Вопрос 27. Электромагнитная картина мира (эмкм): развитие представления о движении – волны.

В механической картине мира полностью сформировалось представление о механическом движении как изменение положения материального тела в пространстве. Классическому атомизму, лежащему в основе МКМ, прекрасно соответствовал очень важный элемент механики: материальная точка. Характеристики механического движения (материальной точки, тела) – это траектория, скорость, ускорение, путь, импульс (количество движения), момент импульса.

В XVII веке пристально изучался и такой вид движения, как волны (Гук, Гюйгенс).

Волны – это колебания материальной среды в виде вещества или поля. Фактически, волны представляют собой распространение возмущений вещества (звуковые, сейсмические волны, вибрация) или поля (электромагнитные волны).

Волны не могут распространяться в пустоте, без материальной среды - это идеализм, также как, например, представление, что заряды могут взаимодействовать без материального поля.

Основное свойство волны – перенос энергии без переноса вещества.

Виды волновых процессов:

1. Механические волны (см. рис.1):

а) упругие.

б) поверхностные (под действием сил тяжести и поверхностного натяжения).

а) б)

Рис. 1. Механические упругие волны:

а) продольные, б) поперечные.

2. Электромагнитные волны (колебания векторов напряженности электрического и индукции магнитного полей, распространяющиеся в пространстве). В отличие от механических волн, могут распространяться в вакууме.

Основные характеристики волны.

Гармоническим колебаниям свойственна двойная периодичность:

- во времени - Т (период), n (частота);

- в пространстве l - длина волны, т.е. расстояние между точками, колеблющимися с разностью фаз 2p.

Волновому движению присущи такие свойства как интерференция, дифракция и поляризация.

Интерференция.

Явление интерференции происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в различных направлениях. Интерференция является свойством волн как таковых и не зависит ни от свойств среды, ни от ее наличия. Можно привести пример волн на водной поверхности и представить себе, что каждая волна несет в себе инструкцию для элементов поверхности, например «подняться на 1 метр» или «опуститься на 30 см». В точке взаимодействия двух волн поверхность просуммирует две такие инструкции – в данном примере, она поднимется на 70 см (1 метр минус 30 см). Такое сложение движений иллюстрирует так называемый принцип суперпозиции, когда каждое движение можно представить как сумму двух других в точке встречи двух волн равной амплитуды, достигших места встречи в противофазе (то есть когда пик максимума амплитуды одной волны накладывается на пик минимума амплитуды другой).

Рис.2. Интерференция волн

В таком случае, условно говоря, одна волна передает поверхности инструкцию «подняться на 1 м», а другая – «опуститься на 1 м», в результате чего поверхность воды просто остается на месте. В этом случае на воде мы наблюдаем точку штиля. (В акустике это называется мертвой точкой. В оптике — точкой полного затемнения). Это явление называется интерференционным гашением волн, или деструктивной интерференцией.

Прямо противоположная ситуация наблюдается, когда две волны встречаются в точке совпадения фаз, и амплитуды колебаний среды складываются (при равной амплитуде встретившихся волн, например, амплитуда линейных колебаний среды удвоится). Это явление называется интерференционным усилением волн, или конструктивной интерференцией. Волны на поверхности воды в таких точках будут самыми высокими, звуки – самыми громкими, свет – самым ярким. Естественно, имеется множество промежуточных значений интерференционной амплитуды колебаний, лежащих в пределах от полностью конструктивной до полностью деструктивной интерференции, которые образуют причудливую и в то же время упорядоченную интерференционную картину взаимодействия волн.

Именно явление интерференции света окончательно убедило ученых 19 столетия в его волновой природе (опыт Т.Юнга).

Дифракция

Явление дифракции объясняется на основе принципа Гюйгенса, согласно которому каждая точка на пути распространения светового луча может рассматриваться как новый независимый источник вторичных волн, и дальнейшая дифракционная картина оказывается обусловленной интерференцией этих вторичных волн. При взаимодействии световой волны с препятствием часть вторичных волн Гюйгенса блокируется. Например, при падении световой волны сверху под острым углом на бритву на верхней плоскости бритвы вторичные волны Гюйгенса образовываться будут, а на нижней нет. Однако в результате конструктивной интерференции вторичные волны всё равно обогнут бритву, и мы увидим там сплошной световой луч, как если бы на пути его распространения ничего не стояло. Подобное же «огибание» волной препятствия можно наблюдать и в морском порту в шторм: суда, стоящие на якоре за волнорезом, который, казалось бы, должен полностью гасить волны, тем не менее «гуляют» вверх-вниз благодаря вторичным волнам.

Если источник света и точка наблюдения удалены от препятствия на незначительное расстояние, исходные и результирующие лучи света не параллельны друг другу – и мы наблюдаем дифракцию Френеля (дифракцию в ближней зоне). Если же источник и точка наблюдения находятся на значительном расстоянии от препятствия (точки дифракции), лучи практически параллельны, и мы наблюдаем дифракцию Фраунгофера (дифракцию в дальней зоне). Фраунгофер, кстати, изобрел целый ряд важных прецизионных оптических приборов, включая дифракционную решетку. Она представляет собой систему расположенных на небольшом расстоянии друг от друга микроскопических линий, отражающих свет. Изначально это была затемненная стеклянная пластина с тщательно нанесенными на нее параллельными штрихами. Каждый такой штрих отражает свет, и его можно считать вторичным источником волн Гюйгенса, которые вступают в интерференцию и взаимно усиливаются под определенными углами после рассеяния на решетке.

Начиная с середины 19 века дифракционная решетка стала важнейшим инструментом спектроскопии – с ее помощью ученые исследуют спектры излучения светящихся объектов и спектры поглощения различных веществ и по ним определяют их химический состав. Одним из важнейших открытий Фраунгофера стало обнаружение темных линий в спектре Солнца. Сегодня мы знаем, что они возникают в результате поглощения световых волн определенной длины относительно холодным веществом солнечной короны, и благодаря этому можем судить о химическом составе нашего светила.

Поляризация

Поляризация волн – это нарушение осевой симметрии распределения возмущений (например, смещений и скоростей в механической волне или напряжённостей электрических и магнитных полей в электромагнитных волнах) в поперечной волне относительно направления её распространения. Наибольшее значение поляризация имеет в случае электромагнитных волн оптического диапазона.