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.

20 вопросЧто такое интерференция, дифракция, поляризация? Объясните явление дисперсии света.

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). 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 XIX 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 XIX 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 в. имеет в случае электромагнитных волн оптического диапазона.

Дисперсия света. скорость света в среде меньше скорости света в вакууме. Это свойство обычно находит отражение в так называемом коэффициенте или показателе преломления среды, который определяется соотношением:

n = c/v

где с — скорость распространения света в вакууме, а v — в среде.

В среде распространения свет затормаживается в результате постоянных взаимодействий с электронными оболочками атомов. Ситуацию здесь можно сравнить с дорожным движением: если скорость света в вакууме уподобить движению по идеально прямому и совершенно свободному загородному шоссе, на котором машина может всю дорогу ехать на максимальной скорости, то скорость света в среде можно представить себе как движение по большому городу — световой луч-машина раз за разом притормаживает на очередном перекрестке-атоме. В результате скорость света в веществе оказывается непременно ниже скорости света в вакууме. Коэффициент преломления, в частности, стекла составляет около 1, 5; следовательно, в стекле свет распространяется примерно на треть медленнее, чем в вакууме.

О том, что не только разные материалы имеют разные коэффициенты преломления, но и в одном материале световые лучи разных цветов преломляются по-разному, известно достаточно давно. Это явление получило название дисперсии света. По закону Снеллиуса угол преломления луча после его попадания в прозрачную среду зависит от коэффициента преломления этой среды, соответственно дисперсия проявляет себя тем, что лучи разных цветов, обладая разными коэффициентами преломления в среде, преломляются под разными углами. В большинстве материалов, в частности в стекле, наблюдается нормальная дисперсия, при которой показатель преломления обратно пропорционален длине волны: чем короче волна, тем выше коэффициент преломления. (У некоторых веществ.

Именно этот принцип лежит в основе действия призмы. При попадании обычного «белого» (а в действительности содержащего все цвета спектра) света, например, солнечных лучей на призму луч начинает расщепляться сразу после пересечения границы воздуха со стеклом, поскольку фиолетовые лучи преломляются сильнее всего, а красные — слабее всего. В результате после пересечения светом второй границы стекла с воздухом белый луч оказывается расщепленным на составляющие его цветные лучи.

Радуга тоже возникает в результате дисперсии света на дождевых каплях. Попадая внутрь капли, солнечный луч преломляется, внутри капли происходит его дисперсия, затем разложенный на спектр луч отражается от задней полусферы капли, на обратном пути происходит его дальнейшая дисперсия, и, наконец, луч выходит обратно через переднюю поверхность капли, будучи разложенным на радужный спектр солнечного света. Именно поэтому мы и наблюдаем радугу лишь тогда, когда Солнце находится с одной стороны от нас, а дождь идет с другой стороны. Из-за дисперсии каждый цвет в отраженных лучах собирается под своим строго определенным углом, и это объясняет, почему радуга образует в небе дугу. Цвета в дождевой радуге разделены не очень четко, поскольку капли имеют разный диаметр, и на одних каплях дисперсия проявляется сильнее, на других — слабее. Воспринимаемая же нашим зрением радуга образуется совокупностью отраженных лучей от всех дождевых капель, пролетающих в момент наблюдения через зону отражения.

Более редкое явление двойной радуги наблюдается, когда внутри части дождевых капель световой луч отражается от внутренней поверхности дважды, а совсем редкая тройная радуга свидетельствует об эффекте тройного внутреннего отражения луча в части дождевых капель.

Принципиальные физические причины дисперсии удалось объяснить только в рамках современной атомной теории строения материи и взаимодействия света с веществом. Подобно лучам всех диапазонов спектра электромагнитного излучения, световые лучи представляют собой поперечные электромагнитные волны. Электрическое поле, возбуждаемое в такой волне, согласно уравнениям Максвелла воздействует на электроны атомов, возбуждая их. Возбуждаясь, электрон поглощает фотон определенной частоты, чтобы почти сразу же испустить в точности такой же фотон и вернуться в нормальное состояние на нижней незанятой орбитали своего атома. Таким образом, свет в среде распространяется посредством цепочки непрерывных поглощений и испусканий фотонов. Именно этим обусловлено замедление распространения света в среде.

В уравнениях Максвелла не содержалось никаких ограничений на возможный диапазон длин электромагнитных волн^[1].

Вскоре после предсказания Максвеллом существования электромагнитных волн других диапазонов спектра последовала серия открытий, подтвердивших его правоту. Первыми в 1888 году были открыты радиоволны — сделал это немецкий физик Генрих Герц (Heinrich Hertz, 1857–1894). Разница между радиоволнами и светом – это разница в диапазонах длин волн. Длина радиоволн может колебаться в диапазоне от нескольких дециметров до тысяч километров. Подобно световым волнам, радиоволны могут практически без потерь распространяться на большие расстояния в земной атмосфере.

Уже в начале 1894 года — всего через пять с небольшим лет после открытия радиоволн — итальянский инженер-физик Гульельмо Маркони (Guglielmo Marconi, 1874–1937) сконструировал первый работающий беспроволочный телеграф — прообраз современного радио, — за что в 1909 году был удостоен Нобелевской премии.

После того как было впервые экспериментально подтверждено предсказываемое уравнениями Максвелла существование электромагнитных волн за пределами видимого спектра, остальные ниши спектра заполнились весьма быстро. Сегодня открыты электромагнитные волны всех без исключения диапазонов, и практически все они находят широкое и полезное применение в науке и технике. Частоты волн и переносимая ими энергия возрастают с уменьшением длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн образует так называемый сплошной спектр электромагнитного излучения. Он подразделяется на следующие диапазоны (в порядке увеличения частоты и уменьшения длины волн): радиоволны, микроволновое излучение (СВЧ), оптический диапазон (инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение), рентеновское излучение, гамма-излучение.

21 вопросКорпускулярные свойства света

С 1905 года науке известно, что свет не только является волной, но и потоком частиц – фотонов. Все началось с открытия фотоэффекта.

Фотоэффект был открыт Герцем в 1887 г.

1888 – 1889 г. явление было экспериментально изучено Столетовым.

1898 г. Ленард и Томпсон установили, что частицы, которые испускаются под действием света, являются электронами.

Основная проблема, которую поставил перед учеными фотоэффект, заключалась в том, что энергия вырванных светом из вещества электронов не зависит от интенсивности падающего на вещество света. Она зависит только от его частоты. Классическая волновая теория не могла этот эффект объяснить.

1905 г. Эйнштейн дал теоретическое объяснение фотоэффекту, за что в 1921 г. получил Нобелевскую премию.

По предположению Эйнштейна свет состоит из фотонов, энергия которых зависит только от частоты и рассчитывается по формуле Планка: . Свет способен вырвать электрон из вещества, если у фотона для этого достаточно энергии. При этом не имеет значения количество фотонов, которые падают на освещенную поверхность. Следовательно интенсивность света не имеет значения для начала фотоэффекта.

При объяснении фотоэффекта Эйнштейн использовал известную гипотезу Планка. Планк в свое время предположил, что свет излучается порциями – квантами. Теперь Эйнштейн предположил, что свет, к тому же и поглощается порциями. Для объяснения фотоэффекта этого предположения было достаточно. Эйнштейн, тем не менее идет дальше. Он предполагает, что свет и распространяется порциями или фотонами. Для такого утверждения в тот момент не было никаких экспериментальных оснований.

Наиболее непосредственное подтверждение гипотезы Эйнштейна дал опыт Боте.

 

В эксперименте Боте тонкая металлическая фольга Ф помещалась между двумя газоразрядными счетчиками Сч. Фольга освещалась слабым пучком рентгеновских лучей, под действием которых она сама становилась источником рентгеновского излучения. Вторичные фотоны улавливались счетчиками Гейгера. При срабатывании счетчика, сигнал передавался на механизмы М, которые делали отметку на движущейся ленте Л. Если бы вторичное излучение испускалось в виде сферических волн, то оба счетчика должны были бы срабатывать одновременно. Однако опыт показал, что отметки на двигающейся ленте располагались совершенно независимо друг от друга. Это можно было объяснить только одним способом: вторичное излучение возникает в виде отдельных частиц, которые могут лететь либо в одном, либо в противоположном направлениях. Поэтому, оба счетчика не могут сработать одновременно.

22 вопрос Назовите важнейшие законы и открытия в области электричества и магнетизма, положенные в основу ЭМКМ.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: