Lekcija 55
Tema: Talasni fenomeni. Talasna dužina.
Brzina širenja talasa.
Ciljevi lekcije: učvrstiti vještine rješavanja problema na temu „Mehaničke vibracije“, upoznati učenike sa uslovima nastanka talasa i njihovim vrstama; proučavanje karakteristika mehaničkih talasa; formirati kod učenika pravilno razumevanje talasnog kretanja čestica medija, koristeći jasnoću; prilikom organizovanja obezbeđenja edukativni materijal istaći namirnice potrebne za pamćenje, organizovati bilješke u učeničkim sveskama (kod kuće koristeći bilješke); razviti vještine rješavanja problema na ovu temu; razvijati pamćenje učenika, govornu kulturu, logičko i prostorno mišljenje; gajiti osjećaj uzajamne pomoći, samostalnosti u postizanju ciljeva i marljivog rada.
Vrsta lekcije: kombinovano.
Tokom nastave.
1. Organizacioni momenat.
2. Ponavljanje prethodno proučenog materijala.
Brainstorm
3. Motivacija za edukativne i kognitivne aktivnosti.
1. Raž sazrijeva nad vrelim kukuruznim poljem
I sa njive na njivu
Duhoviti vjetar duva
Zlatno svjetluca.
(A. Fet)
2. Gde god da pogledaš -
Pšenica
Iza bedema bedem puzi uz brdo,
Do horizonta bez granica
Sunčano more bjesni.
(Yu. Obolentsev)
O kakvim zlatnim nijansama piše Afanasy Fet i kakvo sunčano more bjesni u pjesmi Jurija Obolenceva? (mehanički talasi)
4. Određivanje teme časa.
Asocijativni grm
Zapišite temu lekcije: “ Fenomeni talasa. Talasna dužina. Brzina širenja talasa."
5. Prezentacija novog materijala.
Mehanički talas - to su vibracije koje se kreću u prostoru i vremenu u elastičnom mediju
Kozma Prutkov je napisao: “Kada bacate kamenčiće u vodu, pogledajte krugove koji formiraju; inače će takvo bacanje biti prazna zabava.”
Ovi krugovi (u obliku naizmjeničnih grebena i udubljenja) su primjer narušavanja prethodno mirne vodene površine.
Nakon što su nastali na jednom mjestu, odmah se počinju širiti u svim smjerovima. Ovo su talasi.
Ako visite rukom u akvarijumu ili u kupatilu, takođe će se formirati talasi. Izvor ovih talasa je naša ruka. Ovo je najjednostavniji tip valnih oscilacija koje nastaju na površini tekućine i odstupaju od mjesta poremećaja u obliku koncentričnih krugova.
Talasi na površini tekućine nastaju zbog djelovanja gravitacije i međumolekularnih interakcijskih sila na čestice tekućine.
Najčešći među talasima ove vrste su morski talasi, odnosno talasi na površini mora i okeana.
Engleski naučnik A. Eddington napisao je da se „osobi koja putuje na brodu čini da se okean sastoji od talasa, a ne vode“.
Prvi znaci valova počinju se pojavljivati nakon što brzina vjetra koji djeluje na površinu vode dostigne 1,1 m/s. Kako vjetar raste, visina grebena se povećava.
Visina talasa u Baltičkom moru dostiže 5 m, u Atlantskom okeanu - do 9 m, a u vodama južne hemisfere, gde vodeni prsten pokriva celu Zemlju, talasi visine 12 - 13 m kreću se na Uočena je brzina od 20 m/s.
Kada morski valovi stignu do obale, uz oštru promjenu dubine, mogu se uočiti ekstremno veliki izlivi vode. U ovom slučaju kinetička energija ogromnih masa vode prenosi se na nadolazeće (obalne) prepreke, koje možda neće izdržati pritisak vode i urušiti se. Destruktivna sila surfa dostiže velike vrijednosti. Na primjer, na Šetlandskim ostrvima na sjeveroistoku Škotske možete pronaći krhotine stijena teške i do 13 tona, koje su bačene na visinu od oko 20 m. A u Bilbau (Španija) prevrnuta je betonska masa teška 1.700 tona i izbačen s mjesta od strane daska.
Uz talase na površini tečnosti, mehanika proučava tzv elastični talasi – poremećaji koji se šire u različitim sredinama zbog djelovanja elastičnih sila u njima.
Pojava elastičnog vala može se lako demonstrirati na primjeru oscilacija u savitljivoj vrpci.
Demonstracija: fleksibilna vrpca (uže za preskakanje). Jedan kraj užeta je čvrsto ojačan, a slobodni kraj se pomiče u okomitoj ravni pokretom biča. Elastični talas počinje da teče duž užeta. IN u ovom slučaju izvor poremećaja elastične sredine je ruka.
Talas nastaje samo kada se, uz vanjski poremećaj, pojave sile u okruženju koje mu se suprotstavljaju. Obično su to elastične sile.
Mehanički valovi nastaju i kreću se samo u elastičnim medijima. Takvi mediji su prilično gusti i sudar čestica u njima nalikuje elastičnom sudaru loptica. Ovo omogućava česticama u talasu da prenesu višak energije na susjedne čestice. Čestica se, nakon što je prenijela dio energije, vraća u prvobitni položaj. Ovaj proces se nastavlja dalje. Dakle, supstanca se ne kreće u talasu. Prijenos kretanja valom povezan je s prijenosom energije bez prijenosa materije. Čestice medija osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja.
U zavisnosti od smera u kome čestice osciluju u odnosu na smer kretanja talasa, postoje uzdužni i poprečni talasi.
U uzdužnom talasu čestice osciliraju u smjerovima koji se poklapaju s kretanjem vala. Takvi valovi nastaju kao rezultat kompresije i napetosti. Shodno tome, mogu se pojaviti u gasovima, čvrstim materijama i tečnostima.
U poprečnom talasu čestice osciliraju u ravninama okomitim na smjer kretanja vala. Takvi valovi nastaju kao rezultat pomicanja slojeva medija. Shodno tome, mogu nastati samo u čvrstim materijama, jer u gasovima i tečnostima ova vrsta deformacije je nemoguća.
Talasi na površini vode (ili bilo koje druge tekućine) nisu ni uzdužni ni poprečni. Imaju složen, uzdužno - poprečni karakter.
Čestice tekućine kreću se ili u krugovima ili duž elipsa izduženih u horizontalnom smjeru. Kružno kretanje čestica na površini vode praćeno je njihovim sporim kretanjem u smjeru širenja valova. To objašnjava sve "morske darove" koji se mogu naći na obali.
Svaki fizički proces uvijek je opisan nizom karakteristika, čije vrijednosti nam omogućavaju da dublje razumijemo sadržaj procesa. Talasni fenomeni u elastičnim medijima također imaju određene karakteristike. S nekima smo se upoznali proučavajući mehaničke vibracije.
Napišite na tabli:
A– amplituda oscilacija u talasu (m)
(učenici samostalno imenuju ovu i sljedeće karakteristike vala)
T– period oscilacija u talasu (s)
ν – frekvencija oscilacija u talasu (Hz)
Brzina talasa (m/s
Svaki talas putuje određenom brzinom.
Pod brzinom talasa razumjeti brzinu širenja poremećaja. Brzina talasa je određena svojstvima sredine u kojoj se talas širi. Prilikom prelaska s jednog medija na drugi, njegova brzina se mijenja.
– talasna dužina (m)
Odabirom smjera širenja vala izvan pravca ose OX i označavanjem koordinata čestica koje osciliraju u talasu sa Y, moguće je konstruisati graf talasa.
Talasna dužina je udaljenost preko koje se talas širi u vremenu koje je jednako periodu oscilovanja u njemu.
Jer = const za dato okruženje, dakle
Iz grafikona je to jasno talasna dužina - je razmak između dva susjedna grebena ili dva korita.
To znači da to možemo napisati 
, i shodno tome
Kada talas prelazi iz jednog medija u drugi, njegova frekvencija se ne menja, menjaju se samo brzina i talasna dužina.
Nažalost, često čujemo o zemljotresima.
Talasi koji nastaju u zemljinoj kori tokom raznih tektonskih procesa nazivaju se seizmički.
6. Konsolidacija proučenog gradiva.
Šta bi mogao biti izvor talasa?
Da li se prenos energije dešava u talasu? Šta je sa supstancama?
Na koje se vrste dijele mehanički valovi ovisno o tome
smjeru da li čestice osciliraju?
Mogu li se posmični valovi širiti u tekućini ili plinu? I zašto?
Gdje se mogu pojaviti longitudinalni talasi? Šta je sa poprečnim?
Koje smo karakteristike talasa danas upoznali?
Koja se od njih ne javlja prilikom prelaska mehaničkog talasa iz jednog medija u drugi?
promjene?
Vježbajte. Odredite karakteristike talasa (koje su moguće) iz grafikona. Definiraj
talasnu dužinu ako je poznato da je njena brzina prostiranja 20 m/s.
Odgovor: A= 0,1 m; T= 0,4 s; ν = 2,5 Hz; 8 m.
Zadatak 1. Udaljenost između najbližih vrhova valova u moru je 20 m. Kojom brzinom se širi val ako je period osciliranja čestica u valu 10 s?
Rješenje:
Zadatak 2. Talasna dužina je 2 m, a brzina širenja 400 m/s. Odredite koliko potpunih oscilacija ovaj talas napravi za 0,1 s.
Rješenje:
7. Sumiranje lekcije. Procjena učenika.
8. Domaći zadatak: Belaga §§ 14, 15 (pročitajte), naučite beleške, rešite probleme
Za zainteresovane: pripremiti izvještaj ili prezentaciju na jednu od tema:
“Zemljotresi”, “Cunamiji”, “Životinje - indikatori”
približava se zemljotres."
Zadatak 1. Ribar je primijetio da je plovak za 5 sekundi napravio 10 oscilacija na valovima, a
udaljenost između susjednih valnih grbina je 1 m. Koja je brzina
širenje talasa?
Zadatak 2. Frekvencija oscilovanja u talasu je 10000 Hz, a talasna dužina 2 mm. Odredite brzinu
U djetinjstvu se može vidjeti ugodna slika: mirna površina vode na rijeci. I sve što treba da uradite je da bacite mali kamenčić - ova slika se odmah menja. Oko mjesta gdje je kamen udario u vodu, talasi se razbacuju u krug. Svi su čitali priče o morskim putovanjima, o monstruoznoj snazi morskih valova koji lako ljuljaju velike brodove. Međutim, kada posmatramo ove pojave, ne znaju svi da zvuk pljuska vode do našeg uha dopire kroz talase u vazduhu koji udišemo, da je i svetlost kojom vizuelno percipiramo svoju okolinu talasno kretanje. Talasi na površini vode, svjetlosni i zvučni valovi mogu se kombinirati zajedno. Ovo su sve primjeri talasnog kretanja. Ali valovi imaju drugačiju prirodu izgleda. Šta je talas sa stanovišta fizike? Talas je oscilacija koja putuje kroz prostor tokom vremena. Glavno svojstvo talasa je da se talas širi bez prenošenja materije. Na primjer, ako mali list sa drveta leži na površini vode. Hajde da bacimo kamen u vodu. Kao što je ranije spomenuto, valovi će se početi širiti iz kamena u svim smjerovima. U isto vrijeme, kada dođu do lista, neće ga prisiliti da se kreće prema valu. List će ostati na svom mjestu, ali će istovremeno raditi oscilatorna kretanja gore i dolje. Odnosno, samo će se oblik vode promijeniti, ali neće doći do protoka. Jedan od mnogih važne karakteristike voda je brzina njenog širenja. Brzina širenja bilo kog talasa je uvek konačna. Brzina talasa na površini vode je relativno mala, pa ih je vrlo lako uočiti.
Takođe je lako posmatrati talase koji se šire duž gumenog kabla. Ako je jedan kraj užeta osiguran i, lagano povlačenjem užeta rukom, drugi kraj se pokrene u oscilatorno kretanje, tada će val proći duž užeta. Što se uže brže vuče, to će biti veća brzina talasa. Talas će doći do tačke na kojoj je kabl pričvršćen, reflektovaće se i vraćati se nazad. U ovom eksperimentu, kako se talas širi, dolazi do promjena u obliku užeta. Svaki dio užeta oscilira oko svog konstantnog ravnotežnog položaja. Obratimo pažnju na činjenicu da kada se talas širi duž užeta, oscilacije se javljaju u smjeru okomitom na smjer širenja vala. Takvi talasi se nazivaju poprečnim.
U ovom slučaju dolazi do elastične deformacije u takvim valovima, koja se naziva posmična deformacija. Pojedinačni slojevi materije se pomeraju jedan u odnosu na drugi. Tokom posmične deformacije u čvrstom tijelu nastaju elastične sile koje teže da vrate tijelo u prvobitno stanje. To su elastične sile koje uzrokuju vibracije čestica medija. Ali oscilacije čestica medija mogu se pojaviti i duž smjera širenja valova. Takav talas se naziva longitudinalni. Pogodno je promatrati longitudinalni val na velikoj udaljenosti mekana opruga veliki prečnik. Udarajući dlanom o jedan od krajeva opruge, možete vidjeti kako kompresija (elastični impuls) teče duž opruge. Serijom uzastopnih udaraca moguće je pobuditi talas u oprugi, koji predstavlja uzastopno sabijanje i produženje opruge, teče jedan za drugim.
Kompresijska deformacija se javlja u uzdužnom valu. Elastične sile povezane s ovom deformacijom nastaju i u čvrste materije, kao i u tečnostima i gasovima.
Primjeri longitudinalnih valova su akustični valovi, tj. one koje percipira ljudsko uho. Kada se mehanički talas širi, kretanje se prenosi s jedne čestice medija na drugu. S prijenosom kretanja povezan je prijenos energije. Glavno svojstvo svih valova, bez obzira na njihovu prirodu, je da prenose energiju bez prijenosa materije. Energija dolazi iz izvora koji pobuđuje vibracije na početku užeta, žice, itd., i širi se zajedno sa talasom. Kroz bilo koji presjek, kao što je kabl, energija se prenosi. Ova energija se sastoji od kinetička energija kretanje čestica medija i potencijalna energija njihove elastične deformacije. Postepeno smanjenje amplitude vibracija čestica tokom širenja talasa povezano je sa pretvaranjem dela mehaničke energije u unutrašnju energiju.
Kako se mehanički talasi šire? Pratimo kretanje pojedinih čestica materije tokom talasnog kretanja. Prvo, razmotrimo poprečni val koji se širi, na primjer, duž gumene vrpce. Svaki dio užeta ima masu i elastičnost. Kada se kabel deformira u bilo kojem dijelu, pojavljuju se elastične sile. Ove sile imaju tendenciju da vrate kabel u prvobitni položaj. Zbog inercije, dio oscilirajuće vrpce se ne zaustavlja u ravnotežnom položaju, već prolazi kroz njega, nastavljajući se kretati sve dok elastične sile ne zaustave ovaj dio u trenutku maksimalnog odstupanja od ravnotežnog položaja. Umjesto užeta, uzmimo lanac od identičnih metalnih kuglica okačenih na niti. Kuglice su međusobno povezane oprugama (sl.). Masa opruga je mnogo manja od mase kuglica. U ovom modelu inercijska (masena) i elastična svojstva su razdvojena: masa je koncentrisana uglavnom u kuglicama, a elastičnost je koncentrisana u oprugama. Ova podjela nije značajna kada se razmatra kretanje valova. Ako lijevu vanjsku kuglicu skrenete u horizontalnoj ravni okomitoj na lanac kuglica, opruga će se deformirati i sila će početi djelovati na 2. kuglu, uzrokujući da se ona skrene u istom smjeru kao i 1. kuglica. Zbog inercije, kretanje 2. lopte neće se dogoditi u koordinaciji sa 1. Njegovo kretanje, ponavljanje kretanja 1. lopte, bit će odloženo u vremenu. Ako je 1. kuglica prisiljena da oscilira s periodom T (jednostavno rukom ili pomoću nekog mehanizma), onda će i 2. kuglica početi oscilirati nakon 1., ali sa nekim kašnjenjem u fazi. Treća kuglica će, pod uticajem elastične sile izazvane kretanjem 2. lopte, takođe početi da osciluje, još više zaostaje u fazi, itd. Konačno, sve lopte će početi da vrše prinudne oscilacije sa istom frekvencijom. , ali sa različitim fazama. U ovom slučaju, poprečni val će teći duž lanca kuglica. Slika a, b, c, d, e, f prikazuje proces širenja talasa. Prikazane su pozicije kuglica u uzastopnim trenucima vremena, međusobno udaljene za četvrtinu perioda oscilovanja (pogled odozgo). Strelice na kuglicama su vektori brzina njihovog kretanja u odgovarajućim trenucima vremena. Na modelu elastičnog tijela u obliku lanca masivnih kuglica povezanih oprugama (sl. a) može se posmatrati proces prostiranja uzdužnih valova. Kuglice su obješene tako da mogu samo oscilirati duž lanca. Ako se 1. kuglica pokrene u oscilatorno kretanje s periodom T, tada će duž lanca teći uzdužni val koji se sastoji od naizmjeničnog zbijanja i razrjeđivanja kuglica (sl. b). Ova slika odgovara slici e za slučaj širenja posmičnog talasa.
Ove pojave su svojstvene talasima bilo koje prirode. Štaviše, fenomeni interferencije, difrakcije, polarizacije karakteristični su samo za talasne procese i mogu se objasniti samo na osnovu teorije talasa.
Refleksija i refrakcija.Širenje talasa je geometrijski opisano pomoću zraka. U homogenom okruženju ( n= const) zraci su pravolinijski. Istovremeno, na sučelju između medija, njihovi smjerovi se mijenjaju. U tom slučaju nastaju dva vala: reflektirani, koji se šire u prvom mediju istom brzinom, i lomljeni, koji se šire u drugom mediju različitom brzinom, ovisno o svojstvima ovog medija. Fenomen refleksije poznat je i za zvučne (eho) i za svjetlosne valove. Zbog refleksije svjetlosti u ogledalu se formira virtuelna slika. Refrakcija svjetlosti je u osnovi mnogih zanimljivih atmosferskih pojava. Široko se koristi u raznim optičkim uređajima: sočiva, prizme, optička vlakna. Ovi uređaji su elementi samih uređaja za razne namjene: kamere, mikroskopi i teleskopi, periskopi, projektori, optički komunikacioni sistemi, itd.
Interferencija valovi - fenomen preraspodjele energije kada se dva (ili više) koherentnih (podudarnih) valova nadograđuju, praćeno pojavom interferentnog uzorka naizmjeničnih maksimuma i minimuma intenziteta (amplitude) rezultirajućeg vala. Talasi kod kojih razlika faza u tački sabiranja ostaje konstantna u vremenu, ali može varirati od tačke do tačke iu prostoru, nazivaju se koherentni. Ako se talasi susreću ʼʼu faziʼʼ, ᴛ.ᴇ. istovremeno dostižu maksimalno odstupanje u jednom pravcu, onda se međusobno pojačavaju, a ako se sretnu „u antifazi“, ᴛ.ᴇ. istovremeno dostižu suprotna odstupanja, slabe jedni druge. Koordinacija oscilacija dva talasa (koherencija) dva talasa u slučaju svetlosti moguća je samo ako imaju zajedničko poreklo, što je posledica posebnosti procesa zračenja. Izuzetak su laseri čije se zračenje odlikuje visokom koherentnošću. Iz tog razloga, radi opažanja interferencije, svjetlost koja dolazi iz jednog izvora dijeli se u dvije grupe valova, ili prolazeći kroz dvije rupe (proreze) na neprozirnom ekranu, ili zbog refleksije i prelamanja na međuprostoru medija u tankim filmovima. Interferentni uzorak iz monokromatskog izvora ( λ =konst) na ekranu za zrake koji prolaze kroz dva uska, blisko raspoređena proreza, ima izgled naizmjeničnih svijetlih i tamnih pruga (Jungov eksperiment, 1801. ᴦ.). Svijetle pruge - maksimumi intenziteta se uočavaju na onim tačkama ekrana na kojima se talasi iz dva proreza susreću "u fazi", tj. njihova fazna razlika
, m =0,1,2,…,(3.10)
Ovo odgovara razlici putanje zraka, umnoženoj celog broja talasnih dužina λ
, m =0,1,2,…,(3.11)
Tamne pruge (međusobna poništavanja), ᴛ.ᴇ. minimumi intenziteta se javljaju u onim tačkama ekrana u kojima se talasi susreću "u antifazi", tj. njihova fazna razlika je
, m =0,1,2,…,(3.12)
Ovo odgovara razlici putanje zraka, višekratnoj neparnom broju polutalasa
, m =0,1,2,….(3.13)
Interferencija se uočava za različite talase. Interferencija bijele svjetlosti, koja uključuje sve valove vidljive svjetlosti u opsegu talasnih dužina 
mikroni se mogu pojaviti u obliku tankih slojeva benzina u duginim bojama na površini vode, mjehurića sapuna i oksidnih filmova na površini metala. Uslovi za maksimum interferencije u različitim tačkama filma su zadovoljeni za različite talase sa različite dužine talasa, što dovodi do jačih talasa različite boje. Uslovi interferencije određeni su talasnom dužinom, koja je za vidljivu svetlost delić mikrona (1 μm = 10 -6 m), stoga je ovaj fenomen osnova raznih preciznih („ultra preciznih“) metoda istraživanja, kontrola i mjerenje. Upotreba interferencije zasniva se na upotrebi interferometara, interferentnih spektroskopa, kao i metode holografije. Interferencija svjetlosti se koristi za mjerenje valne dužine zračenja, proučavanje fine strukture spektralnih linija, određivanje gustoće, indeksa prelamanja tvari i debljine tankih premaza.
Difrakcija– skup pojava koje nastaju kada se talas širi u sredini sa izraženom heterogenošću svojstava. Ovo se opaža kada valovi prolaze kroz rupu na ekranu, blizu granice neprozirnih objekata itd. Difrakcija rezultira savijanjem talasa oko prepreke čije su dimenzije srazmerne talasnoj dužini. Ako je veličina prepreke mnogo veća od valne dužine, tada je difrakcija slaba. Na makroskopskim preprekama uočava se difrakcija zvuka, seizmičkih valova i radio valova, za koje 1 cm km. Vrijedi reći da za promatranje difrakcije svjetlosti prepreke moraju biti znatno manje veličine. Difrakcija zvučnih talasa objašnjava sposobnost da se čuje glas osobe koja se nalazi iza ugla kuće. Difrakcija radio talasa oko Zemljine površine objašnjava prijem radio signala u opsegu dugih i srednjih radio talasa daleko izvan vidnog polja antene koja emituje.
Difrakciju valova prati njihova interferencija, što dovodi do formiranja difrakcionog uzorka, naizmjeničnih maksimuma i minimuma intenziteta. Kada svjetlost prođe kroz difrakcijsku rešetku, koja je skup naizmjeničnih paralelnih prozirnih i neprozirnih pruga (do 1000 po 1 mm), na ekranu se pojavljuje difrakcijski uzorak čiji položaj maksimuma ovisi o valnoj dužini zračenja. . Ovo omogućava upotrebu difrakcione rešetke za analizu spektralnog sastava zračenja. Struktura kristalne supstance je slična trodimenzionalnoj difrakciona rešetka. Posmatranje difrakcionog uzorka tokom prolaska rendgenskog zračenja, snopa elektrona ili neurona, kroz kristale u kojima su čestice materije (atomi, joni, molekuli) raspoređene na uredan način omogućava proučavanje karakteristika njihove strukture . Karakteristična vrijednost za međuatomske udaljenosti je d~10 -10 m, što odgovara valnim dužinama korištenog zračenja i čini ih nezamjenjivim za kristalografsku analizu.
Difrakcija svjetlosti određuje granicu rezolucije optičkih instrumenata (teleskopa, mikroskopa itd.). Rezolucija - minimalna udaljenost između dva objekta, u kojima se vide odvojeno, ne spajaju se - razriješeni su. Zbog difrakcije, slika točkastog izvora (na primjer, zvijezda u teleskopu) se pojavljuje kao krug, tako da se obližnji objekti ne razlučuju. Rezolucija zavisi od brojnih parametara, uključujući talasnu dužinu: što je talasna dužina kraća, to je rezolucija bolja. Iz tog razloga, veličina objekta posmatranog u optičkom mikroskopu ograničena je talasnom dužinom svetlosti (približno 0,5 µm).
Fenomen interferencije i difrakcije svjetlosti je u osnovi principa snimanja i reprodukcije slika u holografiji. Metoda koju je 1948. predložio D. Gabor (1900. – 1979.) bilježi interferencijski obrazac dobiven osvjetljavanjem objekta i fotografske ploče koherentnim zracima. Rezultirajući hologram se sastoji od naizmjeničnih svjetlosnih i tamnih mrlja koje nemaju sličnosti s objektom; međutim, difrakcija od holograma svjetlosnih valova identičnih onima koji su korišteni u njegovom snimanju omogućava rekonstrukciju vala raspršenog stvarnim objektom i dobijanje njegova tri -dimenzionalna slika.
Polarizacija– pojava karakteristična samo za poprečne talase. Poprečna priroda svjetlosnih valova (kao i svih drugih elektromagnetnih valova) izražava se u činjenici da su vektori jakosti polja električne () i magnetske indukcije () koji osciliraju u njima okomiti na smjer širenja vala. Istovremeno, ovi vektori su međusobno okomiti, a samim tim i za puni opis stanje polarizacije svjetlosti zahtijeva poznavanje ponašanja samo jednog od njih. Utjecaj svjetlosti na uređaje za snimanje je određen vektorom napona električno polje, koji se naziva vektor svetlosti.
Svetlosni talasi koje emituje prirodni izvor zračenja ᴛ.ᴇ. mnogi nezavisni atomi, nisu polarizovani, jer smjer oscilacija vektora svjetlosti () u prirodnom snopu će se kontinuirano i nasumično mijenjati, ostajući okomito na vektor brzina talasa.
Svjetlost u kojoj smjer svjetlosnog vektora ostaje nepromijenjen obično se naziva linearno polariziranom. Polarizacija je uređenje vektorskih oscilacija. Primjer je harmonijski val. Za polarizaciju svjetlosti koriste se uređaji koji se nazivaju polarizatori, čije se djelovanje temelji na osobitostima procesa refleksije i prelamanja svjetlosti, kao i na anizotropiji optičkih svojstava tvari u kristalnom stanju. Vektor svjetlosti u snopu koji prolazi kroz polarizator oscilira u ravni koja se naziva ravan polarizatora. Kada polarizirana svjetlost prođe kroz drugi polarizator, ispostavlja se da se intenzitet prepuštenog snopa mijenja kako se polarizator rotira. Svetlost prolazi kroz uređaj bez apsorpcije ako se njena polarizacija poklapa sa ravninom drugog polarizatora i potpuno je odložena kada se kristal rotira za 90 stepeni, kada je ravnina oscilovanja polarizovane svetlosti okomita na ravan drugog polarizatora .
Polarizacija svjetlosti našla je široku primjenu u raznim industrijama naučno istraživanje i tehnologije. koristi se u mikroskopskim studijama, u procesima snimanja zvuka, optičkoj lokaciji, brzom snimanju i fotografiji, u Prehrambena industrija(saharimetrija) itd.
Disperzija- zavisnost brzine prostiranja talasa od njihove frekvencije (talasne dužine). Kada se elektromagnetski talasi šire u mediju, -
Varijanca je određena fizička svojstva medijum u kome se talasi šire. Na primjer, u vakuumu elektromagnetnih talasašire se bez disperzije, ali u materijalnom mediju, čak i u tako razrijeđenoj sredini kao što je Zemljina jonosfera, dolazi do disperzije. Zvučni i ultrazvučni talasi takođe pokazuju disperziju. Kada se šire u mediju, harmonijski valovi različitih frekvencija na koje se signal mora razložiti šire se različitim brzinama, što dovodi do izobličenja oblika signala. Disperzija svjetlosti je ovisnost indeksa prelamanja tvari o frekvenciji (valnoj dužini) svjetlosti. Kada se brzina svjetlosti mijenja na osnovu frekvencije (talasne dužine), mijenja se indeks prelamanja. Kao rezultat disperzije, bijela svjetlost, koja se sastoji od mnogih valova različitih frekvencija, prilikom prolaska kroz prozirnu trokutastu prizmu, razlaže se i formira se kontinuirani (kontinuirani) spektar.
Objavljeno na ref.rf
Proučavanje ovog spektra dovelo je I. Newtona (1672) do otkrića svjetlosne disperzije. Za supstance koje su prozirne u datom području spektra, indeks prelamanja raste sa povećanjem frekvencije (smanjenjem talasne dužine), što odgovara distribuciji boja u spektru. Najviši indikator refrakcija je za ljubičastu svjetlost (=0,38 µm), najmanja za crvenu svjetlost (=0,76 µm). Slična pojava se uočava u prirodi prilikom širenja sunčeve svjetlosti u atmosferi i njenog prelamanja u česticama vode (ljeto) i leda (zima). Ovo stvara dugu ili solarni oreol.
Doplerov efekat. Doplerov efekat je promena frekvencije ili dužine talasa koje opaža posmatrač (prijemnik) usled pomeranja izvora talasa i posmatrača jedan u odnosu na drugog. Brzina talasa u je određen svojstvima medija i ne mijenja se kada se izvor ili posmatrač pomjeraju. Ako se posmatrač ili izvor talasa kreće brzinom u odnosu na medij, onda je frekvencija v primljeni talasi postaju drugačiji. Istovremeno, kako je ustanovio K. Dopler (1803 – 1853), kada se posmatrač približi izvoru, frekvencija talasa raste, a kada se udaljava, opada. Ovo odgovara smanjenju talasne dužine λ kada se izvor i posmatrač približe i povećaju λ kada se uklone jedno od drugog. Za zvučne talase, Doplerov efekat se manifestuje povećanjem visine zvuka kada se izvor zvuka i posmatrač približe (u 1 sec posmatrač opaža veći broj talasa) i odgovarajuće smanjenje tona zvuka kada se udaljavaju. Doplerov efekat takođe uzrokuje „crveni pomak“, koji je gore opisan. - snižavanje frekvencija elektromagnetnog zračenja iz izvora koji se kreće. Ovo ime je zbog činjenice da su u vidljivom dijelu spektra, kao rezultat Doplerovog efekta, linije pomjerene prema crvenom kraju; “Crveni pomak” se također opaža u emisijama bilo koje druge frekvencije, na primjer u radio opsegu. Suprotan efekat, povezan sa povećanjem frekvencija, obično se naziva plavi (ili ljubičasti) pomak. U astrofizici se razmatraju dva "crvena pomaka" - kosmološki i gravitacijski. Kosmološki (metagalaktički) se naziva "crveni pomak" koji se opaža za sve udaljene izvore (galaksije, kvazare) - smanjenje frekvencija zračenja, što ukazuje na udaljenost ovih izvora jedan od drugog i, posebno, od naše galaksije, tj. nestacionarnost (ekspanzija) Metagalaksije. “Crveni pomak” za galaksije otkrio je američki astronom W. Slipher 1912-14; 1929. E. Hubble je otkrio da je za udaljene galaksije veća nego za obližnje i da raste otprilike proporcionalno udaljenosti. To je omogućilo identifikaciju zakona međusobne udaljenosti (rasipanja) galaksija. Hubbleov zakon u ovom slučaju je napisan u obliku
u = Hr; (3.14)
(u je brzina kojom se galaksija udaljava, r- udaljenost do njega, N - Hubble konstanta). Određivanjem brzine kojom se galaksija udaljava od crvenog pomaka, može se izračunati udaljenost do nje. Da biste odredili udaljenosti do ekstragalaktičkih objekata pomoću ove formule, morate znati numeričku vrijednost Hubble konstante N. Poznavanje ove konstante je takođe veoma važno za kosmologiju: određivanje "starosti" Univerzuma je povezano sa njom. Početkom sedamdesetih godina dvadesetog veka usvojena je vrednost Hablove konstante N =(3 – 5)*10 -18 s -1 , recipročan T = 1/H = 18 milijardi godina. Gravitacijski “crveni pomak” posljedica je usporavanja brzine i uzrokovan je gravitacijskim poljem (efekat opšta teorija relativnost). Ovaj fenomen se naziva i Einsteinov efekat ili generalizovani Doplerov efekat. Uočava se od 1919. godine, prvo u zračenju Sunca, a potom i sa nekih drugih zvijezda. U nekim slučajevima (na primjer, tokom gravitacionog kolapsa), treba uočiti „crveni pomak“ oba tipa.
Talas je oscilacija koja se širi u prostoru tokom vremena. Talasi nastaju uglavnom zbog elastičnih sila.
Osobine talasnih pojava
Glavno svojstvo talasa je da se talas širi bez prenošenja materije. Na primjer, ako mali list sa drveta leži na površini vode. Hajde da bacimo kamen u vodu. Talasi će se početi širiti iz kamena u svim smjerovima.
U isto vrijeme, kada dođu do lista, neće ga prisiliti da se kreće prema valu. List će ostati na svom mjestu, ali će istovremeno vršiti oscilatorne pokrete gore-dolje. Odnosno, samo će se oblik vode promijeniti, ali neće doći do protoka.
Jedna od najvažnijih karakteristika vode je brzina njegovog širenja. Brzina širenja bilo kog talasa je uvek konačna. Brzina talasa na površini vode je relativno mala, pa ih je vrlo lako uočiti.
Wave Propagation
Još jedan primjer niske brzine širenja talasa su talasi generisani u gumenom kablu. Na primjer, ako pričvrstite jedan kraj, a drugi povučete i povučete. Talas će teći duž užeta. Što više vučemo konopac, to će talas biti jači. Kada dođe do fiksnog kraja, odrazit će se i pobjeći natrag.
Treba napomenuti da u ovom eksperimentu, kada se talas širi duž kabla, svaka tačka kabla oscilira u pravcu okomitom na smer širenja talasa. Takvi talasi se nazivaju poprečnim talasima.
Sljedeća slika je shematski prikazana poprečno talas. Za njega su naznačeni smjer širenja i smjer vibracije tvari.
slika
Ali čestice medija također mogu oscilirati duž smjera širenja valova. Takvi talasi se nazivaju uzdužni. Sljedeća slika prikazuje šematski prikaz longitudinalnog vala. Za njega su naznačeni smjer širenja i smjer vibracije tvari.
slika
U poprečnim valovima dolazi do posmične deformacije i u uzdužna deformacija kompresija. Smična deformacija - slojevi tvari se pomiču jedan u odnosu na drugi. Kompresijska deformacija - dijelovi tvari su komprimirani jedan prema drugom.
Vrijedi napomenuti da se poprečni valovi mogu širiti samo u čvrstim tvarima. Pošto se slojevi tečnosti pomeraju, ne nastaju elastične sile koje će težiti da tečnost vrate u prvobitni položaj. Uzdužni talasi se mogu širiti kako u tečnim supstancama i gasovima, tako iu čvrstim materijama. Budući da je tlačna deformacija svojstvena svim ovim stanjima tijela.
Kada se talas širi, kretanje se prenosi sa jedne čestice na drugu. Glavno svojstvo svih valova je prijenos energije bez prijenosa materije.
Akustični i elektromagnetski talasi koji se šire u različitim medijima i uređajima podležu istim talasnim zakonima. To su fenomeni pobuđivanja talasa određenim izvorima, refleksije i prelamanja talasa na granici između medija, rasejanja nehomogenostima, refrakcije (zakrivljenosti putanje prostiranja talasa), apsorpcije energije, interferencije.
Širenje talasa bilo koje prirode lako je razumeti i objasniti ako se okrenemo Huygensovom principu: svaka tačka medija uključena u talasno kretanje postaje izvor novog talasa, koji se naziva elementarni talas. Uočeni talasni front rezultat je sabiranja mnogih elementarnih talasa (slika 1.1). Huygensov princip vrijedi za sve vrste valova, uključujući akustične i elektromagnetne.
Rice. 1.1. Položaj fronta talasa u različitim vremenima,
određena na osnovu Hajgensovog principa
Smjer širenja vala obično se naziva zrakom. Front talasa je okomit na snop. Za cilindrične i sferne talase koji se šire iz izvora pobude, zraci su usmereni radijalno, a frontovi talasa su cilindri ili kugle (slika 1.2. A). U slučaju ravnog ili udaljenog izvora, javljaju se ravni talasi. U njima su zraci paralelni, a frontovi talasa ravni (slika 1.2.). b).
Ako na putu širenja talasa postoji granica sa medijumom čija se svojstva razlikuju od svojstava medija za širenje, efekat delimične ili potpune refleksije, kao i delimičnog (au nekim slučajevima i potpunog) prenošenja u drugi medij je posmatrano. Pošto je front talasa okomit na pravac prostiranja talasa u homogenoj sredini, jednakost uglova upada i refleksije talasa se dokazuje jednostavnim geometrijskim konstrukcijama (slika 1.3). Međutim, za razliku od elektromagnetnih valova, kod akustičnih valova u nekim slučajevima se može uočiti efekat cijepanja valova i pojava reflektiranog valnog snopa pod drugim kutom (vidjeti predavanje 15).
Smjer prostiranja prelomljenih valova ovisi o omjeru brzine prostiranja talasa u prvom i drugom mediju (slika 1.4). Analizu ponašanja talasa na granici između medija lako je izvesti na osnovu primene Hajgensovog principa i razmatranja elementarnih talasa koji se pobuđuju na interfejsu.
Rice. 1.2. Talasni frontovi i zraci:
A– u talasu koji se širi radijalno; b– u ravnom talasu
Rice. 1.3. Refleksija ravnog talasa na interfejsu
Ako se svojstva medija koja utiču na brzinu širenja talasa promijene, onda se može uočiti pojava kao što je refrakcija. Refrakcija naziva se zakrivljenost putanje širenja talasa u nehomogenom mediju.
Rice. 1.4. Refrakcija ravnog talasa na granici
Ako se na putu širenja vala naiđe bilo koje tijelo, to dovodi do narušavanja strukture polja. Na primjer, primjećuje se efekat savijanja valova oko prepreke. U fizici se ovaj fenomen naziva difrakcija. Rezultirajući obrazac polja značajno zavisi od omjera veličine prepreka i valne dužine. Na sl. Na slici 1.5 prikazano je kako se mijenja struktura polja ravnog talasa, koji „curi“ kroz malu rupu. U nekim slučajevima, analiza difraktiranog polja može se ponovo izvesti na osnovu razmatranja elementarnih talasa i Hajgensovog principa.
Sl.1.5. Difrakcija ravnog talasa na maloj rupi
Pojava dodatnih akustičnih ili elektromagnetnih polja kao rezultat difrakcije odgovarajućih valova na preprekama postavljenim u mediju, na nehomogenostima medija, kao i na neravnim i nehomogenim granicama medija naziva se rasipanje talasi Tokom rasejanja, rezultujuće polje se može predstaviti kao zbir primarnog talasa koji je postojao u odsustvu prepreka i rasejanog (sekundarnog) talasa koji je rezultat interakcije primarnog talasa sa preprekama. Ako postoji mnogo prepreka, onda se ukupni obrazac polja formira zbrajanjem više puta i više puta raspršenih valova.
Drugi važan koncept koji se koristi u teoriji talasnih procesa je interferencija talasa. Interferencija talasi je dodavanje u prostor dva ili više talasa, u kojima je u različitim tačkama u prostoru amplituda rezultujućeg talasa ojačana ili oslabljena. Interferencija se opaža u valovima bilo koje prirode, uključujući akustične i elektromagnetne.
Rice. 1.6. Interferencijski obrazac sabiranja talasa iz dva izvora