Дифракция механических волн — Класс!ная физика

Подробности

Обновлено 20.07.2018 19:43

Просмотров: 590

«Физика — 11 класс»

Нередко волна встречает на своем пути небольшие (по сравнению с длиной волны) препятствия, которые она способна огибать.

Когда размеры препятствий малы, волны, огибая края препятствий, смыкаются за ними.

Так, морские волны свободно огибают выступающий из воды камень, если его размеры меньше длины волны или сравнимы с ней.

За камнем волны распространяются так, как если бы его не было совсем.

Точно так же волна от брошенного в пруд камня огибает торчащий из воды прутик. Только за препятствием большого по сравнению с длиной волны размера (наприер, большого камня) образуется «тень»: волны за него не проникают.

Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны.
Вы можете слышать сигнал машины за углом дома, когда самой машины не видно.

В лесу деревья заслоняют ваших товарищей.
Чтобы их не потерять или не потеряться самому, вы начинаете кричать.

Звуковые волны в отличие от света свободно огибают стволы деревьев и доносят ваш голос до товарищей.
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.

Явление дифракции волн на поверхности воды можно наблюдать, если, например, поставить на пути волн экран с узкой щелью, размеры которой меньше длины волны.

В этом опыте хорошо бывает видно, что за экраном распространяется круговая волна, как если бы в отверстии экрана находилось колеблющееся тело — источник волн.

Согласно принципу Гюйгенса так и должно быть.

Вторичные источники в узкой щели располагаются столь близко друг к другу, что их можно рассматривать как один точечный источник.

Если же размеры щели велики по сравнению с длиной волны, то картина распространения волн за экраном совершенно иная.

Волна проходит сквозь щель, почти не меняя своей формы.

По краям можно заметить искривления волновой поверхности, в результате чего волна частично проникает и в пространство за экраном.

Принцип Гюйгенса позволяет понять, почему происходит дифракция.
Вторичные волны, испускаемые участками среды, проникают за края препятствия, расположенного на пути распространения волны.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Дифракция света»

Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Оптика — Скорость света — Принцип Гюйгенса. Закон отражения света — Закон преломления света — Полное отражение — Линза — Построение изображения в линзе — Формула тонкой линзы. Увеличение линзы — Примеры решения задач. Геометрическая оптика — Дисперсия света — Интерференция механических волн — Интерференция света — Некоторые применения интерференции — Дифракция механических волн — Дифракция света — Дифракционная решетка — Поперечность световых волн. Поляризация света — Поперечность световых волн и электромагнитная теория света — Примеры решения задач. Волновая оптика — Краткие итоги главы

Дифракция волн. Дифракция света | Частная школа. 9 класс

Конспект по физике для 9 класса «Дифракция волн. Дифракция света». Что такое дифракция волн. При каких условиях волны изменяют направление своего распространения. Каковы особенности дифракции световых волн.  

Конспекты по физике    Учебник физики    Тесты по физике

---

На предыдущих уроках вы познакомились с интерференцией волн, которая характерна для всех волновых процессов. Вместе с тем существует ещё одно явление, которое также присуще только волнам.

ДИФРАКЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН

Вероятно, вам не раз приходилось наблюдать за поведением волн на поверхности воды, когда волна встречает на своём пути различные препятствия. При этом, если размеры препятствия малы по сравнению с длиной волны, например, торчащий из воды прутик, небольшой камень и т. п., то волны его свободно огибают, смыкаясь за ним.

Совсем другая картина наблюдается, когда размеры препятствия существенно превосходят длину волны. В этом случае за препятствием (например, большим камнем) образуется область невозмущённой водной поверхности.

Особенно наглядно способность огибать препятствия наблюдается у звуковых волн. Например, мы отчётливо слышим шум работающего двигателя автомобиля за углом здания, хотя автомобиля не видим.

Когда мы работаем в комнате, то обычно закрываем дверь в шумный коридор. Если же дверь открыть настежь, то шум мешает работать. А как вы думаете, будет ли в комнате по-прежнему тихо, если дверь немного открыть и оставить узкую щель? Может быть, это почти то же самое, что и полностью закрытая дверь? Однако повседневный опыт убеждает нас в обратном: в этом случае шум из коридора так же проникает в комнату, как и при широко открытой двери.

Явление отклонения волн от прямолинейного распространения, огибание волнами препятствий называют дифракцией (от лат. diffraction — разломанный).

Рассмотрим опыт, наглядно демонстрирующий явление дифракции.

Возбудим с помощью узкой дощечки волны на поверхности воды, налитой в прямоугольную кювету, снабжённую экраном со щелью. Для этого придадим дощечке периодически колебательные движения в направлении, перпендикулярном её продольной оси. В результате по поверхности воды будут последовательно R распространяться гребни со впадинами между ними.

Опыт показывает, что если на пути волн установлен экран со щелью, размеры которой велики по сравнению с длиной волны, то волны проходят сквозь щель, почти не меняя своей формы и направления распространения. Лишь на значительном расстоянии за щелью имеет место некоторое расширение фронта волны.

Совершенно иная картина распространения волн наблюдается в случае, когда размеры щели меньше длины волны. При этом кардинально меняется форма волн за щелью — они становятся круговыми, а колебания охватывают всю поверхность воды за экраном. В данном случае дифракция волн полностью аналогична дифракции звуковых волн на щели, образованной неплотно закрытой дверью, о чём говорилось выше.

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Рассмотренные ранее опыты по интерференции света убедительно свидетельствуют о его волновой природе. Поэтому для света должна также наблюдаться и дифракция, которая присуща любому волновому процессу. Но в отличие от дифракции механических волн, наблюдать дифракцию света много сложнее. Дело в том, что световые волны дифрагируют заметным образом только в том случае, когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны, а она у света очень мала.

Первые опыты по дифракции света выполнил в XVII в. итальянский учёный Ф. Гримальди. В частности, пропуская узкий пучок света через малое отверстие, Гримальди обнаружил отступление от закона прямолинейного распространения света: размер светлого пятна на экране, расположенном против отверстия, оказался больше размера самого отверстия. Опыты также показали, что если диаметр отверстия (размер щели) в ширме достаточно велик, а расстояние от ширмы до экрана не очень велико, то закон прямолинейного распространения света выполняется с высокой точностью. Поскольку Гримальди разделял 4 точку зрения Гюйгенса на природу света, то наблюдаемые особенности в распространении света он объяснял как следствие его волновой природы.

Классический опыт по дифракции света был осуществлён в 1802 г. Т. Юнгом, открывшим явление интерференции света. Схема опыта по наблюдению дифракции была практически полностью аналогична опыту по интерференции света, подробно описанному выше. Световой пучок, исходивший из узкой щели первой ширмы, освещал две близко расположенные щели во второй ширме. Вследствие дифракции из этих щелей выходили два расходящихся световых пучка, которые частично перекрывались, при этом на экране, установленном за ширмой, наблюдалась интерференционная картина.

Таким образом, на основе опыта Т. Юнг продемонстрировал два важнейших свойства света — интерференцию и дифракцию. Кроме того, опираясь на результаты своего опыта, Юнг впервые получил точную оценку длины световой волны. Последовательную теорию дифракции света развил в своих работах современник Юнга французский учёный О. Френель.

---

Вы смотрели Конспект по физике для 9 класса «Дифракция волн. Дифракция света». Что такое дифракция волн. При каких условиях волны изменяют направление своего распространения. Каковы особенности дифракции световых волн. ВСПОМНИТЕ: Какие виды механических волн существуют? В чём заключается главная идея опыта Юнга?

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Определение, уравнения, типы и примеры

Дифракция — это явление, которое влияет на волны, когда они сталкиваются с объектом или отверстием на пути своего распространения. То, как на их распространение влияет объект или отверстие, зависит от размеров препятствия.

Явление дифракции

Когда волна распространяется по объекту, между ними возникает взаимодействие. Примером может служить спокойный бриз, двигающий воду вокруг скалы, прорезающей поверхность озера. В этих условиях образуются параллельные волны там, где их ничто не блокирует, а сразу за скалой форма волн становится неправильной. Чем больше камень, тем больше неровность.

Продолжая тот же пример, но заменив камень на открытые ворота, мы испытаем то же самое поведение. Волна образует параллельные линии перед препятствием, но неправильные при прохождении через проем ворот и за его пределами. Неровности вызваны краями ворот.

Рис. 1. Волна распространяется к отверстию. Стрелки указывают направление распространения, а пунктирные линии — фронты волн до и после препятствия. Обратите внимание, как фронт волны ненадолго становится круглым, но возвращается к своей первоначальной линейной форме, когда препятствия остаются позади. Источник: Даниэле Тома, StudySmarter.

Однощелевая апертура

Размер апертуры влияет на ее взаимодействие с волной. В центре апертуры, когда ее длина d больше длины волны λ, часть волны проходит неизмененной, создавая за ней максимум.

Рис. 2. Волна, проходящая через апертуру, длина апертуры которой d больше длины волны λ. Источник: Даниэле Тома, StudySmarter.

Если мы увеличим длину волны, разница между максимумами и минимумами перестанет быть очевидной. Происходит то, что волны деструктивно интерферируют друг с другом в зависимости от ширины щели d и длины волны λ. Мы используем следующую формулу, чтобы определить, где происходит деструктивная интерференция:

\(n \lambda = d sin \theta\)

Здесь n = 0, 1, 2 используется для обозначения целых кратных длины волны. Мы можем прочесть его как n, умноженное на длину волны, и эта величина равна длине апертуры, умноженной на синус угла падения θ, в данном случае π/2. Таким образом, мы имеем конструктивную интерференцию, которая дает максимум (более яркие участки изображения) в тех точках, которые кратны половине длины волны. Выразим это следующим уравнением:

\(n ( \frac{\lambda}{2}) = d \sin \theta\)

синие линии. Перед открытием диафрагмы происходит более медленный переход между максимумом (синий) и минимумом (черный). Источник: Даниэле Тома, StudySmarter.

Наконец, n в формуле указывает не только на то, что мы имеем дело с кратными длинам волн, но и с порядком минимума или максимума. При n = 1 результирующий угол падения является углом первого минимума или максимума, а n = 2 — вторым, и так далее, пока мы не получим невозможное утверждение, например, что sin θ должен быть больше 1,9.0003

Дифракция, вызванная препятствием

Первым примером дифракции был камень в воде, т. е. объект на пути волны. Это обратная сторона апертуры, но поскольку существуют границы, вызывающие дифракцию, давайте рассмотрим и это. В то время как в случае апертуры волна может распространяться, создавая максимум сразу после апертуры, объект «разбивает» фронт волны, вызывая минимум сразу после препятствия.

Рис. 4. Под препятствием генерируется волна, гребни которой показаны цветом, а впадины — черным. Источник: Даниэле Тома, StudySmarter.

На рисунке показан сценарий, в котором волна всегда одна и та же, а препятствия становятся все шире.

Волна прерывается мельчайшим препятствием, но не настолько, чтобы разбить фронт волны. Это связано с тем, что ширина препятствия мала по сравнению с длиной волны.

Препятствие большего размера, ширина которого равна длине волны, вызывает одиночный минимум сразу после него (красный кружок, 2-е изображение слева), что свидетельствует о нарушении фронта волны.

Третий случай представляет собой сложную закономерность. Здесь фронт волны, соответствующий первому гребню (красная линия), разделен на три части и имеет два минимума. Фронт следующей волны (синяя линия) имеет один минимум, после чего мы снова видим разницу между гребнями и впадинами, даже если они изогнуты.

Очевидно, что препятствие вызывает смещение фронта волны. Над желтой линией есть два неожиданных небольших гребня, вызванных изгибом волны. Это рассогласование наблюдается во внезапных максимумах после фазового сдвига препятствия.

Дифракция – основные выводы

• Дифракция – это результат влияния границы на распространение волны, когда она встречает препятствие или отверстие.
• Размер препятствия имеет большое значение в дифракции. Его размеры по сравнению с длиной волны определяют форму гребней и впадин после того, как волна пройдет препятствие.
• Фаза изменяется из-за достаточно большого препятствия, из-за чего фронт волны изгибается.

Киберфизика — Дифракция

• Когда волна возмущается краем преграды, возникают круговые волновые фронты.
• Если волна проходит через щель в барьере генерируются круговые волны на каждом крае а остальная энергия просто идет прямо через
• Частота , длина волны и скорость волн не меняется ….но амплитуда части волны, которая распространяется ниже — так как энергия распределяется по большая площадь!

Дифракцию можно продемонстрировать с помощью пульсирующего резервуара в лаборатории

Большой щель в ограждении

Если зазор велик по сравнению с длиной волны, проходящей через него, круговые возмущения крошечные по сравнению с невозмущенные волновые фронты.

Поэтому большая часть энергии просто продолжает через без изменений.

Но на краю прямой волновой фронт обрывается на круглые фронты, и поэтому энергия распространяется только по краям (дифрагирует).

Процент от общей энергии, проходящей через промежуток, который распадается и распространяется (дифрагирует), крошечный по сравнению с общее количество, которое проходит — поэтому большая часть энергии просто движется прямо, и вы едва замечаете часть, которая «растекается»

Это означает, что:

большой прямые волновые фронты проходят через большой зазор — путешествуя без помех

крошечный возмущение на краю прямолинейного волнового фронта приводит к незначительное искривление волновых фронтов на краю и небольшое распространение

это ведет к «теневой области», где проходит очень мало энергии к.

Маленький щель в ограждении

Если зазор мал (примерно такой же размер, как длина волны, проходящей через него) круговые возмущения, которые проходят через него, массивны по сравнению с невозмущенными волновыми фронтами. Поэтому вряд ли кто из энергия просто продолжается без изменений. Скорее, по краям прямой волновой фронт разбивается на круговые фронты, распространяющие энергию за барьером (происходит значительная дифракция).

 

Как это так через который проходит практически вся энергия:

только

наблюдаются круговые волновые фронты, проходящие через крошечные зазор в ограждении (вместо прямых)

энергия расстилается за барьером

там нет теневой области за барьером.

Почему ты слышишь за углами, но не видишь за ними?

Дверной проем крохотный разрыв для звуковой волны с длиной волны 1,3 м (нота среднего до), но огромен для световой волны с длиной волны 600 нм!

Поэтому мы слышим круглые углы, потому что звуковые волны рассеиваются по краям дверного проема, делая основная часть энергии распространяется во всех направлениях через «щель» двери. .. но мы не можем видеть круглых дверных проемов, потому что их очень мало. часть световой энергии будет дифрагировать, и основная ее часть будет двигаться прямо через.

Почему радиоволновые сигналы «изгибаются» вокруг гор в долины внизу, тогда как микроволновые сигналы (сотовый телефон) блокируются ими?

Радиоволновые сигналы имеют гораздо большую длину волны, чем микроволны (или очень коротковолновые радиоволны). — так их предпочитают называть компании сотовой связи!). Поэтому дифракция они страдают гораздо больше, и сигнал «распространяется» в долину области… она слабее, чем если бы она могла пройти без гора там…. но пробивается!

 

Почему разделяется ли свет на свои цвета при дифрагировании?

Благодарность волны «размер щели» зависит от ее длины волны. Красный свет имеет большую длина волны больше, чем у синего света. поэтому щель выглядит меньше для красного луча света, чем к синему! Поэтому красный конец спектра света дифрагирует больше, чем синий конец, когда белый свет проходит через крошечная щель (например, найденная в дифракционной решетка). «Лазерные очки» имеют дифракционные решетки в качестве линз и позволяют вы видите много красивых цветных эффектов, когда смотрите на что-либо… они позволяют увидеть дифракционные картины.

 

Дифракция Шипы

На изображении справа видны самые яркие звезды, демонстрирующие «дифракционные всплески». Они чаще всего выглядят как четыре относительно слабые выступы, исходящие наружу от звезды, расположенные под углом 90 градусов друг от друга, но могут также появиться как две проекции на противоположных стороны звезды. Дифракционные всплески вызваны дифракцией света. вокруг опорных лопаток вторичного зеркала телескопа.

No related posts.