Дифракция на акустических волнах — справочник студента

Сегодня в статье мы рассмотрим как происходит изменение звуковой волны при взаимодействии с отражающей поверхностью. Разберёмся в таких понятиях как рефракция, дифракция, рассеяние.

Отражение звуковых волн

Когда звуковая волна достигает какой-то границы в пределах среды (например, падает на стену помещения или переходит их воздуха в воду и т. п.), происходит отражение звуковой энергии. При этом угол падения волны равен углу отражения, а некоторая часть энергии теряется на поглощение, часть проходит через границу в другую среду.

Величину коэффициента поглощения материалов можно посмотреть в различных справочниках. При этом необходимо понимать, что величина коэффициента поглощения зависит от частоты. С повышением частоты она увеличивается.

Отраженные от стен помещения и других предметов звуковые волны определяют акустику концертных залов, студий и других помещений для прослушивания.

Изменяя соотношения различных коэффициент поглощения, материалов, можно влиять на структуру отраженных волн и влиять на качество звучания музыки и речи в помещении.

Когда отражения происходят от негладких (с шероховатостью) поверхностей, отраженные волны распространяются в различных направлениях. («Угол падения равен углу отражения»). В итоге в помещение создается диффузное рассеянное звуковое поле, что положительно влияет на качество звучания в зале.

Также отражение волн зависит и от формы отражающей поверхности. Если, например, она в виде вогнутой, выпуклой чаши, то можно концентрировать или наоборот, рассеивать звук в определенной точке или направлении.

Интересный эффект достигается при падении сферической волны на отражающую плоскую поверхность. Образуется сферическая волна с центром, находящимся как бы за барьером. Её называют «мнимым источником» (метод «мнимых источников» применяют при расчетах звукового поле в архитектурной акустике).

РЕФРАКЦИЯ (ПРЕЛОМЛЕНИЕ)

Изменение направления распространения волны при переходе из одной среды в другую называют рефракция.

Выше мы уже говорили, что часть звуковой волны отражается, часть энергии теряется на поглощение, а часть проходит через границу в другую среду. Если эта среда (в которую проходит волна) имеет другие физические свойства, например, температуру, плотность и др., то скорость звука в ней меняется, а звуковая волна из-за этого меняет направление своего распространения.

Рефракция происходит и при распространении в одной и той же среде (к примеру, в атмосфере). Ведь физические свойства её тоже постепенно меняются.

Поэтому скорость звуковой волны в более холодных слоях становиться меньше, а направление распространения волны изменяется вниз.

ДИФРАКЦИЯ

Звуковые волны могут огибать встретившиеся на их пути препятствия и проникать в область за ними. Вот эта способность к огибанию препятствий и называется дифракцией. Именно поэтому звук можно услышать не только в пределах прямой видимости источника.

Зависит дифракция от соотношения длины волны (частоты) и размера препятствия.

Если длина волны больше размера препятствия, то звуковая волна огибает его и проходит дальше, почти не меняя своей структуры и интенсивности. Это относится и к прохождению через отверстия. Она просто становиться источником сферической волны.

Если длина сопоставима с размерами препятствия, то она огибает его частично. Звук становится меньше, появляются «акустические тени». При прохождении через отверстие звуковая волна начинает концентрироваться вперед, а края её становятся «размытыми».

Если длина волны меньше размера препятствия, то она отражается от него, а за препятствием образуется «акустическая тень». Через отверстие проходит только маленький узкий пучок. Когда вы, например, слушаете за колонной или балконом тембр звука, то он меняется. Так как низко- и среднечастотные составляющие огибают препятствие, а высокочастотные — нет.

Современная пространственная стереофония учитывает это явление. Ведь разные частоты огибают голову и ушные раковины по-разному.

Низкочастотные звуки проходят не меняя интенсивности, среднечастотные и высокочастотные образуют акустическую тень (из-за дифракции).

В связи с этим интенсивность звука и тембр меняются в зависимости от расположения источника по отношению к голове, что влияет на его локализацию в пространстве.

РАССЕЯНИЕ

В то время, как часть звуковой волны огибает препятствие, часть отражается от него. Вот это и есть рассеяние звуковой волны.

Процессы дифракции и рассеяния могут сильно искажать структуру звукового поля вокруг микрофона и изменять его чувствительность.

Спасибо, что читаете New Style Sound. Подписывайтесь (RSS-лента) и делитесь статьями с друзьями.

А в следующей части мы поговорим об интерференции звуковых волн, принципе суперпозиции, про стоячие волны, биения, а также про эффект Доплера.

Источник: https://nssound.ru/o-zvuke-i-zvukovykh-signalakh/otrazhenie-zvukovyh-voln-refrakciya-difrakciya-rasseyanie/

Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля

Определение 1

Дифракция света – это явление отклонения света от прямолинейного направления его распространения во время прохождения рядом с препятствиями.

Из опыта видно, что определенные условия влияют на захождение геометрической тени на область.

Когда на пути встречается препятствие в виде диска, шарика или круглого отверстия, тогда экран, расположенный на большом расстоянии, покажет дифракционную картину, то есть систему чередующихся светлых и темных колец. При отверстии линейного характера (щели или нити) экран показывает параллельные дифракционные полосы.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Существование дифракционных явлений было задолго до времен Ньютона. Объяснение, основанное на корпускулярной теории, не давало должных результатов.

Одним из первых объяснений явления дифракции, основанное на волновых представлениях, было дано Т. Юнгом. Еще в 1818 году была известна и развита количественная теория дифракционных явлений О. Френеля.

Принцип Гюйгенса был заложен в основу. Он только дополнил при помощи идеи об интерференции вторичных волн.

Это и есть принцип геометрической оптики.

Впоследствии гипотеза Гюйгенса об огибающих вторичных волнах были заменены Френелем с помощью физически ясного положения, тогда вторичные волны в точке наблюдения интерферировали друг с другом.

Принципом Гюйгенса-Френеля считалась гипотеза, которая была со временем подтверждена. При решении задач, где необходимо использовать данный принцип, получение результата достаточно точное. На иллюстрации изображен принцип Гюйгенса-Френеля.

Рисунок 3.8.1 Принцип Гюйгенса-Френеля. ∆S1 и ∆S2 – элементы волнового фронта, n1→ и n2→ — заданные нормали.

Предположим, что поверхность S – положение волнового фронта в некоторый момент. Из теории волн известно, что он является поверхностью, где в заданных точках происходит колебание с одинаковым значением фазы.

Волновыми фронтами плоской волны считают семейством параллельных плоскостей, которые перпендикулярно направлены относительно распространения волны.

Волновые фронты сферической волны, которые испускаются при помощи точечного источника, относят к концентрическим сферам.

Для определения колебания в заданной точке P, которое вызвано волной, используя принцип Френеля, находят колебания, которые вызваны в этой точке с помощью отдельных вторичных волн, которые приходят от элементов поверхности S (∆S1, ∆S2 и так далее). Далее следует произвести сложение колебаний, учитывая амплитуды и фазы. Элементы, загороженные препятствиями, не учитываются при решении.

Для примера ниже приведена дифракционная задача прохождения плоской монохроматической волны, которая исходит от удаленного источника через отверстие с радиусом R непрозрачного экрана.

Рисунок 3.8.2 Дифракция плоской волны на экране, содержащем круглое отверстие.

Р – точка наблюдения, находящаяся на оси симметрии, располагаемого на L расстоянии относительно экрана.

По принципу Гюйгенса-Френеля распределить на волновой поверхности вторичные источники, совпадающие с плоскостью отверстия, где волны достигают точки Р.

Интерференция волн в этой точке является причиной возникновения результирующего колебания, квадрат амплитуды которого определяется при наличии значений длин волн λ, амплитуды A0 падающей волны и расположением элементов.

Чтобы расчеты были облегченными, волновая поверхность падающей волны разбивается на кольцевые зоны, называемыми зонами Френеля, исходя из правила: расстояния от границ соседних зон к точке Р имеют отличие на половину волны.

Иначе говоря, r1=L+λ2, r2=L+2λ2, r3=L+3λ2…

При рассмотрении волновой поверхности исходя из точки Р, тогда получим, что границы зон Френеля будут иметь вид концентрических окружностей. Наглядно это изображено на рисунке.

Рисунок 3.8.3 Границы зон Френеля в плоскости отверстия.

По рисунку 3.8.2 определяем радиусы ρmзон по формуле: ρm=ρm2-L2=mλL+m2λ24≈mλL.

Зоны Френеля. Интерференционный максимум

Из определений раздела оптики имеем, что λA3>…>A1, где Amобозначает амплитуду колебаний, которые были вызваны при помощи m-ой зоны.

Используя приближение, видно, что амплитуда колебаний, которая вызвана определенной зоной, равняется среднему арифметическому соседних зон. Иначе это запишем как Am=Am-1+Am+12.

Отличие от двух соседних точек расстоянием λ2 говорит о том, что колебания, возбуждаемые этими зонами в состоянии противофазы. Соседние волны начинают гасить друг друга, а это приводит к тому, что суммарная амплитуда в точке запишется как:

A=A1–A2+A3–A4+…=A1–(A2–A3)–(A4–A5)–…>1 или R2>>Lλ.

Определение границы применимости геометрической оптики возможно при помощи заданного неравенства. При выполнении данного условия узкий пучок света может быть сформирован.

Определение 5

Отсюда следует вывод, что волновая оптика – это предельный случай геометрической.

Выше рассмотренный случай относится к дифракции света с удаленным источником, располагаемом на препятствиях округлой формы.

При расположении точечного источника света на конечном расстоянии сферически расходящаяся волна должна падать на препятствие. Данный случай усложняет задачу.

 Тогда построение зон Френеля необходимо выполнять на поверхности сферической формы, показанное на рисунке 3.8.4.

 Рисунок 3.8.4 Зоны Френеля на сферическом фронте волны. 

1. При расчете видно, что радиусы ρmзон Френеля на волне сферического фронта запишется, как
2. ρm=aba+bλ.
3. Выводы по теории Френеля справедливы.

Дифракция и интерференция света применима к любым волнам, так как имеется общность закономерностей. Начало XIX века – это было время, когда ученые только начинали изучать волны, а физическая природа света еще не была раскрыта.

Рисунок 3.8.5 Модель дифракции света.

Рисунок 3.8.6 Модель зоны Френеля.

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/volnovaja-optika/difraktsija-sveta/

Дифракция механических волн — Класс!ная физика

• «Физика — 11 класс»
• Нередко волна встречает на своем пути небольшие (по сравнению с длиной волны) препятствия, которые она способна огибать.
• Когда размеры препятствий малы, волны, огибая края препятствий, смыкаются за ними.
• Так, морские волны свободно огибают выступающий из воды камень, если его размеры меньше длины волны или сравнимы с ней.
• За камнем волны распространяются так, как если бы его не было совсем.

Точно так же волна от брошенного в пруд камня огибает торчащий из воды прутик. Только за препятствием большого по сравнению с длиной волны размера (наприер, большого камня) образуется «тень»: волны за него не проникают.

Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны. Вы можете слышать сигнал машины за углом дома, когда самой машины не видно.

В лесу деревья заслоняют ваших товарищей. Чтобы их не потерять или не потеряться самому, вы начинаете кричать.

Звуковые волны в отличие от света свободно огибают стволы деревьев и доносят ваш голос до товарищей. Отклонение от прямолинейного распространения волн, или огибание волнами препятствий — называется дифракцией.

Дифракция присуща любому волновому процессу, так же как и интерференция. При дифракции происходит искривление волновых поверхностей у краев препятствий.

Явление дифракции волн на поверхности воды можно наблюдать, если, например, поставить на пути волн экран с узкой щелью, размеры которой меньше длины волны.

1. В этом опыте хорошо бывает видно, что за экраном распространяется круговая волна, как если бы в отверстии экрана находилось колеблющееся тело — источник волн.
2. Согласно принципу Гюйгенса так и должно быть.
3. Вторичные источники в узкой щели располагаются столь близко друг к другу, что их можно рассматривать как один точечный источник.

• Если же размеры щели велики по сравнению с длиной волны, то картина распространения волн за экраном совершенно иная.
• Волна проходит сквозь щель, почти не меняя своей формы.
• По краям можно заметить искривления волновой поверхности, в результате чего волна частично проникает и в пространство за экраном.

Принцип Гюйгенса позволяет понять, почему происходит дифракция. Вторичные волны, испускаемые участками среды, проникают за края препятствия, расположенного на пути распространения волны.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Дифракция света» Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Оптика — Скорость света — Принцип Гюйгенса. Закон отражения света — Закон преломления света — Полное отражение — Линза — Построение изображения в линзе — Формула тонкой линзы. Увеличение линзы — Примеры решения задач.

Геометрическая оптика — Дисперсия света — Интерференция механических волн — Интерференция света — Некоторые применения интерференции — Дифракция механических волн — Дифракция света — Дифракционная решетка — Поперечность световых волн.

Поляризация света — Поперечность световых волн и электромагнитная теория света — Примеры решения задач. Волновая оптика — Краткие итоги главы

Источник: http://class-fizika.ru/11_101.html

Интерференция и дифракция волн

Интерференция – это сложение колебаний. В результате интерференции в каких-то точках пространства происходит рост амплитуды колебаний, а в других – их уменьшение.

Неизменная картина интерференции наблюдается только тогда, когда разность складываемых колебаний постоянна (они когерентны). Очевидно, что когерентными могут быть колебания одинаковой частоты.

Поэтому чаще всего изучают интерференцию монохроматических колебаний.

Дифракцией — называют явления, связанные со свойством волн огибать препятствия,т.е отклоняться от прямолинейного распространения.

На рисунке справа показано, как меняют направление звуковые волны после прохождения через отверстие в стене. Согласно принципа Гюйгенса области 1-5 становятся вторичными источниками сферических звуковых волн. Видно, что вторичные источники в областях 1 и 5 приводят к огибанию волнами препятствий.

Вопрос 30.1

Стоячие волны. Уравнение стоячей волны.

Если в среде распространяется несколько волн, то колебания частиц среды оказываются геометрической суммой колебаний, которые совершали бы частицы при распространении каждой из волн в отдельности. Волны накладываются друг на друга, не возмущая (не искажая друг друга). Это и есть принцип суперпозиции волн.

Если две волны, приходящие в какую-либо точку пространства, обладают постоянной разностью фаз, такие волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникаетявление интерференции.

Очень важный случай интерференции наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называетсястоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград.

.

(5.5.1)

Сложим уравнения и преобразуем по формуле суммы косинусов (5.4.3):

Учитывая, что , получим уравнение стоячей волны:

.

(5.5.2)

В выражении для фазы не входит координата, поэтому можно записать:

,

(5.5.3)

В точках, где координаты удовлетворяют условию (n = 1, 2, 3, …), , суммарная амплитуда равна максимальному значению: , – это пучности стоячей волны. Координаты пучностей:

.

(5.5.4)

а	б
Рис. 5.5

В точках, координаты которых удовлетворяют условию (n = 0, 1, 2,…), и суммарная амплитуда колебаний равна нулю , – этоузлы стоячей волны.Координаты узлов:

.

(5.5.5)

Точки среды, находящиеся в узлах, колебаний не совершают.

Образование стоячих волн наблюдают при интерференции бегущей и отраженных волн. На границе, где происходит отражение волны, получается пучность, если среда, от которой происходит отражение, менее плотная (рис. 5.5, а), и узел – если более плотная (рис. 5.5, б).

Если рассматривать бегущую волну, то в направлении ее распространения переносится энергия колебательного движения. В случае же стоячей волны переноса энергии нет, т.к. падающая и отраженная волны одинаковой амплитуды несут одинаковую энергию в противоположных направлениях.

Вопрос 32

Звуковые волны.

Звуковыми (или акустическими) волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16—20000 Гц.

Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука.

Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

• Интенсивностью звука (или силой звука) называется величина, определяемая средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:
• Единица интенсивности звука в СИ —ватт на метр в квадрате (Вт/м2).

Чувствительность человеческого уха различна для разных частот. Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторой минимальной интенсив­ностью, но если эта интенсивность превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение.

Таким образом, для каждой частоты колебаний существуют наименьшая(порог слышимости)и наибольшая(порог болевого ощущения)интенсивности звука, которые способны вызвать звуковое восприятие. На рис. 223 представлены зависимости порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука.

Область, расположенная между этими двумя кривыми, являетсяобластью слышимости.

Если интенсивность звука является величиной, объективно характеризующей волновой процесс, то субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты.

Согласно физиологическому закону Вебера — Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону.

На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности:

где I0 — интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10–12 Вт/м2. Величина L называетсяуровнем интенсивности звука и выражается в белах (в честь изобретателя телефона Белла). Обычно пользуются единицами, в 10 раз меньшими, — децибелами (дБ).

Реальный звук является наложением гармонических колебаний с большим набором частот, т. е. звук обладает акустическим спектром, который может быть сплошным (в некотором интервале присутствуют колебания всех частот) и линейчатым (присутству­ют колебания отделенных друг от друга определенных частот).

Звук характеризуетсяпомимо громкости еще высотой и тембром.Высота звука — качество звука, определяемое человеком субъективно на слух и зависящее от частоты звука. С ростом частоты высота звука увеличивается, т. е. звук становится «выше».

Характер акустического спектра и распределения энергии между определен­ными частотами определяет своеобразие звукового ощущения, называемоетембром звука. Так, различные певцы, берущие одну и ту же ноту, имеют различный акустичес­кий спектр, т. е.

их голоса имеют различный тембр.

Источником звука может быть всякое тело, колеблющееся в упругой среде со звуковой частотой (например, в струнных инструментах источником звука является струна, соединенная с корпусом инструмента).

Совершая колебания, тело вызывает колебания прилегающих к нему частиц среды с такой же частотой. Состояние колебательного движения последовательно передается к все более удаленным от тела частицам среды, т. е.

в среде распространяется волна с частотой колебаний, равной частоте ее источника, и с определенной скоростью, зависящей от плотности и упругих свойств среды.

Скорость распространения звуковых волн в газах вычисляется по формуле

(158.1)

где R — молярная газовая постоянная, М — молярная масса, g=Ср/СV — отношение молярных теплоемкостей газа при постоянных давлении и объеме, Т —термодинамическая температура. Из формулы (158.

1) вытекает, что скорость звука в газе не зависит от давления р газа, но возрастает с повышением температуры. Чем больше молярная масса газа, тем меньше в нем скорость звука.

Например, при T=273 К скорость звука в воздухе (M=29×10–3 кг/моль)v=331 м/с, в водороде (M=2×10–3 кг/моль) v=1260 м/с. Выражение (158.1) соответствует опытным данным.

Кроме того, любая реальная среда обладает вязкостью, поэтому наблюдается затухание звука, т. е. уменьшение его амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения.

Затухание звука обусловлено в значительной мере его поглощением в среде, связанным с необратимым переходом звуковой энергии в другие формы энергии (в основном в тепловую).

Для акустики помещений большое значение имеет реверберация звука — процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после выключения его источника. Если помещения пустые, то происходит медленное затухание звука и создается «гулкость» помещения.

Если звуки затухают быстро (при применении звукопоглоща­ющих материалов), то они воспринимаются приглушенными. Время реверберации — это время, в течение которого интенсивность звука в помещении ослабляется в миллион раз, а его уровень — на 60 дБ.

Помещение обладает хорошей акустикой, если время реверберации составляет 0,5—1,5 с.

Вопрос 32.1

Высота звука Помимо громкости звук характеризуется высотой. Высота звука определяется его частотой: чем больше частота колебаний в звуковой волне, тем выше звук. Колебаниям небольшой часто­ты соответствуют низкие звуки, колебаниям большой частоты — высокие звуки.

Так, например, шмель машет своими крылышками с меньшей частотой, чем комар: у шмеля она составляет 220 взмахов в секунду, а у комара — 500-600. Поэтому полет шмеля сопровожда­ется низким звуком (жужжанием), а полет комара — высоким (писком).

Звуковую волну определенной частоты иначе называют музыкальным тоном, поэтому о высоте звука часто говорят как о высоте тона.

Основной тон с примесью нескольких колебаний других частот образует музыкальный звук. Например, звуки скрипки и пианино могут включать до 15-20 различных колебаний. От состава каждого сложного звука зависит его тембр.

При обычной речи в мужском голосе встречаются колебания с частотой от 100 до 7000 Гц, а в женском — от 200 до 9000 Гц. Наиболее высокочастотные колебания входят в состав соглас­ного звука «с».

Характер восприятия звука во многом зависит от планировки помещения, в котором слушает­ся речь или музыка. Объясняется это тем, что в закрытых помещениях слушатель воспринимает, кроме прямого звука, еще и слитный ряд быстро следующих друг за другом повторений, вызван­ных многократными отражениями звука от находящихся в помещении предметов, стен, потолка и пола.

Вопрос 32.2

Сила звука

Сила звука (относительная) — устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. Примерно такую же ситуацию мы наблюдаем для силы света (единица — кандела) — величины, подобной силе излучения (единица — ватт на стерадиан).

Сила звука измеряется по относительной шкале от порогового значения, которому соответствует интенсивность звука 1 пВт/м² при частоте синусоидального сигнала 1 кГц извуковом давлении 20 мкПа.

Сравните это определение с определением единицы силы света: «кандела равна силе света, испускаемого в заданном направлении монохроматическим источником, при частоте излучения 540 ТГц и силе излучения в этом направлении 1/683 Вт/ср».

В настоящее время термин «сила звука» вытеснен термином «уровень громкости звука»

Вопрос 32.3



Источник: https://infopedia.su/9x691b.html

11 класс

• Физика
• Пройдите тест по явлению ЭМИ!
• Пройдите тест по природе света!

Электродинамика       

             Магнитное поле

                        Взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция. Вихревое поле

                        Сила Ампера. Электроизмерительные приборы. Громкоговоритель. Сила Лоренца

                        Электромагнитная индукция. Открытие ЭМИ. Магнитный поток

                        Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля

1.                         Магнитные свойства вещества
2.                          Уравнения Максвелла*
3.              Механические колебания
4.                         Свободные и вынужденные колебания. Условия возникновения колебаний
5.                         Динамика колебательного движения. Энергия колебательного движения

                        Сложение гармонических колебаний. Резонанс. Автоколебания

•              Электромагнитные колебания
•                         Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур
•                         Переменный электрический ток. Активное, ёмкостное, индуктивное сопротивление в цепи переменного тока
•                         Электрический резонанс. Мощность в цепи с активным сопротивлением

                        Генерирование электрической энергии. Трансформаторы. Производство, передача и использование электрической энергии

             Механические волны

                        Механические волны.  Длина волны. Скорость волны. Свойства волн

                        Звуковые волны. Звук. Эффект Допплера

             Электромагнитные волны

                        Электромагнитные волны. Экспериментальное обнаружение и свойства электромагнитных волн

                        Распространение радиоволн. Радиолокация. Телевидение. Развитие средств связи

1. Оптика           
2.              Геометрическая оптика
3.                         Развитие взглядов на природу света
4.                         Основные понятия геометрической оптики. Фотометрия

                        Принцип Гюйгенса и Ферма. Закон отражения. Закон преломления света. Полное отражение

•                          Плоское зеркало. Сферическое зеркало
•                                                                     Задачи на сферическое зеркало
•              Линза 
•                         Линза. Формула тонкой линзы
•                         Построение изображений, даваемой линзой
•                         Оптические приборы
•              Волновая оптика
•                         Скорость света
•                         Дисперсия света. Интерференция света
•                         Дифракция света. Дифракционная решётка
•                         Поляризация света
• Основы теории относительности  
•                         Законы электродинамики и принцип относительности
•                         Постулаты теории относительности. Релятивисткой закон сложения скоростей
•                         Зависимость массы тела от скорости его движения. Связь между массой и энергией
• Основы квантовой физики
•              Излучения и спектры
•                         Виды излучений. Источники света
•                         Спектры и спектральный анализ
•                         Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение
•                         Шкала электромагнитных излучений
•              Световые кванты
•                         Физические истоки квантовой теории
•                         Теория фотоэффекта. Применение фотоэффекта

                        Фотоны. Давление света. Гипотеза де Бройля

1.              Атомная физика
2.                         Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
3.                         Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору
4.                         Атом водорода в квантовой механике
5.                         Вынужденное излучение света. Лазеры
6.                         Открытие радиоактивности. Альфа-, Бета-, гамма- излучения
7.                          Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений
8.                         Радиоактивные превращения

                        Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Изотопы

             Ядерная физика

                        Открытие нейтрона. Состав ядра атома

                        Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные спектры

                        Ядерные реакции. Энергетический выход ядерных реакций

                        Деление ядер урана. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор

•                         Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии
•                         Получение радиоактивных изотопов и их применение. Биологическое действие радиоактивных излучений
•              Физика элементарных частиц
•                         Стандартная модель элементарных частиц
•                         Открытие позитрона. Античастицы
•              Современная физическая картина мира
•                         Современная физическая картина мира

1. Строение Вселенной
2.              Строение Вселенной
3.                         Солнечная система
4.                         Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
5.                         Наша галактика и другие галактики
6.                         Пространственные масштабы наблюдаемой Вселенной
7.                         Применимость законов физики для объяснения природы космических объектов
8.                         «Красное смещение» в спектрах галактик
9.                         Современные взгляды на строение и эволюцию Вселенной
10.                         Наблюдение солнечных пятен, звёздных скоплений, туманностей и галактик
11. Медиаматериалы
12. Магнитное поле
13. Дисперсия света
14. Виды излучений и спектры
15. Загадки спектра
16. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение

Источник: http://light-fizika.ru/index.php/11-klass?layout=edit&id=152

Дифракция волн, теория и примеры задач

Волны могут огибать края препятствий. Если размер препятствия сравним с длиной волны, то огибая препятствие, волна смыкается за препятствием. Например, если из воды в пруду торчит ветка. Создадим волну, бросив камень в воду.

Эта волна обогнет торчащую из воды ветку, и будет распространяться за ней так, как – будто ветки не было. Однако если размеры препятствия будут больше по сравнению с длиной волны, то огибание не произойдет и за препятствием образуется «тень», волна за него не приникнет.

Любой вид волн может огибать препятствия (световые волны, звуковые, механические и т.д.).

При дифракции происходит искривление поверхности волны у краев препятствия. Особенно явно дифракция проявляется в том случае, если размеры препятствия сравнимы с длинами волн.

Явление дифракции можно объяснить при помощи принципа Гюйгенса, так как любую точку поля волны следует рассматривать как источник вторичных волн, которые распространяются по всем направлениям, в том числе и в область геометрической тени препятствия. Исторически явление дифракции начали изучать в оптике, изучая свойства света.

Дифракция света. Основные положения теории Френеля

Дифракция света – это пакет явлений, связанных с волновой природой света, которые можно наблюдать при его распространении в веществе с выраженными неоднородностями. Явления, которые подтверждают явление дифракции световой волны: отклонение света от прямолинейного распространения при прохождении сквозь отверстия в непрозрачных экранах, огибание границ непрозрачных тел.

Рассматривая дифракцию света Френель выдвинул ряд положений, которые принимаются без доказательства и составивших принцип Гюйгенса – Френеля:

1. Для того чтобы решить задачу о распространении света можно заменить реальный источник волн () системой виртуальных источников света, которые названы вторичными. В качестве таких источников можно выбирать маленькие участки любой замкнутой поверхности, которая охватывает .
2. Вторичные источники света будут когерентны между собой. Следовательно, в любой точке вне вспомогательной поверхности, волны являются результатом интерференции всех вторичных волн. Вспомогательная поверхность выбирается произвольно, так чтобы упростить задачу.
3. Для выделенной вспомогательной поверхности, совпадающей с волновой поверхностью, мощности вторичного излучения равных по площади участков равны. При этом каждый вторичный источник излучает свет в основном в направлении внешней нормали к поверхности волны. Френель исключил возможность возникновения обратных вторичных волн, то есть волн, которые бы распространялись от вторичных источников внутрь области, которая ограничена вспомогательной поверхностью. Если часть вспомогательной поверхности закрыта, например, непрозрачным экраном, то вторичные волны будут излучать только открытые ее части. Излучение открытых участков Френель считал не связанными с материалом, формой и размерами экранов.

Френель предложил свой метод разбиения поверхности волны на зоны, которые помогают упрощать решения задач.

При решении задач выделяют: дифракцию в сходящихся лучах (дифракция Френеля) и дифракцию в параллельных лучах (дифракция Фрауггофера).

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/fizika/difrakciya-voln/

ДИФРА́КЦИЯ ВОЛН

Авторы: И. Г. Кондратьев

ДИФРА́КЦИЯ ВОЛН, в пер­во­на­чаль­ном уз­ком смыс­ле – оги­ба­ние вол­на­ми пре­пят­ст­вий, в со­вре­мен­ном, бо­лее ши­ро­ком – лю­бые от­кло­не­ния от за­ко­нов гео­мет­ри­че­ской оп­ти­ки при рас­про­стра­не­нии волн. При та­ком об­щем тол­ко­ва­нии Д. в.

тес­но пе­ре­пле­та­ет­ся с яв­ле­ния­ми рас­про­стра­не­ния и рас­сея­ния волн в не­од­но­род­ных сре­дах. Вол­ны при ди­фрак­ции мо­гут по­па­дать в об­ласть гео­мет­рич. те­ни: оги­бать пре­пят­ст­вия, сте­лить­ся вдоль по­верх­но­стей, про­ни­кать че­рез не­боль­шие от­вер­стия в эк­ра­нах и т. п. Напр.

, ра­дио­вол­на мо­жет про­ник­нуть за го­ри­зонт да­же без от­ра­же­ния от ио­но­сфе­ры, а звук мо­жет быть ус­лы­шан за уг­лом до­ма.

Пер­вая вол­но­вая трак­тов­ка Д. в. да­на для све­та Т. Юн­гом (1800), вто­рая – О. Фре­не­лем (1815–18). Кар­ти­ну вол­но­во­го по­ля, воз­ни­каю­щую за пре­пят­ст­ви­ем, Юнг счи­тал со­че­та­ни­ем соб­ст­вен­но ди­фрак­ции и ин­тер­фе­рен­ции волн. Для объ­яс­не­ния Д. в.

, кро­ме обыч­ных за­ко­нов рас­про­стра­не­ния волн в на­прав­ле­нии лу­чей, он ввёл прин­цип по­пе­реч­ной пе­ре­да­чи ам­пли­ту­ды ко­ле­ба­ний не­по­сред­ст­вен­но вдоль вол­но­вых фрон­тов (по­пе­реч­ной диф­фу­зии), ука­зав, что ско­рость этой пе­ре­да­чи про­пор­цио­наль­на дли­не вол­ны и пе­ре­па­ду ам­пли­туд на фрон­те. Со­глас­но Юн­гу, ди­фра­ги­ро­ван­ная вол­на воз­ни­ка­ет ло­каль­но в не­ко­то­рой ок­ре­ст­но­сти гра­ни­цы те­ни за кра­ем пре­пят­ст­вия. Ана­ло­гич­ная ди­фра­ги­ро­ван­ная вол­на об­ра­зу­ет­ся и в ос­ве­щён­ной об­лас­ти, так что в це­лом фор­ми­ру­ет­ся по­ле ци­лин­д­рич. вол­ны, как бы ис­пус­кае­мой кра­ем по­верх­но­сти пре­пят­ст­вия $S$ (рис. 1). Ин­тер­фе­рен­ция ди­фра­ги­ро­ван­ной вол­ны с не за­сло­нён­ной пре­пят­ст­ви­ем ча­стью па­даю­щей вол­ны объ­яс­ня­ет по­яв­ле­ние на эк­ра­не $B'$ ин­тер­фе­рен­ци­он­ных по­лос, рас­по­ло­жен­ных вы­ше гра­ни­цы те­ни $BB'$, и от­сут­ст­вие их в ниж­ней час­ти.

Со­глас­но Фре­не­лю, ди­фрак­ци­он­ное по­ле мо­жет быть пред­став­ле­но как ре­зуль­тат ин­тер­фе­рен­ции по­лей фик­тив­ных вто­рич­ных ис­точ­ни­ков, рас­пре­де­лён­ных по всей не за­кры­той пре­пят­ст­ви­ем час­ти фрон­та па­даю­щей вол­ны (рис. 2) и имею­щих ам­пли­ту­ду и фа­зу, про­пор­цио­наль­ные та­ко­вым у этой вол­ны.

Фре­нель раз­бил по­верх­ность, за­ня­тую вто­рич­ны­ми ис­точ­ни­ка­ми, на по­лувол­но­вые зо­ны (т. н. Фре­не­ля зо­ны, рис. 3). Ха­рак­тер Д. в.

за­ви­сит от то­го, сколь­ко зон ук­ла­ды­ва­ет­ся в от­вер­стии, или от зна­че­ния фре­не­лев­ско­го (вол­но­во­го) па­ра­мет­ра $p$, рав­но­го от­но­ше­нию раз­ме­ра пер­вой зо­ны Фре­не­ля к ра­диу­су $a$ от­вер­стия, $p=sqrt {λz}/a$ ($z$ – ко­ор­ди­на­та точ­ки на­блю­де­ния, $λ$ – дли­на вол­ны).

В за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны $p$ раз­ли­ча­ют сле­дую­щие об­лас­ти Д. в.: гео­мет­ро­оп­ти­че­скую, или про­жек­тор­ную, об­ласть, $p≪1$; об­ласть ди­фрак­ции Фре­не­ля, $p$ по­ряд­ка 1; об­ласть ди­фрак­ции Фра­ун­го­фе­ра, $p≫1$.

При фик­си­ро­ван­ных $a$ и $λ$ эти об­лас­ти рас­по­ло­же­ны по­сле­до­ва­тель­но, по ме­ре уда­ле­ния точ­ки на­блю­де­ния от от­вер­стия (т. е. с уве­ли­че­ни­ем $z$).

В пер­вой, при­ле­гаю­щей к от­вер­стию об­лас­ти $(z≪a^2/λ)$ по­пе­реч­ное рас­пре­де­ле­ние ам­пли­ту­ды по­вто­ря­ет рас­пре­де­ле­ние ам­пли­ту­ды на са­мом от­вер­стии и от­ве­ча­ет при­бли­же­нию гео­мет­рич. оп­ти­ки. Во вто­рой зо­не ($z$ по­ряд­ка $a^2/λ$) по­пе­реч­ное рас­пре­де­ле­ние ам­пли­ту­ды су­ще­ст­вен­но ис­ка­жа­ет­ся.

На­чи­ная с этих рас­стоя­ний, вол­но­вой пу­чок от­но­си­тель­но бы­ст­ро рас­ши­ря­ет­ся из-за ди­фрак­ции. В треть­ей, уда­лён­ной об­лас­ти $(z≫a^2/λ)$ ди­фрак­ци­он­ное по­ле пред­став­ля­ет со­бой рас­хо­дя­щую­ся сфе­рич. вол­ну с ло­каль­но пло­ской струк­ту­рой, об­ла­даю­щую оп­ре­де­лён­ной на­прав­лен­но­стью. Т. о., наи­бо­лее от­чёт­ли­во Д. в. про­яв­ля­ет­ся во фре­не­лев­ской об­лас­ти, т. е. с рас­стоя­ний $z$ по­ряд­ка $a^2/λ$. Имен­но по­это­му Д. в. на во­де ($λ$ по­ряд­ка 1 м) или диф­рак­ция зву­ка в воз­ду­хе ($λ$ по­ряд­ка 0,1 м) мо­жет на­блю­дать­ся прак­ти­че­ски все­гда, ди­фрак­ция све­та ($λ$ по­ряд­ка 10–3–10–4 м) тре­бу­ет вы­пол­не­ния осо­бых ус­ло­вий (иголь­ча­тое от­вер­стие, ост­рый край брит­вы и т. п.), а для ди­фрак­ции рент­ге­нов­ских лу­чей ($λ$ по­ряд­ка 10–6–10–8 м) ис­поль­зу­ют кри­стал­лич. ре­шёт­ки.

Сле­ду­ет под­черк­нуть, что ши­ро­кое раз­ви­тие иду­ще­го от Юн­га ме­то­да по­пе­реч­ной диф­фу­зии свя­за­но с ос­вое­ни­ем всё бо­лее ко­рот­ко­вол­но­вых элек­тро­маг­нит­ных диа­па­зо­нов (с по­яв­ле­ни­ем ма­зе­ров, ла­зе­ров и т. п.) и не­об­хо­ди­мо­стью со­от­вет­ст­вую­ще­го «элек­тро­ди­на­ми­че­ско­го обес­пе­че­ния» (см. Ква­зи­оп­ти­ка).

Бо­лее то­го, этот ме­тод ока­зал­ся аде­к­ват­ным не­ко­то­рым не­ли­ней­ным ди­фрак­ци­он­ным за­да­чам ти­па са­мо­фо­ку­си­ров­ки и са­мо­ка­на­ли­ро­ва­ния элек­тро­маг­нит­ных волн.

Яв­ле­ние ди­фрак­ции име­ет ме­сто и в мик­ро­ми­ре (см. Ди­фрак­ция час­тиц), по­сколь­ку объ­ек­там кван­то­вой ме­ха­ни­ки свой­ст­вен­но вол­но­вое по­ве­де­ние.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/1959696

Тема 3. Дифракция

Дифракция
волн (лат.
diffractus — буквально разломанный,
переломанный, огибание препятствия
волнами) — явление, которое проявляет
себя как отклонение от законов
геометрической оптики при распространении
волн.

Она представляет собой универсальное
волновое явление и характеризуется
одними и теми же законами при наблюдении
волновых полей разной природы. Дифракция
неразрывно связана с явлением
интерференции.

Более того, само явление
дифракции зачастую трактуют как случай
интерференции ограниченных в пространстве
волн (интерференция вторичных волн).

Общим свойством всех эффектов дифракции
является зависимость степени её
проявления от соотношения между длиной
волны λ
и характерным размером неоднородностей
среды d,
либо неоднородностей структуры самой
волны. Наиболее заметно они проявляются
при размерах неоднородностей, сравнимых
с длиной волны.

При размерах неоднородностей,
существенно превышающих длину волны
(на 3—4 порядка и более), явлением
дифракции, как правило, можно пренебречь.
В последнем случае распространение
волн с высокой степенью точности
описывается законами геометрической
оптики. С другой стороны, если размер
неоднородностей среды много меньше
длины волны, то в таком случае дифракции
проявляет себя в виде эффекта рассеяния
волн.

Изначально
явление дифракции трактовалось как
огибание
волной препятствия,
то есть проникновение волны в область
геометрической тени.

С точки зрения
современной науки определение дифракции
как огибания светом препятствия
признается недостаточным (слишком
узким) и не вполне адекватным.

Так, с
дифракцией связывают весьма широкий
круг явлений, возникающих при
распространении волн (в случае учёта
их пространственного ограничения) в
неоднородных средах. Дифракция
волн может проявляться:

1. в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях — как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определённом направлении;

2. в разложении волн по их частотному спектру;

3. в преобразовании поляризации волн;

4. в изменении фазовой структуры волн.

Дифракция
первого и второго порядка как интерференция
волн, образованных при падении плоской
волны на непрозрачный экран с парой
щелей. Стрелками показаны линии,
проходящие через линии интерференционных
максимумов.

Тема 4. Звуковые волны

Звук,
в широком смысле — упругие волны,
распространяющиеся в какой-либо упругой
среде и создающие в ней механические
колебания; в узком смысле — субъективное
восприятие этих колебаний специальными
органами чувств животных или человека.

Как
и любая волна, звук характеризуется
амплитудой и спектром частот. Обычно
человек слышит звуки, передаваемые по
воздуху, в диапазоне частот от 16—20 Гц
до 15—20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости
человека называют инфразвуком; выше:
до 1 ГГц, — ультразвуком, от 1 ГГц —
гиперзвуком.

Среди слышимых звуков
следует также особо выделить фонетические,
речевые звуки и фонемы (из которых
состоит устная речь) и музыкальные звуки
(из которых состоит музыка).

Если
произвести резкое смещение частиц
упругой среды в одном месте, например,
с помощью поршня, то в этом месте
увеличится давление.

Вследствие упругих
связей между частицами давление
передаётся на соседние, которые, в свою
очередь, воздействуют на следующие, и
область повышенного давления как бы
перемещается в упругой среде.

За областью
повышенного давления следует область
пониженного давления, и, таким образом,
образуется ряд чередующихся областей
сжатия и разрежения, распространяющихся
в среде в виде волны. Каждая частица
упругой среды в этом случае будет
совершать колебательные движения.

В
жидких и газообразных средах,
где отсутствуют значительные колебания
плотности, акустические
волны имеют продольный
характер, то есть направление колебания
частиц совпадает с направлением
перемещения волны.

В твёрдых телах,
помимо продольных деформаций, возникают
также упругие деформации сдвига,
обусловливающие возбуждение поперечных
(сдвиговых) волн; в этом случае частицы
совершают колебания перпендикулярно
направлению распространения волны.

Скорость распространения продольных
волн значительно больше скорости
распространения сдвиговых волн.

Колебательная
скорость измеряется в м/с
или см/с.

В энергетическом отношении реальные
колебательные системы характеризуются
изменением энергии вследствие частичной
её затраты на работу против сил трения
и излучение в окружающее пространство.

В упругой среде колебания постепенно
затухают. Для характеристики затухающих
колебаний используются коэффициент
затухания (S),
логарифмический декремент (D)
и добротность (Q).

• Коэффициент
  затухания отражает
  быстроту убывания амплитуды с течением
  времени. Если обозначить время, в течение
  которого амплитуда уменьшается в е =
  2,718 раза, через τ
  то:
• S=
  1/τ.
• Уменьшение
  амплитуды за один цикл характеризуется
  логарифмическим декрементом.
  Логарифмический декремент равен
  отношению периода колебаний ко времени
  затухания τ
• D=
  T/τ

Если
на колебательную систему с потерями
действовать периодической силой, то
возникают вынужденные колебания,
характер которых в той или иной мере
повторяет изменения внешней силы.
Частота вынужденных колебаний не зависит
от параметров колебательной системы.

Напротив, амплитуда зависит от массы,
механического сопротивления и гибкости
системы. Такое явление, когда амплитуда
колебательной скорости достигает
максимального значения, называется
механическим резонансом.

При этом
частота вынужденных колебаний совпадает
с частотой собственных незатухающих
колебаний механической системы.

Свойство
среды проводить акустическую энергию,
в том числе и ультразвуковую, характеризуется
акустическим сопротивлением. Акустическое
сопротивление
среды выражается отношением звуковой
плотности к объёмной скорости
ультразвуковых волн.

Удельное акустическое
сопротивление среды устанавливается
соотношением амплитуды звукового
давления в среде к амплитуде колебательной
скорости её частиц. Чем больше акустическое
сопротивление, тем выше степень сжатия
и разрежения среды при данной амплитуде
колебания частиц среды.

Численно,
удельное акустическое сопротивление
среды (Z)
находится как произведение плотности
среды (ρ)
на скорость (с)
распространения в ней ультразвуковых
волн: Z=ρc

Удельное
акустическое сопротивление измеряется
в паскаль-секунда на метр (Па·с/м) или
дин•с/см³ (СГС); 1 Па·с/м = 10−1 дин • с/см³.
Значение удельного акустического
сопротивления среды часто выражается
в г/с·см², причём 1 г/с·см² = 1 дин•с/см³.
Акустическое сопротивление среды
определяется поглощением, преломлением
и отражением ультразвуковых волн.

Звуковое
или акустическое давление в среде
представляет собой разность между
мгновенным значением давления в данной
точке среды при наличии звуковых
колебаний и статического давления в
той же точке при их отсутствии.

Иными
словами, звуковое давление есть переменное
давление в среде, обусловленное
акустическими колебаниями.

Максимальное
значение переменного акустического
давления (амплитуда давления) может
быть рассчитано через амплитуду колебания
частиц:

1. P=2πνρcA
2. где
   Р — максимальное акустическое давление
   (амплитуда давления);
3. ν
   — частота;
4. с
   — скорость распространения ультразвука;
5. ρ—
   плотность среды;
6. А
   — амплитуда колебания частиц среды.

На
расстоянии половины длины волны (λ/2)
амплитудное значение давления из
положительного становится отрицательным.
Разница давлений в двух точках, отстоящих
друг от друга на λ/2 пути распространения
волны, равна 2Р.

Для
выражения звукового давления в единицах
СИ используется Паскаль (Па), равный
давлению в один ньютон на метр квадратный
(Н/м²). Звуковое давление в системе СГС
измеряется в дин/см²; 1 дин/см² = 10−1Па =
10−1Н/м².

Наряду с указанными единицами
часто пользуются внесистемными единицами
давления — атмосфера (атм) и техническая
атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98·106 дин/см²
= 0,98·105 Н/м².

Давление,
оказываемое на частицы среды при
распространении волны, является
результатом действия упругих и инерционных
сил. Последние вызываются ускорениями,
величина которых также растёт в течение
периода от нуля до максимума (амплитудное
значение ускорения). Кроме того, в течение
периода ускорение меняет свой знак.

Максимальные значения величин ускорения
и давления, возникающие в среде при
прохождении в ней ультразвуковых волн,
для данной частицы не совпадают во
времени. В момент, когда перепад ускорения
достигает своего максимума, перепад
давления становится равным нулю.

Амплитудное значение ускорения (а)
определяется выражением:

a=
2Aω
= 2A(2πν)

Скорость
звука.
Скорость
звука
— скорость распространения звуковых
волн в среде.

Как правило, в газах скорость
звука меньше, чем в жидкостях, а в
жидкостях скорость звука меньше, чем в
твёрдых телах, что связано в основном
с убыванием сжимаемости веществ в этих
фазовых состояниях соответственно.

В
среднем в идеальных условиях в воздухе
скорость звука составляет 340—344 м/с.
Скорость звука в любой среде вычисляется
по формуле:

где
β—
адиабатическая сжимаемость среды;
ρ—
плотность.

Громкость
звука.
Громкость
звука
— субъективное восприятие силы звука
(абсолютная величина слухового ощущения).

Громкость главным образом зависит от
звукового давления, амплитуды и частоты
звуковых колебаний.

Также на громкость
звука влияют его спектральный состав,
локализация в пространстве, тембр,
длительность воздействия звуковых
колебаний, индивидуальная чувствительность
слухового анализатора человека и другие
факторы.

Генерация
звука.

Источник: https://studfile.net/preview/3648433/page:5/