§ 176. Принцип гюйгенса - френеля

 

Дифракцией называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле - любое отклонение распространения волн вблизи препятствий от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т. д. Например, звук хорошо слышен за углом дома, т. е. звуковая волна его огибает.

Явление дифракции объясняется с помощью принципа Гюйгенса (см. § 170), согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных волн, а огибающая этих волн задает положение волнового фронта в следующий момент времени.

Пусть плоская волна нормально падает на отверстие в непрозрачном экране (рис. 256). Согласно Гюйгенсу, каждая точка выделяемого отверстием участка волнового фронта служит источником вторичных волн (в однородной изотропной среде они сферические). Построив огибающую вторичных волн для некоторого момента времени, видим, что фронт волны заходит в область геометрической тени, т. е. волна огибает края отверстия.

 

                                      Рис. 256

 

Явление дифракции характерно для волновых процессов. Поэтому если свет является волновым процессом, то для него должна наблюдаться дифракция, т. е. световая волна, падающая на границу какого-либо непрозрачного тела, должна огибать его (проникать в область геометрической тени). Из опыта, однако, известно, что предметы, освещаемые светом, идущим от точечного источника, дают резкую тень и, следовательно, лучи не отклоняются от их прямолинейного распространения. Почему же возникает резкая тень, если свет имеет волновую природу? К сожалению, теория Гюйгенса ответить на этот вопрос не могла.

Принцип Гюйгенса решает лишь задачу о направлении распространения волнового фронта, но не затрагивает вопроса об амплитуде, а следовательно, и об интенсивности волн, распространяющихся по разным направлениям. Френель вложил в принцип Гюйгенса физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

Согласно принципу Гюйгенса - Френеля, световая волна, возбуждаемая каким-либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками. Такими источниками могут служить бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей источник S. Обычно в качестве этой поверхности выбирают одну из волновых поверхностей, поэтому все фиктивные источники действуют синфазно. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн и предположил, что если между источником и точкой наблюдения находится непрозрачный экран с отверстием, то на поверхности экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в отверстии - такая же, как при отсутствии экрана.

Учет амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом конкретном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т. е. определить закономерности распространения света. В общем случае расчет интерференции вторичных волн довольно сложный и громоздкий, однако, как будет показано ниже, для некоторых случаев нахождение амплитуды результирующего колебания осуществляется алгебраическим суммированием.

    Билет №37

Границей первой (центральной) зоны служат точки поверхности S, находящиеся на расстоянии  от точки M (рис. 9.2). Точки сферы S, находящиеся на расстояниях , , и т.д. от точки M, образуют 2, 3 и т.д. зоны Френеля.

      Колебания, возбуждаемые в точке M между двумя соседними зонами, противоположны по фазе, так как разность хода от этих зон до точки M  

Поэтому при сложении этих колебаний, они должны взаимно ослаблять друг друга:

,

(9.2.2)

      где A – амплитуда результирующего колебания, – амплитуда колебаний, возбуждаемаяi-й зоной Френеля.

      Величина зависит от площадизоны и угламежду нормалью к поверхности и прямой, направленной в точкуM.

      Площадь одной зоны

.

      Отсюда видно, что площадь зоны Френеля не зависит от номера зоны i. Это значит, что при не слишком больших i площади соседних зон одинаковы.

      В то же время с увеличением номера зоны возрастает угол и, следовательно, уменьшается интенсивность излучения зоны в направлении точкиM, т.е. уменьшается амплитуда . Она уменьшается также из-за увеличения расстояния до точкиM:

.

      Общее число зон Френеля, умещающихся на части сферы, обращенной в сторону точки M, очень велико: при ,, число зон, а радиус первой зоны.

      Отсюда следует, что углы между нормалью к зоне и направлением на точку M у соседних зон примерно равны, т.е. что амплитуды волн, приходящих в точку M от соседних зон, примерно равны.

      Световая волна распространяется прямолинейно. Фазы колебаний, возбуждаемые соседними зонами, отличаются на π. Поэтому в качестве допустимого приближения можно считать, что амплитуда колебания от некоторойm-й зоны равна среднему арифметическому от амплитуд примыкающих к ней зон, т.е.

.

      Тогда выражение (9.2.1) можно записать в виде

.

(9.2.2)

      Так как площади соседних зон одинаковы, то выражения в скобках равны нулю, значит результирующая амплитуда .

      Интенсивность излучения   .

      Таким образом, результирующая амплитуда, создаваемая в некоторой точке M всей сферической поверхностью, равна половине амплитуды, создаваемой одной лишь центральной зоной, а интенсивность .

      Так как радиус центральной зоны мал ( ), следовательно, можно считать, что свет от точкиP до точки M распространяется прямолинейно.

      Если на пути волны поставить непрозрачный экран с отверстием, оставляющим открытой только центральную зону Френеля, то амплитуда в точке M будет равна . Соответственно, интенсивность в точкеM будет в 4 раза больше, чем при отсутствии экрана .Интенсивность света увеличивается, если закрыть все четные зоны.

      Таким образом, принцип Гюйгенса–Френеля позволяет объяснить прямолинейное распространение света в однородной среде.

      Правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля подтверждена экспериментально. Для этого используются зонные пластинки – система чередующихся прозрачных и непрозрачных колец.

      Опыт подтверждает, что с помощью зонных пластинок можно увеличить освещенность в точке М, подобно собирающей линзе.

Билет №38

Векторная диаграмма

Волновая поверхность разбивается на очень маленькие по ширине кольцевые зоны. Колебание, создаваемое в точке наблюдения P каждой из зон, изображается вектором A, длина которого равна амплитуде колебаний, а угол дает начальную фазу. При сложении таких векторов получается векторная диаграмма (a). В пределе, при стремлении ширины зон к нулю, векторная диаграмма принимает вид спирали (б).

Зоны Френеля и векторные диаграммы

Колебания, возбуждаемые в точке P первой зоны Френеля, изображается вектором OA, второй - AB. Вектор OC соответствует колебанию, создаваемому всей волновой поверхностью, OD - половиной первой зоны Френеля. Из этих диаграмм видно, что амплитуда A, создаваемая всей волновой поверхностью, равна половине амплитуды A₁, создаваемой одной центральной зоной. A=A₁/2

Билет №39

Дифракция на круглом отверстии. Сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника S, встречает на своем пути экран с круглым отверстием. Дифрак­ционную картину наблюдаем на экране Э в точке В, лежащей на линии, соединяющей S с центром отверстия . Экран параллелен плоскости отверстия и находится от него на расстоянии b. Разобьем открытую часть волновой поверхности Ф на зоны Френеля. Вид дифракционной картины зависит от числа зон Френеля, открываемых отверстием.

где знак плюс соответствует нечетным m и минус — четным т.

Когда отверстие открывает нечетное число зон Френеля, то амплитуда (интенсив­ность) в точке В будет больше, чем при свободном распространении волны; если четное, то амплитуда (интенсивность) будет равна нулю. Если отверстие открывает одну зону Френеля, то в точке В амплитуда А=А₁, т. е. вдвое больше, чем в отсутствие непрозрачного экрана с отверстием (см. § 177). Интенсивность света больше соответственно в четыре раза. Если отверстие открывает две зоны Френеля, то их действия в точке В практически уничтожат друг друга из-за интерференции. Таким образом, дифракционная картина от круглого отверстия вблизи точки В будет иметь вид чередующихся темных и светлых колец с центрами в точке В (если т четное, то в центре будет темное кольцо, если m нечетное — то светлое кольцо), причем интенсивность в максимумах убывает с расстоянием от центра картины.

Расчет амплитуды результирующего колебания на внеосевых участках экрана более сложен, так как соответствующие им зоны Френеля частично перекрываются непроз­рачным экраном. Если отверстие освещается не монохроматическим, а белым светом, то кольца окрашены.

Число зон Френеля, открываемых отверстием, зависит от его диаметра. Если он большой, то А_m<<A₁ и результирующая амплитуда A=A₁/2, т. е. такая же, как и при полностью открытом волновом фронте. Никакой дифракционной картины не наблю­дается, свет распространяется, как и в отсутствие круглого отверстия, прямолинейно.

Билет №40

Рассмотрим дифракцию Фраунгофера от бесконечно длинной щели (для этого практически достаточно, чтобы длина щели была значительно больше ее ширины). Пусть плоская монохроматическая световая волна падает нормально плоскости узкой щели шириной а (рис. 261, а). Оптическая разность хода между крайними лучами МС и ND, идущими от щели в произвольном направлении ,

(179.1)

где F — основание перпендикуляра, опущенного из точки М на луч ND.

Разобьем открытую часть волновой поверхности в плоскости щели MN на зоны Френеля, имеющие вид полос, параллельных ребру М щели. Ширина каждой зоны выбирается так, чтобы разность хода от краев этих зон была равна /2, т. е. всего на ширине щели уместится :/2 зон. Так как свет на щель падает нормально, то плоскость щели совпадает с волновым фронтом; следовательно, все точки волнового фронта в плоскости щели будут колебаться в одинаковой фазе. Амплитуды вторичных волн в плоскости щели будут равны, так как выбранные зоны Френеля имеют оди­наковые площади и одинаково наклонены к направлению наблюдения.

Из выражения (179.1) вытекает, что число зон Френеля, укладывающихся на ширине щели, зависит от угла . От числа зон Френеля, в свою очередь, зависит результат наложения всех вторичных волн. Из приведенного построения следует, что при интерференции света от каждой пары соседних зон Френеля амплитуда результирующих колебаний равна нулю, так как колебания от

каждой пары соседних зон взаимно гасят друг друга. Следовательно, если число зон Френеля четное, то

(179.2)

и в точке В наблюдается дифракционный минимум (полная темнота), если же число зон Френеля нечетное, то

и наблюдается дифракционный максимум, соответствующий действию одной нескомпенсированной зоны Френеля. Отметим, что в направлении =0 щель действует как одна зона Френеля, и в этом направлении свет распространяется с наибольшей интен­сивностью, т. е. в точке В₀ наблюдается центральный дифракционный максимум.

Из условий (179.2) и (179.3) можно найти направления на точки экрана, в которых амплитуда (а следовательно, и интенсивность) равна нулю (sin_min =  m/a) или максимальна (sin_max = (2m+1)/(2a)). Распределение интенсивности на экране, полу­чаемое вследствие дифракции (дифракционный спектр), приведено на рис. 261, б. Рас­четы показывают, что интенсивности в центральном и последующих максимумах относятся как 1 : 0,047 : 0,017 : 0,0083 : .... т.е. основная часть световой энергии со­средоточена в центральном максимуме. Из опыта и соответствующих расчетов следу­ет, что сужение щели приводит к тому, что центральный максимум расплывается, а интенсивность уменьшается (это, естественно, относится и к другим максимумам). Наоборот, чем щель шире (а>), тем картина ярче, но дифракционные полосы уже, а число самих полос больше. При а>> в центре получается резкое изображение источника света, т. е. имеет место прямолинейное распространение света.

Положение дифракционных максимумов зависит от длины волны , поэтому рассмотренная выше дифракционная картина имеет место лишь для монохроматичес­кого света. При освещении щели белым светом центральный максимум наблюдается в виде белой полоски; он общий для всех длин волн (при  =0 разность хода равна нулю для всех ). Боковые максимумы радужно окрашены, так как условие максимума при любых т различно для разных . Таким образом, справа и слева от центрального максимума наблюдаются максимумы первого (m=1), второго (т=2) и других поряд­ков, обращенные фиолетовым краем к центру дифракционной картины. Однако они настолько расплывчаты, что отчетливого разделения различных длин волн с помощью дифракции на одной щели получить невозможно.

41. Закон разгрузки и повторного нагружения.

Если образец нагрузить до точки диаграммы, соответствующей пределу упругости σ_у, ( точкана K диаграммы рис.5.10), а затем начать разгружать его, то разгрузка будет происходить по прямой KL, параллельной начальному линейному участку диаграммы . Рис.5.10 После разгрузки полная деформация образца (абсцисса, соответствующая т.К) уменьшится, но полностью не исчезнет. Отрезок ^ LM определяет величину исчезнувшей, т.е. упругой деформации ε_у, а отрезок OL - величину остаточной (пластической) деформации ε_пл. Таким образом, полная деформации состоит из двух составляющих:ε_полн. = ε_пл + ε_у . Из рис.5.10 также следует, что по мере нагружения образца пластическая составляющая ε_пл постепенно возрастает и достигает наибольшего значения в точке диаграммы, соответствующей разрыву образца. Упругая деформация растет по мере нагружения лишь до точки диаграммы, соответствующей максимальным напряжениям - σ_пч (σ_в), этой точке соответствует наибольшее значение ε_у, а затем она уменьшается.  Повторное нагружение образца уже не повторяет полностью прежнюю диаграмму, а происходит сначала по прямой разгрузки ^ KL, и затем по кривой КС, которую имел бы этот образец без промежуточной разгрузки. Следовательно, после промежуточной разгрузки материал образца приобрел новые свойства – у него вырос предел пропорциональности σ_пц, но уменьшилась пластичность. Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования называется наклепом или нагартовкой. Наклеп возникает при вытяжке, холодной прокатке металла, в процессе штамповки и т. д. Часто наклеп играет положительную роль и применяется для упрочнения поверхностного слоя детали, повышения упругих свойств проволоки, канатов и т. п. В тех случаях, когда наклеп вреден, его устраняют отжигом.  Рассмотренные выше механические характеристики материалов широко используются в расчетах. Их конкретные значения для различных материалов, применяемых в технике, приводятся в справочной литературе.