Волновые явления. Волновые явления — Гипермаркет знаний

Физическая природа волнМеханические
Упругие
На поверхности
жидкости
Электромагнитные
световые
рентген
Звуковые
радиоволны
сейсмические

Механическая волна – колебание частиц вещества распространяющееся в пространстве.

Точки среды, в которой распространяются волны, колеблющиеся в одной фазе, называются волновыми поверхностями.

Для возникновения механической волны необходимо два условия:

Наличие среды.
Наличие источника колебаний.

Сопоставляя направление распространения волн и направление колебаний точек среды, можно выделить волны продольные и волны поперечные.

Волны, в которых направление колебаний точек возбужденной среды параллельно направлению распространения волн, называются продольными.

Волны, в которых направление колебаний точек возбужденной среды перпендикулярно направлению распространения волн, называются поперечным

Волны, в которых направление
колебаний точек возбужденной среды
перпендикулярно направлению
распространения волн, называются
поперечными.

Волны на поверхности жидкости не являются ни продольными, ни поперечными. Таким образом, волна на поверхности жидкости представляет собой

Волны на
поверхности
жидкости не
являются ни
продольными, ни
поперечными. Таким
образом, волна на
поверхности
жидкости
представляет собой
суперпозицию
продольного и
поперечного
движения молекул.

Круговые волны на поверхности жидкости

Наблюдение волн на поверхности жидкости
позволяет изучить и визуально представить многие
волновые явления, общие для разных типов волн:
интерференцию, дифракцию, отражение волн и т.д.

Свойства механических волн

Все волны доходя до границы раздела
двух сред испытывают отражение

Если волна переходит из одной среды в другую, падая на границу раздела двух сред под некоторым углом, отличным от нуля, то она испытывает пр

Если волна переходит из одной среды в
другую, падая на границу раздела двух сред
под некоторым углом, отличным от нуля,
то она испытывает преломление

Волна может огибать препятствия, размеры которых соизмеримы с ее длиной. Явление огибания волнами препятствий называется дифракцией

Источники волн, колеблющиеся с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз называются когерентными. Как и любые волны, образованные ко

Источники волн, колеблющиеся с одинаковой
частотой и постоянной разностью фаз
называются когерентными.
Как и любые волны, образованные когерентными
источниками, могут накладываться друг на друга, и
в результате наложения наблюдается
интерференция волн.

Звук – это упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях, твердых телах и воспринимаемы ухом человека и животных. Механические волн

Звук – это упругие волны,
распространяющиеся в газах, жидкостях,
твердых телах и воспринимаемы ухом
человека и животных.
Механические волны, которые вызывают
ощущение звука, называют звуковыми
волнами.

Звуковые волны
представляют собой
продольные волны, в
которых происходит
чередование сгущений и
разряжений.

Чтобы услышать звук, необходимы:

источник звука;
упругая среда между ним и ухом
определенный диапазон частот колебаний
источника звука – между 16 Гц и 20000 Гц;
достаточная для восприятия ухом
мощность звуковых волн.

Механические волны, возникающие в упругих средах, в которых частицы среды колеблются с частотами меньшими, чем частоты звукового диапазон

Механические волны, возникающие
в упругих средах, в которых
частицы среды колеблются с
частотами меньшими, чем частоты
звукового диапазона, называются
инфразвуковыми волнами.

Механические волны, возникающие в упругих средах, в которых частицы среды колеблются с частотами, большими, чем частоты звукового диапазон

Механические волны,
возникающие в
упругих средах, в
которых частицы
среды колеблются с
частотами, большими,
чем частоты звукового
диапазона, называются
ультразвуковыми
волнами.

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

Свойства волновых явлений

Основным свойством волн является то, что идет распространение волны без переноса вещества. Например, если на поверхности воды будет лежать небольшой листик с дерева. Бросим в воду камень. От камня во все стороны начнут распространяться волны.

При этом дойдя до листика, они не будут заставлять его двигаться в сторону волны. Листик так и останется на месте, но при этом будет совершать колебательные движения вверх и вниз. То есть будет меняться только форма воды, а течения не возникнет.

Одной из самых важных характеристик воды является скорость её распространения . Скорость распространения любой волны всегда конечна. Скорость волн на поверхности воды сравнительно невелика, поэтому их очень легко наблюдать.

Распространение волн

Еще одним примером невысокой скорости распространения волны являются волны, возникающие в резиновом шнуре. Например, если закрепить один его конец, а другой натянуть и дернуть. По шнуру побежит волна. Чем сильнее мы натянем шнур, тем сильнее будет волна. Дойдя до закрепленного конца, она отразится и побежит обратно.

Следует отметить, что в этом опыте при распространении волны вдоль шнура, каждая точка шнура совершает колебания в направлении перпендикулярном к направлению распространению волны. Такие волны называются поперечными волнами.

На следующем рисунке представлено схематично поперечная волна. Для нее указано направление распространения и направление колебаний вещества.

картинка

Но частицы среды могут совершать колебания и вдоль направления распространения волны. Такие волны называются продольными . На следующем рисунке представлено схематично продольная волна. Для нее указано направление распространения и направление колебаний вещества.

картинка

В поперченных волнах происходит деформация сдвига, а в продольных деформация сжатия. Деформация сдвига – слои вещества сдвигаются относительно друг друга. Деформация сжатия – части вещества сжимаются друг к другу.

Стоит отметить, что поперечные волны могут распространяться только в твердых телах. Так как при сдвиге слоев жидкости не возникает сил упругости, которые будут стремиться вернуть жидкость в исходное положение. Продольные волны могут распространяться как и в жидких веществах и газах, так и в твердых телах. Так как деформация сжатия присуща всем этим состояниям тел.

Когда происходит распространение волны, то движение передается от одних частиц к другим. Основным свойством всех волн является перенос энергии без переноса вещества.

Урок 55.

Тема: Волновые явления. Длина волны.

Скорость распространения волны.

Цели урока: закрепить навыки решения задач по теме «Механические колебания»;познакомить обучающихся с условиями возникновения волн и их видами; изучить характеристики механических волн; сформировать у обучающихся правильное представление о волновом движении частиц среды, используя наглядность; при организации закрепления учебного материала выделить необходимые для заучивания положения, организовать конспектную запись в тетрадях учащихся (дома по конспекту); формировать навыки решения задач по данной теме; развивать у учеников память, культуру речи, логическое и пространственное мышление; воспитывать чувства взаимопомощи, самостоятельность при достижении цели, трудолюбие.

Тип урока: комбинированный.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Повторение ранее изученного материала.

Мозговой штурм

3. Мотивация учебной и познавательной деятельности.

1.Зреет рожь над жаркой нивой
И от нивы и до нивы
Гонит ветер прихотливый
Золотые переливы.
(А. Фет)

2.Куда ни погляди –
Пшеница
За валом вал ползет на взгорье,
До горизонта без границы
Бушует солнечное море.
(Ю. Оболенцев)

О каких золотых переливах пишет Афанасий Фет и что за солнечное море бушует в стихотворении Юрия Оболенцева? (механические волны)

4. Определение темы урока.

Ассоциативный куст

Запишите тему урока: «Волновые явления. Длина волны. Скорость распространения волны».

5. Изложение нового материала.

Механическая волна – это колебания, которые перемещаются в пространстве и времени в упругой среде

Козьма Прутков писал: «Бросая в воду камешки, смотри на круги, ими образуемые; иначе такое бросание будет пустою забавою».

Эти круги (в виде чередующихся гребней и впадин) являются примером возмущения спокойной до этого поверхности воды.

Возникнув в одном месте, они сразу же начинают распространяться во все стороны. Это и есть волны.

Если в аквариуме или в ванной болтать рукой, тоже образуются волны. Источником этих волн является наша рука. Это самый простой вид колебаний волн, возникающие на поверхности жидкости, и расходящиеся из места возмущения в виде концентрических окружностей.

Волны на поверхности жидкости существуют благодаря действию на частицы жидкости сил тяжести и сил межмолекулярного взаимодействия.

Наиболее распространёнными среди волн этого типа являются морские волны, т. е. волны на поверхности морей и океанов.

Английский учёный А. Эддингтон писал, что «путешествующему на корабле кажется, что океан состоит из волн, а не из воды».

Первые признаки волн начинают появляться после того, как скорость ветра, действующего на поверхность воды, достигает 1,1 м/с. По мере увеличения ветра, высота гребней увеличивается.

Высота волн в Балтийском море доходит до 5 м, в Атлантическом океане – до 9 м, а в водах южного полушария, где водное кольцо охватывает всю Землю, наблюдались волны высотой 12 – 13 м, перемещающиеся со скоростью 20м/с.

Когда морские волны доходят до берега, то при резком изменении глубины могут наблюдаться чрезвычайно высокие взбросы воды. При этом кинетическая энергия огромных масс воды передаётся встречным (береговым) препятствиям, которые могут не выдержать напора воды и разрушиться. Разрушительная сила прибоя достигает больших значений. Так, например, в Шетландских островах на северо-востоке Шотландии можно найти обломки скал массой до 13 т, которые были выброшены на высоту около 20 м. А в Бильбао (Испания) прибоем был перевёрнут и сброшен с места бетонный массив в 1700 т.

Наряду с волнами на поверхности жидкости в механике изучают так называемые упругие волны – возмущения, распространяющиеся в различных средах благодаря действию в них сил упругости.

Возникновение упругой волны легко продемонстрировать на примере колебаний в гибком шнуре.

Демонстрация: гибкий шнур (скакалка). Один конец шнура жёстко укрепляют, а свободный конец хлыстовым движением перемещают в вертикальной плоскости. По шнуру начинает бежать упругая волна. В данном случае источником возмущения упругой среды является рука.

Волна возникает лишь тогда, когда вместе с внешним возмущением появляются силы в среде, противодействующие ему. Обычно это силы упругости.

Механические волны возникают и перемещаются лишь в упругих средах. Такие среды достаточно плотные и соударение частиц в них напоминает упругое соударение шаров. Это позволяет частицам в волне передавать избыток энергии соседним частицам. Частица, передав часть энергии, возвращается в исходное положение. Этот процесс продолжается дальше. Таким образом, вещество в волне не перемещается. С передачей движения волной связана передача энергии без переноса вещества. Частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия.

В зависимости от того, в каком направлении частицы совершают колебания по отношению к направлению перемещения волны, различают продольные и поперечные волны.

В продольной волне частицы совершают колебания в направлениях, совпадающих с перемещением волны. Такие волны возникают в результате сжатия – растяжения. Следовательно, они могут возникнуть и в газах, и в твёрдых телах, и в жидкостях.

В поперечной волне частицы совершают колебания в плоскостях, перпендикулярных направлению перемещения волны. Такие волны возникают в результате сдвига слоев среды. Следовательно, они могут возникнуть только в твёрдых телах, т.к. в газах и жидкостях такой вид деформации невозможен.

Волны на поверхности воды (или любой другой жидкости) не являются ни продольными, ни поперечными. Они имеют сложный, продольно – поперечный характер.

Частицы жидкости движутся либо по окружностям, либо по вытянутым в горизонтальном направлении эллипсам. Круговое движение частиц на поверхности воды сопровождаются их медленным перемещением в направлении распространения волны. Именно этим объясняются все те «дары моря», которые можно обнаружить на берегу.

Любой физический процесс всегда описывается рядом характеристик, значения которых позволяют более глубоко понимать содержание процесса. Волновые явления в упругих средах также имеют определённые характеристики. С некоторыми мы знакомились при изучении механических колебаний.

Запись на доске:

А – амплитуда колебаний в волне (м)

(обучающиеся самостоятельно называют эту и последующие характеристики волны)

Т – период колебаний в волне (с)

ν – частота колебаний в волне (Гц)

Скорость волны (м/с

Каждая волна распространяется с какой–то скоростью.

Под скоростью волны понимают скорость распространения возмущения. Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе из одной среды в другую её скорость изменяется.

– длина волны (м)

Выбрав направление распространения волны за направление оси ОХ и обозначив через У координату колеблющихся в волне частиц, можно построить график волны.

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

Т.к. = const для данной среды, то

Из графика видно, что длина волны – это расстояние между двумя соседними гребнями или двумя впадинами.

Значит, можно записать, что
, а следовательно

При переходе волны из одной среды в другую её частота не изменяется, меняется лишь скорость и длина волны.

К сожалению, часто мы слышим о землетрясениях.

Волны, которые образуются в земной коре при различных тектонических процессах – называются сейсмическими.

6. Закрепление изученного материала.

Что может являться источником волн?

Происходит ли в волне перенос энергии? А вещества?

На какие виды делят механические волны в зависимости от того, в каком

направлении частицы совершают колебания?

Могут ли поперечные волны распространяться в жидкости или газе? А почему?

Где могут возникать продольные волны? А поперечные?

С какими характеристиками волн мы сегодня познакомились?

Какая из них при переходе механической волны из одной среды в другую не

изменяется?

Задание. Определить по графику характеристики волн (какие возможно). Определить

длину волны, если известно, что скорость её распространения 20 м/с.

Ответ: А = 0,1 м; Т = 0,4 с; ν = 2,5 Гц; 8 м.

Задача 1. Расстояние между ближайшими гребнями волны в море 20 м. С какой скоростью распространяется волна, если период колебаний частиц в волне 10 с?

Решение:

Задача 2. Длина волны равна 2 м, а скорость её распространения 400 м/с. Определить, сколько полных колебаний совершает эта волна за 0,1 с.

Решение:

7. Подведение итогов урока. Оценивание учащихся.

8. Домашнее задание: Белага §§ 14, 15 (читать), выучить конспект, решить задачи

Для желающих: подготовить доклад или презентацию на одну из тем:

«Землетрясения», «Цунами», «Животные – индикаторы

приближающегося землетрясения».

Задача 1. Рыболов заметил, что за 5с поплавок совершил на волнах 10 колебаний, а

расстояние между соседними горбами волн 1м. Какова скорость

распространения волн?

Задача 2. Частота колебаний в волне 10000Гц, а длина волны 2 мм. Определить скорость

24-25.Волновые явления. Распространение механических волн. Длина волны. Скорость распространения волны. Решение задач.

учитель физики

Раздольненской ОШ І - ІІІ ступеней

управления образования администрации Старобешевского района

Мы переходим к изучению вопросов, связанных с волнами. Поговорим о том, что такое волна, как она появляется и чем характеризуется. Оказывается, помимо просто колебательного процесса в узкой области пространства, возможно еще и распространение этих колебаний в среде, именно такое распространение и есть волновое движение.

Перейдем к обсуждению этого распространения. Чтобы обсудить возможность существования колебаний в среде, мы должны определиться с тем, что такое плотная среда. Плотной средой называют такую среду, которая состоит из большого числа частиц, взаимодействие которых очень близко к упругому. Представим следующий мысленный эксперимент.

Рис. 1. Мысленный эксперимент

Поместим в упругую среду шар. Шар будет сжиматься, уменьшаться в размерах, а потом расширяться наподобие биения сердца. Что в этом случае будет наблюдаться? В этом случае частицы, которые прилегают вплотную к этому шару, будут повторять его движение, т.е. удаляться, приближаться – тем самым будут совершать колебания. Поскольку эти частицы взаимодействуют с другими более удаленными от шара частицами, то они также будут совершать колебания, но с некоторым запаздыванием. Частицы, которые к этому шару прилегают вплотную, совершают колебания. Они будут передаваться другим частицам, более далеким. Таким образом, колебание будет распространяться по всем направлениям. Обратите внимание, в данном случае произойдет распространение состояния колебаний. Такое распространение состояния колебаний мы и называем волной. Можно сказать, что

Процесс распространения колебаний в упругой среде с течением времени называется механической волной.

Обратите внимание: когда мы говорим о процессе возникновения таких колебаний, надо говорить о том, что они возможны, только если существует взаимодействие между частицами. Другими словами, волна может существовать только тогда, когда есть внешняя возмущающая сила и силы, которые противостоят действию силы возмущения. В данном случае это силы упругости.

Механические волны могут распространяться в упругой среде .

Упругой, называется среда, которая состоит из большого количества частиц, взаимодействующих между собой силами упругости.

Процесс распространения в данном случае будет связан с тем, какова плотность и сила взаимодействия между частицами данной среды.

Отметим еще одну вещь.

Волна не переносит вещества . Ведь частицы совершают колебания возле положения равновесия. Но вместе с тем волна переносит энергию. Этот факт можно проиллюстрировать волнами цунами. Вещество не переносится волной, но волна переносит такую энергию, которая приносит большие бедствия.

Поговорим о типах волн. Существуют две разновидности – волны продольные и поперечные. Что такое продольные волны ? Эти волны могут существовать во всех средах. И пример с пульсирующим шаром внутри плотной среды – это как раз пример образования продольной волны. Такая волна представляет собой распространение в пространстве с течением времени. Вот это чередование уплотнения и разряжения и представляет собой продольную волну. Еще раз повторюсь, что такая волна может существовать во всех средах – жидких, твердых, газообразных.

Продольной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания вдоль направления распространения волны.

Рис. 2. Продольная волна

Что касается поперечной волны, то поперечная волна может существовать только в твердых телах и на поверхности жидкости.

Поперечной называется волна, при распространении которой частицы среды совершают колебания перпендикулярно направления распространения волны.

Рис. 3. Поперечная волна

Скорость распространения продольных и поперечных волн разная, но это уже тема следующих уроков.

Рисунок «Продольные и поперечные волны»

Длина волны. Скорость распространения волн

Урок посвящен теме «Характеристики волнового движения». Для начала вспомним, что механическая волна – это колебание, которое распространяется с течением времени в упругой среде. Раз это колебание, волне будут присущи все характеристики, которые соответствуют колебанию: амплитуда, период колебания и частота. Кроме этого, у волны появляются свои особые характеристики. Одной из таких характеристик является длина волны . Обозначается длина волны греческой буквой l (лямбда, или говорят «ламбда») и измеряется в метрах.

А – амплитуда [м]

Т – период [с]

ν – частота [Гц]

l – длина волны [м]

Что такое длина волны?

Длина волны – это наименьшее расстояние между частицами, совершающими колебание с одинаковой фазой.

Рис. 1. Длина волны, амплитуда волны

Говорить о длине волны в продольной волне сложнее, потому что там пронаблюдать частицы, которые совершают одинаковые колебания, гораздо труднее. Но и там есть характеристика – длина волны , которая определяет расстояние между двумя частицами, совершающими одинаковое колебание, колебание с одинаковой фазой.

Следующая характеристика – это скорость распространения волны (или просто скорость волны). Скорость волны обозначается, так же как и любая другая скорость, буквой V и измеряется в м/с. Как наглядно объяснить, что такое скорость волны? Проще всего это сделать на примере поперечной волны. Представьте себе летящую над гребнем волны чайку. Ее скорость полета над гребнем и будет скоростью самой волны.

Рис. 2. К определению скорости волны

Скорость волны зависит от того, какова плотность среды, каковы силы взаимодействия между частицами этой среды. Запишем связь между скоростью волны, длиной волны и периодом волны: .Формула «Длина волны»

Скорость можно определить как отношение длины волны, расстояние, пройденное волной за 1 период, к периоду колебания частиц среды, в которой распространяется волна. Кроме этого, вспомним, что . Тогда имеем еще одно соотношение для скорости волны: V = lν.

Важно заметить, что

при переходе волны из одной среды в другую изменяются ее характеристики: скорость движения волн, длина волны. А вот частота колебания остается прежней.

Волны в природе и технике

Интерактивная задача

Прежде, чем начать решение задач, ответим на вопросы:

1. В чем состоит основное свойство всех волн независимо от их природы?
2. Почему в газах и жидкостях не могут существовать поперечные волны?
3. Какое тело может создавать в окружающей среде звуковую волну?

Решить задачи на применение вышеизученного материала:

При решении задач скорость звука в воздухе считается заданной и равной 330 м/с.
1. В океанах длина волны достигает 300 м, а период 13,5 с. Определите скорость распространения такой волны.
2. Определите длину звуковой волны при частоте 200 Гц.
3. Наблюдатель услышал звук артиллерийского выстрела через 6 с после того, как увидел вспышку. На каком расстоянии от него находилось орудие?
4. Длина звуковых волн, излучаемых скрипкой. может изменяться от 23 мм до 1,3 м. Каков диапазон частот скрипки?
5. Расстояние до преграды, отражающей звук, равно 66 м. Через сколько времени человек услышит эхо?

Можно предложить ещё ряд задач и решить их с помощью планшета, например Р №№ 439-444.

Домашнее задание: Параграфы 42-44, упр 6, стр 129.

Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и бывают объяснены только на базе волновой теории.

Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинœейны. При этом, 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 базе 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 телœескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д.

Интерференция волн – явление перераспределœения 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. В случае если волны встречаются ʼʼв фазеʼʼ, ᴛ.ᴇ. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются ʼʼв противофазеʼʼ, ᴛ.ᴇ. 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. По этой причине для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счёт 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 ᴦ.). Яркие полосы – максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелœей встречаются ʼʼв фазеʼʼ, 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), ᴛ.ᴇ. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются ʼʼв противофазеʼʼ, 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 всœе 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), в связи с этим данное явление лежит в базе различных прецизионных (ʼʼсверхточныхʼʼ) 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, определœения плотностей, показателœей 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. В случае если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1см км. Стоит сказать, что 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 (телœескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность – минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются – разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (к примеру, звезды в телœескопе) 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. По этой причине размер объекта͵ наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны (приблизительно 0,5 мкм).

Явление интерференции и дифракции света лежат в базе 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 объёмное 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. Вместе с тем, эти векторы взаимно перпендикулярны, в связи с этим 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 ᴛ.ᴇ. 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, принято называть линœейно 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, в случае 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. К примеру, 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 должна 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 исходя из 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.
Размещено на реф.рф
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 распределœение 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 наблюдателœем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны u определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. В случае 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 ʼʼкрасное смещениеʼʼ, 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; ʼʼкрасное смещениеʼʼ наблюдается и в излучениях любых других частот, к примеру в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, принято называть синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два ʼʼкрасных смещенияʼʼ - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют ʼʼкрасное смещениеʼʼ, наблюдаемое для всœех 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. ʼʼКрасное смещениеʼʼ 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 данном случае записывается в форме

u = Hr ; (3.14)

(u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величинœе ʼʼкрасного смещенияʼʼ скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определœения 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 определœение ʼʼвозрастаʼʼ Вселœенной. 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 ʼʼкрасное смещениеʼʼ является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление принято называть 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 (к примеру, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться ʼʼкрасное смещениеʼʼ обоих типов.