Αυτό το άρθρο εξετάζει ένα τέτοιο φαινόμενο φυσικής ως παρεμβολή: τι είναι, πότε συμβαίνει και πώς εφαρμόζεται. Αναλύει επίσης τη σχετική έννοια της φυσικής των κυμάτων - περίθλαση.
Τύποι κυμάτων
Όταν η λέξη εμφανίζεται σε ένα βιβλίο ή μια συνομιλία"Κύμα", τότε, κατά κανόνα, η θάλασσα εμφανίζεται αμέσως: μια γαλάζια έκταση, μια τεράστια απόσταση, η μια μετά την άλλη αλμυρές όχθες ανεβαίνουν στην ακτή. Ένας κάτοικος των στεπών θα φανταστεί μια διαφορετική άποψη: την απέραντη έκταση του γρασιδιού, κυματίζει κάτω από το απαλό αεράκι. Κάποιος άλλος θα θυμάται τα κύματα, κοιτάζοντας τις πτυχές μιας βαριάς κουρτίνας ή το κυματισμό μιας σημαίας μια ηλιόλουστη ημέρα. Ένας μαθηματικός θα σκεφτεί ένα ημιτονοειδές κύμα, ένας ραδιοφωνικός φανατικός για τις ηλεκτρομαγνητικές ταλαντώσεις. Όλα είναι διαφορετικής φύσης και ανήκουν σε διαφορετικά είδη. Αλλά ένα πράγμα είναι αδιαμφισβήτητο: ένα κύμα είναι μια κατάσταση απόκλισης από την ισορροπία, η μετατροπή κάποιου «ομαλού» νόμου σε ταλαντωτή. Είναι γι 'αυτούς ένα τέτοιο φαινόμενο όπως παρεμβολές. Τι είναι και πώς προκύπτει, θα εξετάσουμε λίγο αργότερα. Αρχικά, ας υπολογίσουμε τι είναι τα κύματα. Παραθέτουμε τους ακόλουθους τύπους:
- μηχανικός;
- χημική ουσία;
- ηλεκτρομαγνητικός;
- βαρυτική;
- γνέθω;
- πιθανοτική.
Φυσικά, τα κύματα μεταφέρουν ενέργεια.Αλλά συμβαίνει ότι η μάζα κινείται επίσης. Απαντώντας στο ερώτημα της παρεμβολής στη φυσική, πρέπει να σημειωθεί ότι είναι χαρακτηριστικό κυμάτων απόλυτα οποιασδήποτε φύσης.
Σημάδια διαφοράς κυμάτων
Περιέργως, αλλά δεν υπάρχει κανένας ορισμός ενός κύματος Οι τύποι τους είναι τόσο διαφορετικοί που υπάρχουν περισσότεροι από δώδεκα τύποι ταξινόμησης μόνοι τους. Ποια είναι τα κριτήρια για τη διάκριση των κυμάτων;
- Με τη μέθοδο διάδοσης στο περιβάλλον (τρέξιμο ή όρθιο).
- Από τη φύση του ίδιου του κύματος (οι δονήσεις και τα solitons διαφέρουν ακριβώς για αυτό το χαρακτηριστικό).
- Με τον τύπο κατανομής στο μέσο (διαμήκη, εγκάρσια).
- Από το βαθμό γραμμικότητας (γραμμικό ή μη γραμμικό).
- Από τις ιδιότητες του περιβάλλοντος στο οποίο διαδίδονται (διακριτές, συνεχείς).
- Σε σχήμα (επίπεδο, σφαιρικό, σπειροειδές).
- Με τα χαρακτηριστικά του φυσικού περιβάλλοντος της διάδοσης (μηχανικό, ηλεκτρομαγνητικό, βαρυτικό).
- Στην κατεύθυνση της δόνησης των σωματιδίων του μέσου (κύματα συμπίεσης ή διάτμησης).
- Μέχρι το χρόνο που χρειάζεται για να διεγείρει το μέσο (μονόχρωμο, πακέτο κυμάτων).
Και σε κάθε τύπο από αυτές τις διαταραχές του περιβάλλοντος ισχύειπαρέμβαση. Αυτό που είναι ιδιαίτερο σε αυτήν την ιδέα και γιατί αυτό το φαινόμενο κάνει τον κόσμο μας όπως είναι, θα το πούμε αφού φέρουμε τα χαρακτηριστικά του κύματος.
Χαρακτηριστικά κύματος
Ανεξάρτητα από τον τύπο και τον τύπο των κυμάτων, όλα έχουν κοινά χαρακτηριστικά. Ακολουθεί μια λίστα:
- Η χτένα είναι ένα είδος μέγιστου. Για κύματα συμπίεσης, αυτό είναι το μέρος της υψηλότερης πυκνότητας του μέσου. Αντιπροσωπεύει τη μεγαλύτερη θετική απόκλιση της ταλάντωσης από την κατάσταση ισορροπίας.
- Ένα κοίλο (σε ορισμένες περιπτώσεις, μια κοιλάδα) είναι το αντίστροφο της έννοιας της κορυφογραμμής. Η ελάχιστη, η μεγαλύτερη αρνητική απόκλιση από την κατάσταση ισορροπίας.
- Η περιοδικότητα του χρόνου ή η συχνότητα είναι ο χρόνος που χρειάζεται ένα κύμα για να ταξιδέψει από το ένα στο άλλο.
- Η χωρική περιοδικότητα ή το μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ γειτονικών κορυφών.
- Το πλάτος είναι το ύψος των κορυφών. Αυτός ο ορισμός θα είναι απαραίτητος για να κατανοήσουμε τι είναι η παρεμβολή κυμάτων.
Εξετάσαμε με μεγάλη λεπτομέρεια το κύμα, τοχαρακτηριστικά και διαφορετικές ταξινομήσεις, επειδή η έννοια της «παρεμβολής» δεν μπορεί να εξηγηθεί χωρίς σαφή κατανόηση ενός τέτοιου φαινομένου ως διαταραχής του περιβάλλοντος. Ως υπενθύμιση, η παρέμβαση έχει νόημα μόνο για τα κύματα.
Αλληλεπίδραση κυμάτων
Τώρα πλησιάζουμε στην ιδέα"Παρεμβολή": τι είναι, πότε συμβαίνει και πώς να το ορίσετε. Όλοι οι παραπάνω τύποι, τύποι και χαρακτηριστικά των κυμάτων ανήκαν στην ιδανική περίπτωση. Αυτές ήταν περιγραφές ενός "σφαιρικού αλόγου σε κενό", δηλαδή, ορισμένων θεωρητικών κατασκευών που είναι αδύνατες στον πραγματικό κόσμο. Στην πράξη, όλος ο χώρος περιβάλλεται από διάφορα κύματα. Φως, ήχος, θερμότητα, ραδιόφωνο, χημικές διεργασίες είναι περιοδικές ταλαντώσεις του περιβάλλοντος. Και όλα αυτά τα κύματα αλληλεπιδρούν. Πρέπει να σημειωθεί ένα χαρακτηριστικό: για να επηρεάσουν ο ένας τον άλλον, πρέπει να έχουν παρόμοια χαρακτηριστικά.
Τα κύματα του ήχου σε καμία περίπτωση δεν θα μπορούνπαρεμβαίνει στο φως και τα ραδιοκύματα δεν αλληλεπιδρούν με τον αέρα με κανέναν τρόπο. Φυσικά, εξακολουθεί να υπάρχει επιρροή, αλλά είναι τόσο μικρό που το αποτέλεσμά του απλά δεν λαμβάνεται υπόψη. Με άλλα λόγια, όταν εξηγείται τι είναι η παρεμβολή φωτός, θεωρείται ότι ένα φωτόνιο επηρεάζει το άλλο όταν συναντά. Έτσι, με περισσότερες λεπτομέρειες.
Παρέμβαση
Για πολλούς τύπους κυμάτων, ισχύει η αρχήυπέρθεση: συναντιούνται σε ένα σημείο στο διάστημα, αλληλεπιδρούν. Η ανταλλαγή ενέργειας εμφανίζεται στην αλλαγή πλάτους Ο νόμος της αλληλεπίδρασης έχει ως εξής: εάν δύο μέγιστα συναντηθούν σε ένα σημείο, τότε στο τελικό κύμα η ένταση του μέγιστου διπλασιάζεται. Αν συναντήσετε ένα μέγιστο και ένα ελάχιστο, το προκύπτον εύρος εξαφανίζεται. Αυτή είναι μια σαφής απάντηση στο ερώτημα ποια είναι η παρέμβαση του φωτός και του ήχου. Στην ουσία, αυτό είναι ένα φαινόμενο αλληλεπικάλυψης.
Παρεμβολή κυμάτων με διαφορετικά χαρακτηριστικά
Το συμβάν που περιγράφεται παραπάνω αντιπροσωπεύει μια συνάντηση δύοπανομοιότυπα κύματα σε γραμμικό χώρο. Ωστόσο, δύο αντίθετα κύματα μπορούν να έχουν διαφορετικές συχνότητες, πλάτη και μήκη. Πώς να παρουσιάσετε την τελική εικόνα σε αυτήν την περίπτωση; Η απάντηση έγκειται στο γεγονός ότι το αποτέλεσμα δεν θα μοιάζει ακριβώς με ένα κύμα. Δηλαδή, η αυστηρή σειρά εναλλαγής των υψηλών και χαμηλών θα παραβιαστεί: κάποια στιγμή το πλάτος θα είναι μέγιστο, το επόμενο - ήδη μικρότερο, τότε το μέγιστο και το ελάχιστο θα συναντηθούν και το αποτέλεσμα θα γίνει μηδέν. Ωστόσο, ανεξάρτητα από το πόσο ισχυρές είναι οι διαφορές μεταξύ των δύο κυμάτων, το πλάτος θα επαναληφθεί αργά ή γρήγορα. Στα μαθηματικά, είναι συνηθισμένο να μιλάμε για άπειρο, αλλά στην πραγματικότητα, οι δυνάμεις της τριβής και της αδράνειας μπορούν να σταματήσουν την ίδια την ύπαρξη του προκύπτοντος κύματος πριν επαναληφθεί το μοτίβο των κορυφών, των κοιλάδων και των πεδιάδων.
Παρεμβολή κυμάτων που συναντώνται υπό γωνία
Αλλά, εκτός από τα δικά τους χαρακτηριστικά, πραγματικάΗ θέση των κυμάτων στο διάστημα μπορεί να διαφέρει. Για παράδειγμα, όταν εξετάζουμε τι είναι ηχητική παρέμβαση, αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη. Φανταστείτε: ένα αγόρι περπατά και σφυρίζει. Στέλνει ένα ηχητικό κύμα μπροστά του. Και ένα άλλο αγόρι με ένα ποδήλατο περνάει μπροστά του και χτυπά το κουδούνι για να περάσει ο πεζός. Στο σημείο συνάντησης αυτών των δύο ηχητικών κυμάτων, τέμνονται σε μια συγκεκριμένη γωνία. Πώς να υπολογίσετε το πλάτος και το σχήμα της τελικής δόνησης του αέρα, ο οποίος θα πετάξει, για παράδειγμα, στον πλησιέστερο έμπορο στους σπόρους της γιαγιάς Μάσα; Εδώ μπαίνει το διανυσματικό στοιχείο του ηχητικού κύματος. Και σε αυτήν την περίπτωση, είναι απαραίτητο να προσθέσετε ή να αφαιρέσετε όχι μόνο τα μεγέθη του πλάτους, αλλά και τους φορείς διάδοσης αυτών των ταλαντώσεων. Ελπίζουμε ότι η γιαγιά Μάσα δεν θα φωνάζει πάρα πολύ στα θορυβώδη παιδιά.
Παρεμβολή φωτός με διαφορετικές πόλωση
Συμβαίνει επίσης ότι σε ένα σημείο συναντιούνταιφωτόνια διαφορετικής πόλωσης. Σε αυτήν την περίπτωση, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη το στοιχείο φορέα των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων. Εάν δεν είναι αμοιβαία κάθετα ή μία από τις φωτεινές ακτίνες έχει κυκλική ή ελλειπτική πόλωση, τότε είναι δυνατή η αλληλεπίδραση. Αρκετές μέθοδοι προσδιορισμού της οπτικής καθαρότητας των κρυστάλλων βασίζονται σε αυτήν την αρχή: δεν πρέπει να υπάρχει αλληλεπίδραση σε κάθετα πολωμένες δοκούς. Εάν η εικόνα είναι παραμορφωμένη, τότε ο κρύσταλλος είναι ατελής, αλλάζει την πόλωση των δοκών, πράγμα που σημαίνει ότι έχει αναπτυχθεί εσφαλμένα.
Παρεμβολή και περίθλαση
Η αλληλεπίδραση δύο ακτίνων φωτός οδηγεί σε αυτέςπαρεμβολή, ως αποτέλεσμα, ο παρατηρητής βλέπει μια σειρά από φωτεινές (μέγιστα) και σκοτεινές (ελάχιστες) ζώνες ή δαχτυλίδια. Αλλά η αλληλεπίδραση φωτός και ύλης συνοδεύεται από ένα άλλο φαινόμενο - περίθλαση Βασίζεται στο γεγονός ότι το φως με διαφορετικά μήκη κύματος διαθλάται διαφορετικά από το μέσο. Για παράδειγμα, εάν το μήκος κύματος είναι 300 νανόμετρα, τότε η γωνία εκτροπής είναι 10 μοίρες και εάν 500 νανόμετρα - ήδη 12. Έτσι, όταν το φως από την ακτίνα του ήλιου πέφτει σε ένα πρίσμα χαλαζία, το κόκκινο διαθλάται διαφορετικά από το ιώδες (τα μήκη κύματος τους διαφέρουν ) και ο παρατηρητής βλέπει ένα ουράνιο τόξο. Αυτή είναι η απάντηση στο ερώτημα τι είναι η παρέμβαση και η περίθλαση του φωτός και πώς διαφέρουν. Εάν κατευθύνετε μονοχρωματική ακτινοβολία από λέιζερ στο ίδιο πρίσμα, δεν θα υπάρχει ουράνιο τόξο, καθώς δεν υπάρχουν φωτόνια διαφορετικών μηκών κύματος. Η ακτίνα απλά θα παρεκκλίνει από την αρχική κατεύθυνση της διάδοσης από κάποια γωνία, και αυτό είναι.
Πρακτική εφαρμογή του φαινομένου παρεμβολών
Υπάρχουν πολλές ευκαιρίες για πρακτική χρήση από αυτό το καθαρά θεωρητικό φαινόμενο. Μόνο τα κύρια θα αναφέρονται εδώ:
- Μελέτη της ποιότητας των κρυστάλλων. Μιλήσαμε για αυτό λίγο ψηλότερα.
- Προσδιορισμός σφαλμάτων φακού. Συχνά πρέπει να γειωθούν σε τέλειο σφαιρικό σχήμα. Η παρουσία τυχόν ελαττωμάτων ανιχνεύεται ακριβώς με τη βοήθεια του φαινομένου παρεμβολών.
- Προσδιορισμός του πάχους των μεμβρανών.Σε ορισμένους τύπους παραγωγής, το σταθερό πάχος της μεμβράνης, για παράδειγμα, το πλαστικό, σημαίνει πολύ. Είναι ακριβώς το φαινόμενο των παρεμβολών μαζί με τη διάθλαση που καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της ποιότητάς του.
- Διαφωτισμός οπτικών.Τα γυαλιά, οι φακοί των καμερών και των μικροσκοπίων καλύπτονται με ένα λεπτό φιλμ. Έτσι, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ενός συγκεκριμένου μήκους αντανακλούν απλά και τοποθετούνται πάνω τους, μειώνοντας τις παρεμβολές. Τις περισσότερες φορές, η φώτιση γίνεται στο πράσινο μέρος του οπτικού φάσματος, καθώς αυτός είναι ο τομέας που το ανθρώπινο μάτι αντιλαμβάνεται καλύτερα.
- Εξερεύνηση του διαστήματος. Γνωρίζοντας τους νόμους της παρέμβασης, οι αστρονόμοι είναι σε θέση να διαχωρίσουν τα φάσματα δύο στενών αστεριών και να καθορίσουν τις συνθέσεις τους και την απόσταση από τη Γη.
- Θεωρητική έρευνα.Κάποτε, με τη βοήθεια του φαινομένου της παρεμβολής ήταν δυνατό να αποδειχθεί η κυματική φύση των στοιχειωδών σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια. Αυτό επιβεβαίωσε την υπόθεση της δυαδικότητας κυμάτων-σωματιδίων του κόσμου και έθεσε τα θεμέλια για την κβαντική εποχή.
Ελπίζουμε ότι με αυτό το άρθρο τις γνώσεις σαςη υπέρθεση του συνεκτικού (που εκπέμπεται από πηγές με σταθερή διαφορά φάσης και την ίδια συχνότητα) τα κύματα έχουν επεκταθεί σημαντικά. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται παρεμβολή.
