Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Інтерференція хвиль - це явище накладання (суперпозиції) хвиль від різних джерел. Іншими словами, інтерференція це явище додавання у просторі двох (або декількох) хвиль, при якому утворюється постійний у часі розподіл амплітуди результуючих коливань у різних точках простору, що називається інтерференцією. Назва «інтерференція» походить від латинської мови (Inter - між, ferens - доповнення від ferentis - несучий, що переносить).

Інтерференція хвиль: пояснення явища коротко і простими словами

Якщо на гасіння пожежі приїжджають дві пожежні машини та починають лити воду на палаючу будівлю двома струменями, ми можемо бути впевнені, що вони виллють на неї більше води, ніж якби це робила одна бригада. Тому здається майже очевидним, що якщо одні й ті ж пожежні машини включать дві однакові сирени, то спостерігач, який знаходиться поблизу них, почує звук голосніше, ніж якби сирену включила лише одна з них. Зазвичай це справді так, проте може статися й протилежне. Звукові потоки з двох гучномовців можуть зовсім не посилювати один одного, а навпаки, заглушувати один одного. Як ви вважаєте, це неможливо? Ми відповімо на це питання, провівши наступний експеримент і далі проаналізувавши його результати.

Експеримент.

Для цього експерименту вам знадобиться ноутбук, що стоїть на столі, до якого підключено дві комп'ютерні колонки. Щоб перетворити їх на джерела гармонійних хвиль, наберіть у пошуковій системі вашого браузера «акустичний генератор онлайн» і зробіть синусоїдальну хвилю 1500 Гц за допомогою знайденої програми.Як альтернативу наберіть у пошуковій системі «звук 1500 Гц» і відтворіть один із знайдених відеороликів. Одне прохання: дбаючи про вуха своїх сусідів, не відтворюйте ці звуки занадто голосно, в цьому немає потреби.

Експеримент проводитиметься двома учасниками: один переміщатиме один із гучномовців, інший - бути детектором (приймачем) звуку, тобто. просто слухати (рис. 1) одним вухом (блокуючи інше). Спостерігач повинен знаходитись на відстані близько 3 м від першого мовця. Якщо записати результат експерименту за допомогою смартфона та відтворити його, він буде ще чіткішим.

Мал. 1. Експеримент із 2 колонками (динаміками)
    Спочатку ми розмістимо колонки поруч один з одним.
  1. Тепер перший учасник починає повільно переміщати другу колонку у бік спостерігача. Переміщуючи її на кілька сантиметрів, спостерігач чує, що звук стає все тихішим і тихішим, хоча обидва динаміки працюють без змін.Зрештою, досягається мінімум інтенсивності звуку.
  2. При переміщенні колонки далі гучність звуку знову починає збільшуватися, потім знову зменшується і таке інше.

Результати наших спостережень можуть здатися дивовижними. Якщо ми відповідним чином перемістимо другу колонку, спостерігач почує звук, що виходить із двох колонок, як тихіший, ніж якби він виходив лише з однієї колонки. Можна сказати про це жартома: «звук + звук=тиша»! Як це можливо?

Щоб зрозуміти результат нашого експерименту, ми повинні розглянути явище інтерференції, або суперпозиції (накладання) гармонійних хвиль. Далі ми розглядатимемо хвилі, що поширюються тільки в одному напрямку (від динаміків до спостерігача) і нехтуватимемо тим фактом, що насправді амплітуда звукових хвиль зменшується в міру віддалення від динаміка.

Пояснення спостереження: принцип суперпозиції свідчить, що результуюче зміщення елемента середовища, в якому поширюються дві хвилі, дорівнює сумі зміщення, яке викликала б тільки перша хвиля, і зміщення, яке б викликала тільки друга хвиля.

Ми представлятимемо хвилі, що йдуть до спостерігача від двох колонок, як синусоїдальні хвилі однакової довжини λ. У разі звукової хвилі значення синусоїди в даній точці відповідає миттєвому тиску в звуковій хвилі, яке поперемінно вище, то нижче. На малюнку (рис. 2):

  • Верхній червоний графік представляє першу хвилю.
  • Середній зелений графік представляє другу хвилю.
  • Нижній чорний графік є суперпозицією двох попередніх хвиль.

Відстань першого джерела хвилі від спостерігача ми позначили символом r1(на рис. 1 це була відстань L). Ми позначили відстань від спостерігача до другого джерела хвилі через r2.

Мал. 2. Хвилі, що йдуть до спостерігача від двох колонок, розташованих на однаковій відстані від спостерігачаМал. 3. Хвилі, що йдуть до спостерігача від двох колонок, розташованих на різних відстанях від спостерігача. 1
    =r
  1. 2Хвилі посилюються. Амплітуда результуючої хвилі вдвічі більша за амплітуд двох складових хвиль. Спостерігач чує сильний звук.
  2. На (рис. 3.) джерело 2 перемістилося на 1/2 довжини хвилі праворуч, r1- r2=λ1/2. Тепер максимуми другої хвилі збігаються із мінімумами першої хвилі. Хвилі згасають. Амплітуда результуючої хвилі дорівнює нулю. Спостерігач не чує звуку. Це той випадок, коли «звук + звук=тиша».
  3. Якщо ми перемістимо друге джерело на повну довжину хвилі вправо, так що r1- r2=λ максимуми двох хвиль знову накладуться один на одного, і в результаті звук знову стане сильним.
  4. Якщо відстань між колонками була півтори довжини хвилі, так що r1- r2=1.5λ, то хвилі знову б затухли. І так далі.

У загальному випадку можна сказати, що максимальне посилення хвиль від двох джерел відбувається, коли різниця у відстані від спостерігача дорівнює цілому кратному довжини хвилі, тобто. r1- r2=nλ , де n=0, 1, 2, 3, .

Хвилі від двох джерел гаснуть, коли різниця у відстані від спостерігача дорівнює непарному кратному половині довжини хвилі, тобто. :

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

Інтерференція описує суперпозицію двох або більше хвиль, які проникають одна в одну. Хвиля має амплітуду, тобто. відхилення, з позитивним чи негативним знаком. Якщо дві такі хвилі накладаються одна на одну, їх амплітуди складаються з відповідним знаком відповідно до принципу суперпозиції. Це означає, що вони посилюють, послаблюють або повністю скасовують один одного. Цей ефект відбувається з усіма типами хвиль, тобто електромагнітними, звуковими та хвилями матерії (хвилями де Бройля).

Важливо! У місцях, де хвилі посилюють одна одну, виникає так звана конструктивна інтерференція. У місцях, де хвилі послаблюють одна одну, з іншого боку, виникає деструктивна інтерференція.

Інтерференцію можна розпізнати щодо зміни амплітуд окремих хвиль. Там, де раніше хвильові поля мали рівномірну інтенсивність, при інтерференції можна спостерігати чергування максимумів та мінімумів. Це називається інтерференційною картиною. Інтерференційні картини є доказом хвильової природи досліджуваного випромінювання.

Властивості

Ви можете класифікувати інтерференцію на основі її властивостей, і використовувати це для різних експериментів.

Когерентність

Важливою властивістю для опису інтерференції є когерентність. Для того, щоб створити стабільне хвильове поле в результаті інтерференції хвиль, вони мають бути когерентними один одному. Це означає, що хвилі мають фіксоване фазове співвідношення один з одним.Фаза - це ступінь, яку хвилі зміщені щодо одне одного. З цього можна визначити час когерентності, який є важливим показником для фізичних джерел світла.

Когерентними називають джерела, частота коливань яких однакова, а різниця фаз не змінюється. Хвилі, створені такими джерелами, називають когерентними.

Мал. 1. Когерентність

Поляризація

Ще одна характерна властивість - поляризація. Поляризація визначає напрямок коливання хвилі. Якщо ця зміна напряму відбувається швидко і безладно, хвиля є неполяризованою. Якщо хвилі поляризовані перпендикулярно одна одній, вони не інтерферують одна з одною.Мал. 2. Поляризація хвиль

Конструктивна інтерференція

Конструктивна інтерференція виникає завжди, коли різниця шляхів двох хвиль відповідає цілому числу, кратному довжині хвилі.За цієї умови гребінь хвилі завжди зустрічає гребінь хвилі, а западина хвилі зустрічає западину хвилі. Якщо амплітуди рівні, конструктивна інтерференція призводить до амплітуди, яка вдвічі більша.

Математично це можна виразити так:

гребінець хвилі зустрічає гребінь хвилі на різниці шляхів Δs=0, 1λ, 2λ, . Це дає вам формулу Δs=kλ де

Де k=0, ±1, ±2, і т.д. При k=0 маєте максимум 0-го порядку, а при k=1 - максимум 1-го порядку.

Мал. 3. Конструктивна інтерференція

Деструктивна інтерференція

Деструктивна інтерференція завжди виникає при довжині хвилі, кратній половині довжини хвилі. При цьому хвильові западини завжди зустрічаються з хвильовими гребенями і навпаки. В результаті амплітуда результуючої хвилі менше амплітуди вихідної хвилі. Якщо амплітуди рівні, хвилі гасять одна одну.

Математично це можна виразити так:

гребінець хвилі зустрічається з гребенем хвилі на різниці шляхів Δs=0.5λ, 1.5λ, 2.5λ, , . Це дає вам формулу Δs=(k +0.5)λ де

k=0, ±1, ±2, і т.д. При k=1 ви маєте мінімум 1-го порядку.

Мал. 4. Деструктивна інтерференція

Приклад розрахунку інтерференції хвиль

Для кращого розуміння тут наводиться спрощений варіант розрахунку. Припустимо, що випромінюються дві хвилі (S1і S2). Обидва сигнали мають однакову амплітуду, частоту та поляризацію. На великій відстані знаходиться приймач E.

Мал. 5. Розрахунок інтерференції хвиль

З малюнка видно, що різниця шляхів Δs впливає, крім іншого, кут α‎. Тригонометрично можна визначити наступне співвідношення: sin (α)=Δs / b=↔ Δs=bsin (α)

Для кута α ви отримаєте tan (α)=x / d

Для дуже малих α використовуйте наближення малого кута. Це означає, що tan(α) ≈ sin(α). Якщо ви підставите це у свою формулу для різниці шляхів Δs, то отримаєте: Δs=btan (α)=b( x / d ).

Список використаних джерел

    Фізика. 11 клас. Поглиблений рівень. Коливання та хвилі. Підручник - Мякішев Г.Я., Синяков А.З
  1. В. Жилко, Г. Маркович, фізика, Навчальний посібник для 11 класу загальноосвітніх установ з російською мовою навчання з 2-річним терміном навчання (базовий та підвищений рівні), Білорусь
  2. Н. С. Пуришева, Н. Є. Важеєвська, д. А. Ісаєв, В. М. Чаругін, фізика 11 клас

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Будівництво