Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Vlnová interferencia je fenomén superpozície (superpozície) vĺn z rôznych zdrojov. Inými slovami, interferencia je jav sčítania dvoch (alebo viacerých) vĺn v priestore, pri ktorom sa vytvára časovo konštantné rozloženie amplitúdy výsledných kmitov v rôznych bodoch priestoru, sa nazýva interferencia. Názov "interferencia" pochádza z latinského jazyka (Inter - medzi, ferens - pridanie z ferentis - nosenie, prenášanie).

Vlnová interferencia: stručné a jednoduché vysvetlenie javu

Ak prídu hasiť dve hasičské autá a začnú horiacu budovu oblievať dvoma prúdmi, môžeme si byť istí, že na ňu nalejú viac vody, ako keby to robila jedna brigáda. Preto sa zdá byť takmer samozrejmé, že ak tie isté hasičské autá zapnú dve rovnaké sirény, potom pozorovateľ v ich blízkosti začuje hlasnejší zvuk, ako keby sirénu spustil iba jeden z nich. Zvyčajne je to pravda, ale môže sa stať aj opak. Zvukové toky z dvoch reproduktorov sa nemusia navzájom vôbec zosilňovať, ale naopak prehlušovať. Myslíte si, že je to nemožné? Na túto otázku odpovieme spustením nasledujúceho experimentu a následnou analýzou výsledkov.

Experiment.

Na tento experiment budete potrebovať laptop na stole, ku ktorému sú pripojené dva počítačové reproduktory. Ak ich chcete premeniť na zdroje harmonických vĺn, zadajte do vyhľadávacieho nástroja prehliadača „akustický generátor online“ a pomocou nájdeného programu vytvorte sínusovú vlnu 1500 Hz.Prípadne vyhľadajte „1500 Hz audio“ a prehrajte jedno z nájdených videí. Jedna prosba: v záujme uší vašich susedov nepúšťajte tieto zvuky príliš nahlas, nie je to potrebné.

Experiment budú realizovať dvaja účastníci: jeden bude pohybovať jedným z reproduktorov, druhým bude detektor zvuku (prijímač), t.j. len počúvajte (obrázok 1) jedným uchom (zablokujte druhé). Pozorovateľ by mal byť vo vzdialenosti asi 3 m od prvého rečníka. Ak si výsledok experimentu zaznamenáte smartfónom a prehráte, bude ešte jasnejšie.

Ryža. 1. Experimentujte s 2 stĺpmi (reproduktormi)
    Najprv umiestnime reproduktory vedľa seba.
  1. Teraz prvý účastník začne pomaly posúvať druhý stĺpec smerom k pozorovateľovi. Posunutím o niekoľko centimetrov pozorovateľ počuje, že zvuk je stále tichší, hoci oba reproduktory fungujú bez zmeny.Nakoniec sa dosiahne minimálna intenzita zvuku.
  2. Keď reproduktor posuniete ďalej, hlasitosť zvuku sa začne znova zvyšovať, potom sa znova znižuje a tak ďalej.

Výsledky našich pozorovaní sa môžu zdať prekvapivé. Ak zodpovedajúcim spôsobom posunieme druhý reproduktor, pozorovateľ bude počuť zvuk vychádzajúci z dvoch reproduktorov tichší, ako keby vychádzal len z jedného reproduktora. Môžete to povedať ako vtip: „zvuk + zvuk=ticho“! Ako je to možné?

Aby sme pochopili výsledok nášho experimentu, musíme zvážiť fenomén interferencie alebo superpozície (superpozície) harmonických vĺn. V nasledujúcom texte budeme uvažovať o vlnách, ktoré sa šíria iba jedným smerom (od reproduktorov k pozorovateľovi) a zanedbáme skutočnosť, že amplitúda zvukových vĺn v skutočnosti klesá so vzdialenosťou od reproduktora.

Vysvetlenie pozorovania: princíp superpozície hovorí, že výsledný posun prvku prostredia, v ktorom sa šíria dve vlny, sa rovná súčtu posunu, ktorý by spôsobila iba prvá vlna, a posunu, ktorý spôsobila by len druhá vlna.

Vlny prichádzajúce k pozorovateľovi z dvoch stĺpcov budeme reprezentovať ako sínusové vlny rovnakej dĺžky λ. V prípade zvukovej vlny hodnota sínusoidy v danom bode zodpovedá okamžitému tlaku vo zvukovej vlne, ktorý je striedavo vyšší a nižší. Na obrázku (obrázok 2.):

  • Horný červený graf predstavuje prvú vlnu.
  • Stredný zelený graf predstavuje druhú vlnu.
  • Spodný čierny graf je superpozíciou dvoch predchádzajúcich vĺn.

Vzdialenosť zdroja prvého vlnenia od pozorovateľa sme označili symbolom r1(na obr. 1 to bola vzdialenosť L). Vzdialenosť od pozorovateľa k zdroju druhej vlny sme označili ako r2.

Ryža. 2. Vlny prichádzajúce k pozorovateľovi z dvoch stĺpov umiestnených v rovnakej vzdialenosti od pozorovateľaRyža. 3. Vlny prichádzajúce k pozorovateľovi z dvoch stĺpcov umiestnených v rôznych vzdialenostiach od pozorovateľa
  1. Na (obr. 2.) sú oba zdroje vĺn v rovnakej vzdialenosti od pozorovateľa, r1=r2 Vlny sú čoraz silnejšie. Amplitúda výslednej vlny je dvojnásobkom amplitúd dvoch zložkových vĺn. Pozorovateľ počuje silný zvuk.
  2. Na (obr. 3.) sa zdroj 2 posunul o 1/2 vlnovej dĺžky doprava, r1- r2=λ 1/2. Teraz sa maximá druhej vlny zhodujú s minimami prvej vlny. Vlny slabnú. Amplitúda výslednej vlny je nulová. Pozorovateľ zvuk nepočuje. To je prípad, keď "zvuk + zvuk=ticho" .
  3. Ak posunieme druhý zdroj o celú vlnovú dĺžku doprava, tak r1- r2=λ maximá dve vlny sa opäť navzájom prekryjú a výsledkom je, že zvuk bude opäť silný.
  4. Ak by vzdialenosť medzi stĺpcami bola jeden a pol vlnovej dĺžky, takže r1- r2=1,5λ, potom vlny by opäť zmizli. A tak ďalej.

Vo všeobecnosti môžeme povedať, že k maximálnemu zosilneniu vĺn z dvoch zdrojov dochádza vtedy, keď sa rozdiel vo vzdialenosti od pozorovateľa rovná celočíselnému násobku vlnovej dĺžky, t.j. r1- r2=nλ , kde n=0, 1, 2, 3, .

Vlny z dvoch zdrojov zhasnú, keď sa rozdiel vo vzdialenosti od pozorovateľa rovná nepárnemu násobku polovice vlnovej dĺžky, t.j. :

r1- r2=( n + 1/2)λ=(2n + 1)λ /2 , kde n=0, 1, 2, 3, .

Interferencia opisuje superpozíciu dvoch alebo viacerých vĺn, ktoré sa navzájom prenikajú. Vlna má amplitúdu, t.j. odchýlka, s kladným alebo záporným znamienkom. Ak sú dve takéto vlny superponované na seba, ich amplitúdy sa sčítajú so zodpovedajúcim znamienkom podľa princípu superpozície. To znamená, že sa navzájom posilňujú, oslabujú alebo úplne rušia. Tento efekt sa vyskytuje pri všetkých typoch vĺn, t.j. elektromagnetických, zvukových a hmotných vlnách (de Broglieho vlny).

Dôležité! V miestach, kde sa vlny navzájom zosilňujú, dochádza k takzvanému konštruktívnemu rušeniu. Na miestach, kde sa vlny navzájom oslabujú, naopak dochádza k deštruktívnemu rušeniu.

Interferenciu je možné rozpoznať zmenou amplitúd jednotlivých vĺn. Tam, kde predtým mali vlnové polia jednotnú intenzitu, je možné pozorovať interferencie so striedajúcimi sa maximami a minimami. Toto sa nazýva interferenčný vzor. Interferenčné obrazce slúžia ako dôkaz vlnovej povahy študovaného žiarenia.

Vlastnosti

Interferenciu môžete klasifikovať na základe jej vlastností a použiť ju na rôzne experimenty.

Súdržnosť

Dôležitou vlastnosťou pre popis interferencie je koherencia. Aby sa v dôsledku interferencie vĺn vytvorilo stabilné vlnové pole, musia byť navzájom koherentné. To znamená, že vlny majú medzi sebou pevný fázový vzťah.Fáza je stupeň, o ktorý sú vlny navzájom posunuté. Z toho sa dá určiť čas koherencie, ktorý je dôležitým indikátorom pre fyzické zdroje svetla.

Volajú sa koherentné zdroje, ktorých frekvencia kmitov je rovnaká a fázový rozdiel sa nemení. Vlny vytvorené takýmito zdrojmi sa nazývajú koherentné.

Ryža. 1. Súdržnosť

Polarizácia

Ďalšou charakteristickou vlastnosťou je polarizácia. Polarizácia popisuje smer, v ktorom vlna osciluje. Ak k tejto zmene smeru dôjde rýchlo a náhodne, potom je vlna nepolarizovaná. Ak sú vlny polarizované kolmo na seba, navzájom si neprekážajú.

Ryža. 2. Polarizácia vĺn

Konštruktívne zasahovanie

Konštruktívna interferencia nastáva vždy, keď dráhový rozdiel dvoch vĺn zodpovedá celočíselnému násobku vlnovej dĺžky.Za tejto podmienky sa hrebeň vlny vždy stretne s hrebeňom vlny a koryto vlny s korytom vlny. Ak sú amplitúdy rovnaké, výsledkom konštruktívneho rušenia je amplitúda, ktorá je dvakrát väčšia.

Matematicky to možno vyjadriť takto:

Hrebeň vlny sa stretáva s hrebeňom vlny pri rozdiele dráhy Δs=0, 1λ, 2λ, . To vám dáva vzorec Δs=kλ, kde

Kde k=0, ±1, ±2 atď. S k=0 máte maximum 0. rádu a s k=1 máte maximum 1. rádu.

Ryža. 3. Konštruktívne zasahovanie

Deštruktívne zasahovanie

Deštruktívne rušenie sa vždy vyskytuje pri vlnovej dĺžke, ktorá je násobkom polovice vlnovej dĺžky. Za týchto podmienok sa žľaby vĺn vždy stretávajú s hrebeňmi vĺn a naopak. V dôsledku toho je amplitúda výslednej vlny menšia ako amplitúda pôvodnej vlny. Ak sú amplitúdy rovnaké, vlny sa navzájom rušia.

Matematicky to možno vyjadriť takto:

Hreben vlny sa stretáva s vrcholom vlny v dráhovom rozdiele Δs=0,5λ, 1,5λ, 2,5λ, , . Získate tak vzorec Δs=( k +0,5)λ , kde

k=0, ±1, ±2 atď. S k=1 máte minimálnu objednávku 1.

Ryža. 4. Deštruktívne rušenie

Príklad výpočtu interferencie vĺn

Pre lepšie pochopenie uvádzame zjednodušenú verziu výpočtu. Predpokladajme, že sú emitované dve vlny (S1a S2). Oba signály majú rovnakú amplitúdu, frekvenciu a polarizáciu. Prijímač je ďaleko E.

Ryža. 5. Výpočet interferencie vĺn

Obrázok ukazuje, že dráhový rozdiel Δs je okrem iného ovplyvnený uhlom α‎. Trigonometricky možno určiť nasledujúci vzťah: sin (α)=Δs / b=↔ Δs=bsin (α)

Pre uhol α dostanete opálenie (α)=x / d

Pre veľmi malé α použite aproximáciu malého uhla. To znamená, že tan( α ) ≈ sin( α ). Ak to zapojíte do svojho vzorca pre dráhový rozdiel Δs, dostanete: Δs=btan (α)=b( x / d ).

Zoznam použitých zdrojov

    Fyzika. 11. ročník Hlboká úroveň. Vibrácie a vlny. Učebnica - Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z
  1. B. Zhilko, G. Markovich, Fyzika, Učebnica pre 11. ročník vzdelávacích inštitúcií s ruským vyučovacím jazykom s 2-ročným obdobím štúdia (základná a pokročilá úroveň), Bielorusko
  2. N. S. Purysheva, N. E. Vazheevskaya, D. A. Isaev, V. M. Charugin, fyzika Stupeň 11

Pomôžte rozvoju stránky a zdieľajte článok s priateľmi!

Kategórie:

Budova