Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Interferencja fal to zjawisko superpozycji (superpozycji) fal pochodzących z różnych źródeł. Innymi słowy, interferencja to zjawisko sumowania się dwóch (lub kilku) fal w przestrzeni, w którym powstaje stały w czasie rozkład amplitudy wynikowych oscylacji w różnych punktach przestrzeni, nazywana jest interferencją. Nazwa „interferencja” pochodzi z języka łacińskiego (Inter – między, ferens – dodatek od ferentis – niosący, niosący).

Interferencja fal: krótkie i proste wyjaśnienie zjawiska

Jeśli dwa wozy strażackie przyjadą ugasić pożar i dwoma strumieniami zaczną wylewać wodę na płonący budynek, możemy być pewni, że poleją go większą ilością wody, niż gdyby robiła to jedna brygada. Dlatego wydaje się niemal oczywiste, że jeśli te same wozy strażackie włączą dwie identyczne syreny, wówczas obserwator znajdujący się w ich pobliżu usłyszy głośniejszy dźwięk, niż gdyby tylko jeden z nich włączył syrenę. Zwykle jest to prawda, ale może się również zdarzyć sytuacja odwrotna. Strumienie dźwięku z dwóch głośników mogą wcale się nie wzmacniać, a wręcz przeciwnie, zagłuszać. Myślisz, że to niemożliwe? Odpowiemy na to pytanie, przeprowadzając następujący eksperyment, a następnie analizując wyniki.

Eksperyment.

Do tego eksperymentu będziesz potrzebować laptopa na stole z podłączonymi dwoma głośnikami komputerowymi. Aby zamienić je w źródła fal harmonicznych, wpisz w wyszukiwarkę internetową „generator akustyczny online” i wygeneruj falę sinusoidalną o częstotliwości 1500 Hz za pomocą znalezionego programu.Ewentualnie wyszukaj „1500 Hz audio” i odtwórz jeden ze znalezionych filmów. Jedna prośba: dla dobra uszu sąsiadów nie puszczaj tych dźwięków zbyt głośno, to nie jest konieczne.

Eksperyment przeprowadzi dwóch uczestników: jeden poruszy jednym z głośników, drugi będzie detektorem (odbiornikiem) dźwięku, tj. po prostu słuchaj (rysunek 1) jednym uchem (zasłaniając drugie). Obserwator powinien znajdować się w odległości około 3 m od pierwszego mówcy. Jeśli nagrasz wynik eksperymentu smartfonem i odtworzysz go, będzie on jeszcze wyraźniejszy.

Ryż. 1. Eksperyment z 2 kolumnami (głośnikami)
    Najpierw ustawimy głośniki obok siebie.
  1. Teraz pierwszy uczestnik zaczyna powoli przesuwać drugą kolumnę w kierunku obserwatora. Przesuwając go o kilka centymetrów, obserwator słyszy, że dźwięk staje się coraz cichszy, chociaż oba głośniki pracują bez zmian.W końcu zostaje osiągnięta minimalna intensywność dźwięku.
  2. Kiedy przesuniesz głośnik dalej, głośność dźwięku ponownie wzrośnie, a następnie ponownie się zmniejszy i tak dalej.

Wyniki naszych obserwacji mogą wydawać się zaskakujące. Jeśli odpowiednio przesuniemy drugi głośnik, obserwator usłyszy dźwięk dochodzący z dwóch głośników ciszej, niż gdyby dochodził tylko z jednego głośnika. Możesz powiedzieć to jako żart: „dźwięk + dźwięk=cisza”! Jak to możliwe?

Aby zrozumieć wynik naszego eksperymentu, musimy wziąć pod uwagę zjawisko interferencji, czyli superpozycji (superpozycji) fal harmonicznych. W dalszej części rozważymy fale rozchodzące się tylko w jednym kierunku (od głośników do obserwatora) i pominiemy fakt, że amplituda fal dźwiękowych faktycznie maleje wraz z odległością od mówiącego.

Wyjaśnienie obserwacji: zasada superpozycji mówi, że wynikowe przemieszczenie elementu ośrodka, w którym rozchodzą się dwie fale, jest równe sumie przemieszczenia, które spowodowałaby tylko pierwsza fala, oraz przemieszczenia, które tylko druga fala spowodowałaby.

Fale docierające do obserwatora z dwóch kolumn będziemy reprezentować jako fale sinusoidalne o tej samej długości λ. W przypadku fali dźwiękowej wartość sinusoidy w danym punkcie odpowiada chwilowemu ciśnieniu w fali dźwiękowej, które jest na przemian wyższe i mniejsze. Na zdjęciu (Rysunek 2.):

  • Czerwony górny wykres przedstawia pierwszą falę.
  • Środkowy zielony wykres przedstawia drugą falę.
  • Dolny czarny wykres to superpozycja dwóch poprzednich fal.

Odległość pierwszego źródła fali od obserwatora oznaczyliśmy symbolem r1(na rys. 1 była to odległość L). Odległość od obserwatora do drugiego źródła fali oznaczyliśmy jako r2.

Ryż. 2. Fale dochodzące do obserwatora z dwóch kolumn znajdujących się w tej samej odległości od obserwatoraRyż. 3. Fale docierające do obserwatora z dwóch kolumn znajdujących się w różnych odległościach od obserwatora
  1. Na (Rys. 2.) oba źródła fal znajdują się w tej samej odległości od obserwatora, r1=r2 Fale są coraz silniejsze. Amplituda fali wynikowej jest dwukrotnie większa od amplitudy dwóch fal składowych. Obserwator słyszy mocny dźwięk.
  2. Na (rys. 3.) źródło 2 przesunęło się o 1/2 długości fali w prawo, r1- r2=λ1/2 . Teraz szczyty drugiej fali pokrywają się z dołkami pierwszej fali. Fale słabną. Amplituda fali wynikowej wynosi zero. Obserwator nie słyszy dźwięku. Dzieje się tak, gdy „dźwięk + dźwięk=cisza”.
  3. Jeśli przesuniemy drugie źródło o pełną długość fali w prawo, to r1- r2=λ maksima dwie fale ponownie nałożą się na siebie, w wyniku czego dźwięk ponownie stanie się mocny.
  4. Jeśli odległość między kolumnami wynosiła półtora długości fali, tak że r1- r2=1,5λ, to fale znów zanikły. I tak dalej.

Ogólnie rzecz biorąc, można powiedzieć, że maksymalne wzmocnienie fal z dwóch źródeł występuje, gdy różnica odległości od obserwatora jest równa całkowitej wielokrotności długości fali, tj. r1- r2=nλ , gdzie n=0, 1, 2, 3, .

Fale z dwóch źródeł gasną, gdy różnica odległości od obserwatora jest równa nieparzystej wielokrotności połowy długości fali, tj. :

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

Interferencja opisuje superpozycję dwóch lub więcej fal, które się przenikają. Fala ma amplitudę, tj. odchylenie ze znakiem dodatnim lub ujemnym. Jeżeli dwie takie fale nakładają się na siebie, to ich amplitudy są sumowane z odpowiednim znakiem, zgodnie z zasadą superpozycji. Oznacza to, że wzajemnie się wzmacniają, osłabiają lub całkowicie znoszą. Efekt ten występuje przy wszystkich rodzajach fal, tj. falach elektromagnetycznych, dźwiękowych i falach materii (fale de Broglie'a).

Ważne! W miejscach, gdzie fale wzajemnie się wzmacniają, dochodzi do tzw. interferencji konstruktywnej. Natomiast w miejscach, gdzie fale wzajemnie się osłabiają, dochodzi do destrukcyjnej interferencji.

Interferencję można rozpoznać po zmianie amplitudy poszczególnych fal. Tam, gdzie poprzednio pola falowe miały jednolite natężenie, można zaobserwować interferencję naprzemiennych maksimów i minimów. Nazywa się to wzorem interferencyjnym. Wzory interferencyjne służą jako dowód falowej natury badanego promieniowania.

Właściwości

Możesz klasyfikować zakłócenia na podstawie ich właściwości i używać ich do różnych eksperymentów.

Spójność

Ważną właściwością opisującą interferencję jest spójność. Aby w wyniku interferencji fal powstało stabilne pole falowe, muszą one być ze sobą spójne. Oznacza to, że fale mają ze sobą stałą zależność fazową.Faza to stopień, w jakim fale są przesunięte względem siebie. Na tej podstawie można określić czas koherencji, który jest ważnym wskaźnikiem dla fizycznych źródeł światła.

Nazywa się źródła koherentne, których częstotliwość oscylacji jest taka sama, a różnica faz się nie zmienia. Fale tworzone przez takie źródła nazywane są koherentnymi.

Ryż. 1. Spójność

Polaryzacja

Kolejną charakterystyczną właściwością jest polaryzacja. Polaryzacja opisuje kierunek, w którym oscyluje fala. Jeśli ta zmiana kierunku następuje szybko i losowo, to fala jest niespolaryzowana. Jeśli fale są spolaryzowane prostopadle do siebie, nie interferują ze sobą.

Ryż. 2. Polaryzacja falowa

Konstruktywna ingerencja

Konstruktywna interferencja występuje zawsze wtedy, gdy różnica dróg dwóch fal odpowiada całkowitej wielokrotności długości fali.W tych warunkach grzbiet fali zawsze spotyka się z grzbietem fali, a dolina fali spotyka się z doliną fali. Jeśli amplitudy są równe, konstruktywna interferencja skutkuje dwukrotnie większą amplitudą.

Matematycznie można to wyrazić następująco:

Grzbiet fali styka się z grzbietem fali na różnicy dróg Δs=0, 1λ, 2λ, . Daje to wzór Δs=kλ gdzie

Gdzie k=0, ±1, ±2 itd. Przy k=0 masz maksimum rzędu 0, a przy k=1 maksimum pierwszego rzędu.

Ryż. 3. Konstruktywna ingerencja

Niszcząca ingerencja

Destrukcyjna interferencja zawsze występuje przy długości fali, która jest wielokrotnością połowy długości fali. W tych warunkach doliny fal zawsze spotykają się z grzbietami fal i odwrotnie. W rezultacie amplituda fali wynikowej jest mniejsza niż amplituda fali pierwotnej. Jeśli amplitudy są równe, fale znoszą się nawzajem.

Matematycznie można to wyrazić następująco:

Grzbiet fali styka się z grzbietem fali w odległości Δs=0,5λ, 1,5λ, 2,5λ, , . Daje to wzór Δs=( k +0,5)λ , gdzie

k=0, ±1, ±2 itd. Przy k=1 masz minimum rzędu 1.

Ryż. 4. Destrukcyjna ingerencja

Przykład obliczania interferencji fal

Dla lepszego zrozumienia, oto uproszczona wersja obliczeń. Załóżmy, że emitowane są dwie fale (S1i S2). Oba sygnały mają taką samą amplitudę, częstotliwość i polaryzację. Odbiorca jest daleko E.

Ryż. 5. Obliczanie interferencji fal

Rysunek pokazuje, że na różnicę dróg Δs wpływa między innymi kąt α‎. Trygonometrycznie można wyznaczyć następującą zależność: sin (α)=Δs / b=↔ Δs=bsin (α)

Dla kąta α otrzymujesz tan (α)=x / d

Dla bardzo małej α użyj przybliżenia małego kąta. Oznacza to, że tan( α ) ≈ sin( α ). Jeśli wstawisz to do swojego wzoru na różnicę dróg Δs, otrzymasz: Δs=btan (α)=b( x / d ).

Lista wykorzystanych źródeł

    Fizyka. Klasa 11. Głęboki poziom. Wibracje i fale. Podręcznik - Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z
  1. B. Zhilko, G. Markovich, Fizyka, Podręcznik dla 11 klasy placówek oświatowych z rosyjskim językiem wykładowym z 2-letnim okresem nauki (poziom podstawowy i zaawansowany), Białoruś
  2. N. S. Purysheva, NE Vazheevskaya, DA Isaev, VM Charugin, fizyka klasa 11

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Kategoria:

Budynek