Презентация по физике 11 класса "Интерференция, дифракция и поляризация механических волн"

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ, ДИФРАКЦИЯ И ПОЛЯРИЗАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН

Сложение волн

Проще всего проследить за сложением механических волн, наблюдая волны на поверхности воды. Если мы бросим в воду два камня, то образуются две круговые волны и можно заметить, что каждая волна проходит сквозь другую и ведёт себя в дальнейшем так, как будто другой волны совсем не существовало.
Теперь посмотрим более внимательно, что происходит в местах, где волны накладываются одна на другую. Если две волны встречаются в одном месте своими гребнями, то в этом месте возмущение поверхности воды усиливается. Если же, напротив, гребень одной волны встречается с впадиной другой, то поверхность воды не будет возмущена.
В каждой точке среды колебания, вызванные двумя волнами, просто складываются.
Интерференция – это явление наложения волн с образованием устойчивой во времени картины максимумов и минимумов амплитуды колебаний частиц среды.

Слово «интерференция» происходит от латинских слов inter — взаимно, между собой и ferio — ударяю, поражаю.

Интерференция

Можно одновременно возбудить две круговые волны в ванне с помощью двух шариков, укреплённых на стержне, которые совершают гармонические колебания (рис. 5.19).
В любой точке М на поверхности воды (рис. 5.20) будут складываться колебания, вызванные двумя волнами (от источников 01 и 02). Амплитуды колебаний, вызванных в точке М обеими волнами, будут, вообще говоря, различаться, так как волны проходят различные пути d1 и d2. Но если расстояние I между источниками много меньше этих путей (Z « и I « d2), то обе амплитуды можно считать практически одинаковыми.
Результат сложения волн, приходящих в точку М, зависит от разности фаз колебаний, возбуждённых этими волнами в данной точке. Пройдя различные расстояния d1 и d2, волны имеют разность хода ∆d = d2 – d1 Если разность хода равна длине волны X, то вторая волна запаздывает по сравнению с первой на один период (именно за период волна проходит путь, равный её длине волны X). Следовательно, в этом случае гребни (как и впадины) обеих волн совпадают.

Условие максимумов

На рис. изображена зависимость от времени смещений x₁ и х₂ , вызванных двумя волнами при ∆d = λ. Разность фаз колебаний равна нулю(или что то же самое, 2π, так как период синуса равен 2π). В результате сложения этих колебаний возникают колебания с удвоенной амплитудой. То же самое получится, если на отрезке ∆d укладывается не одна, а любое целое число длин волн.

Условие минимумов

Пусть на отрезке ∆d укладывается половина длины волны. Разность фаз оказывается равной π, т.е. колебаний будут происходить в противофазе. В результате сложения таких волн амплитуда результирующих колебаний равна нулю. То же произойдет, если на отрезке укладывается любое
нечётное число полуволн.

Если разность хода d2 - d1 принимает промежуточное значение между λ и λ/2, то и амплитуда результирующих колебаний принимает некоторое постоянное промежуточное значение между удвоенной амплитудой и нулем.
Амплитуда колебаний в любой точке не меняется с течением времени.

Интерференционная картина

На поверхности воды возникает определённое, неизменное во времени распределение амплитуд колебаний, которое называют интерференционной картиной.

Белые участки в средней части фотографии соответствуют максимумам колебаний, а тёмные – минимумам.
Наличие минимума в данной точке интерференционной картины означает, что энергия сюда не поступает совсем. Вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве. Она не распределяется равномерно по всем частицам среды, а концентрируется в максимумах за счёт того, что в минимумы не поступает вовсе.

Когерентность волн

Источники, которые имеют одинаковую частоту и колебания имеют постоянную во времени разность фаз, называются когерентными.
Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы источники волн были когерентными.
Когерентными называют и созданные этими источниками волны.
Только при сложении когерентных волн образуется устойчивая интерференционная картина.
Если же разность фаз колебаний источников не остаётся постоянной, то в любой точке среды разность фаз колебаний, возбуждаемых двумя волнами, будет меняться с течением времени. Поэтому амплитуда результирующих колебаний с течением времени будет непрерывно изменяться. В результате максимумы и минимумы перемещаются в пространстве, и интерференционная картина размывается

Стоячая волна

Стоячая волна – вид волнового движения без переноса энергии. Она образуется при наложении двух волн, прямой и обратной, распространяющихся навстречу друг к другу.
Обратная волна может возникнуть в результате отражения прямой волны.



Уравнение отраженной волны справедливо в том случае, если расстояние до препятствия равно целому числу полуволн. При наложении этих волн



уравнение стоячей волны

Сравнение

Стоячие волны в струнах

Стоячие волны возбуждаются, например, в струнах музыкальных инструментов.
Рассмотрим возбуждение стоячей волны в струне, закрепленной с двух концов. Очевидно, что точки закрепления будут являться узлами стоячей волны. Самая большая длина волны, возбуждаемая в струне длиной L , будет при условии L = λ/2, λ = 2L. Такая длина волны соответствует самой низкой частоте ν₁.
Частоты колебаний, возбужденных этими волнами, кратны ν₁:
νn = nν₁, где n- 1, 2, 3, ….
Частоты, при которых возникают стоячие волны, называются собственными или резонансными частотами.
Если один из концов струны сделать свободным, то на свободном конце будет пучность стоячей волны, а на закрепленном – узел. Тогда наибольшая длина волны λ = 4L, а наименьшая частота ν₁ = υ/4L, соответственно резонансные частоты равны:
νn = nυ/4L , где n = 1, 3, 5, 7, …
Если поместить рядом две одинаковые струны и в одной из них возбудить колебания, то вторая струна начинает звучать. Это явление получило название акустического резонанса.

Дифракция

Отклонение от прямолинейного распространения волн, или огибание волнами препятствий, называется дифракцией.

Дифракция присуща любому волновому процессу. При дифракции происходит искривление волновых поверхностей у краёв препятствий.
Явление дифракции можно наблюдать на поверхности воды, если поставить на пути волн экран с узкой щелью, размеры которой меньше длины волны. В этом опыте хорошо видно, что за экраном распространяется круговая волна.

В этом опыте хорошо видно, что за экраном распространяется круговая волна, как если бы в отверстии экрана находилось колеблющееся тело – источник волн. Согласно принципу Гюйгенса каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн. Огибающая фронт волн от вторичных источников поверхность даёт положение нового фронта волны. Луч, определяющий направление распространения волны, перпендикулярен фронту. Мы видим, что волна огибает препятствие.

Условие наблюдения дифракции

Необходимым условием наблюдения дифракции является соизмеримость препятствия с длиной волны.
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 формы.

Поляризация волн

Плоскополяризованной волной называется волна, при распространении которой колебания частиц происходят в одной плоскости.
Если на пути волны поставить преграду в виде пластины с вертикальной прорезью, то поперечная волна будет распространяться и за пластиной, однако колебания в этой волне будут происходить только в вертикальной плоскости. Эта волна будет плоскополяризованной. Если в шнуре возбудить колебания в горизонтальной плоскости, то волна дойдет только до пластины и дальше распространяться не будет. Очевидно, что поляризация может происходить только в случае поперечных волн. Продольная волна не поляризуется.

Задача 1. Два когерентных источника, одновременно излучающие звук на частоте 51 Гц, расположены на расстоянии 50 м друг от друга. Человек находится на расстоянии 30 м от одного источника и на расстоянии 40 м от другого. Услышит ли он звук? Скорость звука 340 м/с. Поглощением энергии звуковых волн можно пренебречь.

Примеры задач

Примеры задач

Примеры задач

Использованные ссылки

http://www.myshared.ru/slide/1115160/
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/tttt.shtml
https://moluch.ru/blmcbn/12337/image004.png