Ovaj članak istražuje takav fizički fenomen kao što su smetnje: što je to, kada se javlja i kako se primjenjuje. Također detaljno opisuje povezani koncept fizike valova - difrakcija.
Vrste valova
Kad se riječ pojavi u knjizi ili razgovoru"Val", tada se, u pravilu, odmah pojavi more: plavo prostranstvo, neizmjerna udaljenost, jedna za drugom slane obale trče uz obalu. Stanovnik stepa zamišljat će drugačiji pogled: beskrajno prostranstvo trave, njiše se pod blagim povjetarcem. Netko drugi sjetit će se valova, gledajući nabore teške zavjese ili lepršanje zastave po sunčanom danu. Matematičar će razmišljati o sinusnom valu, a radio fanatik o elektromagnetskim oscilacijama. Svi su oni različite prirode i pripadaju različitim vrstama. Ali jedno je nesporno: val je stanje odstupanja od ravnoteže, pretvaranje nekog "glatkog" zakona u oscilatorni. Za njih je primjenjiv takav fenomen kao interferencija. Što je i kako nastaje, razmotrit ćemo malo kasnije. Prvo, shvatimo što su valovi. Navodimo sljedeće vrste:
- mehanički;
- kemijska;
- elektromagnetski;
- gravitacijski;
- vrtjeti se;
- vjerojatnosna.
Fizički, valovi nose energiju.Ali događa se da se i masa kreće. Odgovarajući na pitanje kakva je smetnja u fizici, valja napomenuti da je ona svojstvena valovima apsolutno bilo koje prirode.
Znakovi valne razlike
Čudno, ali ne postoji jedinstvena definicija vala. Njihove su vrste toliko raznolike da postoji više od desetak vrsta klasifikacije. Koji su kriteriji za razlikovanje valova?
- Metodom razmnožavanja u okolišu (trčanje ili stajanje).
- Po prirodi samog vala (vibracijski i solitons se razlikuju upravo po ovoj osobini).
- Po tipu raspodjele u mediju (uzdužni, poprečni).
- Po stupnju linearnosti (linearne ili nelinearne).
- Po svojstvima medija u kojem se šire (diskretni, kontinuirani).
- U obliku (ravni, sferni, spiralni).
- Po osobenostima fizičkog medija širenja (mehaničkog, elektromagnetskog, gravitacijskog).
- U smjeru vibracije čestica medija (kompresijski ili posmični valovi).
- Do vremena potrebnog za pobuđivanje medija (pojedinačni, jednobojni, valni paket).
I na bilo koju vrstu ovih poremećaja okoliša je primjenjivosmetnje. Što je posebno kod ovog koncepta i zašto upravo taj fenomen čini naš svijet takvim kakav jest, reći ćemo nakon donošenja karakteristika vala.
Karakteristike valova
Bez obzira na vrstu i vrstu valova, svi oni imaju zajedničke karakteristike. Evo popisa:
- Češalj je neka vrsta maksimuma. Za kompresijske valove ovo je mjesto najveće gustoće medija. Predstavlja najveće pozitivno odstupanje oscilacije od stanja ravnoteže.
- Šupljina (u nekim slučajevima dolina) obrnuta je od koncepta grebena. Minimalno, najveće negativno odstupanje od ravnotežnog stanja.
- Vremenska periodičnost ili frekvencija je vrijeme potrebno da val pređe s jednog maksimuma na drugi.
- Prostorna periodičnost ili valna duljina je udaljenost između susjednih vrhova.
- Amplituda je visina vrhova. Upravo će ta definicija biti potrebna da bi se razumjelo što je interferencija valova.
Vrlo smo detaljno ispitali val, njegovkarakteristike i razne klasifikacije, jer se pojam "smetnje" ne može objasniti bez jasnog razumijevanja takve pojave kao što je narušavanje okoliša. Podsjećanja radi, smetnje imaju smisla samo za valove.
Interakcija valova
Sad smo se približili konceptu"Interferencija": što je to, kada se javlja i kako to definirati. Sve gore navedene vrste, vrste i karakteristike valova pripadale su idealnom slučaju. To su bili opisi "sfernog konja u vakuumu", odnosno neke teorijske konstrukcije koje su u stvarnom svijetu nemoguće. Ali u praksi je sav prostor uokolo prožet raznim valovima. Svjetlost, zvuk, toplina, radio, kemijski procesi periodična su oscilacija okoliša. I svi ti valovi međusobno djeluju. Treba napomenuti jednu značajku: da bi mogli utjecati jedni na druge, moraju imati slična obilježja.
Valovi zvuka nikako neće moćiometaju svjetlost, a radio valovi ni na koji način ne komuniciraju s vjetrom. Naravno, utjecaja još uvijek ima, ali on je toliko malen da se njegov učinak jednostavno ne uzima u obzir. Drugim riječima, kada se objašnjava što je interferencija svjetlosti, pretpostavlja se da jedan foton utječe na drugi kad se susretne. Dakle, detaljnije.
interferencija
Za mnoge vrste valova vrijedi principsuperpozicija: susreću se u jednom trenutku u prostoru, oni međusobno djeluju. Izmjena energije prikazuje se na promjeni amplitude. Zakon interakcije je sljedeći: ako se u jednom trenutku susretnu dva maksimuma, tada se u završnom valu intenzitet maksimuma udvostručuje; ako se naiđe na maksimum i minimum, rezultirajuća amplituda nestaje. Ovo je jasan odgovor na pitanje koja je interferencija svjetlosti i zvuka. U biti, ovo je fenomen preklapanja.
Interferencija valova različitih karakteristika
Gore opisani događaj predstavlja susret dvojeidentični valovi u linearnom prostoru. Međutim, dva suprotstavljena vala mogu imati različite frekvencije, amplitude i duljine. Kako u ovom slučaju predstaviti konačnu sliku? Odgovor leži u činjenici da rezultat neće izgledati baš poput vala. To jest, strogi će se redoslijed izmjenjivanja najnižih i najnižih vrijednosti prekršiti: u nekom će trenutku amplituda biti maksimalna, sljedeći - već manja, tada će se sastati maksimum i minimum, a rezultat će se okrenuti na nulu. Međutim, bez obzira koliko su jake razlike između dva vala, amplituda će se ipak ponoviti prije ili kasnije. U matematici je uobičajeno govoriti o beskonačnosti, ali u stvarnosti sile trenja i inercije mogu zaustaviti samo postojanje rezultirajućeg vala prije nego što se ponovi obrazac vrhova, dolina i ravnica.
Interferencija valova koji se susreću pod kutom
Ali, pored vlastitih karakteristika, stvarnihpoložaj valova u prostoru može se razlikovati. Primjerice, kada se razmatra što su smetnje zvuka, to se mora uzeti u obzir. Zamislite: dječak hoda i puše u zvižduk. Ispred sebe šalje zvučni val. I još jedan dječak na biciklu vozi se pored njega i zvoni za pješaka da se odmakne. Na mjestu susreta ova dva zvučna vala sijeku se pod određenim kutom. Kako izračunati amplitudu i oblik konačne vibracije zraka, koji će odletjeti, na primjer, do najbližeg trgovca sjemenkama bake Maše? Tu dolazi do izražaja vektorska komponenta zvučnog vala. I u ovom je slučaju potrebno zbrajati ili oduzimati ne samo veličine amplitude, već i vektore širenja tih oscilacija. Nadamo se da baka Maša neće previše vikati na bučnu djecu.
Interferencija svjetlosti s različitim polarizacijama
Dogodi se i da se u jednom trenutku sretnufotoni različite polarizacije. U tom slučaju treba uzeti u obzir i vektorsku komponentu elektromagnetskih oscilacija. Ako nisu međusobno okomite ili jedna od svjetlosnih zraka ima kružnu ili eliptičnu polarizaciju, tada je interakcija sasvim moguća. Nekoliko metoda određivanja optičke čistoće kristala temelji se na ovom principu: ne smije doći do interakcije u okomito polariziranim snopovima. Ako je slika iskrivljena, tada je kristal nesavršen, mijenja polarizaciju zraka, što znači da je nepravilno uzgojen.
Interferencija i difrakcija
Interakcija dviju zraka svjetlosti dovodi do njihovogsmetnje, kao rezultat toga, promatrač vidi niz svijetlih (maksimuma) i tamnih (minimuma) traka ili prstenova. Ali interakciju svjetlosti i materije prati još jedan fenomen - difrakcija. Temelji se na činjenici da se medij različito lomi svjetlost različitih valnih duljina. Na primjer, ako je valna duljina 300 nanometara, tada je kut otklona 10 stupnjeva, a ako 500 nanometara - već 12. Dakle, kad svjetlost sunčeve zrake padne na kvarcnu prizmu, crvena se lomi drugačije od ljubičaste (njihove se valne duljine razlikuju ) i promatrač ugleda dugu. Ovo je odgovor na pitanje što je interferencija i difrakcija svjetlosti i kako se oni razlikuju. Ako monokromatsko zračenje lasera usmjerite u istu prizmu, neće biti duga, jer nema fotona različitih valnih duljina. Snop će jednostavno odstupiti od izvornog smjera širenja za neki kut i to je to.
Praktična primjena pojave smetnji
Mnogo je prilika za praktičnu upotrebu ovog čisto teoretskog fenomena. Ovdje će biti navedeni samo glavni:
- Proučavanje kvalitete kristala. O ovome smo razgovarali malo više.
- Utvrđivanje pogrešaka leće. Često ih treba samljeti do savršenog sfernog oblika. Prisutnost bilo kakvih nedostataka otkriva se upravo uz pomoć pojave smetnji.
- Određivanje debljine slojeva.U nekim vrstama proizvodnje konstantna debljina filma puno znači, na primjer, plastika. Upravo je pojava interferencije zajedno s difrakcijom ta koja omogućuje utvrđivanje njezine kvalitete.
- Prosvjetljenje optike.Naočale, leće fotoaparata i mikroskopi prekriveni su tankim filmom. Dakle, elektromagnetski valovi određene duljine jednostavno se odražavaju i nalažu sami sebi, smanjujući smetnje. Najčešće se prosvjetljenje vrši u zelenom dijelu optičkog spektra, jer ljudsko oko upravo to područje najbolje opaža.
- Istraživanje svemira. Poznavajući zakone interferencije, astronomi su u stanju razdvojiti spektre dviju zvijezda koje su međusobno blizu i odrediti njihov sastav i udaljenost do Zemlje.
- Teorijska istraživanja.Nekada je uz pomoć fenomena interferencije bilo moguće dokazati valnu prirodu elementarnih čestica, poput elektrona i protona. To je potvrdilo hipotezu o dualnosti valnih čestica mikrosvijeta i postavilo temelje kvantne ere.
Nadamo se da ćete uz ovaj članak vaše znanje osuperpozicija koherentnih (koje emitiraju izvori s konstantnom faznom razlikom i iste frekvencije) valova se značajno proširila. Ta se pojava naziva interferencija.
