Волновое явление. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость волны. §4.1. волновые явления

Мы начали изучение колебаний с механических колебаний. Мы убедились далее, что в основе звуковых явлений, т. е. явлений, воспринимаемых ухом, тоже лежат механические колебания, отличающиеся от колебаний маятника лишь более высокими частотами. Затем мы рас...

§ 33. Волновые явления

Мы перейдем теперь к изучению распространения колебаний. Если речь идет о механических колебаниях, т. е. о колебательном движении частиц какой-либо твердой, жидкой или газообразной среды, то распространение колебаний означает передачу колебаний от одних ч...

§ 34. Скорость распространения волн

В том, что распространение механических волн происходит не мгновенно, нас убеждают простейшие наблюдения. Каждый видел, как постепенно и равномерно расширяются круги на воде или как бегут морские волны. Здесь мы непосредственно видим, что распространение...

§ 35. Радиолокация, гидроакустическая локация и звукометрия

Если скорость распространения волн известна, то измерение их запаздывания позволяет решить обратную задачу: найти пройденное ими расстояние. Ничтожные промежутки времени, затрачиваемые электромагнитными волнами на пробег наземных расстояний, теперь уже не...

§ 36. Поперечные волны в шнуре

Мы перейдем теперь к более подробному изучению механических волн. Их свойства зависят от многих обстоятельств: от вида связи между смежными участками среды, от размеров среды (например, в теле ограниченных размеров картина распространения будет иная, чем...

§ 37. Продольные волны в столбе воздуха

Мы познакомимся теперь с другим видом волн, причем опять возьмем тело удлиненной формы, а именно столб воздуха, заключенный в трубе. Вдоль трубы может двигаться поршень. Заставим этот поршень совершать гармоническое колебание. Что будет происходить в стол...

§ 38. Волны на поверхности жидкости

Мы уже упоминали о волнах, образование которых обусловлено не силой упругости, а силой тяжести. Именно поэтому нас не должно удивлять, что волны, распространяющиеся по поверхности жидкости, не являются продольными. Однако они не являются и поперечными: дв...

§ 39. Перенос энергии волнами

Распространение механической волны, представляющее собой последовательную передачу движения от одного участка среды к другому, означает тем самым передачу энергии. Эту энергию доставляет источник волны, когда он приводит в движение непосредственно прилега...

§ 40. Отражение волн

Поставим на пути волн в водяной ванне плоскую пластинку, длина которой велика по сравнению с длиной волны. Мы увидим следующее. Позади пластинки получается область, в которой поверхность воды остается почти в покое (рис. 83). Другими словами, пластинка с...

>> 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

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение – средняя

Общеобразовательная школа №2 имени А.И.Герцена г. Клинцы Брянской области

Урок на тему

Подготовила и провела:

Учитель физики

Прохоренко Анна

Александровна

г. Клинцы, 2013 год

Содержание:

Урок на тему «Волновое явление. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость волны. »

Цель урока: ввести понятия волна, длина и скорость волны, условие распространения волны, виды волн, научить учащихся применять формулы для нахождения длины и скорости волны; изучить причины распространение поперечных и продольных волн;

Методические задачи:

Образовательные : ознакомление учащихся с происхождением термина «волна, длина волны, скорость волны»; показать учащимся явление распространение волны, а также доказать с помощью опытов распространение двух типов волн: поперечных и продольных.

Развивающие : содействовать развитию речи, мышления, познавательных и обще трудовых умений; содействовать овладению методами научного исследования: анализа и синтеза.

Воспитательные :

Тип урока: изучение нового материала.

Методы: словесные, наглядные, практические.

Оборудование: компьютер, презентация.

Демонстрации:

Поперечные и продольные волны.

Распространение поперечных и продольных волн.

План занятия:

Организация начала урока.

Мотивационный этап. Постановка целей, задач урока.

Изучение нового материала

Закрепление новых знаний.

Подведение итогов урока.

ХОД УРОКА

1. Организационный этап

2. Мотивационный этап. Постановка целей, задач урока.

Что вы наблюдали на данных видеофрагментах? (Волны)

Какие виды волн вы увидели?

На основании ваших ответов мы попробуем с Вами поставить цели для сегодняшнего урока, для этого давайте вспомним каков план изучения понятия, в данном случае понятия волна? (Что такое волна, т.е. определение, виды волн, характеристики волн)

На сегодняшнем уроке я Вам помогу понятия волна, длина и скорость волны, условие распространения волны, виды волн, научить учащихся применять формулы для нахождения длины и скорости волны; изучить причины распространение поперечных и продольных волн; с формировать добросовестное отношение к учебному труду, положительной мотивации к учению, коммуникативных умений; способствовать воспитанию гуманности, дисциплинированности, эстетического восприятия мира.

1. Изучение нового материала

Сейчас Вам необходимо по плану, который представлен на экране и на листочках у Вас на партах и прочитав параграфы 42 и 43 найти необходимую информацию и выписать её.

План:

Понятие волны

Условия возникновения волны

Источник волн

Что необходимо для возникновения волны

Виды волн (определения)

Волна – колебания, которые распространяются в пространстве с течением времени. Волны возникают в основном благодаря силам упругости.

Особенности волны:

Механические волны могут распространяться только в какой- нибудь среде (веществе): в газе, в жидкости, в твердом теле.

В вакууме механическая волна возникнуть не может.

Источником волн являются колеблющиеся тела, которые создают в окружающем пространстве деформацию среды. (рис)

Для возникновения механической волны необходим:

1. Наличие упругой среды

2 . Наличие источника колебаний – деформации среды

Виды волны:

Поперечные – в которых колебания происходят перпендикулярно направлению движения волны. Возникают только в твердых телах.

Продольные - в которых колебания происходят вдоль направления распространения волн. Возникают в любой среде (жидкости, в газах, в твёрдых телах).

Рассматриваем таблицу, обобщающую предыдущие знания. (Смотрим на презентацию)

Делаем вывод: механическая волна:

процесс распространения колебаний в упругой среде;

при этом происходит перенос энергии от частицы к частице;

переноса вещества нет;

для создания механической волны необходима упругая среда: жидкость, твердое тело или газ.

А теперь рассмотрим и запишем основные характеристики волн.

Какие величины характеризующие волну

Каждая волна распространяется с какой-то скоростью. Под скоростью v волны понимают скорость распространения возмущения. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.

Длиной волны λ называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.

Основные характеристики: λ= v * T , λ- длина волны м, v – скорость распространения м/с, T – период волны с.

4. Закрепление новых знаний.

Что такое волна?

Условия возникновения волн?

Какие типы волн вы знаете?

Может ли в воде распространяться поперечная волна?

Что называется длиной волны?

Что называется скоростью распространения волны?

Как связать скорость и длину волны?

Рассматриваем 2 вида и определяем где какая волны?

Решите задачи:

Определите длину волны при частоте 200 Гц, если скорость распространения волн равна 340м/с. (68000 м=68 км)

По поверхности воды в озере волна распространяется со скоростью 6 м/с. На поверхности воды плавает листок дерева. Определите частоту и период колебаний листка, если длина волны равна 3м.(0,5 м, 2 с -1 )

Длина волны равна 2 м, а скорость ее распространения 400 м/с. Определите, сколько полных колебаний совершает эта волна за 0,1 с (20)

Рассматриваем это интересно : Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Если бросить на поверхность воды небольшой мяч, то можно увидеть, что он движется, покачиваясь на волнах, по круговой траектории. Таким образом, волна на поверхности жидкости представляет собой результат сложения продольного и поперечного движения частиц воды.

5.Подведение итогов урока.

Итак, давайте подведём итоги.

Какими словами описали бы вы состояние после урока?:

Знание только тогда знание, когда оно приобретено усилиями своей мысли, а не памятью;

Ах, как я устал от этой суеты…..

Ты понял блаженство занятий, удачи, закон и секрет

Изучать тему «Механические волны» не так то просто!!!

6 . Информация о домашнем задании.

Подготовить по плану ответы на вопросы с помощью §§42-44

Хорошо знать формулы и определения по теме «Волны»

По выбору: составить кроссворд на тему «Механические волны»

Задачи:

Рыболов заметил, что за 10 с поплавок совершил на волнах 20 колебаний, а расстояние между соседними горбами волн 1,2 м. Какова скорость распространения волн? (T=n/t; T=10/5=2c; λ=υ*ν; ν=1/Т; λ=υ/T; υ=λ*T*υ=1*2=2(м/с))

Длина волы 5 м, а её частота 3 Гц. Определите скорость волны.(1,6 м/с)

Самоанализ

Урок проводился в 11 классе по теме « Волновое явление. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость волны.» Является тринадцатым уроком в разделе физики «Механические колебания и волны.» Тип урока: изучение нового материала.

На уроке учитывалась триединая дидактическая цель: образовательная, развивающая, воспитательная. Образовательной целью я поставила ознакомление учащихся с происхождением термина «волна, длина волны, скорость волны»; показать учащимся явление распространение волны, а также доказать с помощью опытов существование двух типов волн: поперечных и продольных. Развивающей целью я поставила формирование у учащихся четкие представления об условиях распространение волны; развитие логического и теоретического мышления, воображения, памяти при решении задач и закреплении ЗУНов. Воспитательной целью я поставила : формировать добросовестное отношение к учебному труду, положительной мотивации к учению, коммуникативных умений; способствовать воспитанию гуманности, дисциплинированности, эстетического восприятия мира.

Во время урока мы прошли следующие этапы:

Организационный этап

Мотивационный и постановка целей, задач урока. На данном этапе на основе просмотренного видеофрагмента мы определили цели и задачи на урок и провели мотивацию. Используя: словесный метод в виде беседы, наглядный метод в виде просмотра видеофрагмента.

Изучение нового материала

На данном этапе я предусматривала логическую связь при объяснении нового материала: логичность, доступность, понятность. Основными методами урока были: словесные (беседа), наглядные (демонстрации, компьютерное моделирование). Форма работы: индивидуальная.

Закрепление нового материала

При закреплении ЗУНов учащихся я использовала интерактивные задания из мультимедийного пособия в разделе «Механические волны», решение задач у доски с объяснением. Основными методами урока были: практические (решение задач), словесные (беседа по вопросам)

Подведение итогов.

Н а данном этапе использовала словесный метод в виде беседы, ребята отвечали на поставленные вопросы.

Проведена рефлексия. Мы выяснили, были ли достигнуты поставленные в начале уроке цели, что для них было сложно на данном уроке. Двум ученикам были поставлены оценки за задачи и нескольким ученикам оценки за ответы.

Информация о домашнем задании.

На данном этапе, учащимся было предложено записать домашнее задание в виде ответа на вопрос по плану и пару задач на листке. И по выбору составить кроссворд.

Я считаю, что триединая дидактическая цель на уроке достигнута.

Акустические и электромагнитные волны, распространяющиеся в различных средах и устройствах, подчиняются единым волновым законам. Это явления возбуждения волн конкретными источниками, отражения и преломления волн на границе раздела сред, рассеяние на неоднородностях, рефракция (искривление траектории распространения волн), поглощение энергии, интерференция.

Распространение волн любой природы легко понять и объяснить, если обратиться к принципу Гюйгенса: каждая точка среды, вовлеченная в волновое движение, становится источником новой волны, называемой элементарной волной. Наблюдаемый волновой фронт представляет собой результат сложения множества элементарных волн (рис. 1.1). Принцип Гюйгенса справедлив для всех видов волн, в том числе для акустических и электромагнитных.

Рис. 1.1. Положение фронта волны в разные моменты времени,

определяемое на основе принципа Гюйгенса

Направление распространения волны обычно называют лучом. Волновой фронт перпендикулярен лучу. У цилиндрических и сферических волн, распространяющихся от источника возбуждения, лучи направлены радиально, а волновые фронты представляют собой соответственно цилиндры или сферы (рис. 1.2 а ). В случае плоского или удаленного источника возникают плоские волны. В них лучи параллельны, а волновые фронты представляют собой плоскости (рис. 1.2б ).

Если на пути распространения волны встречается граница со средой, свойства которой отличаются от свойств среды распространения, наблюдается эффект частичного или полного отражения, а также частичного (а в некоторых случаях и полного) прохождения во вторую среду. Поскольку фронт волны перпендикулярен направлению распространения волны в однородной среде, то из простых геометрических построений доказывается равенство углов падения и отражения волн (рис. 1.3). Однако в отличие от электромагнитных волн для акустических в ряде случаев может наблюдаться эффект расщепления волн и появление волнового луча, отраженного под другим углом (см. лекцию 15).

Направление распространения преломленных волн зависит от соотношения скорости распространения волн в первой и второй средах (рис. 1.4). Анализ поведения волн на границе раздела сред легко выполнить на основе применения принципа Гюйгенса и рассмотрения элементарных волн, возбуждаемых на границе.

Рис. 1.2. Волновые фронты и лучи:

а – в радиально распространяющейся волне;б – в плоской волне

Рис. 1.3. Отражение плоской волны на границе раздела сред

Если свойства среды, влияющие на скорость распространения волны, меняются, то может наблюдаться такое явление, как рефракция. Рефракцией называется искривление траектории распространения волны в неоднородной среде.

Рис. 1.4. Преломление плоской волны на границе раздела сред

Если на пути распространения волны встречается какое-либо тело, то это приводит к нарушению структуры поля. Например, наблюдается эффект огибания волнами препятствия. В физике подобное явление называют дифракцией . Возникающая при этом картина поля существенно зависит от соотношения размеров препятствий и длины волны. На рис. 1.5 показано, как меняется структура поля плоской волны, «просачивающейся» через отверстие малых размеров. В ряде случаев анализ дифрагированного поля можно вновь выполнить на основе рассмотрения элементарных волн и принципа Гюйгенса.

Рис.1.5. Дифракция плоской волны на отверстии малых размеров

Возникновение дополнительных акустических или электромагнитных полей в результате дифракции соответствующих волн на препятствиях, помещенных в среду, на неоднородностях среды, а также на неровных и неоднородных границах сред, называется рассеянием волн. При рассеянии результирующее поле можно представить в виде суммы первичной волны, существовавшей в отсутствие препятствий, и рассеянной (вторичной) волны, возникшей в результате взаимодействия первичной волны с препятствиями. Если препятствий много, то общая картина поля образуется суммированием повторно и многократно рассеянных волн.

Еще одно важное понятие, используемое в теории волновых процессов, – интерференция волн. Интерференцией волн называется сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных точках пространства получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция наблюдается у волн любой природы, в том числе, у акустических и электромагнитных.

Рис. 1.6. Интерференционная картина сложения волн двух источников

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.