Интерференция дифракция и поляризация механических волн кратко

Обновлено: 05.07.2024

Наблюдения за распространением волн на поверхности воды от двух или большего числа источников показывают, что волны проходят одна через другую, совершенно не влияя друг на друга. Точно так же не влияют друг на друга и звуковые волны. Когда играет оркестр, то звуки от каждого инструмента приходят к нам точно такими же, как если бы играл отдельно каждый инструмент.

Этот экспериментально установленный факт объясняется тем, что в пределах упругой деформации сжатие или растяжение тел вдоль одного направления не влияет на их упругие свойства при деформации по любым другим направлениям. Поэтому в каждой точке, которой достигают волны от разных источников, результат действия нескольких волн в любой момент времени равен сумме результатов действия каждой волны в отдельности. Эта закономерность называется принципом суперпозиции.

Интерференция волн.

Для более глубокого понимания содержания принципа суперпозиции проделаем следующий опыт.

В волновой ванне с помощью вибратора с двумя стержнями создадим два точечных источника волн с одинаковой частотой

колебаний. Наблюдения показывают, что в этом случае в волновой ванне возникает особая картина распространения волн. На водной поверхности выделяются полосы, где колебания отсутствуют (рис. 226).

Подобное явление можно обнаружить в опытах со звуковыми волнами. Установим два динамических громкоговорителя и подключим их к выходу одного звукового генератора. Перемещаясь на небольшие расстояния в классной комнате, на слух можно обнаружить, что в одних точках пространства звучание громкое, а в других — тихое. Звуковые волны от двух источников в одних точках пространства усиливают, а в других ослабляют друг друга (рис. 227).

Явление увеличения или уменьшения амплитуды результирующей волны при сложении двух или нескольких волн с одинаковыми периодами колебаний называется интерференцией волн.

Условия интерференционного минимума и максимума.

Амплитуда колебаний равна нулю в

тех точках пространства, в которые волны с одинаковыми амплитудой и частотой приходят со сдвигом по фазе колебаний на или на половину периода колебаний. При одинаковом законе колебаний двух источников волн различие на половину периода колебаний будет при условии, что разность расстояний от источников волн до этой точки равна половине длины волны:

или нечетному числу полуволн:

Разность называется разностью хода интерферирующих волн, а условие

называется условием интерференционного минимума.

Интерференционные максимумы наблюдаются в точках пространства, в которые волны приходят с одинаковой фазой колебаний. При одинаковом законе колебаний двух источников для выполнения этого условия разность хода должна равняться целому числу волн:

Когерентность.

Интерференция и закон сохранения энергии.

Куда исчезает энергия двух волн в местах интерференционных минимумов? Если рассматривать только одно место встречи двух волн, то на такой вопрос нельзя дать правильный ответ. Распространение волн не является совокупностью независимых процессов колебаний в отдельных точках пространства. Сущность волнового процесса заключается в передаче энергии колебаний от одной точки пространства к другой и т. д. При интерференции волн в местах интерференционных минимумов энергия результирующих колебаний действительно меньше суммы энергий двух интерферирующих волн. Зато в местах интерференционных максимумов энергия результирующих колебаний превышает сумму энергий интерферирующих волн ровно на столько, на сколько уменьшилась энергия в местах интерференционных минимумов. При интерференции волн энергия колебаний перераспределяется в пространстве, но при этом закон сохранения энергии строго выполняется.

Днфракцня волн.

Если уменьшать размеры отверстия в преграде на пути волны, то, чем меньше будут размеры отверстия, тем большие отклонения от прямолинейного направления распространения будут испытывать волны (рис. 228, а, б). Отклонение направления распространения волн от прямолинейного у границы преграды называется дифракцией волн.

Для наблюдения дифракции звуковых волн подключим громкоговорители к выходу звукового генератора и поставим на пути распространения звуковых волн экран из материала,

поглощающего звуковые волны. Передвигая за экраном микрофон, можно обнаружить, что звуковые волны регистрируются и за краем экрана. Изменяя частоту звуковых колебаний и тем самым длину звуковых вола, можно установить, что явление дифракции становится более заметным при увеличении длины волны.

Дифракция волн происходит при их встрече с преградой любой формы и любых размеров. Обычно при больших по сравнению с длиной волны размерах препятствия или отверстия в преграде дифракция волн мало заметна. Наиболее отчетливо дифракция проявляется при прохождении волн через отверстие с размерами порядка длины волны или при встрече с препятствиями таких же размеров. При достаточно больших расстояниях между источником волн, преградой и местом наблюдения волн, дифракционные явления могут иметь место и при больших размерах отверстия или преграды.

Принцип Гюйгенса — Френеля.

Качественное объяснение явления дифракции можно дать на основе принципа Гюйгенса. Однако принцип Гюйгенса не может объяснить всех особенностей распространения волн. Поставим на пути плоских волн в волновой ванне преграду с широким отверстием. Опыт показывает, что волны проходят через отверстие и распространяются по первоначальному направлению луча. В остальных направлениях волны от отверстия не распространяются. Это противоречит принципу Гюйгенса, согласно которому вторичные волны должны распространяться во все стороны от точек, которых достигла первичная волна.

Поставим на пути волн широкую преграду. Опыт показывает, что за преграду волны не распространяются, что опять противоречит принципу Гюйгенса. Для объяснения явлений, наблюдаемых при встрече волн с преградами, французский физик Огюстен Френель (1788—1827) в 1815 г. дополнил принцип Гюйгенса представлениями о когерентности вторичных волн и их интерференции. Отсутствие волн в стороне от направления луча первичной волиы за широким отверстием согласно принципу Гюйгенса — Френеля объясняется тем, что вторичные когерентные волны, испускаемые разными участками отверстия, интерферируют между собой. Волны отсутствуют в тех местах, в которых для вторичных волн от разных участков выполняются условия интерференционных минимумов.

Поляризация волн.

Явления интерференции и дифракции

наблюдаются как при распространении продольных, так и поперечных волн. Однако поперечные волны обладают одним свойством, которым не обладают продольные волны, — свойством поляризации.

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости. Плоскополяризованная волна в резиновом шнуре получается при колебаниях конца шнура в одной плоскости. Если же конец шнура колеблется в различных направлениях, то волна, распространяющаяся вдоль шнура, не поляризована.

Поляризацию этой волны можно осуществить, поставив на ее пути преграду с отверстием в виде узкой щели. Щель пропускает только колебания шнура, происходящие вдоль нее. Поэтому волна после прохождения щели становится поляризованной в плоскости щели (рис. 229). Если далее на пути плоскополяризованной волны поставить вторую щель параллельно первой, то волна свободно проходит через нее. Поворот второй щели по отношению к первой на 90° останавливает процесс распространения волны в шнуре.

Устройство, выделяющее из всех возможных колебания, происходящие в одной плоскости (первая щель), называется поляризатором. Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации волны (вторая щель), называется анализатором.

5) поляризация механических волн; когерентные источники.

Глоссарий по теме

Механическая волна – возмущение, распространяющееся в пространстве с течением времени.

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

Волновая поверхность - волна, фронт которой имеет форму плоскости.

Фронт волны - это поверхность, до которой дошли колебания к данному моменту времени.

Громкость звука - субъективное восприятие силы звука, зависит от амплитуды.

Высота тона - качество звука, зависящее от частоты колебаний голосовых связок в единицу времени.

Тембр - характерная окраска звука.

Поглощение - превращение энергии волны в др. виды энергии в результате её взаимодействия с др. волнами или со средой, в которой она распространяется.

Интерференция - взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга.

Дифракция - явление огибания волнами препятствий.

Когерентные источники – такие источники, которые обеспечивают постоянную во времени разность фаз слагаемых волн в различных точках.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014.С.53-66

Основное содержание урока

Волна - процесс распространения колебаний с течением времени.

Механическая волна переносит энергию, но не переносит вещество.

Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, называются поперечными.

Волны, в которых частицы среды во время колебаний сдвигаются вдоль направления распространения волны, называются продольными.

Продольные волны могут распространяться в любой среде.

Частоту колебаний каждой точки среды называют частотой волны .

Величину, обратную частоте, называют периодом волны:

Длина волны это расстояние между двумя ближайшими точками, которые колеблются в одной фазе.

Расстояние, на которое распространяются колебания за время одного периода, называется длиной волны.

скорость волны для определенной среды

Эту формулу называют формулой волны.

Механические колебания с частотой от17 до 20 000 Гц называются звуковыми.

Разбор тренировочных заданий

1. Какой из признаков колебательного движения назван ошибочно?

1) возникает благодаря действию на тело, выведенного из положения равновесия, возвращающей силы;

2) тело движется около положения равновесия;

3) энергия в пространстве не переносится, происходит переход кинетической энергии в потенциальную и наоборот;

4) распространяется в пространстве с течением времени

Так как колебательное движение – это движение, повторяющееся через определенный промежуток времени, и тело движется около положения равновесия, и распространяется в пространстве с течением времени, то неправильным является третье утверждение: энергия в пространстве не переносится, происходит переход кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

Правильный ответ: 3) энергия в пространстве не переносится, происходит переход кинетической энергии в потенциальную и наоборот.

2. Ультразвуковой сигнал с частотой 60кГц возвратился после отражения от дна моря на глубине 150 м через 0,2с. Длина ультразвуковой волны ________ м.

Интерференцией называется сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний частиц среды. Условие максимумов Амплитуда колебаний частиц среды в данной точке максимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна целому числу длин волн: Условие минимумов Амплитуда колебаний частиц среды в данной точке минимальна, если разность хода двух волн, возбуждающих колебания в этой точке, равна нечетному числу полуволн: Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн имели одинаковую частоту и разность фаз их колебаний была постоянной. Источники, соответствующие этим двум условиям, называются когерентными. Отклонение от прямолинейного распространения волн, или огибание волнами препятствий — называется дифракцией. Дифракция присуща любому волновому процессу, так же как и интерференция. При дифракции происходит искривление волновых поверхностей у краев препятствий. Дифракция волн проявляется особенно отчетливо в случаях, когда размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется волной.

2. Поперечные и продольные волны.

3. Длина, амплитуда, период, фаза. Определение. Формула. Описание. График. Примеры.

4. Что называется интерференцией, дифракцией и поляризацией механических волн?

Тема 36: Звуковые волны.

План:

1. Звуковые волны.

2. Ультразвук и его применение.

Вопрос 1. Звуковые волны. Звук - это упругие волны в среде (часто в воздухе), которые невидимы, но воспринимаемые человеческим ухом (волна воздействует на барабанную перепонку уха). Звуковая волна является продольной волной сжатия и разрежения. Если создать вакуум, то будем ли мы различать звуки? Роберт Бойль в 1660 году поместил часы в стеклянный сосуд. Откачав воздух, он не услышал звука. Опыт доказывает, что для распространения звука необходима среда. Звук может также распространятся в жидкой и твердой среде. Под водой хорошо слышны удары камней. Положим часы на один конец деревянной доски. Приложив ухо к другому концу, можно ясно услышать тиканье часов. Источник звука - это обязательно колеблющиеся тела . Дело в том, что человеческое ухо воспринимает не все волны, а только те, которые создают тела, колеблющиеся с частотой от 16Гц до 20000Гц. Такие волны называются звуковыми. Колебания с частотой меньше 16Гц называется инфразвуком. Скорость звука Звуковые волны распространяются не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью. Именно поэтому во время грозы мы сначала видим молнию, то есть свет (скорость света гораздо больше скорости звука), а затем доносится звук. Скорость звука зависит от среды: в твердых телах и жидкостях скорость звука значительно больше, чем в воздухе. С увеличением температуры среды скорость звука возрастает, с уменьшением - убывает. характеристики звука вводят специальные величины: громкость, высота и тембр звука. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук. Кроме того, восприятие громкости звука нашим ухом зависит от частоты колебаний в звуковой волне. Более высокочастотные волны воспринимаются как более громкие. Частота звуковой волны определяет высоту тона. Чем больше частота колебаний источника звука, тем выше издаваемый им звук хоть немного, но отличается, это и определяет тембр конкретного голоса. Эхолокация. Это способ определения местоположения тел по отраженным от них ультразвуковым сигналам. Широко применяется в мореплавании. На судах устанавливают гидролокаторы - приборы для распознавания подводных объектов и определения глубины и рельефа дна. На дне судна помещают излучатель и приемник звука. Излучатель дает короткие сигналы. Анализируя время задержки и направление возвращающихся сигналов, компьютер определяет положение и размер объекта отразившего звук.

Вопрос 2. Ультразвук и его применение. Колебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком. Ультразвук – это колебания за пределами слышимости человека в упругих средах, частота таких колебаний превышает 20кГц. Применение ультразвука получило большое распространение во всех технических сферах, медицине и других областях применения. Большое распространение ультразвук получил в гидрографии, при изучении рельефов дна мировых океанов, рек и морей. Для целей изучения используются такие приборы как: эхолот и гидролокаторы. Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели называется ультразвуковым дефектоскопом.

Ультразвук широко используется в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний. В отличие от рентгеновских лучей его волны не оказывают вредного влияния на ткани. Диагностические ультразвуковые исследования (УЗИ) позволяют без хирургического вмешательства распознать патологические изменения органов и тканей.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется звуковыми волнами?

2. Каков диапазон частот звуковых волн?

3. В чем отличия звука от ультразвука?

4. Как мы слышим?

Тема 37: Электромагнитные колебания.

1. Свободные электромагнитные колебания.

2. Гармонические электромагнитные колебания в колебательном контуре.

3. Формула Томсона.

Вопрос 1. Свободные электромагнитные колебания.

Электромагнитные колебания - взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей. Это затухающие колебания, так как сообщенная системе энергия расходуется на нагревание и другие процессы. Вынужденные электромагнитные колебания - незатухающие колебания в цепи, вызванные внешней периодически изменяющейся синусоидальной ЭДС.

Электрические колебания - частный случай электромагнитных, когда рассматривают колебания только электрических величин. В этом случае говорят о переменных токе, напряжении, мощности и т.д.

Вопрос 2. Гармонические электромагнитные колебания в колебательном контуре. Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивностью L и конденсатора электроемкостью C. Если предварительно зарядить конденсатор (рис. a), то получим колебательный контур (рис. б).1) В начальный момент времени конденсатор имеет максимальный заряд, обладает максимальной энергией W_C.2) В следующий момент времени конденсатор начинает разряжаться. В цепи появляется ток. По мере разрядки конденсатора ток в цепи и в катушке нарастает. Из-за явления самоиндукции это происходит не мгновенно. Энергия катушки W_L становится максимальной.3) Электрические заряды вновь накапливаются на конденсаторе, но обкладка конденсатора, первоначально заряженная положительно, будет заряжена отрицательно. Энергия конденсатора максимальная.4) Конденсатор разряжается, но ток протекает уже в обратном направлении. Этот процесс будет повторяться снова и снова. Возникнут электромагнитные колебания. Если отсутствуют потери (R=0), то сила тока, заряд и напряжение со временем изменяются по гармоническому закону.

Вопрос 3. Формула Томсона. Наименьший промежуток времени, в течение которого происходит переход зарядов с одной обкладки конденсатора на другую и обратно, называется периодом свободных электромагнитных колебаний.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется свободными электромагнитными колебаниями?

2. Что такое колебательный контур?

3. Что выражает формула Томсона?

Тема 38: Переменный электрический ток.

План:

1. Переменный электрический ток.

2. Резистор в цепи переменного тока.

Вопрос 1. Переменный электрический ток. Вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи представляют собой переменный электрический ток. Переменный электрический ток — это ток, сила и направление которого периодически меняются. Переменный ток – это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону. Переменный ток − электрический ток, который с течением времени t изменяет свою величину I или направление. Периодический ток − переменный ток, мгновенные значения величины I которого повторяются через равные промежутки времени T:,I=I(t)=I(t+k⋅T),где k − любое натуральное число, T − период колебаний. Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира.

Вопрос 2. Резистор в цепи переменного тока. Пусть цепь состоит из проводников с малой индуктивностью и большим сопротивлением R (из резисторов). Например, такой цепью может быть нить накаливания электрической лампы и подводящие провода. Сопротивление R называется активным потому, что, только на нем выделяется энергия, т.е. Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным сопротивлением. Итак, в цепи имеется резистор, активное сопротивление которого R, а катушка. При небольших значениях частоты переменного тока активное сопротивление проводника не зависит от частоты и практически совпадает с его электрическим сопротивлением в цепи постоянного тока.

Вопросы для самоконтроля

4. Что такое переменный ток?

5. Как ведет себя резистор в цепи переменного тока?

6. Что такое переменный электрический ток?

Тема 39: Резонанс в электрической цепи

План:

1. Резонанс в электрической цепи.

2. Применение резонанса.

Вопрос 1.Резонанс в электрической цепи. Резонанс наблюдается в том случае, когда собственная частота колебаний системы совпадает с частотой изменения внешней силы. Если трение мало, то амплитуда установившихся вынужденных колебаний при резонансе резко увеличивается. При механических колебаниях резонанс выражен отчетливо при малых значениях коэффициента трения . В электрической цепи роль коэффициента трения выполняет ее активное сопротивление R. Ведь именно наличие этого сопротивления в цепи приводит к превращению энергии тока но внутреннюю энергию проводника (проводник нагревается). Поэтому резонанс в электрическом колебательном контype должен быть выражен отчетливо при малом активном сопротивлении R. Сила тока при вынужденных колебаниях должна достигать максимальных значений, когда частота переменного напряжения, приложенного к контуру, равна собственной частоте колебательного контура: Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура. Как и в случае механического резонанса, при резонансе в колебательном контуре создаются оптимальные условия для поступления энергии от внешнего источника в контур. Мощность в контуре максимальна в том случае, когда сила тока совпадает по фазе с напряжением. Здесь наблюдается полная аналогия с механическими колебаниями: при резонансе в механической колебательной системе внешняя сила (аналог напряжения в цепи) совпадает по фазе со скоростью (аналог силы тока). Не сразу после включения внешнего переменного напряжения в цепи устанавливается резонансное значение силы тока. Амплитуда колебаний силы тока нарастает постепенно — до тех пор, пока энергия, выделяющаяся за период на резисторе, не сравняется с энергией, поступающей в контур за это же время: Наоборот, с увеличением R максимальное значение силы тока уменьшается, и при больших R говорить о резонансе уже не имеет смысла. Зависимость амплитуды силы тока от частоты при различных сопротивлениях (R₁

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется волной.

2. Поперечные и продольные волны.

3. Длина, амплитуда, период, фаза. Определение. Формула. Описание. График. Примеры.

4. Что называется интерференцией, дифракцией и поляризацией механических волн?

Тема 12:Звуковые волны.

План:

1. Звуковые волны.

2. Ультразвук и его применение.

Вопрос 2. Ультразвук и его применениеКолебания с частотой больше 20000Гц называются ультразвуком. Ультразвук – это колебания за пределами слышимости человека в упругих средах, частота таких колебаний превышает 20кГц. Применение ультразвука получило большое распространение во всех технических сферах, медицине и других областях применения. Большое распространение ультразвук получил в гидрографии, при изучении рельефов дна мировых океанов, рек и морей. Для целей изучения используются такие приборы как: эхолот и гидролокаторы. Ультразвук используется для обнаружения и определения различных повреждений в деталях машин (пустоты, трещины и др.). Прибор, используемый для этой цели называется ультразвуковым дефектоскопом.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется волной.

2. Поперечные и продольные волны.

3. Длина, амплитуда, период, фаза. Определение. Формула. Описание. График. Примеры.

4. Что называется интерференцией, дифракцией и поляризацией механических волн?

Тема 12:Звуковые волны.

План:

1. Звуковые волны.

2. Ультразвук и его применение.

Читайте также: