Дифракция волн, теория и примеры задач

Онлайн калькуляторы

На нашем сайте собрано более 100 бесплатных онлайн калькуляторов по математике, геометрии и физике.

Справочник

Основные формулы, таблицы и теоремы для учащихся. Все что нужно, чтобы сделать домашнее задание!

Заказать решение

Не можете решить контрольную?!
Мы поможем! Более 20 000 авторов выполнят вашу работу от 100 руб!

Определение и основные сведения о дифракции волн

Волны могут огибать края препятствий. Если размер препятствия сравним с длиной волны, то огибая препятствие, волна смыкается за препятствием. Например, если из воды в пруду торчит ветка. Создадим волну, бросив камень в воду. Эта волна обогнет торчащую из воды ветку, и будет распространяться за ней так, как – будто ветки не было. Однако если размеры препятствия будут больше по сравнению с длиной волны, то огибание не произойдет и за препятствием образуется «тень», волна за него не приникнет. Любой вид волн может огибать препятствия (световые волны, звуковые, механические и т.д.).

При дифракции происходит искривление поверхности волны у краев препятствия. Особенно явно дифракция проявляется в том случае, если размеры препятствия сравнимы с длинами волн.

Явление дифракции можно объяснить при помощи принципа Гюйгенса, так как любую точку поля волны следует рассматривать как источник вторичных волн, которые распространяются по всем направлениям, в том числе и в область геометрической тени препятствия. Исторически явление дифракции начали изучать в оптике, изучая свойства света.

Дифракция света. Основные положения теории Френеля

Дифракция света – это пакет явлений, связанных с волновой природой света, которые можно наблюдать при его распространении в веществе с выраженными неоднородностями. Явления, которые подтверждают явление дифракции световой волны: отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении сквозь отверстия в непрозрачных экранах, огибание границ непрозрачных тел.

Рассматривая дифракцию света Френель выдвинул ряд положений, которые принимаются без доказательства и составивших принцип Гюйгенса – Френеля:

1. Для того чтобы решить задачу о распространении света можно заменить реальный источник волн () системой виртуальных источников света, которые названы вторичными. В качестве таких источников можно выбирать маленькие участки любой замкнутой поверхности, которая охватывает .
2. Вторичные источники света будут когерентны между собой. Следовательно, в любой точке вне вспомогательной поверхности, волны являются результатом интерференции всех вторичных волн. Вспомогательная поверхность выбирается произвольно, так чтобы упростить задачу.
3. Для выделенной вспомогательной поверхности, совпадающей с волновой поверхностью, мощности вторичного излучения равных по площади участков равны. При этом каждый вторичный источник излучает свет в основном в направлении внешней нормали к поверхности волны. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн, то есть волн, которые бы распространялись от вторичных источников внутрь области, которая ограничена вспомогательной поверхностью.
   Если часть вспомогательной поверхности закрыта, например, непрозрачным экраном, то вторичные волны будут излучать только открытые ее части. Излучение открытых участков Френель считал не связанными с материалом, формой и размерами экранов.

Френель предложил свой метод разбиения поверхности волны на зоны, которые помогают упрощать решения задач.

При решении задач выделяют: дифракцию в сходящихся лучах (дифракция Френеля) и дифракцию в параллельных лучах (дифракция Фрауггофера).

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

что это за явление в физике, в чем состоит, свойства, уравнение

Дифракция волн — что это в физике

Определение 1

Дифракция волны — это:

• огибание волной препятствия;
• явление отклонения волны от ее прямолинейного распространения;
• отклонение от законов геометрической оптики при распространении волны.

Дифракция наиболее отчетливо проявляется, когда размеры препятствия намного меньше длины волны или сравнимы с ней. Если размер препятствия больше длины волны, тогда огибания не произойдет.

Дифракция присуща любому виду волн.

Сущность явления

Когда волна встречает на своем пути препятствие, она отклоняется от своего прямолинейного распространения. Если размеры препятствия больше длины волны, то дифракции не произойдет. Волна попадет в область геометрической тени. Но если препятствие меньше или приблизительно сопоставимо с длиной волны, то будет наблюдаться явление дифракции.

Чтобы оценить силу проявления дифракции, можно воспользоваться простым соотношением: 

λ/d, где λ-длина волны, d-ширина волнового фронта.

Чем больше λ и меньше d, тем сильнее проявляется дифракция.

С дифракцией неразрывно связано явление интерференции.

Определение 2

Интерференция — это наложение друг на друга волн в пространстве. При этом возникает устойчивая картина распределения амплитуд. В некоторых точках пространства результирующая амплитуда будет являться суммой амплитуд исходных волн, а где-то будет равна нулю. Происходит чередование максимумов и минимумов.

В результате дифракции волны отклоняются по всем направлениям. При этом создается разность хода волн. При наложении волн происходит интерференция.

Принцип Гюйгенса-Френеля, уравнение

Принцип Гюйгенса помогает понять, как волна меняет направление при дифракции: каждая точка волновой поверхности является источником вторичных волн, распространяющихся вперед по всем направлениям, в том числе в область геометрической тени препятствия.

Ученый Френель дополнил принцип Гюйгенса идеей об интерференции вторичных волн.

Принцип Гюйгенса-Френеля: волна, возбуждаемая источником, в любой точке может быть представлена как результат интерференции вторичных волн, излучаемых фиктивными источниками на волновой поверхности.

Математическая формула принципа:

Дифракция электромагнитных волн

Электромагнитные волны подвержены дифракции так же как и другие виды волн. Электромагнитные волны характеризуются широким спектром длин, поэтому их дифракция различается по условиям и проявлению.

Например, радиоволны огибают крупные препятствия. Они даже способны огибать земную поверхность. В то же время рентгеновские лучи дифрагируют на очень малых объектах.

Частные случаи дифракции

1. Дифракция света. В случае линейной формы препятствия дифракционная картина имеет вид светлых полос, которые чередуются с темными (светлые участки — максимальная амплитуда, темные — взаимное гашение волн). Если световая волна проходит через отверстие круглой формы, то дифракционная картина выглядит как совокупность концентрических колец. Если отклонение волны наблюдается на диске или шаре, то в центре появляется светлый амплитудный максимум. Также существует разложение волн по спектру. Когда препятствие освещается белым светом, концентрические кольца приобретают разноцветную окраску.
2. Дифракция механической волны. Например, в природе это огибание морской волной выступающего камня. Если установить на пути волны перегородку с узкой щелью, то от щели будет расходиться круговая волна. Если же размер щели будет большим, то искривление произойдет только у краев. Звуковая волна способна огибать углы зданий, природные объекты и распространяться определенное на расстояние.
3. Дифракция частиц. Протоны, электроны, нейтроны в некоторых процессах проявляют волновые свойства. Дифракция частиц — это рассеяние на электронных оболочках или ядрах атомов.
4. Дифракция рентгеновских лучей. Ее можно наблюдать, если направить лучи на кристалл или на обычную дифракционную решетку.

Примеры применения в обычной жизни

Использование явления дифракции:

1. Рентгеноструктурный анализ позволяет определить координаты в трехмерном пространстве веществ.
2. Газовая электронография определяет геометрию свободных молекул в газах.
3. Дифракция отраженных электронов применяется в растровом электронном микроскопе.
4. Нейтронография. В основе лежит рассеяние нейтронов на ядрах атомов.
5. Спектроскопия. Исследуются особенности тонкой структуры спектров.
6. Фотография.

Дифракционная решетка | оптика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы исследуем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

Дифракция электронов | физика | Британика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Британника объясняет
  В этих видеороликах Британника объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.

  No related posts.