..:: FIZYKA ::..

Drgania i fale

Część VI
Dyfrakcja i interferencja

Wprowadzenie

Na podstawie wcześniejszego opracowania możemy powiedzieć, że fala mechaniczna jest rozchodzącym się zaburzeniem w pewnym ośrodku sprężystym. Zaburzenie to jest drganiem cząsteczek ośrodka wokół swego położenia równowagi ale odpowiednio skorelowanym z sąsiadami. Pomimo, że cząsteczki nie zmieniają swego średniego położenia, zaburzenie przemieszcza się w ośrodku sprężystym (np. dźwięk w powietrzu, fala na wodzie).

W przypadku wody mamy ciekawe złożenie fali podłużnej z poprzeczną. Jest to związane z tym, że cząsteczki wody wykonują ruchy koliste wokół położenia równowagi, gdy na jej powierzchni widzimy zaburzenia w postaci zmarszczek. Znaczy to tyle: cząsteczki wody drgają zarówno w kierunku poziomym jak pionowym w stosunku do kierunku przemieszczania fali.

Zanim przejdziemy do jakościowego opisu dwóch zjawisk ewidentnie związanych z falami, czyli dyfrakcji i interferencji, przyjrzymy się z jakimi typami fal możemy mieć do czynienia biorąc pod uwagę kształt powierzchni falowej, lub czoła fali – o których też więcej poniżej.

Fala kolista i płaska

Poniższy rysunek przedstawia dwie sytuacje, gdzie fala rozchodzi się na powierzchni wody. Naszym ośrodkiem, w którym przemieszcza się zaburzenie jest woda. Zaburzenie wywołane jest przez odpowiedni ruch drgających cząsteczek.

Dyfrakcja i interferencja

Przede wszystkim zauważamy dwa różnego rodzaju kształty.

W pierwszym przypadku w powierzchnię wody z określoną częstotliwością uderza szpic. Zaraz po pierwszym uderzeniu powstaje okrąg, po drugim uderzeniu pierwszy okrąg zdążył się przesunąć na zewnątrz a w jego miejsce następuje drugi i tak dalej. W miarę upływu czasu pierwszy okrąg oddala się od centrum. Ten najdalej wysunięty fragment fali o takim samym wychyleniu cząsteczek (mówimy - fazie drgań) nazywamy czołem fali.

Widzimy też, że przestrzeń między pobudzającym centrum a czołem fali jest wypełniona zaburzeniem w kształcie okręgów, gdzie każdy następny jest oddalony o długość fali wzór. Dokładniej mówiąc o długość fali są oddalone sąsiednie obszary będące w tej samej fazie drgań. Takie obszary nazywamy powierzchniami falowymi.

Fala kolista
Falę, która rozchodzi się na płaskiej powierzchni tak sposób, że kolejne powierzchnie falowe są okręgami nazywa się fala kolistą.

Nieco inną sytuację mamy przedstawioną na sąsiedniej ilustracji. Tu też fala podąża w określonym kierunku. Może być ona wywołana przez zanurzoną w wodzie, drgającą z określoną częstotliwością listwę. Powierzchnię falową, która dotarła najdalej nazywamy czołem fali. Tym razem ma kształt rozłożony wzdłuż linii prostej. Pomiędzy czołem fali a miejscem generującym falę widzimy kolejne powierzchnie falowe odpowiadające tej samej fazie drgań cząsteczek wody.

Fala płaska
Falę, która rozchodzi się na płaskiej powierzchni w taki sposób, że kolejne powierzchnie falowe są rozłożone wzdłuż prostych nazywa się fala płaską.

Warto pomyśleć jaki kształt by miała fala KULISTA?

Dyfrakcja fali

Dyfrakcja fali jest niczym innym jak jej ugięciem na przegrodzie. Mechanizm takiego zachowania można łatwo wytłumaczyć w oparciu o zasadę Huygensa:

Zgodnie z nią, każdy punkt ośrodka do którego dotarło czoło fali staje się źródłem nowej fali kulistej. Nazywamy je falami cząstkowymi. Nakładają się one na siebie a powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni falowych fal cząstkowych staje się jej nowym czołem.

Dobrze tą zasadę ilustruje poniższy rysunek.

Dyfrakcja i interferencja

Na dwóch kolejnych ilustracjach przedstawiliśmy ugięcie fali na przegrodzie oraz przejście fali przez szczelinę (czyli ugięcie na dolnej i górnej przegrodzie). Opisu dokonamy dla zaburzeń rozchodzących się na powierzchni płaskiej, np. na powierzchni wody w wanience.

Dyfrakcja i interferencja

W oparciu o zasadę Huygensa łatwo możemy zrozumieć dlaczego fala płaska po trafieniu na przegrodę ulega ugięciu. Tam gdzie nie ma ośrodka sprężystego (jest przegroda) nie ma cząsteczek, które by mogły wykonywać drgania. W miejscu przegrody nie istnieją źródła fal cząstkowych, więc powierzchnia styczna do nich zakrzywia się zgodnie z kształtem powierzchni falowej powstałej przez ostatni drgający punkt tuż przy przegrodzie.

W przypadku szczeliny źródłem nowej fali jest punkt mieszczący się między przegrodami, więc kształt pierwszej pierwszej powierzchni będzie w kształcie koła, a w konsekwencji kolejnych też.

Interferencja fali

Interferencja fali jest niczym innym jak nałożeniem (zsumowaniem) dwóch lub większej ilości fal, które wzajemnie się nałożyły.

W każdym ośrodku sprężystym mogą przecież poruszać się fale w różnych kierunkach. Jeśli kilka z nich dotrze do określonego punktu ośrodka sprężystego, będą go chciały wychylić każda w swoją stronę. Efektem będzie zsumowane wychylenie.

Za chwilę prześledzimy co może powstać w wyniku nałożenia się na siebie fal spójnych.

Należy się tu odrobina wyjaśnienia. Poczynimy ją w oparciu o poniższy rysunek. Jak widzimy dwie szczeliny, do których dociera fala płaska stają się źródłami nowych fal. Fale te podobnie jak fala płaska mają jednakową fazę drgań, inaczej nie ma między nimi przesunięcia fazowego a jeśli w jakimś kierunku to przesunięcie istnieje wówczas jest ono zachowane w czasie. Takie fale nazywamy spójnymi. Dodatkowo fale wychodzące z obu źródeł mają jednakową amplitudę.

Uraszaczając możemy też powiedzieć, że jednakową fazę drgań mają te miejsca fali w których cząsteczki ośrodka są statystycznie wychylone w taki sam sposób.

Dyfrakcja i interferencja

Efekt ukazany na rysunku sugeruje, że w wyniku nakładania się fal spójnych wychodzących ze szczelin wzór i wzór uzyskujemy w wybranych kierunkach ich wzmocnienie (dodają się fale o zgodnych fazach drgań) lub w odpowiednio innych kierunkach całkowite wygaszenie (dodanie fal o przeciwnych fazach).

Taki efekt wzmacniania i wygaszania fal, które w wyniku ich dyfrakcji (ugięcia) nakładają się na siebie nazywamy interferencją.

Dyfrakcja i interferencja   „KĄT” Fizyka

Poniższa symulacja może być pomocna w zrozumieniu zjawiska interferencji czyli wzajemnego sumowania fal spójnych:
   »»»   
Interferencja dwóch fal kolistych lub kulistych

Koniec części VI



..:: Drgania i fale :: Spis treści ::..    ..:: Spis treści :: Drgania i fale ::..

      »»»    Ruch drgający Część I
      »»»    Ruch harmoniczny, przemiany energii Część II
      »»»    Izochronizm drgań wahadła Część III
      »»»    Rezonans mechaniczny Część IV
      »»»    Wielkości opisujące falę Część V
      »»»    Dyfrakcja i interferencja Część VI
      »»»    Zjawisko Dopplera Część VI

Jeśli masz jakieś uwagi, pytania odnośnie tego działu skorzystaj z
forum fizyka

GÓRA         SZKOŁA         

©2007-2016 Licencja Creative Commons