інтерференція хвиль
Теми кодификатора ЄДІ: інтерференція світла.
У попередньому листку, присвяченому принципом Гюйгенса, ми говорили про те, що загальна картина хвильового процесу створюється накладенням вторинних хвиль. Але що це означає - «накладенням»? У чому полягає конкретний фізичний зміст накладення хвиль? Що взагалі відбувається, коли в просторі одночасно поширюються кілька хвиль? Цим питанням і присвячений даний листок.
Зараз ми будемо розглядати взаємодію двох хвиль. Природа хвильових процесів ролі не грає - це можуть бути механічні хвилі в пружної середовищі або електромагнітні хвилі (зокрема, світло) в прозорому середовищі або у вакуумі.
Досвід показує, що хвилі складаються один з одним в наступному сенсі.
Принцип суперпозиції. Якщо дві хвилі накладаються один на одного в певній області простору, то вони породжують новий хвильовий процес. При цьому значення коливається величини в будь-якій точці даної області дорівнює сумі відповідних тих, хто вагається величин в кожній з хвиль окремо.
Наприклад, при накладенні двох механічних хвиль переміщення частинки пружного середовища дорівнює сумі переміщень, що створюються окремо кожною хвилею. При накладенні двох електромагнітних хвиль напруженість електричного поля в даній точці дорівнює сумі напруженостей в кожній хвилі (і те ж саме для індукції магнітного поля).
Зрозуміло, принцип суперпозиції справедливий не тільки для двох, але і взагалі для будь-якої кількості накладаються хвиль. Результуюче коливання в даній точці завжди дорівнює сумі коливань, створюваних кожною хвилею окремо.
Ми обмежимося розглядом накладення двох хвиль однакової амплітуди і частоти. Цей випадок найбільш часто зустрічається у фізиці і, зокрема, в оптиці.
Виявляється, на амплітуду результуючого коливання сильно впливає різниця фаз складаються коливань. Залежно від різниці фаз в даній точці простору дві хвилі можуть як підсилювати один одного, так і повністю гасити!
Припустимо, наприклад, що в деякій точці фази коливань в накладаються хвилях збігаються (рис. 1).
Мал. 1. Хвилі в фазі: посилення коливань
Ми бачимо, що максимуми червоної хвилі припадають в точності на максимуми синьої хвилі, мінімуми червоною хвилі - на мінімуми синьою (ліва частина рис. 1). Складаючись в фазі, червона і синя хвилі підсилюють одна одну, породжуючи коливання подвоєної амплітуди (праворуч на рис. 1).
Тепер зрушимо синю синусоїду щодо червоною на половину довжини хвилі. Тоді максимуми синьої хвилі будуть збігатися з мінімумами червоною і навпаки - мінімуми синьої хвилі співпадуть з максимумами червоною (рис. 2. зліва).
Мал. 2. Хвилі в протифазі: гасіння коливань
Коливання, створювані цими хвилями, будуть відбуватися, як кажуть, в протифазі - різниця фаз коливань дорівнюватиме. Результуюче коливання виявиться рівним нулю, т. Е. Червона і синя хвилі просто знищать один одного (рис. 2. праворуч).
Нехай є два точкових джерела, що створюють хвилі в навколишньому просторі. Ми вважаємо, що ці джерела узгоджені один з одним в наступному сенсі.
Когерентність. Два джерела називаються когерентними, якщо вони мають однакову частоту і постійну, не залежну від часу різниця фаз. Хвилі, що порушується такими джерелами, також називаються когерентними.
Отже, розглядаємо два когерентних джерела і. Для простоти вважаємо, що джерела випромінюють хвилі однакової амплітуди, а різниця фаз між джерелами дорівнює нулю. Загалом, ці джерела є «точними копіями» один одного (в оптиці, наприклад, джерело служить зображенням джерела в будь-якої оптичної системи).
Накладення хвиль, ізлучённих даними джерелами, спостерігається в деякій точці. Взагалі кажучи, амплітуди цих хвиль в точці будуть рівні один одному - адже, як ми пам'ятаємо, амплітуда сферичної хвилі обернено пропорційна відстані до джерела, і при різних відстанях і амплітуди прийшли хвиль виявляться різними. Але в багатьох випадках точка розташована досить далеко від джерел - на відстані набагато більшому, ніж відстань між самими джерелами. У такій ситуації відмінність в відстанях і не призводить до істотної відмінності в амплітудах хвиль, що приходять. Отже, ми можемо вважати, що амплітуди хвиль в точці також збігаються.
Однак величина. звана різницею ходу. має найважливіше значення. Від неї найрішучішим чином залежить те, який результат складання хвиль, що приходять ми побачимо в точці.
