Стоячие световые волны — справочник студента

Проектирование высокочастотных схем должно учитывать два важных, хотя и несколько таинственных явления: отражения и стоячие волны.

Из нашего опыта с другими областями науки мы знаем, что волны связаны с особыми типами поведения. Световые волны преломляются, когда перемещаются из одной среды (например, воздух) в другую (например, стекло). Водные волны дифрагируют, когда сталкиваются с лодками или большими скалами. Звуковые волны интерферируют, что приводит к периодическим изменениям громкости (так называемые «биения»).

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Электрические волны также подвержены поведению, которое мы обычно не связываем с электрическими сигналами.

Однако общее отсутствие знакомства с волновой природой электричества не удивительно, потому что во многих схемах эти эффекты незначительны или не существуют.

Инженер из цифровой или низкочастотной аналоговой схемотехники может работать в течение многих лет и успешно разрабатывать много схем, не получая глубокого понимания волновых эффектов, которые становятся заметными в высокочастотных схемах.

Как обсуждалось в предыдущей статье, соединение, которое подвержено особому поведению высокочастотного сигнала называется линией передачи.

Влияние линии передачи существенно только тогда, когда длина соединения составляет, по меньшей мере, одну четверть длины волны сигнала; таким образом, нам не нужно беспокоиться о свойствах волн, если мы не работаем с высокими частотами или очень длинными соединениями.

Отражение

Отражение, рефракция, дифракция, интерференция – все эти классические волновые поведения применимы к электромагнитному излучению. Но на данный момент мы по-прежнему имеем дело с электрическими сигналами, то есть сигналами, которые еще не были преобразованы антенной в электромагнитное излучение, и, следовательно, нам нужно заняться только двумя из них: отражением и интерференцией.

Стоячие световые волны - Справочник студентаВолна, движущаяся вдоль струны, испытывает отражение, когда достигает физического барьера

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Издержки и прибыль - справочник студента

Оценим за полчаса!

Аналогия с водной волной

Отражения возникают, когда волна сталкивается с неоднородностью. Представьте себе, что буря привела к тому, что большие волны воды распространяются через нормально спокойную гавань. Эти волны в конечном итоге сталкиваются с твердой каменной стеной.

Мы интуитивно знаем, что эти волны отразятся от каменной стены и будут распространяться назад в гавань. Тем не менее, мы также интуитивно знаем, что водные волны, разбивающиеся о пляж, редко приводят к значительному отражению энергии, возвращающейся в океан.

В чем разница?

Волны переносят энергию. Когда волны воды распространяются через открытую воду, эта энергия просто перемещается. Однако когда волна достигает неоднородности, плавное движение энергии прерывается; в случае пляжа или скальной стены распространение волн уже невозможно.

Но что происходит с энергией, передаваемой волной? Она не может исчезнуть; она должна быть либо поглощена, либо отражена. Каменная стена не поглощает энергию волны, поэтому происходит отражение – энергия продолжает распространяться в волновой форме, но в противоположном направлении.

Однако пляж позволяет рассеивать энергию волны более постепенным и естественным образом. Пляж поглощает энергию волны, и поэтому происходит минимальное отражение.

От воды к электронам

Электрические схемы также представляют собой неоднородности, которые влияют на распространение волн; в этом контексте критическим параметром является импеданс.

Представьте себе электрическую волну, движущуюся по линии передачи; это эквивалентно водной волне в середине океана. Волна и связанная с ней энергия плавно распространяется от источника к нагрузке.

В конце концов, электрическая волна достигает своего назначения: антенны, усилителя и т.д.

Стоячие световые волны - Справочник студентаНеоднородности в электрической схеме

Из предыдущей статьи мы знаем, что максимальная передача мощности происходит, когда величина импеданса нагрузки равна величине импеданса источника. (В этом контексте «импеданс источника» также может относиться к характеристическому сопротивлению линии передачи.

) При согласованных импедансах действительно нет неоднородности, так как нагрузка может поглощать всю энергию волны.

Но если импедансы не совпадают, поглощается только часть энергии, а оставшаяся энергия отражается в виде электрической волны, движущейся в противоположном направлении.

На количество отраженной энергии влияет серьезность рассогласования между импедансами источника и нагрузки.

Два наихудших сценария – это разомкнутая цепь и короткое замыкание, соответствующие бесконечному импедансу нагрузки и нулевому импедансу нагрузки соответственно.

Эти два случая представляют полную неоднородность; никакая энергия не может быть поглощена, и, следовательно, отражается вся энергия.

Стоячие световые волны - Справочник студентаРассогласование импедансов

Важность согласования

Если вы участвовали в радиочастотном проектировании или тестировании, вы знаете, что согласование импеданса является распространенной темой обсуждений. Теперь мы понимаем, что импедансы должны быть согласованы, чтобы предотвратить отражения. Но зачем так сильно беспокоиться об отражениях?

Первая проблема – просто эффективность. Если у нас есть усилитель мощности, подключенный к антенне, мы не хотим, чтобы половина выходной модности отражалась обратно в усилитель.

Ведь цель состоит в том, чтобы генерировать электрическую энергию, которая может быть преобразована в электромагнитное излучение.

В общем, мы хотим переместить мощность из источника в нагрузку, а это значит, что отражения должны быть минимальны.

Вторая проблема немного более тонкая. Непрерывный сигнал, передаваемый по линии передачи на несогласованный импеданс нагрузки, приведет к непрерывному отраженному сигналу. Эти падающие и отраженные волны проходят друг к другу, идя в противоположных направлениях.

Интерференция приводит к появлению стоячей волны, то есть стационарной волновой форме, равной сумме падающей и отраженной волн.

Эта стоячая волна на самом деле создает изменения пиковой амплитуды вдоль физической длины кабеля; определенные места имеют более высокую пиковую амплитуду, а в других местах пиковая амплитуда более низкая.

Стоячие световые волны - Справочник студентаСтоячая волна

Стоячие волны приводят к напряжениям, которые выше, чем исходное напряжение передаваемого сигнала, и в некоторых случаях этот эффект является достаточно сильным, чтобы нанести физическое повреждение кабелям и компонентам.

Резюме

  • Электрические волны подвержены отражению и интерференции.
  • Волны воды отражаются, когда достигают физического препятствия, такого как каменная стена. Аналогичным образом, электрическое отражение возникает, когда сигнал переменного тока сталкивается с неоднородностью импеданса.
  • Мы можем предотвратить отражение путем согласования импеданса нагрузки с характеристическим сопротивлением линии передачи. Это позволит нагрузке поглощать энергию волны.
  • Отражения являются проблемой, поскольку они уменьшают количество энергии, которое может быть передано от источника к нагрузке.
  • Отражения также приводят к появлению стоячих волн; высокоамплитудные участки стоячей волны могут повредить компоненты или кабели.

Оригинал статьи:

  • Understanding Reflections and Standing Waves in RF Circuit Design

Теги

Входной импедансВыходной импедансИмпедансОтражениеОтраженная волнаСогласование импедансаСтоячая волна

Источник: https://radioprog.ru/post/391

Свет лучистый и стоячий… Световая непрерывная среда стоячих волн

Поисковые темы: Экспериментальные доказательства наличия стоячих волн света от мягкого света электролампочки накаливания 1,5 вольта, оно такое же, как и стоячие акустические волны, которыми мы пользуемся в реабилитации уже четверть века. Инновация

Синкевич Владимир Антонович, изобретатель, пенсионер, группа в Контакте: https://vk.com/zvuk_terapiy

Свет лучистый и стоячий… Световая непрерывная среда стоячих волн.

  • Уменьшение электрического поля от компьютеров светом стоячих световых волн электрической лампочки 1,5 вольта на расстоянии не более 2-3 метров, более, чем наполовину…
  • ( на большую мощность электролампочки не претендуем, ибо цена усилителя НЧ для лампочки большей мощности, резко повышается, и поэтому пользуемся тем, что минимально по средствам)
  • Можно показать электролампы накаливания двух типов света:

1) лучистые, дающие энергию..

Абсолютно мягкий свет, с круговой поляризацией, как у природных источников света. Причем с иерархической непрерывной круговой поляризацией….он горит на реабилитации постоянно, он добрый, свет как от естественных стохастических источников света (лучина, свеча, костер, солнце), отсутствует усталость глаз… Такой свет я делаю более четверти века

«Доброе мягкое тепло и добрый мягкий свет» https://vk.com/doc19726001_448855351

«Храм, звук, свет, тепло» https://vk.com/doc19726001_439583194

Тезисы доклада «Мягкий звук, свет, тепло….фрактальное электромагнитное и акусстическое излучение»» на Международный конгресс «Фундаментальные проблемы естествознания и техники 2014» https://vk.com/doc19726001_314641274

Аналогичный доклад :«Изобретены мягкие звук, свет, тепло, изображение в аналоге, мягкие звук и изображение в цифре ( фрактальное электромагнитное и акустическое излучение)» Доклад на 1 съезде изобретателей России, СПб Политех 2014г …

И иные статьи и книги https://vk.com/doc19726001_450667761

Стоячие световые волны - Справочник студента

и 2) иной свет имеет две разновидности:

2.1.

с обычным изменением несущего электрического тока (я его называю силовым магнитным преобразователем фрактального электрического тока МП-2, который используется для смягчения электрической нагрузки уже четверть века: звука, света, тепла) и создается ощущение втягивающие энергию внутрь лампочки. Аналогичная лампочка , которая «втягивает» энергию…. ликвидирует (до фона) электрическое поле в своем объеме свечения (в пространстве диаметром около 2- 3 метров), более чем наполовину… . что-то вроде световой «черной дыры».

2.2. с измененным силовым магнитным преобразователем фрактального электрического тока. Здесь фазовые изменение остались такими же, а земляной провод перевернут в электроземле, используемой в магнитном преобразователе фрактального электрического тока.

Эффект притягивания пропадает, но формируется более плотная световая среда в виде иерархии объемных световых волн, которая за счет «Обратного эффекта Фарадея» полностью ликвидирует электрическое поле ( от компьютера), на расстоянии до 3 метров до фоновой величины в помещении….

«Феномен «Электроземли» и его мобильный вариант» https://vk.com/doc19726001_439083225

Стоячие световые волны - Справочник студента

  1. То же самое можно продемонстрировать на звуке, — лучистый звук, которым мы постоянно пользуемся. и звук, как бы «втягивающий» энергию… Аналогов в мире нет
  2. На фото совмещенные свет и звук, для уменьшения электрического поля.
  3. Стоячие световые волны - Справочник студента Стоячие световые волны - Справочник студента
  4. Фрактальный свет всегда представляет стоячую световую волну организованную иерархически, со своими границами… Как и любая стоячая волна, она реагирует изменением своей фрактальной организацией своего свечения, при внесении в поле световой стоячей волны внешнего источника любой внеприродной организации бегущей волны…
  5. Звук

Например, т.к. главным в музыкально – акустической шумовой терапии, является иерархическое проникновение звук фрактального фликкер шума , в ткань на определенную глубину, идеально, до верхних электронных оболочек атома 10 в минус в степени 9-12м, то, при одном приборе возможно изцеление 60% заболеваний, при двух 70% , а при 4 приборов почти 100%, т.к.

за счет стохастического резонанса увеличивается глубина воздействия иерархического звука шума, характерная для конкретных заболеваний. Ибо все биохимические нарушения ткани, заболевания каждое по своему, характеризуется строго определенной глубиной повреждения внутри и межклеточных взаимодействий и тем самым асимметрией ферментных обменов, в процессе питания…

Второй причиной ослабления воздействия звука в плане его проникновения в ткань организма. является увеличение количества одновременно присутствующих на сеансе людей. При 2 приемниках ( 96 кгц)…не более двух, а при 5 приемниках, все семь человек…ибо все люди поглощают акустическую и прочую энергию и деформируют акустическую организацию стоячей волны.

Этот вопрос мы изучали с Б. В. Гладковым в 80-хгг. — любой предмет, человек вносимый акустическое поле стоячих волн, менял его акустическую организацию. На слух это было слышно при изменении тембра особенно высоких частот и по ним мы диагносцировали — пришел хороший человек,( который не менял тембр звучащей акустики ), или больной и нехороший человек….

хотя есть еще иные причины….

Наши акустические излучатели ( 96 кгц), в центре здоровья 4 штуки, расчитаны на 5 человек, ( я поэтому показываю постоянно с двумя мобильными АС стоячих волн, или, с акустическим лазарем и обычным излучателем), а ранее, в традиционной нашей аппаратуре, особенно в многолетних клинических исследованиях, полностью покрывает только 2 человек : излучатель и источник стоячих волн для сигнала, звуки природы, пение…на группу нужно побольше излучателей…

Здесь физически, проблема источников упирается в ЦАП.

Если частота процессора 192 кгц и не менее 24 битт, тогда достаточно двух источников, и стохастический резонанс довершит необходимую глубину проникновения звука…но при ЦАПе 96 кгц, источников нужно больше…( хотя они и намного дешевле, чем электронные устройства с ЦАПом 192 кгц) и за счет стохастического резонанса, в окружающем пространстве в несколько метров глубина проникновения звука будет такая же как и при двух источниках с ЦАПом 192 кгц.

Суть в том, что в современной науке (акустике, теории света) господствует представление о сферичности излучения любого объекта.

Тесла в указанной книге критикует экспериментально данный подход, и подверждает, что все излучения первичного объекта полностью воспроизводиться в объекте приемнике, а при сферической точке зрения равномерности излучения, на приемник падала бы только часть первичного излучения

В этом различие производства стоячих волн у Теслы и в современной 100 летней «науке» статья Н.Теслы «Беспроводная» телеграфия — Секрет настройки —Ошибки в исследованиях Герца — Приемник удивительной чувствительности» стр 132 «Н.Тесла. Избранные работы, 267 стр» https://vk.com/doc19726001_451118314

Рекомендуемые страницы:

Источник: https://poisk-ru.ru/s2572t8.html

3.7. Интерференция световых волн



Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра. С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

Читайте также:  Территориальная организация государства - справочник студента

Первый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону.

Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны (рис. 3.7.1).

Интерференционная картина имела вид концентрических колец, получивших название колец Ньютона (рис. 3.7.2).

Стоячие световые волны - Справочник студента
Рисунок 3.7.1.Наблюдение колец Ньютона. Интерференция возникает при сложении волн, отразившихся от двух сторон воздушной прослойки. «Лучи» 1 и 2 – направления распространения волн; h – толщина воздушного зазора
Стоячие световые волны - Справочник студента
Рисунок 3.7.2.Кольца Ньютона в зеленом и красном свете

Ньютон не смог с точки зрения корпускулярной теории объяснить, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой-то периодичностью световых процессов (см. § 3.6).

Первым интерференционным опытом, получившим объяснение на основе волновой теории света, явился опыт Юнга (1802 г.). В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S1 и S2 (рис. 3.7.3).

Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались.

В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Стоячие световые волны - Справочник студента
Рисунок 3.7.3.Схема интерференционного опыта Юнга

Юнг был первым, кто понял, что нельзя наблюдать интерференцию при сложении волн от двух независимых источников. Поэтому в его опыте щели S1 и S2, которые в соответствии с принципом Гюйгенса можно рассматривать как источники вторичных волн, освещались светом одного источника S.

При симметричном расположении щелей вторичные волны, испускаемые источниками S1 и S2, находятся в фазе, но эти волны проходят до точки наблюдения P разные расстояния r1 и r2. Следовательно, фазы колебаний, создаваемых волнами от источников S1 и S2 в точке P, вообще говоря, различны.

Таким образом, задача об интерференции волн сводится к задаче о сложении колебаний одной и той же частоты, но с разными фазами.

Утверждение о том, что волны от источников S1 и S2 распространяются независимо друг от друга, а в точке наблюдения они просто складываются, является опытным фактом и носит название принципа суперпозиции.

Монохроматическая (или синусоидальная) волна, распространяющаяся в направлении радиус-вектора , записывается в виде

где a – амплитуда волны, k = 2π / λ – волновое число, λ – длина волны, ω = 2πν – круговая частота. В оптических задачах под E следует понимать модуль вектора напряженности электрического поля волны.

При сложении двух волн в точке P результирующее колебание также происходит на частоте ω и имеет некоторую амплитуду A и фазу φ:

E = a1 · cos (ωt – kr1) + a2 · cos (ωt – kr2) = A · cos (ωt – φ).

Приборов, которые способны были бы следить за быстрыми изменениями поля световой волны в оптическом диапазоне, не существует; наблюдаемой величиной является поток энергии, который прямо пропорционален квадрату амплитуды электрического поля волны. Физическую величину, равную квадрату амплитуды электрического поля волны, принято называть интенсивностью: I = A2.

Несложные тригонометрические преобразования приводят к следующему выражению для интенсивности результирующего колебания в точке P:

Стоячие световые волны - Справочник студента
(*)

где Δ = r2 – r1 – так называемая разность хода.

Из этого выражения следует, что интерференционный максимум (светлая полоса) достигается в тех точках пространства, в которых Δ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). При этом Imax = (a1 + a2)2 > I1 + I2. Интерференционный минимум (темная полоса) достигается при Δ = mλ + λ / 2. Минимальное значение интенсивности Imin = (a1 – a2)2 

Источник: https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph7/theory.html

Акустика контрольной комнаты и стоячая волна

Владельцы проектной или домашней студии звукозаписи часто озабочены проблемой баса.

Его либо слишком много, либо слишком мало; и, к сожалению, этот неприятный феномен нередко обнаруживается только после того, как счастливый заказчик отправляется домой с только что сведенной фонограммой, чтобы насладиться ее звучанием на домашней акустике.

На следующий день разъяренный клиент врывается в вашу студию и требует пересведения за ваш счет. Мало что может так сильно подорвать бюджет и репутацию студии, как проблема с низкими  частотами.

Если в вашей аппаратной во время сведения все звучит, как надо, в музыке присутствует достаточно баса, низкие частоты звучат плотно, а после прослушивания фонограммы на бытовых колонках заказчик начинает предъявлять вам претензии — это значит, что вам пора уделить внимание акустике студии и в особенности эффекту стоячей волны. Чтобы понять, что вызывает проблемы с басом, обратимся к основам акустики.

Распространение звуковой волны на открытом воздухе и в помещении отличается друг от друга тем, что в первом случае звук уходит в пространство, а во втором отражается от стен, потолка, пола (и любых других поверхностей) и немедленно подмешивается к прямому сигналу. Причем он подмешивается в таких пропорциях, что это неминуемо начинает влиять на результат вашей работы во время записи и в особенности сведения треков.

  • Стоячие световые волны - Справочник студента
  • рис. 1
  • Стоячие световые волны - Справочник студента

рис.2 Распространение звуковых волн на открытом пространстве… и в помещении.

Как видно из рисунка 2, звуковые волны не только отражаются от стен помещения, но и приходят в ту точку, где находится слушатель, чуть позже, чем прямой сигнал, т.е. их фаза может сильно отличаться.

В результате фазы складываются и вычитаются, что создает серьезные проблемы в первую очередь в низкочастотной области акустического диапазона, который начинает звучать мутно.

Вторая проблема — это стоячая волна, феномен, свойственный только закрытым пространствам.

Стоячая волна

Что же такое стоячая волна? Если вам приходилось использовать ультразвуковой очиститель для очистки ювелирных изделий или небольших электронных компонентов, то вы наверняка видели стоячую волну в действии. Когда бросаешь камешек в пруд, то возникает серия волн, расходящихся от той точки, куда он упал.

Поскольку пруд имеет большие размеры, то волны затухают по мере приближения к берегам и не возвращаются обратно к центру, из которого они возникли. Именно по такому принципу распространяется звук на открытом воздухе.

Но в закрытом пространстве (например, таком, как кювета ультразвукового очистителя) звуковые волны отбрасываются назад, отражаясь от стен, и создают фронт давления, который удерживает их на одном месте. Так возникает стоячая волна.

В контрольной комнате вашей студии она становится заметна в тот момент, когда из динамиков раздается низкочастотный звук, длящийся достаточно долго. Статические звуковые пики возникают в разных местах аппаратной в зависимости от положения акустических систем, размеров помещения и звуковой частоты.

Вы можете определить такие пики, перемещаясь по комнате и слушая низкочастотный звук. Как только вы входите в стоячую волну, баса становится очень много. В других местах его почти нет.

Понятно, что в такой ситуации становится очень трудно сводить музыку и принимать адекватное решение по поводу того, сколько на самом деле баса содержится в фонограмме.

Стоячие световые волны - Справочник студента

рис.3 Стоячая волна

Почему возникают столь значительные перепады в уровне баса? Дело в том, что в той точке, где происходит сложение фаз, вы слышите удвоение частоты. В точке, где имеется противофаза, волны вычитаются.

Причем это происходит во всех октавах, так что если базовая частота звуковой волны составляет 440 Гц, то эффект будет наблюдаться также на частотах 880 Гц, 1760 Гц, 3520 Гц и т.д.

В связи с этим возникает определенная акустическая окрас­ка помещения, которую можно заметить, перемещаясь по комнате и слушая, как изменяется частотная характеристика звучащего из студийных динамиков сигнала.

Чтобы как-то урезонить стоячую волну, стараются делать стены аппаратной непараллельными друг другу — например, чуть «разворачивают» одну из стен на 12 градусов (или обе стены на 6 градусов каждую). Больший угол разворота считается более эффективным решением, но и указанных величин бывает достаточно.

Причем для этого не требуется сносить одну из капитальных стен и строить вместо нее новую: хорошие результаты можно получить с помощью акустической обработки.

Дает ли это возможность полностью избавиться от стоячих волн? Нет, они по-прежнему возникают, но имеют иную траекторию повторения, что, как правило, дает положительный эффект.

Потолок и пол также создают стоячую волну, поэтому во многих студиях строят скошенный потолок. Для домашней студии такое решение вряд ли может считаться бюджетным, поэтому лучше прибегнуть к акустической обработке, которая нередко дает очень достойные результаты. О конкретных методах такой обработки стен и потолка мы постараемся рассказать в следующих номерах нашего журнала.

Режимы помещения

  1. Приведем формулу, по которой можно вычислить основную частоту стоячей волны для конкретного помещения:
  2. где f — основная частота стоячей волны;
    V — скорость звука в воздухе (343 м/с);
    d — размеры комнаты (длина, ширина
  3. или высота).

Остальные стоячие волны возникают в виде гармоник основной частоты, т.е. отличаются в 2, 3 и 4 раза от значения f.

Таким образом, в комнате длиной 6 метров возникает стоячая волна с частотой 28 Гц, а ее гармоники равны 57 Гц, 85 Гц и 114 Гц.

Если длина стены составляет 3 метра, то основная частота стоячей волны будет равна 55 Гц, а ее производные — 110 Гц, 165 Гц и 220 Гц.

Поэтому на этапе дизайна студии уделите внимание соотношению размеров стен и высоты потолка помещения — они не должны находиться в четкой пропорции, иначе проблем с басом вам не избежать.

Материал подготовил Артем Михайлов

Источник: https://lightsoundnews.ru/akustika-kontrolnoj-komnaty-i-stoyach/

Dan Russell — Волны-7 — Продольные стоячие волны

?

Categories: Перевод страницы

Стоячие звуковые волны (продольные стоячие волны)

Проблема использования статических рисунков при описании продольных стоячих волн

Когда я (Dan Russell) в течение 16 лет преподавал в Kettering University, мне часто мешало то, как изображаются стоячие звуковые волны в трубках в большинстве учебников физики. Даже специализированные учебники по волнам были ненамного лучше. Концепцию стоячих волн студентам преподавали, обсуждая поперечные волны в струне.

Статические изображения стоячих волн на струне, закрепленной с двух концов, студентам интуитивно понятны, потому что статические рисунки стоячих волн прямо соответствуют поперечному движению струны. Так как участок струны двигается вверх и вниз, его смещение нормально описывается статическим рисунком стоячих волн.

Однако звуковые волны – это продольные волны, и движение частиц, связанное со стоячими звуковыми волнами в трубках, направлено вдоль трубки (вперед и назад по оси трубки, или влево-вправо по горизонтали на рисунке).

Сложнее представить себе горизонтальное движение по рисункам вертикального смещения, и это проблема, с которой я столкнулся, анализируя объяснения стоячих звуковых волн, приведенные в учебниках. Стоячие световые волны - Справочник студента

Например, на Figure 6-6 показан рисунок из специализированного учебника (Akira Hirose and Karl E. Lonngren, Fundamentals of Wave Phenomena, 2nd Ed., (SciTech Publishing, 2010). ISBN: 978-1-891121-92-0), которым я пользовался несколько лет, преподавая науку о волнах на физическом факультете. В учебнике говорится, что на рисунке показаны «стоячие волны в трубке», но не понятно, что именно — смещение или давление — показано таким «профилем стоячих волн». В описании к рисунку также упоминается «амплитуда стоячих волн», но опять же нет определения, что такое амплитуда. Правильный ответ в том, что кривые на рисунке – это крайние точки амплитуды горизонтального смещения молекул воздуха при колебаниях стоячей волны в полном цикле, но такая интерпретация не очевидна, когда мы глядим на рисунок, и, конечно, она не вытекает из объяснения к рисунку.

Стоячие световые волны - Справочник студентаВ других учебниках (например, в учебник Prentice Hall, откуда я взял второй рисунок) объяснение более подробное, размещены два набора рисунков, один из которых показывает смещение частиц воздуха, а другой – давление, создаваемое звуковой волной. Однако по рисунку смещения не ясно, что амплитуда смещения — это продольное горизонтальное (слева-направо) движение молекул воздуха.Вот пара сайтов, на которых корректно объясняется, что означают эти картинки (различие между давлением и продольным движением частиц):• PHYS-130 Lecture #19 by Professor Dmitri Pogosian at the University of Alberta• Open vs Closed pipes (Flutes vs Clarinets) from the University of New South Wales, Sydney, AustraliaПытаясь получше объяснить поведение частиц в стоячей звуковой волне в трубе, я создал приведенную ниже анимацию с описанием.

Анимация, которая показывает движение частиц и давление в продольной звуковой волне

Частный пример стоячей волны — это стоячая звуковая волна в трубке, создаваемая поршнем (или громкоговорителем), движущимся слева направо. Эта анимация иллюстрирует пример из учебника Prentice Hall. Поршень на левом конце трубки двигается вперед-назад с частотой, равной девятой гармонике собственной частоты такого «четверть-волнового резонатора».

Я опишу каждый из трех графиков, приведенных на анимации.

Верхняя анимация: реальное движение частиц в стоячих волнах

Частицы, находящиеся сразу справа от поверхности поршня, двигаются вместе с ним вперед-назад. В любом месте трубки частицы колеблются вперед-назад (вправо-влево), при этом они двигаются не все одновременно в одном направлении. Одни частицы смещаются влево, а другие в то же время двигаются вправо.

И, как видите, есть места, где частицы вообще не двигаются (четыре места на этой анимации, если точнее). Я пометил три частицы в трубке красным цветом, чтобы была видна степень их подвижности. Одна красная точка вообще не двигается – она расположена в узле, в месте, в котором амплитуда смещения нулевая.

В самом деле, узел – это линия или плоскость от стенки до стенки трубки. Частицы справа и слева от этого неподвижного узла двигаются по направлению к узлу-от узла или внутрь-наружу от узла. Частицы, двигающиеся в направлении узла, сближаются, и в самом узле плотность частиц максимальная (и давление). По мере удаления от узла плотность частиц снижается (разреженность).

Справа от неподвижной красной частицы есть еще одна красная частица, смещение которой максимально – эта частица расположена в пучности. Отметим, что локальная плотность частиц рядом с пучностью не меняется, так как частицы двигаются вперед-назад. Закрытый конец трубки – это узел смещения; частицы не могут вылететь за него, так что смещение на закрытом конце нулевое.

Поверхность поршня служит пучностью; частицы двигаются с максимальной амплитудой.

Средняя анимация: график, иллюстрирующий продольное смещение частиц

На средней анимации показан график горизонтального смещения частиц воздуха в стоячей волне. Горизонтальная линия на графике означает состояние покоя частицы, положение равновесия.

Области, где график выше линии – это частицы, которые смещаются от положения равновесия вправо, в сторону плюса по оси Х. Области, где график ниже линии равновесия, — это области, где частицы двигаются влево (отрицательное изменение координаты Х).

Места пересечения графика с осью Х – это точки, в которых смещение частиц нулевое.

Нижняя анимация: график давления

На нижней анимации – график меняющегося давления в стоячей волне. Когда локальная плотность частиц повышается выше уровня давления в окружающей среде, изменение давления положительное – это случается, когда частицы двигаются в направлении узла.

Когда локальная плотность частиц ниже уровня давления окружающей среды (падение давления) – это движение частиц от узла.

Если вы сравните эти три анимации, вы увидите, что узлы давления (места, где давление всегда нулевое) совпадают с пучностями смещения: там локальная плотность частиц не меняется, так как частицы двигаются вперед и назад все вместе.

От меня:

Есть некоторое противоречие в понятии «давление». И вот в данном тексте оно прослеживается.

Есть ли давление там, где плотность частиц большая, но они неподвижны? Если их много, но они не бьются о стенки предмета, оказывают ли они давление на него?

Читайте также:  Теории происхождения государства - справочник студента

По закону Бернулли, чем выше скорость движения частиц, тем меньше давление. Здесь же Dan Russell говорит так: скорость частиц в узлах нулевая, а давление скачет вверх-вниз. Кто прав?

Источник: https://marta-inj.livejournal.com/81951.html

Свет – электромагнитная волна. Скорость света. Интерференция света. Стоячие волны

  • Гимназия 144
  • Реферат
  • на тему:
  • Свет – электромагнитная волна.
  • Скорость света.
  • Интерференция света.
  • Стоячие волны.
  • ученика 11а класса
  • Корчагина Сергея
  • Санкт-Петербург 1997.
  • Свет – электромагнитная волна.

В XVII веке возникло две теории света: волновая и корпускулярная. Корпускулярную1[1] теорию предложил Ньютон, а волновую – Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет – волны, распространяющиеся в особой среде – эфире, заполняющем все пространство.

Две теории длительное время существовали параллельно. Когда одна из теорий не объясняла какого-то явления, то оно объяснялось другой теорией. Например, прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории.

Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция2[2] и интерференция3[3], что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет – частный случай электромагнитных волн.

Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Скорость света.

Существует несколько способов определения скорости света: астрономический и лабораторные методы.

Впервые скорость света измерил датский ученый Ремер в 1676 г., используя астрономический метод. Он засекал время которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты. Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного (по астрономическим понятиям) дальше от Юпитера.

В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения.

Зная расстояние и время запаздывания Ио он вычислил скорость света, которая оказалась огромной, примерно 300 000 км/с4[4].

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Физо в 1849 г. Он получил значение скорости света равное 313 000 км/с.

По современным данным, скорость света равна 299 792 458 м/с ±1.2 м/с.

Интерференция света.

Получить картину интерференции световых волн достаточно трудно. Причина этого в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом.

Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства5[5]. Равенства длин волн достичь нетрудно, используя светофильтры.

Но осуществить постоянную разность фаз невозможно, из-за того, что атомы разных источников излучают свет независимо друг от друга6[6].

Тем не менее интерференцию света удается наблюдать. Например, радужный перелив цветов на мыльном пузыре или на тонкой пленке керосина или нефти на воде. Английский ученый Т.

Юнг первым пришел к гениальной мысли, что цвет объясняется сложением волн, одна из которых отражается от наружней поверхности, а другая ¾ от внутренней. При этом происходит интерференция7[7] световых волн.

Результат интерфе­ренции зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны.

Стоячие волны.

Было замечено, что если раскачивать один конец веревки с правильно подобранной частотой (другой ее конец закреплен), то к закрепленному концу побежит непрерывная волна, которая затем отразится с потерей полуволны. Интерференция падающей и отраженной волны приведет к возникновению стоячей волны, которая будет выглядеть неподвижно. Устойчивость этой волны удовлетворякт условию:

L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,

Где L ¾ длина веревки; n ¾ 1,2,3 и т.д.; u ¾ скорость рапространения волны, которая зависит от натяжения веревки.

Стоячие волны возбуждаются во всех телах способных совершать колебания.

Образование стоячих волн является резонансным явлением, которое происходит на резонансных или собственных частотах тела. Точки, где интерференция гасится, называют узлами, а точки, где интерференция усиливается, ¾ пучностями.

Оглавление и список литературы.

Свет ¾ электромагнитная волна……………………………………..2

  1. Скорость света…………………………………………………………2
  2. Интерференция света………………………………………………….3
  3. Стоячие волны…………………………………………………………3
  1. 1.     Физика 11 (Г.Я.Мякишев Б.Б.Ьуховцев)

  1. 2.     Физика 10 (Н.М.Шахмаев С.Н.Шахмаев)

  1. 3.     Опорные конспекты и тестовые задания (Г.Д.Луппов)

Стоячие световые волны - Справочник студента

  • 1[1] Латинское слово «корпускула» в переводе на русский язык означает «частица».
  • 2[2] Огибание светом препятствий.
  • 3[3] Явление усиления или ослабления света при наложении световых пучков.
  • 4[4] Сам Ремер получил значение 215 000 км/с.
  • 5[5] Волны, имеющие одинаковые длины и постоянную разность фаз называются когерентными.
  • 6[6] Исключением являются лишь квантовые источники света ¾ лазеры.
  • 7[7] Сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Источник: https://studizba.com/files/show/doc/161547-1-149925.html

Свет. Световые волны

Оглавление:

Появление корпускулярной и волновой теории света….…………..2

Измерение скорости света ……………………………………………2

Явление интерференции света….…………………………………….3

Стоячие волны…………………………………………………………3

Появление корпускулярной и волновой теории света.

Закономерности некоторых оптических явлений были установлены еще в древности. Например уже в третьем веке до н. э. были известны законы прямолинейного распространения света, закон независимости световых пучков и законы зеркального отражения.

Вопрос о природе света тоже давно интересовал человека. Некоторые предложения о том, что собой представляет свет высказывали еще древнегреческие ученые.

Однако никаких заслуживающих нашего внимания представлений о природе света в те времена не возникло.

В конце семнадцатого века Снеллиусом и Декартом были установлены законы преломления света, которые в последствии сыграли большую роль в развитии взглядов на природу света.

Первые теории света – корпускулярная и волновая – появились почти одновременно в середине семнадцатого века.

Создателем корпускулярной теории света был Ньютон, считавший свет потоком различного вида частиц (корпускул), испускаемых светящимся телом и движущихся в пространстве прямолинейно.

Согласно Ньютону, каждый вид корпускул, попавший в глаз человека, вызывает у него ощущение определенного цвета. На основе корпускулярной теории легко объясняются законы прямолинейного распространения света и законы отражения.

Во времена Ньютона скорость света в различных средах еще не была определена. Поэтому выводы, вытекающие из корпускулярной теории света Ньютона, не могли быть экспериментально проверены.

Гипотеза о волновой природе света была впервые высказана Гуком, а ее разработка была сделана Гюйгенсом.

Гюйгенс считал, что свет представляет собой упругие волны, распространяющиеся в особой среде – эфире, который заполняет все пространство и проникает внутрь любых тел.

Исходя из волновых представлений о свете, Гюйгенс теоретически обосновал законы зеркального отражения и законы преломления света, а так же явление двойного лучепреломления.

Измерение скорости света.

Для измерения скорости света используют два способа: лабораторный и астрономический.

Лабораторным методом скорость света была измерена в 1849 г французским физиком Физо.

Его исследования показали, что скорость света равна 313 000 км/с, а в 1850 году Фуко экспериментальным путем определил скорость света в воде и доказал, что она в 1,33 раза меньше, чем в воздухе.

Тем самым был подтвержден вывод, вытекающий из волновой теории света. Это способствовало утверждению волновых представлений о свете.

В 1676 г датский ученый Ремер впервые измерил скорость света астрономическим методом. В своих измерениях он измерял время, которое один из спутников Юпитера находился в тени этой планеты. Ремер провел этот опыт несколько раз. В каждом опыте расстояние между Юпитером и Землей было разным.

В одном из опытов промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут, а в другом спутник опоздал на 22 минуты, т. е. свету необходимо это время, чтобы преодолеть расстояние от одного места наблюдения до другого.

Зная расстояние и время запаздывания спутника Ремер вычислил скорость света, которая составила около 300 000 км/с.

Явление интерференции света.

Интерференция света имеет место при наложении двух или нескольких когерентных световых волн ( волны и их источники являются когерентными, если они имеют одинаковую частоту).

При этом в точках пространства происходит перераспределение энергии световых волн так, что в пространстве устанавливается независящая от времени картина перераспределения энергии волн или интерференция световых волн.

При этом в каких-то точках пространства реализуется максимум энергии, а в каких-то минимум.

Чтобы наблюдать интерференцию в любой точка пространства необходимо, чтобы у двух или нескольких световых волн были одинаковые длины волн и постоянная разность фаз в любой точке пространства.

В повседневной жизни интерференцию можно наблюдать на тонкой пленке бензина, масла, нефти, на мыльном пузыре.

Стоячие волны.

Стоячие волны это частный случай интерференции волн.

Стоячие волны образуются при наложении двух бегущих волн, имеющих одинаковые амплитуды и частоты и распространяются в пространстве в противоположных направлениях.

Возникновение стоячих волн это резонансное явление. Стоячие волны возбуждаются во всех телах способных совершать колебания.

Места интерференционной картины, где наблюдается минимум интерференции называются узлами, а где наблюдают максимум интерференции называют пучностью.

Источник: https://studyport.ru/referaty/tehnika/6117-svet-svetovye-volny

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика

На главную страницу | Общая физика

Предисловие

Глава I. Введение

  • § 1. Предмет оптики
  • § 2. Геометрическая оптика
  • § 3. Эволюция представлений о природе света
  • § 4. Искривление световых лучей в неоднородных средах
  • § 5. Плоские электромагнитные волны
  • § 6. Предельный переход от волновой оптики к геометрической
  • § 7. Принцип Ферма
  • § 8. Групповая скорость

Глава II. Геометрическая теория оптических изображений

§ 9. Понятие оптического изображения

§ 10. Преломление на сферической поверхности. Сферические зеркала и тонкие линзы

§ 11. Общие свойства центрированных оптических систем

§ 12. Сложение центрированных систем. Толстые линзы

§ 13. Ограничение лучей при помощи диафрагм

§ 14. Астигматические пучки лучей. Каустика

  1. § 15. Геометрические аберрации центрированных систем
  2. § 16. Хроматическая аберрация
  3. § 17. Условие отсутствия дисторсии
  4. § 18. Условие синусов Аббе

§ 19. Теорема косинусов. Стигматические изображения широкими пучками лучей

  • § 20. Об абсолютных оптических инструментах
  • § 21. Глаз и зрение
  • § 22. Фотометрические понятия и единицы

§ 23. Яркость и освещенность оптического изображения. Нормальное увеличение

§ 24. Оптические инструменты

§ 25. Электрические и магнитные линзы

Глава III. Интерференция света

§ 26. Общие сведения об интерференции

§ 27. Классические интерференционные опыты

§ 28. Влияние размеров источника света. Пространственная когерентность

  1. § 29. Спектральное разложение
  2. § 30. Влияние немонохроматичности света
  3. § 31. Корреляция и когерентность света
  4. § 32. Теорема Ван-Циттера — Цернике
  5. § 33. Интерференция в пленках и пластинках
  6. § 34. Интерферометр Жамена
  7. § 35. Интерферометр Майкельсона
  8. § 36. Многолучевая интерференция
  9. § 37. Стоячие световые волны
  10. § 38. Излучение Вавилова — Черенкова

Глава IV. Дифракция света

§ 39. Принцип Гюйгенса—Френеля. Зоны Френеля

§ 40. Дифракция на оси от круглого отверстия и экрана Зонная пластинка

§ 41. Метод Френеля решения дифракционных задач. Дифракция Фраунгофера и Френеля

  • § 42. Зоны Шустера и спираль Корню
  • § 43. Принцип Гюйгенса в формулировке Кирхгофа
  • § 44. Дифракция Фраунгофера на щели
  • § 45. Дифракция Фраунгофера на отверстиях
  • § 46. Дифракционная решетка
  • § 47. Дифракционная решетка как спектральный прибор
  • § 48. Эшелон Майкельсона и интерференционные спектральные приборы
  • § 49. Разрешающая способность призмы
  • § 50. Действие спектрального аппарата на световые импульсы
  • § 51. Вогнутая отражательная решетка
  • § 52. Дифракция на решетке как краевая задача
  • § 53. Примеры на применение метода Рэлея
  • § 54. Голография
  • § 55. Световое поле вблизи фокуса
  • § 56. Разрешающая способность телескопа и микроскопа
  • § 57. Теория и демонстрационные опыты Аббе

§ 58. Телескоп без объектива. Получение изображении с помощью малых отверстий

§ 59. Фазовый контраст

§ 60. Измерение угловых диаметров звезд

§ 61. Дифракция на двумерных и трехмерных решетках. Дифракция рентгеновских лучей

Глава V. Отражение и преломление света

  1. § 62. Поляризованный и естественный свет
  2. § 63. Число независимых граничных условий в электромагнитной теории света
  3. § 64. Геометрические законы отражения и преломления волн
  4. § 65. Формулы Френеля
  5. § 66. Полное отражение

§ 67. Прохождение света через плоскопараллельную пластинку. Просветление оптики

  • § 68. Распространение света в среде с точки зрения молекулярной оптики
  • § 69. Вывод формул Френеля в молекулярной оптике
  • § 70. Отступление от формул Френеля

Глава VI. Оптика металлов

§ 71. Уравнения Максвелла и волны в металлах

§ 72. Геометрические законы отражения и преломления света на границе металла

§ 73. Формулы Френеля. Измерение оптических констант металлов

§ 74. Аномальный скин-эффект и эффективная диэлектрическая проницаемость

Глава VII. Кристаллооптика

  1. § 75. Плоские волны в кристаллах
  2. § 76. Оптически одноосные кристаллы
  3. § 77. Поляризационные устройства
  4. § 78. Анализ поляризованного света
  5. § 79. Интерференция поляризованных лучей
  6. § 80.

    Нормальные скорости и поляризация волн в двуосных кристаллах

  7. § 81. Лучи, волновые нормали и связь между ними
  8. § 82. Коническая рефракция
  9. § 83.

    Замечания об отражении и преломлении света на границе кристаллов

Глава VIII. Молекулярная оптика

  • § 84. Классическая теория дисперсии света
  • § 85. Понятие о дисперсионной формуле квантовой механики
  • § 86. Методы экспериментального исследования аномальной дисперсии
  • § 87. Дисперсия плазмы
  • § 88. Средняя плотность электромагнитной энергии ч диспергирующих средах
  • § 89. Поглощение света и уширение спектральных линий
  • § 90. Двойное преломление в электрическом и магнитном полях
  • § 91. Линейный электрооптический аффект Поккельса
  • § 92. Эффект Зеемаиа
  • § 93. Понятие об эффекте Штарка
  • § 94. Вращение плоскости поляризации
  • § 95. Магнитное вращение плоскости поляризации

§ 96. Временная и пространственная дисперсия.

Теория естественной оптической активности

  1. § 97. О тепловых флуктуациях
  2. § 98. Рассеяние света
  3. § 99. Явление Мандельштама — Бриллюэна
  4. § 100. Комбинационное рассеяние света

Глава IX. Теория относительности

  • § 101. Принцип относительности в ньютоновской и релятивистской механике
  • § 102. Опыт Майкельсона
  • § 103. Независимость скорости света от движения источника
  • § 104. Понятие одновременности
  • § 105. Преобразование координат и времени в теории относительности
  • § 106. Лорентцово сокращение длины и замедление времени
  • § 107. Эффект Допплера и аберрация света
  • § 108. Эффект Допплера в акустике и теории эфира
  • § 109. Замедление хода часов в гравитационном поле
  • § 110. Сложение скоростей в теории относительности
  • § 111. Релятивистская механика

Глава X. Тепловое излучение

  1. § 112. Равновесное излучение в полости
  2. § 113. Закон Кирхгофа
  3. § 114. Формула Кирхгофа—Клаузиуса
  4. § 115. Закон Стефана—Больцмана
  5. § 116. Теорема и закон смещения Вина
  6. § 117. Формула Рэлея—Джинса
  7. § 118. Формула Планка
  8. § 119. Спонтанное и индуцированное излучение

Глава XI. Лазеры и нелинейная оптика

  • § 120. Принципы работы лазера
  • § 121. Рубиновый лазер
  • § 122. Гелий-неоновый лазер
  • § 123. Нелинейная поляризация среды

§ 124. Первое приближение. Оптическое детектирование. Генерация вторых гармоник, суммарной и разностной частот

§ 125. Второе приближение. Самофокусировка

  1. § 126. Параметрическая генерация света
  2. Именной указатель
  3. Предметный указатель
  4. Оглавление
  5. На главную страницу | Общая физика

Используются технологии uCoz

Источник: http://alexandr4784.narod.ru/sdvop4.html

Ссылка на основную публикацию