20. Волна как распространяющееся возмущение поля. Назовите основные характеристики волнового движения.
Волна́ — изменение состояния среды или физического поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».
В связи с этим волновой процесс может иметь самую разную физическую природу: механическую, химическую (реакция Белоусова — Жаботинского, протекающая в автоколебательном режиме каталитического окисления различных восстановителей бромисто-водородной кислотой HBrO3 ), электромагнитную (электромагнитное излучение), гравитационную (гравитационные волны), спиновую (магнон), плотности вероятности (ток вероятности) и т. д.
Многообразие волновых процессов приводит к тому, что никаких абсолютных общих свойств волн выделить не удаётся. Одним из часто встречающихся признаков волн считается близкодействие, проявляющееся во взаимосвязи возмущений в соседних точках среды или поля, однако в общем случае может отсутствовать и она.
Среди всего многообразия волн выделяют некоторые их простейшие типы, которые возникают во многих физических ситуациях из-за математического сходства описывающих их физических законов. Об этих законах говорят в таком случае как о волновых уравнениях. Для непрерывных систем это обычно дифференциальные уравнения в частных производных в фазовом пространстве системы, для сред часто сводимые к уравнениям, связывающим возмущения в соседних точках через пространственные и временные производные этих возмущений. Важным частным случаем волн являются линейные волны, для которых справедлив принцип суперпозиции.
По своему характеру волны подразделяются на;
По признаку распространения в пространстве: стоячие, бегущие.
По характеру волны: колебательные, уединённые (солитоны).
По типу волн: поперечные, продольные, смешанного типа.
По законам, описывающим волновой процесс: линейные, нелинейные.
По свойствам субстанции: волны в дискретных структурах, волны в непрерывных субстанциях.
По геометрии: сферические (пространственные), одномерные (плоские), спиральные.
Отличие колебания от волны.
Бегущие волны, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»).
В основном физические волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту. Примером таких волн может служить нестационарное излучение газа в вакуум, волны вероятности электрона и других частиц, волны горения, волны химической реакции, волны плотности реагентов, волны плотности транспортных потоков.
21. Что такое интерференция, дифракция, поляризация? Объясните явление дисперсии света.
Явление взаимного наложения когерентных волн, в результате чего происходит устойчивое пространственное ослабление или усиление интенсивности света в зависимости от фазовых соотношений между этими волнами, называется интерференцией. Интерферировать могут только когерентные волны. Когерентными называют такие волны, которые имеют одинаковые частоты (длины волн) и постоянную разность фаз. Естественные источники света излучают некогерентные волны. Для образования когерентных волн различными методами разделяют волны, идущие от одного точечного источника.
Интерференция в тонких пленках, наблюдаемая в отраженном свете (световая волна падает перпендикулярно поверхности пластинки), определяется формулами:
усиление интенсивности, если
ослабление интенсивности, если
где k = 0, 1, 2, ... ; h – толщина пленки.
Интерференционные полосы равной толщины в форме концентрических светлых и темных колец наблюдают (обычно в отраженном свете) с помощью прибора, который представляет собой плосковыпуклую линзу, лежащую выпуклой поверхностью на отражающей плоскости. Если монохроматический свет падает перпендикулярно плоской поверхности линзы, то появляются чередующиеся светлые и темные интерференционные кольца, называемые кольцами Ньютона. Их радиусы определяются формулами:
где k – натуральное число, R – радиус выпуклой поверхности линзы.
Дифракция волн – это явление огибания волнами встречающихся препятствий. Дифракция хорошо наблюдается только в том случае, если размеры препятствий (или отверстий) соизмеримы с длинами этих волн. Дифракция световых волн обуславливает отклонение от закона прямолинейного распространения света.
Она объясняется на основе волновой теории света. Согласно принципу Гюйгенса–Френеля каждую точку волнового фронта можно рассматривать как точечный источник вторичных световых волн, которые распространяются по различным направлениям и проникают, таким образом, в область геометрической тени. Вторичные волны когерентны и за препятствием интерферируют.
Дифракция широко применяется на практике. Она осуществляется с помощью дифракционной решетки, представляющей собой совокупность большого числа щелей в непрозрачном экране, которые имеют одинаковую ширину и расположены на равных расстояниях друг от друга. Сумма ширины щели a и ширины b непрозрачного промежутка между щелями называется постоянной (или периодом) решетки:
d = a + b.
При нормальном падении света на плоскую дифракционную решетку положение на экране максимумов освещенности определяется по формуле:
d sin ф = k лямда, k = 0, ±1, ±2, ... ,
где d – постоянная решетки, j – угол между нормалью к дифракционной решетке и направлением на дифракционный максимум, k – порядок максимума.
Световые волны являются поперечными, т.е. векторы электрического E и магнитного H полей не только взаимно перпендикулярны, но и оба перпендикулярны к направлению распространения. Если расположить направление распространения в некоторой плоскости, то в световых волнах, излучаемых различными источниками, ориентация векторов E (и, конечно, H) относительно этой плоскости будет различной, не согласованной (случайной). Такой свет называется естественным.
Пропуская его, например, через турмалиновую пластинку, можно выделить волны, в которых вектор E совершает колебания в одной и той же плоскости. Такие волны называются линейно поляризованными. Плоскость, в которой в линейно поляризованной волне лежат векторы E, называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой лежат векторы H, называется плоскостью поляризации.
Естественный свет поляризуется (в основном частично) при отражении от поверхности диэлектриков. Полностью он поляризуется лишь при одном угле падения, определяемом соотношением tg aБ = n21, где n21 – относительный показатель преломления двух сред. Угол aБ называется углом Брюстера, или углом полной поляризации. При падении луча на диэлектрик под углом полной поляризации луч отраженный и луч преломленный взаимно перпендикулярны.
Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волн λ) света или зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты.
Дисперсия света представляется в виде зависимости: n=f(v) или n=f(ƛ).
Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму (рис. 10.1). Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света проводил в 1672 г. И. Ньютон. Он объяснил это явление различием масс корпускул.