21. Закон сохранения энергии

Приращение потенциальной энергий брошенного вверх тела происходит за счет убыли его кинетической энергии; при падении тела, приращение кинетической энергии происходит за счет убыли потенциальной энергии, так что полная механическая энергия тела не меняется11 Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 1. М.;1995. Аналогично, если на тело действует сжатая пружина, то она может сообщить телу некоторую скорость, т. е. кинетическую энергию, но при этом пружина будет распрямляться и ее потенциальная энергия сбудет соответственно уменьшаться; сумма потенциальной и кинетической энергий останется постоянной. Если на тело, кроме пружины, действует еще и сила тяжести, то хотя при движении тела энергия каждого вида будет изменяться, но сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии пружины и кинетической энергии тела опять-таки будет оставаться постоянной.

Энергия может переходить из одного вида в другой, может переходить от одного тела к другому, но общий запас механической энергии остаётся неизменным. Опыты и теоретические расчеты показывают, что при отсутствии сил трения и при воздействии только сил упругости и тяготения суммарная потенциальная и кинетическая энергия тела или системы тел остается во всех случаях постоянной. В этом и заключается закон сохранения механической энергии.

Проиллюстрируем закон сохранения энергии на следующем опыте. Стальной шарик, упавший с некоторой высоты на стальную или стеклянную плиту и ударившийся об неё, подскакивает почти на ту же высоту, с которой упал.

Во время движения шарика происходит целый ряд превращений энергии. При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию шарика. Когда шарик прикоснется к плите, и он и плита начинают деформироваться. Кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию упругой деформации шарика и плиты, причем этот процесс продолжается до тех пор, пока шарик не остановится, т. е. пока вся его кинетическая энергия не переедет в потенциальную энергию упругой деформации. Затем под действием сил упругости деформированной плиты шарик приобретает скорость, направленную вверх: энергия упругой деформации плиты и шарика прекращается в, кинетическую энергию шарика. При дальнейшем движении вверх скорость шарика под действием силы тяжести уменьшается и кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию тяготения, В наивысшей точке шарик обладает снова только потенциальной энергией тяготения.

Поскольку можно считать, что шарик поднялся на ту же высоту, с которой он начал падать, потенциальная энергия шарика в начале и в конце описанного процесса одна и та же. Более, того, в любой момент времени при всех превращениях энергии сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной энергии упругой деформации, и кинетической энергии все время остается одной и той же. Для процесса превращения потенциальной энергии, обусловленной силой тяжести, в кинетическую и обратно при падении и подъеме шарика это было показано простым расчетом. Можно было бы убедиться, что и при превращении кинетической энергии в потенциальную энергию упругой деформации плиты и шарика и затем при обратном процессе превращения этой энергии в кинетическую энергию отскакивающего шарика сумма потенциальной энергии тяготения, энергии упругой деформации и кинетической энергии также остается неизменной, т. е. закон сохранения механической энергии выполнен.

Теперь мы можем объяснить, почему нарушался закон сохранения работы в простой машине, которая деформировалась при передаче работы: дело в том, что работа, затраченная на одном конце машины, частично или полностью затрачивалась на деформацию самой простой машины (рычага, веревки и т.д.), создавая в ней некоторую потенциальную энергию деформации, и лишь остаток работы передавался на другой конец машины. В сумме же переданная работа вместе с энергией деформации оказывается равной затраченной работе. В случае абсолютной жесткости рычага, нерастяжимости веревки и т. д. простая машина не может накопить в себе энергию, и вся работа, произведенная на одном ее конце, полностью передается на другой конец.

Закон сохранения энергии — основной закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.

Закон сохранения энергии встречается в различных разделах физики и проявляется в сохранении различных видов энергии. Например, в классической механике закон проявляется в сохранении механической энергии (суммы потенциальной и кинетической энергий). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики и говорит о сохранении энергии в сумме с тепловой энергией.

Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то правильнее называть его не законом, а принципом сохранения энергии.

Частный случай — Закон сохранения механической энергии — механическая энергия консервативной механической системы сохраняется во времени. Проще говоря, при отсутствии диссипативных сил (например, сил трения) механическая энергия не возникает из ничего и не может никуда исчезнуть.

Для замкнутой системы физических тел, например, справедливо равенство Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2, где Ek1, Ep1 — кинетическая и потенциальная энергии системы какого-либо взаимодействия, Ek2, Ep2 — соответствующие энергии после.

Закон сохранения энергии — это интегральный закон. Это значит, что он складывается из действия дифференциальных законов и является свойством их совокупного действия. Например, иногда говорят, что невозможность создать вечный двигатель обусловлена законом сохранения энергии. Но это не так. На самом деле, в каждом проекте вечного двигателя срабатывает один из дифференциальных законов и именно он делает двигатель неработоспособным. Закон сохранения энергии просто обобщает этот факт.

Согласно теореме Нётер, закон сохранения механической энергии является следствием однородности времени.

Фо́рмулы Френе́ля определяют амплитуды и интенсивности преломлённой и отражённой электромагнитной волны при прохождении через плоскую границу раздела двух сред с разными показателями преломления. Названы в честь Огюста Френеля, французского физика, который их вывел. Отражение света, описываемое формулами Френеля, называется френелевским отражением.

Формулы Френеля справедливы в том случае, когда граница раздела двух сред гладкая, среды изотропны, угол отражения равняется углу падения, а угол преломления определяется законом Снеллиуса. В случае неровной поверхности, особенно когда характерные размеры неровностей одного порядка с длиной волны, большое значение имеет диффузное рассеяние света на поверхности.

При падении на плоскую границу различают две поляризации света. s-Поляризация — это поляризация света, для которой напряжённость электрического поля электромагнитной волны перпендикулярна плоскости падения (т.е. плоскости, в которой лежат и падающий, и отражённый луч). p-Поляризация — поляризация света, для которой вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости падения.

Формулы Френеля для s-поляризации и p-поляризации различаются. Поскольку свет с разными поляризациями по-разному отражается от поверхности, то отражённый свет всегда частично поляризован, даже если падающий свет неполяризован. Угол падения, при котором отражённый луч полностью поляризован, называется углом Брюстера; он зависит от отношения показателей преломления сред, образующих границу раздела.

s-Поляризация

s-Поляризация — это поляризация света, для которой напряжённость электрического поля электромагнитной волны перпендикулярна плоскости падения (т.е. плоскости, в которой лежат и падающий, и отражённый луч).

где θi — угол падения, θt — угол преломления, μ1 — магнитная проницаемость среды, из которой падает волна, μ2 — магнитная проницаемость среды, в которую волна проходит, P — амплитуда волны, которая падает на границу раздела, Q — амплитуда отражённой волны, S — амплитуда преломлённой волны. В оптическом диапазоне частот μ = 1 с хорошей точностью и выражения упрощаются до указанных после стрелок[1].

Углы падения и преломления для μ = 1 связаны между собой законом Снеллиуса

Отношение n = n2 / n1 называется относительным показателем преломления двух сред.

Коэффициент отражения

\ Коэффициент прохождения

Ts = 1 − Rs.

Обратите внимание, коэффициент прохождения не равен , так как волны одинаковой амплитуды в разных средах несут разную энергию.

p-Поляризация

p-Поляризация — поляризация света, для которой вектор напряжённости электрического поля лежит в плоскости падения.

где P, Q и S — амплитуды волны, которая падает на границу раздела, отражённой волны и преломлённой волны, соответственно, а выражения после стрелок вновь соответствуют случаю μ1 = μ2[1].

Коэффициент отражения

Коэффициент прохождения

Нормальное падение

В важном частном случае нормального падения света исчезает разница в коэффициентах отражения и прохождения для p- и s-поляризованных волн. Для нормального падения

Интерференция света, сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос вследствие нарушения принципа сложения интенсивностей (см. Интерференция волн). Некоторые явления И. с. наблюдались ещё И. Ньютоном, но не могли быть объяснены с точки зрения его корпускулярной теории (см. Свет, Оптика). Правильное объяснение И. с. как типично волнового явления было дано в начале 19 в. Т. Юнгом и О. Френелем.

И. с. возникает только в случае, если разность фаз постоянна во времени, т. е. волны когерентны (см. Когерентность). До создания лазеров когерентные световые пучки могли быть получены только путём разделения и последующего сведения лучей, исходящих из одного и того же источника света. При этом разность фаз этих колебаний постоянна и определяется только разностью путей, проходимых лучами, или разностью хода D. Существует несколько способов создания когерентных пучков света. Например, в опыте Френеля (рис. 1) два плоских зеркала I и II, образующих двугранный угол, близкий к 180°, дают два мнимых изображения S1 и S2 источника S. На экране AB получается светлая полоса при разности хода D лучей S1M и S2M, равной чётному числу полуволн, и тёмная полоса — при D, равной нечётному числу полуволн. Другой способ был предложен Юнгом (рис. 2). Свет из отверстия S падает на экран AB с двумя отверстиями (или щелями) S1 и S2. И. с. наблюдается на экране CD. Расстояние между соседними светлыми или тёмными интерференционными полосами Dх " l/a, где a — угол S1MS2, под которым сходятся интерферирующие лучи. В этих опытах И. с. наблюдается только при сложении волн, испущенных из одной и той же точки источника. Интерференционные полосы, соответствующие разным точкам источника, сдвинуты относительно друг друга, и при наложении интерференционные картины смазываются. Предельный размер источника, ещё дающего чёткую интерференционную картину, определяется соотношением d = l/b, где b — угол, под которым расходятся лучи из источника (например, ÐS1SS2 на рис. 2).

Это ограничение не имеет места в случае И. с., отражённого от двух поверхностей плоской или слабоклиновидной прозрачной пластинки (рис. 3). При этом между отражёнными лучами возникает разность хода D = 2hn cos i’¢ + l/2, где h — толщина пластинки, n — её показатель преломления, i¢ — угол преломления. Добавочная разность хода l/2 возникает из-за различия сдвига фазы при отражении от верхней и нижней поверхностей пластинки. В строго плоскопараллельных пластинках (с точностью до долей l) одинаковую разность хода будут иметь лучи, падающие на пластинку под одним и тем же углом i, а интерференционные полосы в этом случае называются полосами равного наклона. Они локализованы в бесконечности, поэтому их можно наблюдать в главной фокальной плоскости линзы. В тонких пластинках переменной толщины линии максимумов и минимумов проходят по точкам, соответствующим равной толщине пластинки, и называются полосами равной толщины. Они локализованы в плоскости пластинки. При этом данная интерференционная полоса в монохроматическом свете вычерчивает линию, соответствующую одной и той же толщине пластинки (рис. 4). Если свет не монохроматический, происходит наложение описанных картин для различных длин волн (между собой не интерферирующих); причём положения максимумов и минимумов смещены, поэтому в случае тонкой пластинки наблюдатель видит последовательность цветных полос. Этим явлением И. с. в тонких плёнках объясняются радужная окраска пятен масла или нефти на воде, цвета побежалости на закалённых металлах и др. И. с. в тонких плёнках играет большую роль при просветлении оптики, в интерференциальных светофильтрах, в интерференциальной микроскопии и др. И. с. в тонких плёнках изучается в оптике тонких слоев.

Возможность наблюдения И. с. зависит от степени монохроматичности света. В белом свете можно наблюдать только несколько интерференционных полос вблизи D = 0, которые в этом случае окрашены, потому что положение максимумов и минимумов зависит от длины волны. Если из источника света выделена одна узкая спектральная линия, максимальная разность хода Dmax может достигать нескольких десятков см. Чёткие интерференционные полосы ещё можно наблюдать при Dmax " l2/Dl, где Dl — ширина спектра. Dmax можно связать со временем t, в течение которого фаза волны не сбивается, т. е. излучается волна в виде отрезка синусоиды ("цуг волн"). При этом Dmax оказывается равной длине цуга: Dmax = l2/Dl = ct (c — скорость света), что поясняет невозможность И. с. при D > Dmax, так как соответствующие цуги в двух интерферирующих пучках перестают перекрываться друг другом.

Ограничения размеров источника в приведённых выше опытах снимаются, если источником света служит излучение лазера, которое обладает пространственной когерентностью, и И. с. может наблюдаться при сложении волн, испускаемых разными точками источника. Высокая монохроматичность лазерного излучения позволяет наблюдать И. с. при огромной разности хода.

При очень малых интенсивностях света, когда при помощи чувствительных приёмников регистрируются отдельные фотоны, И. с. проявляется как статистическое явление. Среднее число квантов, попавших на тот или другой участок экрана в течение определённого времени, даёт такое же распределение интенсивности, что и при обычном способе наблюдения. Это находится в полном соответствии с квантовой теорией, согласно которой И. с. происходит не в результате сложения разных фотонов, а в результате "интерференции фотона самого с собой".

И. с. имеет самое широкое применение для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральной линии, определения плотности, показателей преломления и дисперсионных свойств веществ, для измерения углов, линейных размеров деталей в длинах световой волны, для контроля качества оптических систем и многого другого. На использовании И. с. основано действие интерферометров и интерференционных спектроскопов; метод голографии также основан на И. с.

Важный случай И. с. — интерференция поляризованных лучей (см. Поляризация света). В общем случае, когда складываются две различно поляризованные когерентные световые волны, происходит векторное сложение их амплитуд, что приводит к эллиптической поляризации. Это явление наблюдается, например, при прохождении линейно поляризованного света через анизотропные среды. Попадая в такую среду, линейно поляризованный луч разделяется на 2 когерентных, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях луча. Вследствие различного состояния поляризации скорость их распространения в этой среде различна и между ними возникает разность фаз D, зависящая от расстояния, пройденного в веществе. Величина D будет определять состояние эллиптической поляризации; в частности, при D, равной целому числу полуволн, поляризация будет линейной.

Интерференцию поляризованных лучей широко используют в кристаллооптике для определения структуры и ориентации осей кристалла, в минералогии для определения минералов и горных пород, для обнаружения и исследования напряжений и деформаций в твёрдых телах, для создания особо узкополосных светофильтров и др.

Условия наблюдения интерференции

Рассмотрим несколько характерных случаев:

1. Ортогональность поляризаций волн.

При этом и . Интерференционные полосы отсутствуют, а контраст равен 0. Далее, без потери общности, можно положить, что поляризации волн одинаковы.

2. В случае равенства частот волн и контраст полос не зависит от времени экспозиции .

3. В случае значение функции и интерференционная картина не наблюдается. Контраст полос, как и в случае ортогональных поляризаций, равен 0

4. В случае контраст полос существенным образом зависит от разности частот и времени экспозиции.

Общий случай интерференции

При взятии интеграла в соотношении [1] полагалось, что разность фаз не зависит от времени. Реальные же источники света излучают с постоянной фазой лишь в течение некоторого характерного времени, называемого временем когерентности. По этой причине, при рассмотрении вопросов интерференции оперируют понятием когерентности волн. Волны называют когерентными, если разность фаз этих волн не зависит от времени. В общем случае говорят, что волны частично когерентны. При этом поскольку существует некоторая зависимость от времени, интерференционная картина изменяется во времени, что приводит к ухудшению контраста либо к исчезновению полос вовсе. При этом в рассмотрении задачи интерференции, вообще говоря и не монохроматическгого (полихроматического) излучения, вводят понятие комплексной степени когерентности . Интерференционное соотношение принимает вид

Оно называется общим законом интерференции стационарных оптических полей.