Тази статия разглежда такова явление на физиката като интерференция: какво е, кога се появява и как се прилага. Освен това тя подробно описва свързаната концепция на вълновата физика - дифракция.
Видове вълни
Когато думата се появи в книга или разговор"Вълна", тогава, като правило, веднага се появява морето: синя ширина, огромно разстояние, един след друг солени брегове се стичат по брега. Жител на степите ще си представи различна гледка: огромната тревна площ, тя се люлее под нежния бриз. Някой друг ще си спомни вълните, гледайки гънките на тежка завеса или трептенето на знаме в слънчев ден. Математик ще мисли за синусоида, радио фанатик за електромагнитните вибрации. Всички те са от различно естество и принадлежат към различни видове. Но едно е безспорно: вълната е състояние на отклонение от равновесието, превръщането на някакъв „гладък“ закон в осцилационен. Именно за тях е приложимо такова явление като намеса. Какво е и как възниква, ще разгледаме малко по-късно. Първо, нека разберем какви са вълните. Ние изброяваме следните видове:
- механично;
- химически;
- електромагнитно;
- гравитационното;
- върти;
- вероятностни.
Физически вълните носят енергия. Но се случва и масата да се движи. Отговаряйки на въпроса какво е намеса във физиката, трябва да се отбележи, че тя е характерна за вълни от абсолютно всякакъв характер.
Признаци на вълновата разлика
Колкото и да е странно, няма една единствена дефиниция на вълна. Техните видове са толкова разнообразни, че има повече от дузина видове класификация. Какви са критериите за разграничаване на вълните?
- По метода на размножаване в околната среда (бягане или стоене).
- По естеството на самата вълна (вибрационните и солитоните са различни именно за тази характеристика).
- По вида на разпределението в средата (надлъжно, напречно).
- По степен на линейност (линейна или нелинейна).
- По свойствата на средата, в която се разпространяват (дискретно, непрекъснато).
- По форма (плоска, сферична, спирална).
- По характеристиките на физическата среда на разпространение (механична, електромагнитна, гравитационна).
- В посока на вибрация на частиците на средата (сгъстяващи или срязващи вълни).
- По времето, което е необходимо за възбуждане на средата (единичен, монохроматичен, вълнов пакет).
И за всеки тип от тези нарушения на околната среда е приложимосмущения. Какво е особеното в тази концепция и защо именно този феномен прави нашия свят такъв, какъвто е, ще разкажем, след като донесем характеристиките на вълната.
Вълнови характеристики
Независимо от вида и вида на вълните, всички те имат общи характеристики. Ето списък:
- Гребенът е един вид максимум. За компресионните вълни това е мястото с най-висока плътност на средата. Представлява най-голямото положително отклонение на трептенията от състоянието на равновесие.
- Вдлъбнатина (в някои случаи долина) е обратната страна на концепцията за билото. Минимално, най-голямо отрицателно отклонение от равновесието.
- Периодичността във времето или честотата е времето, необходимо за вълна да премине от един максимум към друг.
- Пространствената периодичност или дължината на вълната е разстоянието между съседните върхове.
- Амплитуда е височината на върховете. Именно тази дефиниция ще е необходима, за да разберем какво е вълна.
Разгледахме много подробно вълната, нейнатахарактеристики и различни класификации, тъй като понятието „намеса“ не може да бъде обяснено без ясно разбиране на такова явление като нарушение на околната среда. Припомняме ви, че намесата има смисъл само за вълните.
Взаимодействие на вълни
Сега се доближаваме до концепцията„Намеса“: какво е това, кога се появява и как да го дефинирам. Всички горепосочени видове, видове и характеристики на вълните принадлежат към идеалния случай. Това бяха описания на „сферичен кон във вакуум“, тоест някои теоретични конструкции, които са невъзможни в реалния свят. Но на практика цялото пространство наоколо е проникнато от различни вълни. Светлината, звукът, топлината, радиото, химическите процеси са периодични трептения на околната среда. И всички тези вълни си взаимодействат. Трябва да се отбележи една особеност: за да си влияят взаимно, те трябва да имат сходни характеристики.
Звуковите вълни по никакъв начин няма да могатпречат на светлината и радиовълните не взаимодействат по никакъв начин с вятъра. Разбира се, все още има влияние, но то е толкова малко, че ефектът му просто не се взема предвид. С други думи, когато се обяснява какво е светлинна интерференция, се приема, че единият фотон влияе на другия, когато се срещне. Така че, по-подробно.
Намеса
За много видове вълни се прилага принципътсуперпозиция: среща в една точка от пространството, те си взаимодействат. Обменът на енергия се показва при промяната в амплитудата. Законът на взаимодействието е следният: ако два максимума се срещат в една точка, тогава в последната вълна интензитетът на максимума се удвоява; ако се срещнат максимум и минимум, получената амплитуда изчезва. Това е ясен отговор на въпроса каква е интерференцията на светлината и звука. По същество това е припокриващо се явление.
Интерференция на вълните с различни характеристики
Описаното по-горе събитие представлява срещата на двамаидентични вълни в линейно пространство. Въпреки това, две противоположни вълни могат да имат различни честоти, амплитуди и дължини. Как да представим крайната картина в този случай? Отговорът се крие във факта, че резултатът няма да изглежда точно като вълна. Тоест строгият ред на редуване на върхове и падения ще бъде нарушен: в един момент амплитудата ще бъде максимална, следващата - вече по-малка, след това ще се срещнат максимумът и минимумът и резултатът ще се превърне в нула. Въпреки това, колкото и силни да са разликите между двете вълни, амплитудата пак ще се повтори рано или късно. В математиката е обичайно да се говори за безкрайност, но в действителност силите на триене и инерция могат да спрат самото съществуване на получената вълна, преди моделът на върхове, долини и равнини да се повтори.
Интерференция на вълни, срещащи се под ъгъл
Но, в допълнение към собствените си характеристики, реалноположението на вълните в пространството може да се различава. Например, когато се обмисля какво е звукова намеса, това трябва да се вземе предвид. Представете си: едно момче върви и свири. Той изпраща звукова вълна пред себе си. И още едно момче на колело минава покрай него и звъни на звънеца, за да отстъпи пешеходеца. В мястото на срещата на тези две звукови вълни те се пресичат под определен ъгъл. Как да изчислим амплитудата и формата на крайната вибрация на въздуха, която ще отлети например до най-близкия търговец на семената на баба Маша? Тук влиза в действие векторният компонент на звуковата вълна. И в този случай е необходимо да се добавят или изваждат не само величините на амплитудата, но и векторите на разпространение на тези трептения. Надяваме се, че баба Маша няма да крещи твърде много на шумните деца.
Интерференция на светлината с различни поляризации
Случва се и в един момент да се срещнатфотони с различна поляризация. В този случай трябва да се вземе предвид и векторната компонента на електромагнитните трептения. Ако те не са взаимно перпендикулярни или някой от светлинните лъчи има кръгла или елиптична поляризация, тогава взаимодействието е напълно възможно. Няколко метода за определяне на оптичната чистота на кристалите се основават на този принцип: не трябва да има взаимодействие в перпендикулярно поляризирани лъчи. Ако картината е изкривена, тогава кристалът е несъвършен, той променя поляризацията на лъчите, което означава, че е израснал неправилно.
Интерференция и дифракция
Взаимодействието на два лъча светлина води до тяхнотоинтерференция, в резултат наблюдателят вижда серия от светли (максимуми) и тъмни (минимуми) ленти или пръстени. Но взаимодействието на светлината и материята е придружено от друго явление - дифракция. Тя се основава на факта, че светлината с различни дължини на вълната се пречупва по различен начин от средата. Например, ако дължината на вълната е 300 нанометра, тогава ъгълът на отклонение е 10 градуса, а ако 500 нанометра - вече 12. По този начин, когато светлината от слънчевия лъч попадне върху кварцова призма, червеното се пречупва по различен начин от виолетовата (дължините на вълните им се различават ) и наблюдателят вижда дъга. Това е отговорът на въпроса какво е интерференция и дифракция на светлината и как те се различават. Ако насочите едноцветно излъчване от лазер към една и съща призма, няма да има дъга, тъй като няма фотони с различни дължини на вълната. Лъчът просто ще се отклони от първоначалната посока на разпространение с някакъв ъгъл и това е всичко.
Практическо приложение на феномена на интерференция
Има много възможности за практическо използване на този чисто теоретичен феномен. Тук ще бъдат изброени само основните:
- Изследване на качеството на кристалите. Говорихме за това малко по-високо.
- Идентифициране на грешки на обектива. Често трябва да се смилат до идеална сферична форма. Наличието на някакви дефекти се открива точно с помощта на феномена на интерференция.
- Определяне на дебелината на филма.При някои видове производство постоянната дебелина на филма, например пластмасата, означава много. Точно феноменът на интерференцията заедно с дифракцията дава възможност да се определи нейното качество.
- Просветление на оптиката.Очила, лещи на фотоапарати и микроскопи са покрити с тънък филм. По този начин електромагнитните вълни с определена дължина просто се отразяват и наслагват върху себе си, намалявайки смущенията. Най-често просветлението се извършва в зелената част на оптичния спектър, тъй като именно тази област човешкото око възприема най-добре.
- Изследване на космоса. Познавайки законите на интерференцията, астрономите могат да разделят спектрите на две близко разположени звезди и да определят техния състав и разстоянието до Земята.
- Теоретични изследвания.Някога с помощта на явлението интерференция беше възможно да се докаже вълновата природа на елементарните частици, като електрони и протони. Това потвърди хипотезата за частично-вълновия дуализъм на микросвета и положи основите на квантовата ера.
Надяваме се, че с тази статия вашите познания засуперпозицията на кохерентни (излъчвани от източници с постоянна фазова разлика и същата честота) вълни са се разширили значително. Това явление се нарича интерференция.
