Hiện Tượng Giao Thoa Và Nhiễu Xạ Của Sóng. Hiện Tượng Liên Quan ...

PHIM MỎNG

Sau khi mưa, khi nhựa đường ướt trông có màu đen, tại các bãi đậu xe, nơi dầu và xăng đổ trên mặt nước thành vũng, đặc biệt có thể nhìn thấy rõ các điểm sáng bóng, lung linh với đủ màu sắc của cầu vồng. Các màu nổi bật nhất là xanh lục và vàng, nhưng có thể nhìn thấy màu lục lam, chàm và đỏ tươi ở nhiều nơi.

Các đốm tương tự có thể được nhìn thấy trên bề mặt nước ở sông, hồ và vũng nước nếu chúng bị nhiễm dầu hoặc các sản phẩm của nó.

Tuổi thơ ai trong chúng ta không thổi bong bóng? Một màng mỏng của bong bóng xà phòng, giống như một màng dầu mỏng trên bề mặt nước, có màu sắc, bóng kính mỏng tỏa sáng bảy sắc cầu vồng. Những hiện tượng đẹp đẽ này có cùng bản chất, chúng là kết quả của sự giao thoa ánh sáng trong các màng mỏng dầu, váng xà phòng, giấy bóng kính.

ẢNH HƯỞNG ÁNH SÁNG TRONG CÁC PHIM

Trong các màng mỏng bằng dầu hoặc nước xà phòng, các sóng ánh sáng được tách ra và sau đó kết hợp với nhau.

Hình 46 cho thấy đường đi của các tia trong phim. Ở đây h là độ dày của màng phim (trên một tỷ lệ phóng to rất nhiều), S là nguồn sáng. Cho hai chùm tia đơn sắc 1 và tia 2 rơi trên phim từ điểm S. Nếu nguồn sáng ở xa (và trong trường hợp chiếu vào vết dầu loang trong vũng nước thì nguồn là sợi quang, tức là ánh sáng tán xạ trong không khí) , nó có thể được coi là đến từ vô cùng. Khi đó chùm tia 1 và chùm 2 thực tế sẽ song song và mặt trước của sóng ánh sáng AB vuông góc với chúng.

Gọi chiết suất tuyệt đối của môi trường là n 1 và của phim là n 2.

Chùm tia sáng gặp phim tại điểm A bị khúc xạ một phần và phản xạ một phần. Chúng tôi không quan tâm đến chùm tia phản xạ trong trường hợp này, vì nó không đi vào mắt. Chùm tia khúc xạ khi đi tới bề mặt thứ hai của phim (tới điểm D), lại bị phản xạ một phần và khúc xạ một phần. Chúng ta quan tâm đến chùm tia phản xạ DC, tại điểm C chịu khúc xạ một phần và phản xạ một phần. Chùm 2 gồm tia khúc xạ tại điểm C đi vào mắt, chùm 2 tia ló ra khỏi cùng một nguồn và tới trên phim tại điểm C cũng bị khúc xạ một phần và một phần bị phản xạ. Chùm tia phản xạ 2 và chùm tia 2 giao thoa. Cả hai chùm tia đều có thể được hội tụ với một thấu kính trên màn hình, nơi kết quả giao thoa được quan sát hoặc trên võng mạc, nơi nó được cảm nhận.

Điều gì xảy ra trên màn hình? Như trên hình vẽ, các chùm tia 2, 2 truyền đi khác nhau trước khi gặp nhau tại điểm C: tia thứ nhất đi được quãng đường AD + DC = 2AD trong môi trường có chiết suất n 2, tia thứ hai - khoảng cách BC trong môi trường có chiết suất n 1

Hiệu số hình học về đường đi của tia là 2AD - BC; sự khác biệt quang học 1 là:

trong đó λ / 2 là hiệu chỉnh cho sự mất nửa sóng khi ánh sáng phản xạ từ môi trường có chiết suất cao.

Nếu hiệu số đường đi bằng một số nguyên sóng (Δ = Nλ) thì sẽ quan sát được điểm C phát sáng với một màu nhất định ứng với bước sóng và thỏa mãn điều kiện để có độ chiếu sáng cực đại cho điểm đó. Nếu hiệu số đường đi bằng một số lẻ của nửa bụng sóng thì đối với sóng này, điều kiện về độ chiếu sáng cực tiểu tại điểm C được thoả mãn.

Chênh lệch đường đi Δ có thể được biểu thị dưới dạng hàm của độ dày màng h, góc tới (và quan sát) a và bước sóng λ, hoặc là hàm của độ dày màng và góc khúc xạ ϒ.

Sự phụ thuộc này trông như thế này:

Trên mặt phim luôn có nhiều điểm thoả mãn điều kiện giao thoa giống nhau đối với một bước sóng cho trước. Các điểm này được sắp xếp theo chuỗi. Vị trí hình học của chúng đại diện cho dải sáng hoặc tối, tùy thuộc vào bước sóng và điều kiện giao thoa.

Đối với các dải ánh sáng có bước sóng cho trước thì điều kiện nào sau đây được thoả mãn:

cho những cái tối:

Nếu phim được chiếu sáng bằng ánh sáng đa sắc (phức tạp, nhiều màu), ví dụ, màu trắng, thì ứng với mỗi bước sóng (ứng với mỗi màu) có các dải chiếu sáng cực đại, bên ngoài có dải chiếu sáng cực tiểu đối với một bước sóng nhất định. . Ở vị trí cực tiểu của sóng này, có thể có cực đại của sóng khác (có màu khác). Do đó, cực đại của các bước sóng khác nhau lần lượt nằm cạnh nhau. Kết quả là một phổ.

Quang phổ có thể tạo thành một số bậc của độ lớn tùy thuộc vào độ dày của màng và góc nhìn. Có thể xảy ra trường hợp các quang phổ lân cận chồng lên nhau với các màu cực trị của chúng. Màu đỏ chồng lên màu tím, tạo ra màu tím sẫm và đôi khi có màu nâu.

Các màu tạo nên giữa quang phổ - vàng, lục, lam, luôn có thể nhìn thấy rõ.

Nếu bạn quan sát phim được chiếu sáng trong vài phút, bạn có thể nhận thấy sự thay đổi đường viền của các dải màu. Điều này là do sự lan truyền của dầu, và do đó thay đổi độ dày của màng.

Nếu một thấu kính phẳng-lồi được đặt trên một tấm thủy tinh đã được đánh bóng, thì một khe hở không khí mỏng sẽ xuất hiện giữa thấu kính và tấm, trong đó, dưới sự chiếu sáng nhất định (Hình 47), các vòng sáng và tối tương ứng với cùng một độ dày màng có thể quan sát. Một bức tranh phóng to của những chiếc vòng này được nhìn bằng ánh sáng xanh lục và đỏ.

Hiện tượng giao thoa được sử dụng cho nhiều mục đích hữu ích thực tế.

Vì vậy, với sự hỗ trợ của can thiệp, bạn có thể kiểm tra chất lượng đánh bóng bề mặt chi tiết máy. Thiết bị của giao thoa kế dựa trên hiện tượng giao thoa ánh sáng, được sử dụng để đo độ dài với độ chính xác 0,1 bước sóng ánh sáng, xác định chiết suất, v.v.

PHENOMENON CỦA SỰ PHÂN BIỆT ÁNH SÁNG. QUAN SÁT PHENOMENON CỦA SỰ KHÁC BIỆT

Ví dụ, có thể quan sát thấy sự nhiễu xạ của ánh sáng bằng cách nhìn vào ánh sáng của một chiếc đèn lồng sáng ở xa qua một chiếc khăn tay bằng nylon, giữ nó ở độ dài sải tay.

Quang phổ nhiễu xạ cũng có thể nhìn thấy rõ ràng khi nhìn vào nguồn sáng, chẳng hạn như đèn chiếu qua lông mi.

Nếu bạn đặt hai ngón tay lại với nhau để tạo ra một khe hẹp giữa chúng và nhìn qua khe này ở nguồn ánh sáng khuếch tán (bầu trời, chao đèn, v.v.), thì bạn có thể chọn độ rộng của khe như vậy sọc đậm và nhạt. Một bức tranh tương tự có thể được nhìn thấy trong khe hẹp của một cánh cửa đang mở nếu có một ngọn đèn hoặc một cửa sổ phía sau nó. Bạn có thể dán (bằng parafin hoặc dầu) hai lưỡi dao cạo an toàn vào bìa cứng và xem hình ảnh nhiễu xạ trong khoảng trống giữa chúng.

Hình ảnh nhiễu xạ có thể nhìn thấy rõ ràng nếu một lỗ nhỏ được đâm xuyên qua lá nhôm bằng đầu kim (không xuyên qua) và người ta nhìn qua nó tại một nguồn sáng.

Các vết xước trên kính cửa sổ cũng giúp bạn có thể quan sát được hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng. Có những vết xước trên kính cửa sổ của xe buýt và xe đẩy. Chúng phát sinh khi lau cửa sổ, khi thổi chúng bằng các tinh thể cát. Đương nhiên, hầu hết các vết xước đều hướng theo chiều ngang hoặc hơi xiên. Kính có vết xước là một loại cách tử nhiễu xạ mà ánh sáng của đèn lồng bị nhiễu xạ, lệch vuông góc với chúng. Kết quả là có thể thấy hai chùm sáng phát ra từ nguồn sáng. Nhưng tại sao chúng không có màu quang phổ? Điều này là do chu kỳ của cách tử đang xét không phải là hằng số, kết quả của việc bổ sung các màu quang phổ thu được, như đã biết, tạo ra ánh sáng trắng.

Đôi khi, khi bạn đang trên xe buýt, bạn có thể nhìn thấy một bức tranh tuyệt đẹp trên khung cửa sổ đóng băng. Lớp băng phủ trên cửa sổ, khi ánh sáng của Mặt trời hoặc một chiếc đèn lồng chiếu vào chúng, đột nhiên bắt đầu tỏa sáng với màu sắc trong suốt và tinh khiết đến bất ngờ của quang phổ. Hiện tượng này kéo dài trong vài phút, rồi biến mất do độ dày của lớp băng trên kính tăng lên.

Tầm nhìn này là do sự nhiễu xạ ánh sáng trên các kim của tinh thể băng. Có thể ở độ dày nhất định của các mảng băng (1 μm) và khoảng cách giữa chúng khoảng 0,1 mm, một phần ánh sáng đi qua các mảng và một phần đi qua chúng. Do sự khác biệt về tốc độ ánh sáng trong bản và trong không khí, các dao động lệch pha nhau. Điều này dẫn đến sự dập tắt của một số bước sóng do sự giao thoa, và kết quả là, "nhuộm" bề mặt của thủy tinh đông lạnh trong một màu bổ sung.

CROWNS

Những đám mây trắng mờ từ từ trượt trước mặt trăng. Và mỗi khi một đám mây mới bao phủ mặt trăng, chúng ta lại thấy những vòng nhiều màu tuyệt đẹp xung quanh mặt trăng, đường kính của chúng chỉ bằng một vài lần đường kính của mặt trăng. Đây là những chiếc vương miện.

Các hiện tượng tương tự có thể được nhìn thấy xung quanh các ngọn đèn và Mặt trời (chỉ trong trường hợp này, cần cẩn thận để Mặt trời không làm mù chúng ta, ví dụ như đeo kính đen). Không nên nhầm lẫn vương miện với quầng sáng. Đường kính của vầng hào quang là 22 hoặc 46 °, trong khi đường kính của các vành nhỏ hơn nhiều: 1 - 6 °.

Giải thích cho hiện tượng tự nhiên này phải được tìm kiếm trong sự nhiễu xạ ánh sáng. Mây được tạo thành từ những giọt nước. Khi truyền qua các giọt, ánh sáng bị nhiễu xạ. Sự phân kỳ của các tia trong trường hợp này phụ thuộc vào độ lớn của giọt. Nhiều giọt không thay đổi hình ảnh, nhưng chỉ nâng cao nó. Chiều rộng của vầng hào quang phụ thuộc vào kích thước của các giọt nhỏ: giọt càng nhỏ thì vầng hào quang càng rộng. Có thể là các vương miện cũng có thể xuất hiện trên một đám mây bao gồm các kim băng.

Trong một số trường hợp, vầng sáng (“mắt”) phát sinh do sự nhiễu xạ ánh sáng trên các hạt không đồng nhất có trong giác mạc của mắt. Vương miện "mắt" có kích thước tương đương với "đám mây" và rất khó để phân biệt chúng. Tuy nhiên, vương miện "đám mây" có thể được phân biệt bằng "mắt". Nếu đặt một vật không trong suốt trước mắt, thì các mão "đục" vẫn còn, và các "mắt" lập tức biến mất.

Nhiễu xạ và sự phân tán- những từ đẹp đẽ và giống như âm nhạc đến tai của một nhà vật lý học! Như mọi người đã đoán, ngày nay chúng ta không còn nói về quang học hình học nữa, mà là về các hiện tượng chính xác gây ra bởi bản chất sóng của ánh sáng.

Phân tán ánh sáng

Vậy, hiện tượng tán sắc ánh sáng là gì? Trong chúng tôi đã xem xét định luật khúc xạ ánh sáng. Khi đó chúng ta không nghĩ, hay đúng hơn là không nhớ rằng ánh sáng (sóng điện từ) có một độ dài nhất định. Xin hãy nhớ:

Nhẹ là sóng điện từ. Ánh sáng nhìn thấy là ánh sáng có bước sóng nằm trong khoảng từ 380 đến 770 nanomet.

Vì vậy, ngay cả Newton già cũng nhận thấy rằng chiết suất phụ thuộc vào bước sóng. Nói cách khác, ánh sáng đỏ, rơi trên bề mặt và khúc xạ, sẽ lệch sang một góc khác với màu vàng, xanh lục, v.v. Sự phụ thuộc này được gọi là sự phân tán.

Bằng cách truyền ánh sáng trắng qua lăng kính, bạn có thể nhận được quang phổ bao gồm tất cả các màu của cầu vồng. Hiện tượng này được giải thích trực tiếp bằng sự phân tán của ánh sáng. Vì chiết suất phụ thuộc vào bước sóng, có nghĩa là nó cũng phụ thuộc vào tần số. Theo đó, tốc độ ánh sáng đối với các bước sóng khác nhau trong vật chất cũng sẽ khác nhau.

Phân tán ánh sáng là sự phụ thuộc tần số của tốc độ ánh sáng trong vật chất.

Tán sắc ánh sáng được ứng dụng ở đâu? Có ở khắp mọi nơi! Đây không chỉ là một từ đẹp, mà còn là một hiện tượng đẹp. Sự phân tán của ánh sáng trong cuộc sống hàng ngày, thiên nhiên, công nghệ và nghệ thuật. Ở đây, ví dụ, sự phô trương sự phân tán trên trang bìa của album Pink Floyd.

Sự nhiễu xạ ánh sáng

Trước khi nhiễu xạ, bạn cần nói về "bạn gái" của cô ấy - sự can thiệp. Suy cho cùng, giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng là những hiện tượng được quan sát đồng thời.

Giao thoa ánh sáng- đây là khi hai sóng ánh sáng kết hợp, khi chồng lên nhau, khuếch đại lẫn nhau hoặc ngược lại, làm suy yếu.

Sóng là mạch lạc, nếu sự khác biệt giữa các pha của chúng không đổi theo thời gian và khi thêm vào, sẽ thu được một sóng có cùng tần số. Sóng thu được sẽ được khuếch đại (cực đại giao thoa) hay ngược lại sẽ bị suy yếu (cực tiểu giao thoa) - phụ thuộc vào độ lệch pha của dao động. Cực đại giao thoa và cực tiểu xen kẽ nhau, tạo thành một hình giao thoa.

Sự nhiễu xạ ánh sáng là một biểu hiện khác của tính chất sóng. Dường như một tia sáng phải luôn truyền theo một đường thẳng. Nhưng không! Gặp chướng ngại vật, ánh sáng lệch khỏi hướng ban đầu, như thể uốn cong xung quanh chướng ngại vật. Điều kiện cần thiết để quan sát hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng là gì? Thực ra hiện tượng này có thể quan sát được trên các vật thể có kích thước bất kỳ, nhưng rất khó và hầu như không thể quan sát được trên các vật thể lớn. Điều này được thực hiện tốt nhất trên các chướng ngại vật có kích thước tương đương với bước sóng. Trong trường hợp ánh sáng, đây là những chướng ngại vật rất nhỏ.

Sự nhiễu xạ ánh sáng gọi là hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương thẳng khi đi qua gần vật cản.

Hiện tượng nhiễu xạ không chỉ biểu hiện đối với ánh sáng mà còn đối với các sóng khác. Ví dụ, đối với âm thanh. Hoặc đối với những con sóng trên biển. Một ví dụ tuyệt vời về hiện tượng nhiễu xạ là nghe thấy bài hát Pink Floyd từ một chiếc ô tô chạy ngang qua khi chúng ta đang ở gần góc phố. Nếu sóng âm thanh truyền trực tiếp, nó sẽ không đến tai chúng ta, và chúng ta sẽ hoàn toàn im lặng. Đồng ý, thật là nhàm chán. Nhưng với nhiễu xạ thì vui hơn nhiều.

Để quan sát hiện tượng nhiễu xạ, một thiết bị đặc biệt được sử dụng: cách tử nhiễu xạ. Cách tử nhiễu xạ là một hệ thống các chướng ngại vật có kích thước tương đương với bước sóng. Đây là những nét song song đặc biệt được khắc trên bề mặt của một tấm kim loại hoặc thủy tinh. Khoảng cách giữa các cạnh của các khe liền kề của cách tử được gọi là chu kỳ của cách tử hoặc hằng số của nó.

Điều gì xảy ra với ánh sáng khi nó đi qua cách tử nhiễu xạ? Khi đi trên cách tử và gặp một vật cản, sóng ánh sáng đi qua một hệ thống các vùng trong suốt và không trong suốt, kết quả là nó bị vỡ thành các chùm ánh sáng kết hợp riêng biệt, sau khi bị nhiễu xạ, chúng sẽ giao thoa với nhau. Mỗi bước sóng đồng thời bị lệch đi một góc nhất định, và ánh sáng bị phân hủy thành quang phổ. Kết quả là chúng ta quan sát thấy sự nhiễu xạ ánh sáng bởi cách tử

Công thức cách tử nhiễu xạ:

Đây d là thời kỳ cách tử, fi là góc lệch của ánh sáng sau khi đi qua cách tử, k là bậc của cực đại nhiễu xạ, lambda là bước sóng.

Hôm nay chúng ta học hiện tượng nhiễu xạ và tán sắc ánh sáng là gì. Trong quá trình quang học, các vấn đề về chủ đề giao thoa, tán sắc và nhiễu xạ ánh sáng là rất phổ biến. Các tác giả sách giáo khoa rất thích những nhiệm vụ như vậy. Điều tương tự cũng không thể nói về những người phải giải quyết chúng. Nếu bạn muốn dễ dàng đối phó với nhiệm vụ, hiểu chủ đề, đồng thời tiết kiệm thời gian, hãy liên hệ. Họ sẽ giúp bạn đối phó với bất kỳ nhiệm vụ!

Các quan sát về sự truyền sóng trên mặt nước từ hai hay nhiều nguồn cho thấy các sóng truyền qua nhau mà không ảnh hưởng đến nhau. Theo cách tương tự, các sóng âm thanh không ảnh hưởng lẫn nhau. Khi một dàn nhạc chơi, âm thanh từ mỗi nhạc cụ đến với chúng ta giống hệt như khi mỗi nhạc cụ chơi riêng biệt.

Thực tế đã xác lập được bằng thực nghiệm này được giải thích là do trong giới hạn của biến dạng đàn hồi, việc nén hoặc kéo các vật theo một hướng không ảnh hưởng đến tính chất đàn hồi của chúng khi bị biến dạng theo bất kỳ hướng nào khác. Do đó, tại mỗi điểm mà các sóng từ các nguồn khác nhau truyền tới, kết quả của tác động của một số sóng tại bất kỳ thời điểm nào bằng tổng kết quả của tác động của từng sóng riêng biệt. Mô hình này được gọi là nguyên tắc chồng chất.

Giao thoa sóng.

Để hiểu sâu hơn về nội dung của nguyên lý chồng chất, chúng ta cùng làm thí nghiệm sau.

Trong bể sóng, dùng một máy rung có hai thanh, ta sẽ tạo ra hai nguồn sóng điểm có cùng tần số.

biến động. Các quan sát cho thấy rằng trong trường hợp này một kiểu truyền sóng đặc biệt phát sinh trong vùng sóng. Các dải nổi bật trên mặt nước, nơi không có rung động (Hình 226).

Một hiện tượng tương tự có thể được tìm thấy trong các thí nghiệm với sóng âm thanh. Hãy lắp đặt hai loa động và kết nối chúng với đầu ra của một máy phát âm thanh. Di chuyển những khoảng cách ngắn trong lớp học, bạn có thể nghe thấy bằng tai rằng tại một số điểm trong không gian âm thanh lớn, trong khi ở những điểm khác thì âm thanh yên tĩnh. Sóng âm từ hai nguồn khuếch đại lẫn nhau tại một số điểm trong không gian và làm suy yếu nhau ở những điểm khác (Hình 227).

Hiện tượng tăng hoặc giảm biên độ của sóng tạo thành khi có thêm hai hay nhiều sóng có cùng chu kỳ dao động được gọi là giao thoa sóng.

Hiện tượng giao thoa sóng không trái với nguyên tắc chồng chất. Tại những điểm có biên độ dao động bằng không, hai sóng gặp nhau không “dập tắt” nhau, cả hai sóng truyền xa hơn mà không thay đổi.

Điều kiện giao thoa tối thiểu và tối đa.

Biên độ dao động bằng không trong

những điểm trong không gian có các sóng cùng biên độ và tần số có độ lệch pha bằng hoặc bằng một nửa chu kỳ của dao động. Với cùng định luật dao động của hai nguồn sóng thì hiệu số sẽ bằng nửa chu kỳ dao động, với điều kiện hiệu số khoảng cách từ nguồn sóng đến điểm này bằng nửa bước sóng:

hoặc một số lẻ của nửa sóng:

Sự khác biệt được gọi là sự khác biệt về đường đi của các sóng giao thoa, và điều kiện

được gọi là điều kiện cực tiểu giao thoa.

Cực đại giao thoa được quan sát tại các điểm trong không gian mà tại đó sóng đến với cùng pha dao động. Với cùng quy luật dao động của hai nguồn, để thỏa mãn điều kiện này thì hiệu số đường đi phải bằng một số nguyên bụng sóng:

Tính mạch lạc.

Giao thoa sóng chỉ có thể xảy ra nếu điều kiện kết hợp được thỏa mãn. Từ "coherence" có nghĩa là mạch lạc. Dao động tổng hợp được gọi là dao động cùng tần số và hiệu số pha không đổi theo thời gian.

Giao thoa và định luật bảo toàn cơ năng.

Năng lượng của hai sóng biến mất ở đâu trong các điểm có cực tiểu giao thoa? Nếu chúng ta chỉ xem xét một nơi mà hai sóng gặp nhau, thì câu hỏi như vậy không thể được trả lời một cách chính xác. Sự lan truyền của sóng không phải là một tập hợp các quá trình dao động độc lập tại các điểm riêng biệt trong không gian. Thực chất của quá trình sóng là sự truyền năng lượng của dao động từ điểm này sang điểm khác trong không gian, v.v ... Trong trường hợp giao thoa của sóng ở những nơi có cực tiểu giao thoa, năng lượng của dao động thu được thực sự nhỏ hơn tổng của năng lượng của hai sóng giao thoa. Nhưng ở những nơi có cực đại giao thoa, năng lượng của dao động tạo thành vượt quá tổng năng lượng của sóng giao thoa chính xác bằng năng lượng giảm ở những nơi có cực tiểu giao thoa. Khi sóng giao thoa, năng lượng của dao động được phân phối lại trong không gian, nhưng định luật bảo toàn năng lượng được tuân thủ nghiêm ngặt.

Sự nhiễu xạ của sóng.

Nếu bạn giảm kích thước của lỗ trong vật cản trên đường truyền của sóng, thì kích thước của lỗ càng nhỏ, độ lệch so với hướng truyền thẳng của sóng sẽ càng lớn (Hình 228, a, b). Độ lệch của phương truyền sóng so với một đường thẳng tại biên của vật cản được gọi là nhiễu xạ sóng.

Để quan sát sự nhiễu xạ của sóng âm, chúng ta nối loa với đầu ra của máy phát âm và đặt một màn chắn làm bằng vật liệu trên đường truyền của sóng âm.

hấp thụ sóng âm. Bằng cách di chuyển micrô ra sau màn hình, bạn có thể thấy rằng sóng âm thanh cũng được đăng ký phía sau mép màn hình. Bằng cách thay đổi tần số của dao động âm thanh và do đó độ dài của sóng âm, có thể xác định rằng hiện tượng nhiễu xạ trở nên dễ nhận thấy hơn khi bước sóng tăng lên.

Sự nhiễu xạ của sóng xảy ra khi chúng gặp vật cản có hình dạng và kích thước bất kỳ. Thông thường, khi kích thước của vật cản hoặc lỗ trên vật cản lớn so với bước sóng, thì sự nhiễu xạ của sóng hầu như không được chú ý. Sự nhiễu xạ được biểu hiện rõ ràng nhất khi sóng truyền qua lỗ có kích thước theo thứ tự bước sóng hoặc khi chúng gặp vật cản có cùng kích thước. Ở những khoảng cách đủ lớn giữa nguồn sóng, vật chắn và nơi quan sát sóng, hiện tượng nhiễu xạ cũng có thể xảy ra tại các lỗ hoặc vật chắn lớn.

Nguyên lý Huygens-Fresnel.

Có thể đưa ra giải thích định tính về hiện tượng nhiễu xạ trên cơ sở nguyên lý Huygens. Tuy nhiên, nguyên lý Huygens không thể giải thích tất cả các tính năng của quá trình truyền sóng. Chúng ta hãy đặt một vật chắn có độ mở rộng trên đường truyền của sóng máy bay trong bể tạo sóng. Kinh nghiệm cho thấy rằng sóng truyền qua lỗ và truyền theo hướng ban đầu của chùm tia. Theo các hướng khác, sóng từ lỗ không lan truyền. Điều này mâu thuẫn với nguyên tắc của Huygens, theo đó sóng thứ cấp sẽ truyền theo mọi hướng từ các điểm mà sóng sơ cấp đạt được.

Hãy đặt một rào cản rộng trên đường đi của những con sóng. Kinh nghiệm cho thấy rằng sóng không lan truyền vượt ra ngoài rào cản, điều này lại mâu thuẫn với nguyên lý Huygens. Để giải thích các hiện tượng quan sát được khi sóng gặp chướng ngại vật, nhà vật lý người Pháp Augustin Fresnel (1788-1827) vào năm 1815 đã bổ sung nguyên lý Huygens những ý tưởng về sự kết hợp của các sóng thứ cấp và sự giao thoa của chúng. Sự vắng mặt của các sóng ra khỏi hướng của chùm sóng sơ cấp phía sau một khẩu độ rộng theo nguyên lý Huygens-Fresnel được giải thích là do các sóng kết hợp thứ cấp phát ra bởi các phần khác nhau của khẩu độ giao thoa với nhau. Không có sóng ở những nơi thỏa mãn các điều kiện của cực tiểu giao thoa đối với sóng thứ cấp từ các mặt cắt khác nhau.

Phân cực sóng.

Các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ

được quan sát thấy cả trong quá trình truyền sóng dọc và sóng ngang. Tuy nhiên, sóng ngang có một đặc tính mà sóng dọc không có - tính chất phân cực.

Sóng phân cực là sóng ngang trong đó tất cả các hạt dao động trong cùng một mặt phẳng. Sóng phân cực phẳng trong dây cao su thu được khi đầu dây dao động trên một mặt phẳng. Nếu đầu cuối của dây tóc dao động theo các phương khác nhau thì sóng truyền dọc dây tóc không bị phân cực.

Sóng này có thể được phân cực bằng cách đặt một vật chắn có lỗ ở dạng một khe hẹp trên đường đi của nó. Khe chỉ cho phép các dao động của dây xảy ra dọc theo nó. Do đó, sóng sau khi truyền qua khe trở nên phân cực trong mặt phẳng của khe (Hình 229). Nếu dọc theo đường đi của sóng phân cực phẳng một khe thứ hai được đặt song song với khe thứ nhất thì sóng tự do đi qua nó. Quay của khe thứ hai so với khe thứ nhất một góc 90 ° thì quá trình truyền sóng trong dây dừng lại.

Một thiết bị chọn từ tất cả các dao động có thể xảy ra trong một mặt phẳng (rãnh đầu tiên) được gọi là thiết bị phân cực. Một thiết bị cho phép bạn xác định mặt phẳng phân cực của sóng (khe thứ hai) được gọi là máy phân tích.

Nếu bạn ném một viên đá, nó sẽ bay thẳng. Anh ta có thể gặp chướng ngại vật và bị trả lại. Nếu nó va vào một máy bay ở một góc so với hướng bay của nó, nó sẽ bật sang một bên.

Nhưng trong mọi trường hợp, một viên đá không thể đi vòng qua chướng ngại vật. Tất nhiên, trừ khi bạn không thể giúp anh ta. Đó là, anh ta không thể. Chuyển động của bất kỳ vật thể nào và theo đó là các hạt, đều tuân theo định luật này. Chúng bay khỏi chướng ngại vật, hoặc bay ngang qua, nhưng không đi vòng quanh nó.

Sóng cư xử khác nhau. Cho dù bạn có quan sát thấy điều này hay không, không khó để kiểm tra điều này: con sóng, đi ngang qua chướng ngại vật, hơi uốn quanh nó. Đồng thời, hướng lan truyền của nó thay đổi. Vì vậy, ví dụ, một làn sóng trên mặt nước, khi đi qua một khe hở hẹp, sẽ lan ra các phía với sự lan truyền xa hơn. Nó chỉ ra rằng cô ấy đã đi xung quanh chướng ngại vật dưới dạng ranh giới của lỗ mở.

Sự lệch của ánh sáng và sự bổ sung của sóng ánh sáng

Đây là cách tất cả các sóng hoạt động, có thể là cơ học hoặc điện từ. Vì ánh sáng là một sóng điện từ, do đó, nó hoạt động theo cùng một cách. Hiện tượng ánh sáng bị lệch khỏi phương truyền thẳng khi vòng qua một vật cản được gọi là nhiễu xạ ánh sáng. Ví dụ, các cạnh mờ của bóng là một ví dụ về nhiễu xạ ánh sáng ở rìa của cơ thể tạo ra bóng.

Do hiện tượng nhiễu xạ, có một hiện tượng khác gọi là giao thoa ánh sáng. Giao thoa ánh sáng là phép cộng cường độ của hai hay nhiều sóng ánh sáng. Kết quả là, một dạng cực đại và cực tiểu của cường độ ánh sáng được hình thành.

Sự giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng được kết nối với nhau theo cách trực tiếp và tức thì nhất. Trên thực tế, giao thoa là hệ quả của nhiễu xạ. Bạn có thể thiết lập các thí nghiệm để quan sát sự giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng trong phòng thí nghiệm. Để làm điều này, một chùm ánh sáng được truyền qua một khe hẹp trong một vật liệu không trong suốt, phía sau là một màn chắn.

Một vệt sáng xuất hiện trên màn hình, sẽ rộng hơn đáng kể so với kích thước của khe. Điều này là do sự nhiễu xạ của ánh sáng, khi đi qua khe, hơi uốn cong xung quanh hai vật cản dưới dạng ranh giới của khe, và do đó chùm sáng trở nên rộng hơn. Nếu chúng ta tạo ra không phải một mà là hai khe liền kề, thì trên màn ảnh, chúng ta sẽ không thấy hai dải ánh sáng, mà là một tập hợp các dải sáng và bóng xen kẽ nhau. Trong trường hợp này, sẽ có một dải sáng nhất ở giữa.

Đây là kết quả của sự giao thoa ánh sáng, và chúng ta sẽ thấy cái gọi là "hình ảnh giao thoa". Giải thích về bức tranh này sẽ đơn giản do sự nhiễu xạ tại mỗi khe, các chùm ánh sáng nở ra, và khi đi xa hơn, hai sóng đã được thêm vào.

Biên độ của các sóng này khác nhau tại tất cả các điểm trong không gian. Do đó, biên độ cuối cùng của sóng chung do cộng hai sóng sẽ phụ thuộc vào cách phân bố biên độ của sóng ban đầu trong không gian.

Tại nơi có biên độ của sóng cực đại thì người ta sẽ quan sát được cực đại của sóng toàn phần. Ở những nơi khác, nơi mà các biên độ nằm trong nghịch chuyển, thì tổng biên độ sẽ bằng không. Những nơi còn lại sẽ nằm trong giai đoạn chuyển tiếp giữa hai trường hợp này.

Bài viết này thảo luận về một hiện tượng vật lý như là sự giao thoa: nó là gì, nó xảy ra khi nào và nó được ứng dụng như thế nào. Nó cũng mô tả chi tiết khái niệm liên quan của vật lý sóng - nhiễu xạ.

Các loại sóng

Khi từ “sóng” xuất hiện trong một cuốn sách hoặc trong một cuộc trò chuyện, thì như một quy luật, biển ngay lập tức xuất hiện: một dải rộng màu xanh, một khoảng cách mênh mông, nối tiếp nhau, những trục mặn chạy vào bờ. Một cư dân của thảo nguyên sẽ hình dung ra một khung cảnh khác: một bãi cỏ trải dài vô tận, nó đung đưa theo làn gió nhẹ. Ai đó sẽ nhớ đến những con sóng, khi nhìn những nếp gấp của bức màn nặng hoặc lá cờ bay phấp phới trong một ngày nắng. Một nhà toán học sẽ nghĩ đến hình sin, một người yêu vô tuyến sẽ nghĩ đến dao động điện từ. Tất cả chúng đều có bản chất khác nhau và thuộc về các loài khác nhau. Nhưng có một điều không thể phủ nhận: sóng là một trạng thái lệch khỏi trạng thái cân bằng, là sự biến đổi của một loại định luật “êm dịu” nào đó thành dao động. Đối với họ, một hiện tượng như giao thoa có thể áp dụng được. Nó là gì và nó phát sinh như thế nào, chúng ta sẽ xem xét một chút sau. Đầu tiên, chúng ta hãy xem sóng là gì. Chúng tôi liệt kê các loại sau:

• cơ khí;
• hóa chất;
• điện từ;
• Trọng lực;
• quay;
• có tính xác suất.

Theo quan điểm vật lý, sóng mang năng lượng. Nhưng nó xảy ra rằng khối lượng cũng chuyển động. Trả lời câu hỏi giao thoa là gì trong vật lý, cần lưu ý rằng nó là đặc trưng của sóng hoàn toàn có bản chất bất kỳ.

Dấu hiệu chênh lệch sóng

Thật kỳ lạ, nhưng không có định nghĩa duy nhất về sóng. Các loài của chúng rất đa dạng đến nỗi chỉ riêng có hơn chục kiểu phân loại. Các sóng được phân biệt như thế nào?

1. Theo phương thức phân bố trong môi trường (chạy hoặc đứng).
2. Theo bản chất của chính sóng (dao động và soliton là khác nhau chính xác về cơ sở này).
3. Theo kiểu phân bố trong môi trường (dọc, ngang).
4. Theo mức độ tuyến tính (tuyến tính hoặc phi tuyến tính).
5. Theo tính chất của môi trường mà chúng lan truyền (rời rạc, liên tục).
6. Trong hình dạng (phẳng, hình cầu, xoắn ốc).
7. Theo tính năng của môi trường truyền vật chất (cơ năng, điện từ, trọng trường).
8. Theo hướng dao động của các hạt của môi trường (sóng nén hoặc sóng cắt).
9. Theo thời gian cần kích thích môi trường (gói sóng đơn, đơn sắc, sóng).

Và nhiễu có thể áp dụng cho bất kỳ loại nhiễu nào của phương tiện này. Điều gì đặc biệt về khái niệm này và tại sao chính xác hiện tượng này lại tạo ra thế giới của chúng ta như hiện nay, chúng tôi sẽ cho biết sau khi đưa ra các đặc điểm của sóng.

Đặc điểm sóng

Dù thuộc loại nào và loại sóng nào thì chúng đều có những đặc điểm chung. Đây là danh sách:

1. Chiếc lược là một loại tối đa. Đối với sóng nén, đây là nơi có mật độ môi chất cao nhất. Biểu diễn độ lệch dương lớn nhất của dao động so với trạng thái cân bằng.
2. Một cái trũng (trong một số trường hợp là một thung lũng) đối lập với một cái sườn núi. Độ lệch âm cực tiểu, lớn nhất so với trạng thái cân bằng.
3. Chu kỳ theo thời gian, hay tần số, là thời gian cần thiết để một làn sóng truyền từ mức cao này sang mức cao tiếp theo.
4. Chu kỳ trong không gian, hay bước sóng, là khoảng cách giữa các đỉnh lân cận.
5. Biên độ là chiều cao của các đỉnh. Đó là định nghĩa này sẽ cần thiết để hiểu giao thoa sóng là gì.

Chúng tôi đã xem xét rất chi tiết về sóng, các đặc tính của nó và các phân loại khác nhau, bởi vì khái niệm "giao thoa" không thể giải thích được nếu không hiểu rõ về một hiện tượng như sự nhiễu loạn của môi trường. Chúng tôi nhắc bạn rằng sự giao thoa chỉ có ý nghĩa đối với sóng.

Tương tác sóng

Bây giờ chúng ta đã đến gần với khái niệm "giao thoa": nó là gì, nó xảy ra khi nào và làm thế nào để định nghĩa nó. Tất cả các dạng, dạng và đặc điểm của sóng được liệt kê ở trên đều quy về trường hợp lý tưởng. Đây là những mô tả về một "con ngựa hình cầu trong chân không", tức là một số cấu trúc lý thuyết không thể thực hiện được trong thế giới thực. Nhưng trên thực tế, toàn bộ không gian xung quanh tràn ngập các làn sóng khác nhau. Ánh sáng, âm thanh, nhiệt, radio, các quá trình hóa học là những phương tiện truyền thông. Và tất cả các sóng này tương tác với nhau. Cần lưu ý một đặc điểm: để chúng ảnh hưởng lẫn nhau, chúng phải có những đặc điểm tương đồng.

Sóng âm không thể cản trở ánh sáng theo bất kỳ cách nào và sóng vô tuyến không thể tương tác với gió theo bất kỳ cách nào. Tất nhiên, ảnh hưởng vẫn còn đó, nhưng nó quá nhỏ nên ảnh hưởng của nó đơn giản là không được tính đến. Nói cách khác, khi giải thích giao thoa ánh sáng là gì, người ta cho rằng một photon ảnh hưởng đến photon khác khi nó gặp nhau. Vì vậy, chi tiết hơn.

Sự can thiệp

Đối với nhiều loại sóng, nguyên tắc chồng chất hoạt động: khi chúng gặp nhau tại một điểm trong không gian, chúng sẽ tương tác. Sự trao đổi năng lượng được hiển thị trên sự thay đổi của biên độ. Quy luật tương tác như sau: nếu hai cực đại gặp nhau tại một điểm thì trong sóng cuối cùng cường độ của hai cực đại tăng gấp đôi; nếu cực đại và cực tiểu gặp nhau, thì biên độ kết quả sẽ biến mất. Đây là câu trả lời rõ ràng cho câu hỏi sự giao thoa của ánh sáng và âm thanh là gì. Về bản chất, đây là hiện tượng chồng chất.

Sự giao thoa của các sóng với các đặc điểm khác nhau

Sự kiện được mô tả ở trên đại diện cho sự gặp nhau của hai sóng giống hệt nhau trong không gian tuyến tính. Tuy nhiên, hai sóng ngược dòng có thể có tần số, biên độ và độ dài khác nhau. Làm thế nào để trình bày bức tranh cuối cùng trong trường hợp này? Câu trả lời nằm ở chỗ, kết quả sẽ không chính xác như một làn sóng. Tức là, trật tự xen kẽ của cực đại và cực tiểu sẽ bị vi phạm: tại một thời điểm nào đó biên độ sẽ là cực đại, lúc sau sẽ nhỏ hơn, sau đó cực đại và cực tiểu gặp nhau và kết quả sẽ biến về không. Tuy nhiên, cho dù sự khác biệt giữa hai sóng mạnh đến mức nào, thì sớm muộn biên độ vẫn sẽ lặp lại. Trong toán học, người ta thường nói đến vô hạn, nhưng trên thực tế, lực ma sát và quán tính có thể ngăn chặn sự tồn tại của sóng tạo thành trước khi mô hình của các đỉnh, thung lũng và đồng bằng được lặp lại.

Giao thoa của sóng gặp nhau ở một góc

Nhưng, ngoài những đặc điểm riêng của chúng, sóng thực có thể có những vị trí khác nhau trong không gian. Ví dụ, khi xem xét nhiễu âm thanh là gì, điều này phải được tính đến. Hãy tưởng tượng: một cậu bé vừa đi vừa thổi còi. Nó gửi một sóng âm thanh đi trước chính nó. Và một cậu bé khác đi xe đạp đi ngang qua cậu và bấm chuông để người đi bộ tránh sang một bên. Tại điểm gặp nhau của hai sóng âm này, chúng cắt nhau một góc nào đó. Làm thế nào để tính toán biên độ và hình dạng của dao động cuối cùng của không khí, mà sẽ đạt được, ví dụ, người bán hạt giống gần nhất của bà Masha? Đây là nơi phát huy thành phần vectơ của sóng âm thanh. Và trong trường hợp này, cần phải cộng hoặc trừ không chỉ độ lớn của biên độ, mà còn cả các vectơ truyền của các dao động này. Chúng tôi hy vọng rằng bà Masha sẽ không la hét quá nhiều trước những kẻ ồn ào.

Sự giao thoa của ánh sáng với các phân cực khác nhau

Nó cũng xảy ra rằng các photon của các phân cực khác nhau gặp nhau tại một điểm. Trong trường hợp này, thành phần vectơ của dao động điện từ cũng cần được tính đến. Nếu chúng không vuông góc với nhau hoặc một trong những chùm ánh sáng có phân cực hình tròn hoặc hình elip thì tương tác là hoàn toàn có thể xảy ra. Một số phương pháp xác định độ tinh khiết quang học của tinh thể dựa trên nguyên tắc này: không được có tương tác trong chùm tia phân cực vuông góc. Nếu hình ảnh bị bóp méo, thì tinh thể đó không phải là lý tưởng, nó làm thay đổi độ phân cực của chùm tia, có nghĩa là nó không được phát triển chính xác.

Giao thoa và nhiễu xạ

Sự tương tác của hai chùm ánh sáng dẫn đến sự giao thoa của chúng, kết quả là người quan sát thấy một số dải hoặc vòng sáng (cực đại) và tối (cực tiểu). Nhưng sự tương tác của ánh sáng và vật chất đi kèm với một hiện tượng khác - nhiễu xạ. Nó dựa trên thực tế là ánh sáng có bước sóng khác nhau bị khúc xạ khác nhau bởi môi trường. Ví dụ, nếu bước sóng là 300 nanomet, thì góc lệch là 10 độ, và nếu 500 nanomet, nó đã là 12. Do đó, khi ánh sáng từ tia nắng chiếu vào lăng kính thạch anh, màu đỏ bị khúc xạ khác với màu tím (bước sóng của chúng khác), và người quan sát thấy cầu vồng. Đây là câu trả lời cho câu hỏi giao thoa và nhiễu xạ ánh sáng là gì và chúng khác nhau như thế nào. Nếu chiếu bức xạ đơn sắc từ laze tới cùng một lăng kính thì sẽ không có cầu vồng, vì không có photon có bước sóng khác nhau. Chỉ là chùm tia sẽ lệch khỏi hướng lan truyền ban đầu một góc nhất định, và thế là xong.

Ứng dụng của hiện tượng giao thoa trong thực tế

Có rất nhiều cơ hội để có được lợi ích thiết thực từ hiện tượng lý thuyết thuần túy này. Chỉ những cái chính sẽ được liệt kê ở đây:

1. Nghiên cứu chất lượng của tinh thể. Chúng tôi đã nói về điều này cao hơn một chút.
2. Xác định các lỗi ống kính. Thường thì chúng phải được mài thành hình cầu hoàn hảo. Sự hiện diện của bất kỳ khuyết tật nào được phát hiện chính xác với sự trợ giúp của hiện tượng giao thoa.
3. Xác định độ dày màng sơn. Trong một số loại hình sản xuất, độ dày màng không đổi, chẳng hạn như nhựa, là rất quan trọng. Chính hiện tượng giao thoa cùng với nhiễu xạ giúp xác định chất lượng của nó một cách chính xác.
4. Độ rọi của quang học. Kính, thấu kính của máy ảnh và kính hiển vi được bao phủ bởi một lớp màng mỏng. Do đó, các sóng điện từ có độ dài nhất định chỉ đơn giản là phản xạ và chồng lên chính chúng, làm giảm hiện tượng giao thoa. Thông thường, sự giác ngộ được thực hiện ở phần màu xanh lá cây của quang phổ, vì đây là khu vực mà mắt người cảm nhận rõ nhất.
5. Thám hiểm không gian. Biết được quy luật giao thoa, các nhà thiên văn học có thể tách quang phổ của hai ngôi sao gần nhau và xác định thành phần và khoảng cách của chúng với Trái đất.
6. Nghiên cứu lý thuyết. Một khi với sự trợ giúp của hiện tượng giao thoa, người ta có thể chứng minh bản chất sóng của các hạt cơ bản, chẳng hạn như electron và proton. Điều này đã xác nhận giả thuyết về thuyết nhị nguyên sóng tiểu thể của microworld và đặt nền tảng cho kỷ nguyên lượng tử.

Chúng tôi hy vọng rằng với bài viết này, kiến ​​thức của bạn về chồng chất của sóng kết hợp (phát ra bởi các nguồn có hiệu số pha không đổi và cùng tần số) đã được mở rộng đáng kể. Hiện tượng này được gọi là giao thoa.