatakse laialdaselt erinevates optilistes seadmetes: läätsed, prismad, optilised kiud. Need seadmed on erinevatel eesmärkidel kasutatavate seadmete elemendid: kaamerad, mikroskoobid ja teleskoobid, periskoobid, projektorid, optilised sidesüsteemid jne.

Sekkumine lained - energia ümberjaotumise nähtus, kui kattuvad kaks (või mitu) koherentset (sobivat) lainet, millega kaasneb saadud laine intensiivsuse (amplituudi) vahelduvate maksimumide ja miinimumide interferentsmuster. Koherentseks nimetatakse laineid, mille puhul faasierinevus liitumispunktis jääb ajas muutumatuks, kuid võib muutuda punktist punkti ja ruumis. Kui lained kohtuvad ʼʼfaasisʼʼ, ᴛ.ᴇ. saavutavad samaaegselt maksimaalse hälbe ühes suunas, siis tugevdavad nad üksteist ja kui kohtuvad ʼʼantifaasisʼʼ, siis ᴛ.ᴇ. samaaegselt saavutada vastupidiseid kõrvalekaldeid, seejärel üksteist nõrgendada. Kahe laine kahe laine võnkumiste koordineerimine (koherents) valguse korral on võimalik ainult siis, kui neil on ühine päritolu, mis on tingitud kiirgusprotsesside iseärasustest. Erandiks on laserid, mille kiirgust iseloomustab kõrge koherentsus. Sel põhjusel jagatakse häirete jälgimiseks ühest allikast tulev valgus kahte lainete rühma, mis läbivad läbipaistmatul ekraanil kahte auku (pilu) või õhukeste kilede liidese peegelduse ja murdumise tõttu. Ühevärvilise allika häiremuster ( λ = konst) on ekraanil kahte kitsast tihedalt asetsevat pilu läbivate kiirte jaoks vahelduvate heledate ja tumedate triipude kujul (Jungi eksperiment, 1801 ᴦ.). Eredad triibud - intensiivsuse maksimumid on täheldatud ekraani nendes punktides, kus kahe pilu lained kohtuvad faasis ʼʼfaasisʼʼ, st nende faaside erinevus.

, m = 0,1,2,…,(3.10)

See vastab kiirte teekonna erinevusele, täisarvu lainepikkuste kordsele λ

, m = 0,1,2,…,(3.11)

Tumedad triibud (vastastikused tagasimaksed), ᴛ.ᴇ. intensiivsuse miinimumid tekivad ekraani nendes punktides, kus lained kohtuvad ʼʼantifaasisʼʼ, st nende faaside erinevus on

, m = 0,1,2,…,(3.12)

See vastab kiirte teekonna erinevusele, mis on paaritu arvu poollainete kordne

, m = 0,1,2,….(3.13)

Häireid täheldatakse erinevate lainete puhul. Valge valguse interferents, sealhulgas kõik lainepikkuse vahemikus nähtavad valguslained mikronid võivad ilmneda õhukeste bensiinikilede sillerdava värvina veepinnal, seebimullidena, metallide pinnal oksiidkiledena. Interferentsi maksimumi tingimused filmi erinevates punktides on rahuldatud erinevate lainepikkustega erinevate lainete korral, mis toob kaasa erinevat värvi lainete võimenduse. Häiretingimused määratakse lainepikkuse järgi, mis nähtava valguse puhul on mikroni murdosa (1 μm = 10 -6 m), selles osas on sellel nähtusel aluseks erinevad täppis- (ʼʼülitäpsedʼʼʼ) uurimis-, kontrolli- ja mõõtmismeetodid. Häirete kasutamine põhineb interferomeetrite, interferentsispektroskoopide, aga ka holograafiameetodil. Valgusinterferentsi kasutatakse kiirguse lainepikkuse mõõtmiseks, spektrijoonte peenstruktuuri uurimiseks, ainete tiheduste, murdumisnäitajate ja õhukeste katete paksuse määramiseks.

Difraktsioon- nähtuste kogum, mis esineb laine levimisel keskkonnas, mille omadused on selgelt ebahomogeensed. Seda täheldatakse siis, kui lained läbivad ekraanil oleva augu, läbipaistmatute objektide piiride lähedal jne. Difraktsioon põhjustab laine keerdumise ümber takistuse, mille mõõtmed on proportsionaalsed lainepikkusega. Kui takistuse suurus on lainepikkusest palju suurem, ilmneb difraktsioon nõrgalt. Makroskoopilistel takistustel täheldatakse heli difraktsiooni, seismilisi laineid, raadiolaineid, mille puhul 1 cm km. Tasub öelda, et valguse difraktsiooni jälgimiseks peavad takistused olema oluliselt väiksemate mõõtmetega. Helilainete difraktsioon seletab võimet kuulda inimese häält, kes on maja nurga taga. Raadiolainete difraktsioon ümber Maa pinna seletab raadiosignaalide vastuvõtmist pikkade ja keskmiste raadiolainete levialas, mis on kaugel kiirgava antenni vaateväljast.

Lainete difraktsiooniga kaasneb nende interferents, mis viib difraktsioonimustri moodustumiseni, intensiivsuse maksimumide ja miinimumide vaheldumiseni. Kui valgus läbib difraktsioonvõre, mis on vahelduvate paralleelsete läbipaistvate ja läbipaistmatute ribade kogum (kuni 1000 1 mm kohta), ilmub ekraanile difraktsioonimuster, mille maksimumide asukoht sõltub kiirguse lainepikkusest. See võimaldab kiirguse spektraalse koostise analüüsimiseks kasutada difraktsioonvõre. Kristallilise aine struktuur sarnaneb kolmemõõtmelise difraktsioonvõrega. Difraktsioonimustri jälgimine röntgenikiirte, elektronide või neuronite kiirte läbimisel läbi kristallide, milles aine osakesed (aatomid, ioonid, molekulid) on korrapäraselt paigutatud, võimaldab uurida nende omadusi. struktuur. Aatomitevaheliste kauguste iseloomulik väärtus on d ~ 10 -10 m, mis vastab kasutatava kiirguse lainepikkustele ja muudab need kristallograafilises analüüsis hädavajalikuks.

Valguse difraktsioon määrab optiliste instrumentide (teleskoobid, mikroskoobid jne) eraldusvõime piiri. Eraldusvõime – minimaalne kaugus kahe objekti vahel, mille juures neid nähakse eraldi, ei liideta – on lubatud. Difraktsiooni tõttu näeb punktallika (näiteks teleskoobis oleva tähe) kujutis välja nagu ring, mistõttu lähedasi objekte ei lahendata. Eraldusvõime sõltub paljudest parameetritest, sealhulgas lainepikkusest: mida lühem on lainepikkus, seda parem on eraldusvõime. Sel põhjusel on optilise mikroskoobiga vaadeldava objekti suurus piiratud valguse lainepikkusega (umbes 0,5 µm).

Valguse interferentsi ja difraktsiooni nähtus on holograafias kujutiste salvestamise ja taasesitamise põhimõtte aluseks. D. Gabori (1900 - 1979) 1948. aastal välja pakutud meetod fikseerib interferentsmustri, mis saadakse objekti ja fotoplaadi valgustamisel koherentsete kiirtega. Saadud hologramm on vahelduvad heledad ja tumedad laigud, mis ei meenuta objekti, kuid difraktsioon valguslainete hologrammist, mis on identne selle salvestamisel kasutatud lainetega, võimaldab taastada reaalse objekti poolt hajutatud laine ja saada selle kolm mõõtmetega pilt.

Polarisatsioon- ainult põiklainetele iseloomulik nähtus. Valguslainete (nagu ka kõigi teiste elektromagnetlainete) põiksuunalisus väljendub selles, et neis võnkuvate elektriliste () ja magnetinduktsiooni () väljade vektorid on laine levimise suunaga risti. Samal ajal on need vektorid üksteisega risti, seetõttu on valguse polarisatsiooni oleku täielikuks kirjeldamiseks vaja teada ainult ühe neist käitumist. Valguse mõju salvestusseadmetele määrab elektrivälja tugevuse vektor, mida nimetatakse valgusvektoriks.

Loodusliku kiirgusallika poolt kiiratavad valguslained ᴛ.ᴇ. sõltumatute aatomite komplekt, ei ole polariseeritud, sest valgusvektori () võnkesuund loomulikus kiires muutub pidevalt ja juhuslikult, jäädes lainekiiruse vektoriga risti.

Valgust, mille puhul valgusvektori suund jääb muutumatuks, nimetatakse tavaliselt lineaarselt polariseeritud. Polarisatsioon on vektori võnkumiste järjestamine. Näiteks on harmooniline laine. Valguse polariseerimiseks kasutatakse seadmeid, mida nimetatakse polarisaatoriteks, mille töö põhineb valguse peegeldumis- ja murdumisprotsesside iseärasustel, samuti kristallilises olekus aine optiliste omaduste anisotroopias. Polarisaatorit läbiva kiire valgusvektor võngub tasapinnal, mida nimetatakse polarisaatori tasapinnaks. Kui polariseeritud valgus läbib teist polarisaatorit, selgub, et edastatava kiire intensiivsus muutub koos polarisaatori pöörlemisega. Valgus läbib seadet neeldumata, kui selle polarisatsioon langeb kokku teise polarisaatori tasandiga ja on kristalli 90 kraadi pööramisel täielikult blokeeritud, kui polariseeritud valguse võnketasand on risti teise polarisaatori tasandiga. polarisaator.

Valguse polarisatsioon on leidnud laialdast rakendust erinevates teadusuuringute ja tehnoloogia harudes. seda kasutatakse mikroskoopilistes uuringutes, helisalvestusel, optilisel lokatsioonil, kiirel filmimisel ja fotograafias, toiduainetööstuses (sahharimeetria) jne.

Dispersioon- laine levimiskiiruse sõltuvus nende sagedusest (lainepikkusest). Kui elektromagnetlained levivad keskkonnas, tekivad

Dispersiooni määravad keskkonna füüsikalised omadused, milles lained levivad. Näiteks vaakumis levivad elektromagnetlained hajutatult, samas kui reaalses keskkonnas, isegi nii haruldases keskkonnas nagu Maa ionosfäär, tekib dispersioon. Heli- ja ultrahelilained tuvastavad ka hajumise. Kui nad levivad keskkonnas, levivad erineva sagedusega harmoonilised lained, milleks signaal tuleks lagundada, erineva kiirusega, mis põhjustab signaali kuju moonutamist. Valguse hajumine - aine murdumisnäitaja sõltuvus valguse sagedusest (lainepikkusest). Kui valguse kiirus muutub sageduse (lainepikkuse) alusel, muutub murdumisnäitaja. Dispersiooni tulemusena laguneb paljudest erineva sagedusega lainetest koosnev valge valgus läbipaistva kolmikprisma läbimisel ja moodustab pideva (pideva) spektri.
Majutatud aadressil ref.rf
Selle spektri uurimine viis I. Newtoni (1672) valguse hajumise avastamiseni. Ainete puhul, mis on antud spektripiirkonnas läbipaistvad, suureneb murdumisnäitaja sageduse suurenemisega (lainepikkuse vähenemisega), mis vastab värvide jaotusele spektris. Suurim murdumisnäitaja on violetsel valgusel (=0,38 µm), madalaim punasel (=0,76 µm). Sarnast nähtust täheldatakse looduses päikesevalguse levimisel atmosfääris ja selle murdumisel vee (suvel) ja jää (talvel) osakestes. See loob vikerkaare või päikesehalo.

Doppleri efekt. Doppleri efekt on vaatleja (vastuvõtja) poolt tajutava sageduse või lainepikkuse muutus, mis on tingitud laineallika ja vaatleja liikumisest üksteise suhtes. Laine kiirus u määratakse keskkonna omadustega ja see ei muutu allika või vaatleja liikumisel. Kui vaatleja või laineallikas liigub keskkonna suhtes kiirusega, siis sagedus v vastuvõetud lained muutuvad erinevaks. Sel juhul, nagu on kindlaks teinud K. Doppler (1803 - 1853), kui vaatleja läheneb allikale, siis lainete sagedus suureneb ja eemaldamisel väheneb. See vastab lainepikkuse vähenemisele λ kui allikas ja vaatleja lähenevad üksteisele ja suurenevad λ kui need on vastastikku eemaldatud. Helilainete puhul väljendub Doppleri efekt heli kõrguse suurenemises, kui heliallikas ja vaatleja lähenevad üksteisele (1 puhul sek vaatleja tajub suuremat hulka laineid) ja vastavalt ka helitooni langemisel nende eemaldamisel. Doppleri efekt põhjustab ka ʼʼpunanihkeʼʼ, nagu eespool kirjeldatud. - liikuvast allikast lähtuva elektromagnetkiirguse sageduste alandamine. See nimi tuleneb sellest, et spektri nähtavas osas nihkuvad Doppleri efekti tulemusena jooned punasesse otsa; ʼʼpunanihetʼʼ täheldatakse ka muude sageduste kiirguses, näiteks raadiosagedusalas. Sageduste suurenemisega seotud vastupidist efekti nimetatakse tavaliselt siniseks (või violetseks) nihkeks. Astrofüüsikas käsitletakse kahte ʼʼpunanihetʼʼ – kosmoloogilist ja gravitatsioonilist. Kosmoloogilist (metagalaktilist) nimetatakse ʼʼpunaseks nihkeksʼʼ, mida täheldatakse kõigi kaugete allikate (galaktikad, kvaasarid) puhul – kiirgussageduste vähenemine, mis näitab nende allikate eemaldamist üksteisest ja eriti meie galaktikast, st mittestatsionaarsuse (paisumise) kohta. ) metagalaktikad. ʼʼPunanihkeʼʼ galaktikate jaoks avastas Ameerika astronoom W. Slifer aastatel 1912–1914; 1929. aastal avastas E. Hubble, et kaugete galaktikate puhul on see suurem kui läheduses asuvate galaktikate puhul ja suureneb ligikaudu proportsionaalselt kaugusega. See võimaldas paljastada galaktikate vastastikuse eemaldamise (taganemise) seaduse. Hubble'i seadus on antud juhul kirjutatud kujul

u = HR; (3.14)

(u on galaktika taandumise kiirus, r- kaugus sellest, H - Hubble'i konstant). Määrates ʼʼʼʼʼʼʼ väärtusega galaktika eemaldamise määra, saate arvutada selle kauguse. Ekstragalaktiliste objektide kauguste määramiseks selle valemi abil peate teadma Hubble'i konstandi arvväärtust N. Selle konstandi tundmine on väga oluline ka kosmoloogia jaoks: sellega on seotud Universumi "vanuse" määratlus. 1970. aastate alguses peeti Hubble'i konstantiks H =(3 – 5)*10 –18 s –1 , vastastikune T = 1/H = 18 miljardit aastat. Gravitatsiooniline ʼʼpunaniheʼʼ on ajatempo aeglustumise tagajärg ja on tingitud gravitatsiooniväljast (üldrelatiivsusteooria mõju). Seda nähtust nimetatakse ka Einsteini efektiks või üldistatud Doppleri efektiks. Seda on täheldatud alates 1919. aastast, esmalt Päikese kiirguses ja seejärel mõnes teises tähes. Paljudel juhtudel (näiteks gravitatsioonilise kollapsi ajal) tuleks täheldada mõlemat tüüpi "punanihet".

Lainete füüsikaline olemus Mehaaniline
elastne
Pinnal
vedelikud
elektromagnetiline
valgus
röntgen
Heli
raadiolained
seismiline

Mehaaniline laine on ruumis levivate aineosakeste võnkumine.

Meediumi punkte, milles ühes faasis võnkuvad lained levivad, nimetatakse lainepindadeks.

Mehaanilise laine ilmnemiseks on vaja kahte tingimust:

Võrreldes laine levimise suunda ja keskkonna punktide võnkesuunda, on võimalik eristada piki- ja põiklaineid.

Laineid, mille puhul ergastatud keskkonna punktide võnkesuund on paralleelne laine levimise suunaga, nimetatakse pikisuunalisteks.

Laineid, mille puhul ergastatud keskkonna punktide võnkesuund on laine levimise suunaga risti, nimetatakse põiksuunalisteks.

Vedeliku pinnal olevad lained ei ole piki- ega põikisuunalised. Seega laine vedeliku pinnal on

Ringlained vedeliku pinnal

Mehaaniliste lainete omadused

Kui laine liigub ühest keskkonnast teise, langedes kahe meediumi vahelisele liidesele nullist erineva nurga all, kogeb see

Laine võib liikuda ümber takistuste, mille mõõtmed on proportsionaalsed selle pikkusega. Takistuste ümber painduvate lainete nähtust nimetatakse difraktsiooniks.

Sama sagedusega ja konstantse faaside erinevusega võnkuvaid laineallikaid nimetatakse koherentseteks. Nagu iga laine, mille moodustab

Heli on elastsed lained, mis levivad gaasides, vedelikes, tahketes ainetes ja mida tajuvad inimese ja looma kõrvad. mehaanilised lained

Heli kuulmiseks vajate:

Elastses keskkonnas tekkivad mehaanilised lained, milles keskkonna osakesed võnguvad helivahemiku sagedustest madalamate sagedustega

Elastses keskkonnas tekkivad mehaanilised lained, milles keskkonna osakesed võnguvad helivahemiku sagedustest suuremate sagedustega