Дифракция и интерференция волн.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Дать представление студентам о специфических явлениях, характерных для всех видов волн. С использованием модели дифракции волн на двух щелях наглядно продемонстрировать конструктивную и деструктивную суперпозицию волн, имеющих, в зависимости от выбранного пути распространения, различные фазы. В качестве модели, в данной работе используется уравнение, описывающее распределение интенсивности потока света попадающего на экран от двух щелей.

Если на пути потока света поставить непрозрачный предмет, то за ним возникает область тени. А вот от звука отгородиться не так-то просто - слышать можно и из-за угла.

Дифракция света - это совокупность явлений, наблюдаемых при распространении волн в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция, в частности, приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.

Чем меньше ширина преграды и чем больше длина волны, тем сильнее проявляется дифракция. Звук, имеющий длину волны порядка метра, легко огибает края препятствий. Оптическую дифракцию в обычных условиях заметить трудно, т.к. длина волны видимого света меньше микрометра.

На рисунках 1.1 и 1.2 приведены примеры дифракции волн, возникающих на поверхности жидкости. Распространяясь от источника, волны не взаимодействуют с препятствием B, размеры которого меньше длины волны, а отверстие, в преграде стало источником волн, т. к. размеры отверстия также меньше длины волны. Обратите внимание, что от преграды А волна отразилась и движется в обратном направлении.

Дифракция волн

Рисунок 1.1.

Для наблюдения дифракции на щели, ширина щели должна быть достаточно малой (но не менее половины длины волны).

Рисунок 1.2

Условия возникновения интерференции волн

Рисунок 1.3.

В различных точках пространства при распространении волны частицы могут колебаться синхронно (в фазе) и в противоположных направлениях (в противофазе). Из этого следует, что при наличии двух одинаковых по частоте и амплитуде источников волн, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, суммарная амплитуда колебаний частиц среды в определенных точках пространства может, как увеличиваться (конструктивная суперпозиция волн), так и быть равной нулю (деструктивная суперпозиция волн).

Интерференция света

При дифракции волн от двух щелей (Рис. 1.4.), в соответствии с правилом Гюйгенса, каждая щель при попадании на нее световых волн определенной длины становится источником вторичных волн, когерентных между собой. Когерентными называются волны, если их разность фаз не зависит от времени. На этом рисунке: A — источник света, B - преграда с двумя отверстиями, C — экран с наблюдаемой интерференционной картиной.

Рисунок 1.4

Фаза волны достигшей определенной точки экрана, расположенного на расстоянии L от щелей будет зависеть от пройденного пути. Условием, что обе волны в данной точке будут иметь одинаковую фазу, является то, что разность хода между двумя волнами составит целое число длин волн: ΔL = L₂ - L₁ = nλ, где n = 0, 1, 2, 3 ... В этом случае произойдет конструктивная суперпозиция волн с усилением интенсивности света падающего на экран. На экране это будет соответствовать светлым участкам.

При ΔL = L₂ - L₁ = λ(2n+1)/2, где n = 0, 1, 2, 3 ..., волны будут находиться в противофазе, и на экране эти области окажутся неосвещенными.