Интерференция волн

Волна

Волна́ — изменение состояния среды или физического поля (возмущение), распространяющееся либо колеблющееся в пространстве и времени или в фазовом пространстве. Другими словами, «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины — например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры».

В связи с этим волновой процесс может иметь самую разную физическую природу: механическую, химическую (реакция Белоусова — Жаботинского, протекающая в автоколебательном режиме каталитического окисления различных восстановителей бромисто-водородной кислотой HBrO3), электромагнитную (электромагнитное излучение), гравитационную (гравитационные волны), спиновую (магнон), плотности вероятности (ток вероятности) и т. д.

Многообразие волновых процессов приводит к тому, что никаких абсолютных общих свойств волн выделить не удаётся[2]. Одним из часто встречающихся признаков волн считается близкодействие, проявляющееся во взаимосвязи возмущений в соседних точках среды или поля, однако в общем случае может отсутствовать и оно.

Среди всего многообразия волн выделяют некоторые их простейшие типы, которые возникают во многих физических ситуациях из-за математического сходства описывающих их физических законов. Об этих законах говорят в таком случае как о волновых уравнениях. Для непрерывных систем это обычно дифференциальные уравнения в частных производных в фазовом пространстве системы, для сред часто сводимые к уравнениям, связывающим возмущения в соседних точках через пространственные и временные производные этих возмущений. Важным частным случаем волн являются линейные волны, для которых справедлив принцип суперпозиции.

По своему характеру волны подразделяются на:

· По признаку распространения в пространстве: стоячие, бегущие.

· По характеру волны: колебательные, уединённые (солитоны).

· По типу волн: поперечные, продольные, смешанного типа.

· По законам, описывающим волновой процесс: линейные, нелинейные.

· По свойствам субстанции: волны в дискретных структурах, волны в непрерывных субстанциях.

· По геометрии: сферические (пространственные), одномерные (плоские), спиральные. Отличие кол сука ебания от волны. Бегущие волны, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя».

В основном физические волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту. Примером таких волн может служить нестационарное излучение газа в вакуум, волны вероятности электрона и других частиц, волны горения, волны химической реакции, волны плотности реагентов, волны плотности транспортных потоков.

Интерференция волн

(от лат. inter — взаимно, между собой и ferio— ударяю, поражаю), сложение в пр-ве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция характерна для волн любой природы; волн на поверхности жидкости, упругих (напр., звуковых), эл.магн. (напр., радиоволн или световых).

При Интерференции волн результирующее колебание в каждой точке представляет собой геом. сумму колебаний, соответствующих каждой из складывающихся волн. Этот т. н. суперпозиции принцип соблюдается обычно с большой точностью и нарушается только при распространении волн в к.-л. среде, если амплитуда (интенсивность) волн очень велика. Интерференция волн возможна, если они когерентны.

Простейший случай И. в.— сложение двух гармонических волн одинаковой частоты при совпадении направления (поляризации) колебаний в складывающихся волнах. В этом случае амплитуда А результирующей волны в количестве точке пр-ва равна:

A = (A21+A22+2A1A2cosj),

где А1 и А2— амплитуды складывающихся волн, а j — разность фаз между ними в рассматриваемой точке.

Если волны когерентны, то разность фаз j остаётся неизменной в данной точке, но может изменяться от точки к точке и в пространстве получается некоторое распределение амплитуд результирующей волны с чередующимися максимумами и минимумами. Если амплитуды складывающихся волн одинаковы: A1=A2, то макс. амплитуда равна удвоенной амплитуде каждой волны, а минимальная равна нулю. Геом. места равной разности фаз, в частности соответствующей максимумам или минимумам, представляют собой поверхности, зависящие от св-в и расположения источников, излучающих складывающиеся волны. Напр., в случае двух точечных источников, излучающих сферич. волны, эти поверхности — гиперболоиды вращения. Другой важный случай Интерференции волн — сложение двух плоских волн одинаковой частоты, распространяющихся в противоположных направлениях (напр., прямой и отражённой), приводящее к образованию стоячих волн. При Интерференции волн происходит также перераспределение потока энергии волны в пр-ве. Характерное для Интерференции волн распределение амплитуд с чередующимися максимумами и минимумами остаётся неподвижным в пр-ве (или перемещается столь медленно, что за время, необходимое для наблюдений, максимумы и минимумы не успевают сместиться на величину, сравнимую с расстоянием между ними), и его можно наблюдать только в случае, если волны когерентны. Если волны не когерентны, то разность фаз j быстро и беспорядочно изменяется, принимая все возможные значения, так что cos j=0. В этом случае ср. значение амплитуды результирующей волны оказывается одинаковым в различных. точках, максимумы и минимумы размываются и интерференция картина исчезает. Ср. квадрат результирующей амплитуды при этом равен сумме ср. квадратов амплитуд складывающихся волн, т. е. при сложении волн происходит сложение потоков энергии или интенсивностей. Явление Интерференции волн используется, напр., для создания в радиотехнике и акустике сложных антенн, в которых нужные свойства направленности получают за счёт Интерференции волн от различных «элементарных» излучателей. Особенно большое значение И. в. имеет в оптике. Интерференции волн лежит в основе оптических и акустических голографии. Поскольку между длиной волны, разностью хода интерферирующих лучей и расположением максимумов и минимумов существует вполне определяет связь, можно, зная разности хода интерферирующих волн, по расположению максимумов и минимумов определить длину волны, и наоборот, зная длину волны, по расположению максимумов и минимумов определять разность хода лучей, т. е. измерять расстояния. Интерференции волн используется в оптических интерферометрах, радиоинтерферометрах, интерференция радиодальномерах и т. д.

Дата добавления: 2015-11-26