Artikel ini membahas fenomena fisika seperti interferensi: apa itu, kapan itu terjadi, dan bagaimana penerapannya. Ini juga menjelaskan secara rinci konsep terkait fisika gelombang - difraksi.

Jenis gelombang

Ketika kata "gelombang" muncul dalam sebuah buku atau dalam percakapan, maka, sebagai suatu peraturan, laut segera muncul: hamparan biru, jarak yang sangat jauh, satu demi satu, poros asin mengalir ke pantai. Penghuni stepa akan membayangkan pemandangan yang berbeda: hamparan rumput tanpa batas, bergoyang di bawah angin sepoi-sepoi. Orang lain akan mengingat ombak, melihat lipatan tirai tebal atau mengibarkan bendera di hari yang cerah. Seorang ahli matematika akan memikirkan sinusoida, seorang pecinta radio akan memikirkan osilasi elektromagnetik. Semuanya memiliki sifat yang berbeda dan termasuk dalam spesies yang berbeda. Tetapi satu hal yang tidak dapat disangkal: gelombang adalah keadaan penyimpangan dari keseimbangan, transformasi semacam hukum "halus" menjadi hukum berosilasi. Bagi mereka fenomena seperti interferensi dapat diterapkan. Apa itu dan bagaimana itu muncul, kami akan mempertimbangkannya nanti. Pertama, mari kita lihat apa itu gelombang. Kami daftar jenis berikut:

• mekanis;
• bahan kimia;
• elektromagnetik;
• gravitasi;
• putaran;
• probabilistik.

Dari sudut pandang fisika, gelombang membawa energi. Tetapi kebetulan massa juga bergerak. Menjawab pertanyaan tentang interferensi apa yang ada dalam fisika, perlu dicatat bahwa itu adalah karakteristik gelombang dengan sifat apa pun.

Tanda Perbedaan Gelombang

Anehnya, tetapi tidak ada definisi tunggal tentang gelombang. Spesies mereka sangat beragam sehingga ada lebih dari selusin jenis klasifikasi saja. Bagaimana membedakan gelombang?

1. Menurut metode distribusi di lingkungan (berlari atau berdiri).
2. Berdasarkan sifat gelombang itu sendiri (osilasi dan soliton berbeda justru atas dasar ini).
3. Menurut jenis distribusi dalam medium (membujur, melintang).
4. Berdasarkan derajat linieritas (linier atau non-linier).
5. Menurut sifat-sifat media tempat mereka merambat (diskrit, kontinu).
6. Berbentuk (datar, bulat, spiral).
7. Menurut fitur media propagasi fisik (mekanik, elektromagnetik, gravitasi).
8. Dalam arah osilasi partikel medium (kompresi atau gelombang geser).
9. Dengan waktu yang dibutuhkan untuk menggairahkan medium (tunggal, monokromatik, paket gelombang).

Dan interferensi berlaku untuk semua jenis gangguan medium ini. Apa yang istimewa dari konsep ini dan mengapa fenomena ini membuat dunia kita seperti ini, akan kami jelaskan setelah memberikan karakteristik gelombang.

Karakteristik gelombang

Terlepas dari jenis dan jenis gelombang, semuanya memiliki karakteristik yang sama. Berikut daftarnya:

1. Sisir adalah jenis yang maksimal. Untuk gelombang kompresi, ini adalah tempat kepadatan tertinggi medium. Merupakan deviasi positif terbesar dari osilasi dari keadaan setimbang.
2. Sebuah cekungan (dalam beberapa kasus lembah) adalah kebalikan dari punggung bukit. Minimum, deviasi negatif terbesar dari keadaan ekuilibrium.
3. Periodisitas temporal, atau frekuensi, adalah waktu yang diperlukan gelombang untuk bergerak dari satu ketinggian ke ketinggian berikutnya.
4. Periodisitas spasial, atau panjang gelombang, adalah jarak antara puncak yang berdekatan.
5. Amplitudo adalah ketinggian puncak. Definisi inilah yang akan diperlukan untuk memahami apa itu interferensi gelombang.

Kami memeriksa gelombang dengan sangat rinci, karakteristiknya dan berbagai klasifikasi, karena konsep "gangguan" tidak dapat dijelaskan tanpa pemahaman yang jelas tentang fenomena seperti gangguan medium. Kami mengingatkan Anda bahwa interferensi hanya masuk akal untuk gelombang.

Interaksi gelombang

Sekarang kita telah mendekati konsep "gangguan": apa itu, kapan itu terjadi dan bagaimana mendefinisikannya. Semua jenis, jenis dan karakteristik gelombang yang tercantum di atas mengacu pada kasus ideal. Ini adalah deskripsi dari "kuda bulat dalam ruang hampa", yaitu, beberapa konstruksi teoretis yang tidak mungkin terjadi di dunia nyata. Namun dalam praktiknya, seluruh ruang di sekitarnya diresapi dengan berbagai gelombang. Cahaya, suara, panas, radio, proses kimia adalah media. Dan semua gelombang ini berinteraksi. Satu fitur harus diperhatikan: agar mereka dapat saling mempengaruhi, mereka harus memiliki karakteristik yang sama.

Gelombang suara tidak dapat mengganggu cahaya dengan cara apa pun, dan gelombang radio tidak dapat berinteraksi dengan angin dengan cara apa pun. Tentu saja, pengaruhnya masih ada, tetapi sangat kecil sehingga pengaruhnya tidak diperhitungkan. Dengan kata lain, ketika menjelaskan apa itu interferensi cahaya, diasumsikan bahwa satu foton mempengaruhi foton lainnya ketika bertemu. Jadi, lebih detail.

Gangguan

Untuk banyak jenis gelombang, prinsip superposisi bekerja: ketika mereka bertemu di satu titik dalam ruang, mereka berinteraksi. Pertukaran energi ditampilkan pada perubahan amplitudo. Hukum interaksi adalah sebagai berikut: jika dua maxima bertemu pada satu titik, maka pada gelombang terakhir intensitas dari maksimum ganda; jika maksimum dan minimum bertemu, maka amplitudo yang dihasilkan menghilang. Ini adalah jawaban yang jelas untuk pertanyaan tentang apa itu interferensi cahaya dan suara. Intinya, ini adalah fenomena superimposisi.

Interferensi gelombang dengan karakteristik yang berbeda

Peristiwa yang dijelaskan di atas merupakan pertemuan dua gelombang identik dalam ruang linier. Namun, dua gelombang counterpropagating dapat memiliki frekuensi, amplitudo, dan panjang yang berbeda. Bagaimana cara menyajikan gambaran akhir dalam kasus ini? Jawabannya terletak pada kenyataan bahwa hasilnya tidak akan persis seperti gelombang. Artinya, urutan ketat pergantian maxima dan minima akan dilanggar: pada titik tertentu amplitudo akan maksimum, pada titik berikutnya akan lebih kecil, maka maksimum dan minimum akan bertemu dan hasilnya akan menjadi nol. Namun, tidak peduli seberapa kuat perbedaan antara kedua gelombang, amplitudo akan tetap berulang cepat atau lambat. Dalam matematika, merupakan kebiasaan untuk berbicara tentang tak terhingga, tetapi dalam kenyataannya, gaya gesekan dan inersia dapat menghentikan keberadaan gelombang yang dihasilkan sebelum pola puncak, lembah dan dataran terulang.

Interferensi pertemuan gelombang membentuk sudut

Namun, selain karakteristiknya sendiri, gelombang nyata dapat memiliki posisi yang berbeda di ruang angkasa. Misalnya, ketika mempertimbangkan apa itu interferensi suara, ini harus diperhitungkan. Bayangkan: seorang anak laki-laki sedang berjalan dan meniup peluit. Ini mengirimkan gelombang suara ke depan. Dan anak laki-laki lain yang bersepeda melewatinya dan membunyikan bel agar pejalan kaki itu menyingkir. Pada titik pertemuan dua gelombang suara ini, mereka berpotongan di beberapa sudut. Bagaimana cara menghitung amplitudo dan bentuk fluktuasi akhir udara, yang akan mencapai, misalnya, penjual benih terdekat dari nenek Masha? Di sinilah komponen vektor gelombang suara berperan. Dan dalam hal ini, perlu untuk menambah atau mengurangi tidak hanya besarnya amplitudo, tetapi juga vektor propagasi dari osilasi ini. Kami berharap Nenek Masha tidak akan terlalu banyak berteriak pada orang-orang yang ribut.

Interferensi cahaya dengan polarisasi yang berbeda

Itu juga terjadi bahwa foton dari polarisasi yang berbeda bertemu pada satu titik. Dalam hal ini, komponen vektor osilasi elektromagnetik juga harus diperhitungkan. Jika tidak saling tegak lurus atau salah satu berkas cahaya memiliki polarisasi lingkaran atau elips, maka interaksi sangat mungkin terjadi. Beberapa metode untuk menentukan kemurnian optik kristal didasarkan pada prinsip ini: seharusnya tidak ada interaksi dalam balok terpolarisasi tegak lurus. Jika gambar terdistorsi, maka kristal tidak ideal, itu mengubah polarisasi balok, yang berarti tidak tumbuh dengan benar.

Interferensi dan difraksi

Interaksi dua berkas cahaya menyebabkan interferensi mereka, akibatnya pengamat melihat sejumlah pita atau cincin terang (maksima) dan gelap (minimum). Tetapi interaksi cahaya dan materi disertai dengan fenomena lain - difraksi. Hal ini didasarkan pada fakta bahwa cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda dibiaskan secara berbeda oleh medium. Misalnya, jika panjang gelombang 300 nanometer, maka sudut defleksi adalah 10 derajat, dan jika 500 nanometer, itu sudah 12. Jadi, ketika cahaya dari sinar matahari jatuh pada prisma kuarsa, merah dibiaskan berbeda dari ungu (panjang gelombangnya berbeda), dan pengamat melihat pelangi. Ini adalah jawaban atas pertanyaan tentang apa itu interferensi dan difraksi cahaya dan bagaimana perbedaannya. Jika radiasi monokromatik dari laser diarahkan ke prisma yang sama, tidak akan ada pelangi, karena tidak ada foton dengan panjang gelombang yang berbeda. Hanya saja berkas akan menyimpang dari arah rambat asal dengan sudut tertentu, dan hanya itu.

Penerapan fenomena interferensi dalam praktik

Ada banyak peluang untuk mendapatkan manfaat praktis dari fenomena teoretis murni ini. Hanya yang utama yang akan dicantumkan di sini:

1. Studi kualitas kristal. Kami membicarakan hal ini sedikit lebih tinggi.
2. Identifikasi kesalahan lensa. Seringkali mereka harus digiling menjadi bentuk bola yang sempurna. Kehadiran cacat apa pun dideteksi secara tepat dengan bantuan fenomena interferensi.
3. Penentuan ketebalan film. Dalam beberapa jenis produksi, ketebalan film yang konstan, seperti plastik, sangat penting. Justru fenomena interferensi bersama difraksi yang memungkinkan untuk menentukan kualitasnya.
4. Penerangan optik. Kacamata, lensa kamera dan mikroskop ditutupi dengan film tipis. Dengan demikian, gelombang elektromagnetik dengan panjang tertentu hanya dipantulkan dan ditumpangkan pada dirinya sendiri, mengurangi interferensi. Paling sering, pencerahan dilakukan di bagian hijau dari spektrum optik, karena area inilah yang paling terlihat oleh mata manusia.
5. Eksplorasi luar angkasa. Mengetahui hukum interferensi, para astronom dapat memisahkan spektrum dua bintang yang berjarak dekat dan menentukan komposisi dan jaraknya dari Bumi.
6. Penelitian teoritis. Dulu, dengan bantuan fenomena interferensi, sifat gelombang partikel elementer dapat dibuktikan, seperti elektron dan proton. Ini mengkonfirmasi hipotesis dualisme gelombang sel dari dunia mikro dan meletakkan dasar bagi era kuantum.

Kami berharap dengan artikel ini, pengetahuan Anda tentang superposisi gelombang koheren (dipancarkan oleh sumber yang memiliki perbedaan fase konstan dan frekuensi yang sama) telah berkembang secara signifikan. Fenomena ini disebut interferensi.

Sifat gelombang cahaya. Pada abad ke-17, ilmuwan Belanda Christian Huygens mengemukakan bahwa cahaya memiliki sifat gelombang. Jika ukuran benda sebanding dengan panjang gelombang, maka cahaya seolah-olah masuk ke daerah bayangan dan batas bayangan menjadi kabur. Fenomena ini tidak dapat dijelaskan dengan perambatan cahaya bujursangkar. Idenya bertentangan dengan pernyataan I. Newton bahwa cahaya adalah aliran partikel, tetapi sifat gelombang cahaya secara eksperimental dikonfirmasi dalam fenomena seperti interferensi dan difraksi.

Fenomena gelombang ini dapat dijelaskan dengan menggunakan dua konsep: prinsip Huygens dan koherensi cahaya.

prinsip Huygens.Prinsip Huygens adalah sebagai berikut: setiap titik muka gelombang dapat dianggap sebagai sumber sekunder gelombang elementer yang merambat ke arah semula dengan kecepatan gelombang primer. Dengan demikian, gelombang primer dapat dianggap sebagai jumlah dari gelombang dasar sekunder. Menurut prinsip Huygens, posisi baru muka gelombang dari gelombang primer bertepatan dengan kurva amplop dari gelombang sekunder dasar (Gbr. 11.20).

Beras. 11.20. prinsip Huygens.

Koherensi. Untuk terjadinya difraksi dan interferensi, kondisi kekonstanan beda fasa gelombang cahaya dari sumber cahaya yang berbeda harus diperhatikan:

Gelombang yang beda fasanya tetap disebut koheren.

Fase gelombang adalah fungsi jarak dan waktu:

Syarat utama koherensi adalah kekonstanan frekuensi cahaya. Namun, cahaya tidak sepenuhnya monokromatik dalam kenyataan. Oleh karena itu, frekuensi, dan, akibatnya, perbedaan fase cahaya mungkin tidak bergantung pada salah satu parameter (baik pada waktu atau jarak). Jika frekuensi tidak bergantung pada waktu, koherensi disebut sementara, dan kapan tidak tergantung pada jarak - spasial. Dalam praktiknya, sepertinya pola interferensi atau difraksi pada layar tidak berubah terhadap waktu (dengan koherensi temporal), atau dipertahankan saat layar bergerak dalam ruang (dengan koherensi spasial).

Gangguan ringan. Pada tahun 1801, fisikawan, dokter, dan astronom Inggris T. Jung (1773 - 1829) menerima konfirmasi yang meyakinkan tentang sifat gelombang cahaya dan mengukur panjang gelombang cahaya. Skema pengalaman Young ditunjukkan pada Gambar 11.21. Alih-alih dua garis yang diharapkan jika cahaya adalah partikel, dia melihat serangkaian pita bergantian. Hal ini dapat dijelaskan dengan mengasumsikan bahwa cahaya adalah gelombang.

Gangguan ringan disebut fenomena superposisi gelombang. Interferensi cahaya dicirikan oleh pembentukan pola interferensi stasioner (konstan dalam waktu) - pergantian teratur dalam ruang area dengan intensitas cahaya yang meningkat dan berkurang, yang dihasilkan dari superposisi gelombang cahaya yang koheren, mis. gelombang yang frekuensinya sama, beda fasanya tetap.

Praktis tidak mungkin untuk mencapai perbedaan konstan dalam fase gelombang dari sumber independen. Oleh karena itu, metode berikut biasanya digunakan untuk mendapatkan gelombang cahaya yang koheren. Cahaya dari satu sumber entah bagaimana dibagi menjadi dua atau lebih sinar dan, setelah mengirimkannya melalui jalur yang berbeda, mereka kemudian disatukan. Pola interferensi yang diamati pada layar tergantung pada perbedaan antara jalur gelombang ini.

Kondisi interferensi maxima dan minima. Superposisi dua gelombang dengan frekuensi yang sama dan perbedaan fase yang konstan mengarah ke tampilan di layar, misalnya, ketika cahaya mengenai dua celah, pola interferensi - pergantian garis-garis terang dan gelap di layar. Alasan munculnya pita cahaya adalah superposisi dua gelombang sedemikian rupa sehingga dua maxima ditambahkan pada titik tertentu. Ketika maksimum dan minimum gelombang ditumpangkan pada titik tertentu, mereka saling mengimbangi dan pita gelap muncul. Gambar 11.22a dan 11.22b menggambarkan kondisi pembentukan minimum dan maksimum intensitas cahaya pada layar. Untuk menjelaskan fakta-fakta ini pada tingkat kuantitatif, kami memperkenalkan notasi: adalah perbedaan lintasan, d adalah jarak antara dua celah, adalah panjang gelombang cahaya. Dalam hal ini, kondisi maksimum, yang diilustrasikan pada Gambar 11.22b, mewakili multiplisitas perbedaan lintasan dan panjang gelombang cahaya:

Hal ini akan terjadi jika osilasi tereksitasi di titik M oleh kedua gelombang terjadi dalam fasa yang sama dan beda fasa adalah:

dimana m=1, 2, 3, ….

Kondisi munculnya minima di layar mewakili multiplisitas setengah gelombang cahaya:

(11.4.5)

Dalam hal ini, osilasi gelombang cahaya yang dieksitasi oleh kedua gelombang koheren di titik M pada Gambar 11.22a akan terjadi pada antifase dengan beda fasa:

(11.4.6)

Beras. 11.21. Syarat pembentukan minima dan maksima dari pola interferensi

Contoh interferensi adalah interferensi pada film tipis. Diketahui bahwa jika Anda menjatuhkan bensin atau minyak ke air, noda berwarna akan terlihat. Ini disebabkan oleh fakta bahwa bensin atau minyak membentuk lapisan tipis di atas air. Bagian dari cahaya dipantulkan dari permukaan atas, dan bagian lain dari permukaan bawah - antarmuka antara dua media. Gelombang ini koheren. Sinar yang dipantulkan dari permukaan atas dan bawah film (Gbr. 11.22) berinterferensi, membentuk maxima dan minima. Dengan demikian, pola interferensi muncul pada film tipis. Perubahan ketebalan lapisan bensin atau minyak pada permukaan air menyebabkan perubahan perbedaan jalur untuk gelombang dengan panjang yang berbeda dan, akibatnya, perubahan warna garis.

Beras. 11.22 Interferensi dalam film tipis

Salah satu pencapaian terpenting dalam penggunaan interferensi adalah penciptaan instrumen ultra-presisi untuk mengukur jarak - interferometer Michelson(gbr.11.24). Cahaya monokromatik datang pada cermin semitransparan yang terletak di tengah pola, yang membelah berkas. Satu berkas cahaya dipantulkan dari cermin tetap, terletak di bagian atas Gambar 11.23, yang kedua dari cermin bergerak, terletak di sebelah kanan pada Gambar 11.23. Kedua berkas kembali ke titik pengamatan, saling mengganggu pada perekam interferensi gelombang cahaya. Pergeseran cermin bergerak sebesar seperempat gelombang mengarah pada penggantian pita terang dengan pita gelap. Akurasi pengukuran jarak yang dicapai dalam hal ini adalah 10 -4 mm. Ini adalah salah satu metode paling akurat untuk mengukur ukuran besaran mikroskopis, yang memungkinkan Anda mengukur jarak dengan akurasi yang sebanding dengan panjang gelombang cahaya.

Penyesuaian instalasi modern berteknologi tinggi, misalnya, elemen Large Hadron Collider di CERN, berlangsung dengan akurasi hingga panjang gelombang cahaya.

Beras. 11.23. interferometer Michelson

Difraksi. Penemuan eksperimental fenomena difraksi adalah konfirmasi lain dari validitas teori gelombang cahaya.

Di Paris Academy of Sciences pada tahun 1819, A. Fresnel mempresentasikan teori gelombang cahaya, yang menjelaskan fenomena difraksi dan interferensi. Menurut teori gelombang, difraksi cahaya pada piringan buram harus mengarah pada munculnya titik terang di tengah piringan, karena perbedaan jalur sinar di tengah piringan adalah nol. Eksperimen mengkonfirmasi asumsi ini (Gbr. 11.24). Menurut teori Huygens, titik-titik pada tepi piringan merupakan sumber gelombang cahaya sekunder, dan mereka koheren satu sama lain. Oleh karena itu, cahaya memasuki daerah di belakang piringan.

Difraksi disebut fenomena pembelokan gelombang di sekitar rintangan. Jika panjang gelombangnya besar, maka gelombang tersebut tampaknya tidak memperhatikan hambatan. Jika panjang gelombang sebanding dengan ukuran penghalang, maka pada layar batas bayangan dari penghalang akan kabur.

Beras. 11.24. Difraksi pada disk buram

Difraksi cahaya oleh celah tunggal menghasilkan munculnya pita terang dan pita gelap yang berselang-seling. Selain itu, kondisi minimum pertama memiliki bentuk (Gbr. 11.25):

di mana adalah panjang gelombang, d adalah ukuran celah.

Gambar yang sama menunjukkan ketergantungan intensitas cahaya pada sudut deviasi dari arah bujursangkar.

Beras. 11.25. Syarat terbentuknya 1 maksimum.

Contoh sederhana difraksi dapat diamati sendiri, jika Anda melihat bola lampu ruangan melalui celah kecil di telapak tangan Anda atau melalui lubang jarum, maka kita akan melihat lingkaran multi-warna konsentris di sekitar sumber cahaya.

Berdasarkan penggunaan fenomena difraksi bekerja spektroskop- perangkat untuk pengukuran panjang gelombang yang sangat akurat menggunakan kisi difraksi (Gbr. 11.26).

Beras. 11.26. Spektroskop.

Spektroskop ditemukan oleh Josef Fraunhofer pada awal abad ke-19. Di dalamnya, cahaya yang melewati celah dan lensa kolimasi berubah menjadi seberkas tipis sinar sejajar. Cahaya dari sumber masuk ke kolimator melalui celah sempit. Celah tersebut berada pada bidang fokus. Teleskop memeriksa kisi difraksi. Jika sudut pipa bertepatan dengan sudut yang diarahkan ke maksimum (biasanya yang pertama), maka pengamat akan melihat pita terang. Sudut dari lokasi pada layar maksimum pertama menentukan panjang gelombang. Intinya, perangkat ini didasarkan pada prinsip yang diilustrasikan pada Gambar 11.25.

Untuk mendapatkan ketergantungan intensitas cahaya pada panjang gelombang (ketergantungan ini disebut spektrum), cahaya dilewatkan melalui prisma. Di pintu keluarnya, sebagai akibat dari dispersi, cahaya terpecah menjadi komponen-komponen. Dengan bantuan teleskop dimungkinkan untuk mengukur spektrum emisi. Setelah penemuan film fotografi, instrumen yang lebih tepat diciptakan: spektrograf. Bekerja dengan prinsip yang sama seperti spektroskop, ia memiliki kamera, bukan tabung observasi. Pada pertengahan abad kedua puluh, kamera digantikan oleh tabung photomultiplier elektron, yang memungkinkan untuk secara signifikan meningkatkan akurasi dan melakukan analisis real-time.

Fenomena interferensi dan difraksi cahaya menjadi bukti sifat gelombangnya.

gangguan gelombang disebut fenomena superposisi gelombang, di mana penguatan timbal baliknya terjadi di beberapa titik di ruang angkasa dan melemah di titik lain. Pola interferensi konstan-waktu (stasioner) muncul hanya jika gelombang-gelombang dengan frekuensi yang sama dengan perbedaan fase yang konstan ditambahkan. Gelombang demikian dan sumber-sumber yang menggairahkannya disebut koheren.

Interferensi cahaya - salah satu manifestasi dari sifat gelombangnya, terjadi, misalnya, ketika cahaya dipantulkan dalam celah udara tipis antara pelat kaca datar dan lensa plano-cembung. Dalam hal ini, interferensi terjadi ketika gelombang koheren ditambahkan 1 dan 2 dipantulkan dari kedua sisi lapisan udara. Pola interferensi ini, yang berbentuk cincin konsentris, disebut cincin Newton untuk menghormati I. Newton, yang pertama kali menggambarkannya dan menemukan bahwa jari-jari cincin ini untuk cahaya merah lebih besar daripada untuk biru.

Mengingat cahaya adalah gelombang, fisikawan Inggris T. Jung menjelaskan interferensi cahaya sebagai berikut. Insiden sinar pada lensa 0 setelah dipantulkan dari permukaan cembungnya dan dibiaskan menimbulkan dua sinar pantul ( 1 dan 2 ). Dalam hal ini, gelombang cahaya dalam berkas 2 tertinggal di belakang balok 1 pada Dj, dan perbedaan fase Dj tergantung pada jalur "ekstra" yang telah dilalui balok 2 , dibandingkan dengan balok 1 .

Jelas, jika Dj = n l, di mana n adalah bilangan bulat, maka gelombang 1 dan 2 , jika dijumlahkan, akan saling menguatkan dan, dengan melihat lensa pada sudut-sudut ini, kita akan melihat cincin cahaya terang dengan panjang gelombang tertentu. Sebaliknya, jika

di mana n adalah bilangan bulat, maka gelombang 1 dan 2 , menambahkan, akan memadamkan satu sama lain, dan oleh karena itu, melihat lensa dari atas pada sudut seperti itu, kita akan melihat cincin gelap. Dengan demikian, interferensi gelombang menyebabkan redistribusi energi osilasi antara berbagai partikel medium yang berjarak dekat.

Interferensi tergantung pada panjang gelombang, dan oleh karena itu, dengan mengukur jarak sudut antara minima dan maksima yang berdekatan dari pola interferensi, seseorang dapat menentukan panjang gelombang cahaya. Jika interferensi terjadi pada lapisan tipis bensin di permukaan air atau pada lapisan gelembung sabun, maka ini menyebabkan pewarnaan lapisan ini dalam semua warna pelangi. Interferensi digunakan untuk mengurangi pantulan cahaya dari kacamata dan lensa optik, yang disebut pencerahan optik. Untuk melakukan ini, sebuah film dari zat transparan diterapkan pada permukaan kaca dengan ketebalan sedemikian rupa sehingga perbedaan fase gelombang cahaya yang dipantulkan dari kaca dan film adalah .

Difraksi cahaya– pembelokan gelombang cahaya di sekitar tepi rintangan, yang merupakan bukti lain dari sifat gelombang cahaya, pertama kali ditunjukkan oleh T. Jung dalam percobaan ketika gelombang cahaya bidang jatuh pada layar dengan dua celah yang berjarak dekat. Menurut prinsip Huygens, slot dapat dianggap sebagai sumber gelombang koheren sekunder. Oleh karena itu, melewati masing-masing celah, berkas cahaya melebar, dan pola interferensi berupa garis-garis terang dan gelap yang berselang-seling diamati pada layar di wilayah berkas cahaya yang tumpang tindih dari celah. Munculnya pola interferensi dijelaskan oleh fakta bahwa gelombang dari slot ke setiap titik P jarak yang berbeda r 1 dan r 2 lewat di layar, dan perbedaan fase yang sesuai di antara mereka menentukan kecerahan titik R.

Polarisasi cahaya

Polarisasi gelombang cahaya, yang merupakan konsekuensi dari transversalitasnya, berubah pada pemantulan, pembiasan, dan penghamburan cahaya dalam media transparan.

Transversalitas gelombang cahaya adalah salah satu konsekuensi dari teori elektromagnetik J.K. Maxwell dan dinyatakan dalam fakta bahwa vektor-vektor kuat medan listrik yang berosilasi dalam gelombang E dan induksi medan magnet PADA tegak lurus satu sama lain dan terhadap arah rambat gelombang tersebut. Untuk menggambarkan gelombang elektromagnetik, cukup mengetahui bagaimana salah satu dari dua vektor ini berubah, misalnya, E, yang disebut vektor cahaya. Polarisasi cahaya sebutkan orientasi dan sifat perubahan vektor cahaya pada bidang tegak lurus berkas cahaya. Cahaya yang arah osilasi vektor cahayanya teratur disebut terpolarisasi.

Jika, selama perambatan gelombang elektromagnetik, vektor cahaya mempertahankan orientasinya, maka gelombang seperti itu disebut terpolarisasi linier atau pesawat terpolarisasi, dan bidang di mana vektor cahaya berosilasi - bidang getaran. Gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh atom (atau molekul) apa pun dalam satu tindakan radiasi selalu terpolarisasi linier. Sumber cahaya terpolarisasi linier juga laser.

Jika bidang osilasi gelombang elektromagnetik berubah secara konstan dan acak, maka cahaya disebut tidak terpolarisasi. Cahaya alami (matahari, lampu, lilin, dll.) adalah jumlah radiasi dari sejumlah besar atom individu, yang masing-masing pada saat tertentu memancarkan gelombang cahaya terpolarisasi linier. Namun, karena bidang osilasi gelombang cahaya ini berubah secara acak dan tidak terkoordinasi satu sama lain, cahaya total ternyata tidak terpolarisasi. Oleh karena itu, cahaya tak terpolarisasi sering disebut alami.

Jika amplitudo vektor cahaya dalam satu arah lebih besar daripada yang lain, maka cahaya seperti itu disebut terpolarisasi sebagian. Cahaya alami, ketika dipantulkan dari permukaan non-logam (air, kaca, dll.), menjadi terpolarisasi sebagian sehingga amplitudo vektor cahaya dalam arah yang sejajar dengan bidang pemantulan menjadi lebih besar. Pembiasan cahaya alami pada batas dua media juga mengubahnya menjadi terpolarisasi sebagian, tetapi dalam kasus ini, sebagai aturan, amplitudo vektor cahaya dalam arah sejajar dengan bidang pantul menjadi lebih kecil.

Cahaya alami dapat diubah menjadi terpolarisasi linier menggunakan polarizer- perangkat yang mentransmisikan gelombang dengan vektor cahaya hanya pada arah tertentu. Kristal turmalin sering digunakan sebagai polarizer, yang sangat menyerap sinar dengan vektor cahaya tegak lurus terhadap sumbu optik kristal. Oleh karena itu, cahaya alami yang melewati pelat turmalin menjadi terpolarisasi linier dengan vektor listrik yang berorientasi sejajar dengan sumbu optik turmalin.

DEFINISI

gangguan disebut perubahan kerapatan fluks energi rata-rata, yang disebabkan oleh superposisi gelombang.

Atau sedikit berbeda: Interferensi adalah penjumlahan gelombang dalam ruang, dan dalam hal ini, distribusi amplitudo osilasi total yang tidak berubah dalam waktu muncul.

Interferensi gelombang cahaya disebut penambahan gelombang, di mana seseorang dapat mengamati pola amplifikasi atau atenuasi yang stabil terhadap waktu dari total getaran cahaya pada titik spasial yang berbeda. Istilah interferensi diperkenalkan ke dalam ilmu pengetahuan oleh T. Jung.

Kondisi Interferensi

Agar pola interferensi yang stabil terbentuk ketika gelombang ditumpangkan, sumber gelombang harus memiliki frekuensi yang sama dan perbedaan fase yang konstan. Sumber-sumber seperti itu disebut koheren (konsisten). Gelombang koheren disebut gelombang yang diciptakan oleh sumber yang koheren.

Jadi, hanya ketika gelombang koheren ditumpangkan, pola interferensi yang stabil muncul.

Dalam optik, untuk membuat pola interferensi, gelombang koheren menerima:

1. membagi amplitudo gelombang;
2. pembagian muka gelombang.

Kondisi minimal gangguan

Amplitudo osilasi gelombang interferensi pada titik yang ditinjau akan minimal jika perbedaan lintasan () gelombang pada titik ini berisi jumlah ganjil dari setengah panjang gelombang ():

Mari kita asumsikan bahwa itu cocok pada segmen, maka ternyata satu gelombang tertinggal setengah periode di belakang yang lain. Beda fase dari gelombang-gelombang ini ternyata sama, yang berarti bahwa osilasi terjadi pada antifase. Saat menambahkan osilasi seperti itu, amplitudo gelombang total akan sama dengan nol.

Kondisi maksimum interferensi

Amplitudo osilasi gelombang interferensi pada titik yang ditinjau akan maksimum jika perbedaan lintasan () gelombang pada titik ini berisi bilangan bulat panjang gelombang ():

Definisi difraksi

DEFINISI

Penyimpangan gelombang dari rambat dalam garis lurus, pembulatan rintangan oleh gelombang, disebut difraksi.

Kata difraksi dari bahasa latin berarti putus.

Fenomena difraksi dijelaskan dengan menggunakan prinsip Huygens. Gelombang sekunder, yang dipancarkan oleh bagian zat (medium), jatuh di luar tepi rintangan yang ada di jalur gelombang. Menurut teori Fresnel, permukaan gelombang pada setiap momen waktu yang berubah-ubah bukan hanya selubung gelombang sekunder, tetapi juga hasil interferensinya.

Kondisi di mana difraksi terjadi

Difraksi terutama diucapkan ketika ukuran penghalang kurang dari atau sebanding dengan panjang gelombang.

Gelombang alam apapun dapat difraksi, serta mengganggu.

Kondisi minimum intensitas

Ketika gelombang cahaya didifraksikan oleh satu celah pada kejadian sinar normal, kondisi intensitas minimum ditulis sebagai:

di mana a adalah lebar slot; - sudut difraksi; k - jumlah minimum; - panjang gelombang.

Kondisi maksimum intensitas

Ketika gelombang cahaya didifraksikan oleh satu celah pada kejadian sinar normal, kondisi maksimum intensitas ditulis sebagai:

di mana adalah nilai perkiraan sudut difraksi.

Kondisi maksimum intensitas utama selama difraksi pada kisi difraksi

Kondisi maksimum intensitas utama difraksi cahaya pada kisi difraksi pada kejadian sinar normal ditulis:

di mana d adalah periode kisi (konstanta); k adalah jumlah maksimum utama; adalah sudut antara normal ke bidang kisi dan arah gelombang difraksi.

Nilai difraksi

Difraksi tidak memungkinkan untuk memperoleh gambar yang jelas dari benda-benda kecil, karena tidak selalu mungkin untuk mengasumsikan bahwa cahaya merambat secara ketat dalam garis lurus. Akibatnya, gambar bisa buram, dan perbesaran tidak membantu untuk melihat detail suatu objek jika ukurannya sebanding dengan panjang gelombang cahaya. Fenomena difraksi membatasi penerapan hukum optik geometris dan menentukan batas resolusi instrumen optik.

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Latihan

Mengapa tidak mungkin untuk mengamati fenomena interferensi dengan bantuan dua bola lampu listrik?

Keputusan

Jika Anda menyalakan satu lampu listrik, lalu menambahkan yang lain, maka iluminasi akan meningkat, tetapi tidak akan ada pergantian garis-garis gelap dan terang (penerangan minimum dan maksimum). Hal ini dikarenakan gelombang cahaya yang dipancarkan oleh lampu tidak koheren (tidak konsisten). Untuk mendapatkan pola interferensi yang stabil terhadap waktu, gelombang cahaya harus memiliki frekuensi (panjang gelombang) yang sama dan beda fase yang konstan terhadap waktu. Atom sumber cahaya, seperti lampu, memancarkan gelombang secara independen satu sama lain dalam rangkaian yang terpisah. Kereta dari sumber yang berbeda ditumpangkan satu sama lain. Amplitudo osilasi pada titik sembarang dalam ruang berubah secara kacau dalam waktu, tergantung pada perbedaan fase rangkaian gelombang. Distribusi stabil tinggi dan rendah tidak dapat dilihat.

CONTOH 2

Latihan	Seberkas cahaya monokromatik dengan panjang gelombang m jatuh pada kisi difraksi yang tegak lurus permukaannya.Jumlah garis per milimeter kisi tersebut adalah 500. Berapakah orde spektrum tertinggi?
Keputusan	Mari kita membuat gambar.

Gangguan adalah jumlah dari getaran. Akibat interferensi, di beberapa titik di ruang angkasa, amplitudo osilasi meningkat, sementara di titik lain, amplitudo osilasi berkurang. Pola interferensi yang tidak berubah diamati hanya jika perbedaan antara osilasi yang dijumlahkan adalah konstan (mereka koheren ). Jelas, osilasi dengan frekuensi yang sama dapat menjadi koheren. Oleh karena itu, interferensi sering dipelajari monokromatik fluktuasi.

Difraksi- sebut fenomena yang terkait dengan sifat gelombang untuk membelokkan rintangan, yaitu menyimpang dari propagasi bujursangkar.

Gambar di sebelah kanan menunjukkan bagaimana gelombang suara berubah arah setelah melewati lubang di dinding. Menurut prinsip Huygens, daerah 1-5 menjadi sumber sekunder gelombang suara berbentuk bola. Dapat dilihat bahwa sumber sekunder di daerah 1 dan 5 menyebabkan gelombang mengitari rintangan.

Pertanyaan 30.1

gelombang berdiri. Persamaan gelombang berdiri

Jika beberapa gelombang merambat dalam medium, maka osilasi partikel medium menjadi jumlah geometrik dari osilasi yang akan dilakukan partikel selama perambatan masing-masing gelombang secara terpisah. Gelombang tumpang tindih Satu sama lain,tanpa mengganggu(tanpa saling mendistorsi). Itulah apa itu prinsip superposisi gelombang.

Jika dua gelombang yang tiba di sembarang titik dalam ruang memiliki perbedaan fase yang konstan, gelombang tersebut disebut koheren. Ketika gelombang koheren ditambahkan, fenomena interferensi.

Kasus interferensi yang sangat penting diamati ketika dua gelombang bidang yang berpropagasi berlawanan dengan amplitudo yang sama ditumpangkan. Proses osilasi yang dihasilkan disebut gelombang berdiri . Praktis gelombang berdiri muncul ketika dipantulkan dari rintangan.

Mari kita tulis persamaan dua gelombang bidang yang merambat dalam arah yang berlawanan (fase awal):

Ekspresi untuk fase tidak menyertakan koordinat, jadi Anda dapat menulis:

Titik-titik media yang terletak di node tidak berosilasi.

Pembentukan gelombang berdiri diamati ketika gelombang berjalan dan gelombang pantul berinterferensi. Pada batas di mana gelombang dipantulkan, antinode diperoleh jika medium dari mana refleksi terjadi kurang rapat (Gbr. 5.5, sebuah), dan simpul - jika lebih padat (Gbr. 5.5, b).

Jika kita mempertimbangkan gelombang perjalanan , lalu ke arah perambatannya energi ditransfer gerakan osilasi. Kapan sama tidak ada gelombang perpindahan energi yang berdiri , karena gelombang datang dan gelombang pantul dengan amplitudo yang sama membawa energi yang sama dalam arah yang berlawanan.

Soal 32

Gelombang suara.

suara(atau akustik) ombak disebut gelombang elastik yang merambat dalam medium yang frekuensinya berkisar antara 16-20.000 Hz. Gelombang frekuensi ini, yang bekerja pada alat pendengaran manusia, menyebabkan sensasi suara. Gelombang dengan n< 16 Гц (infrasonik) dan n> 20kHz ( ultrasonik) tidak dirasakan oleh organ pendengaran manusia.

Gelombang suara dalam gas dan cairan hanya dapat memanjang, karena media ini elastis hanya terhadap deformasi tekan (tarik). Dalam padatan, gelombang suara dapat bersifat longitudinal dan transversal, karena padatan bersifat elastis terhadap deformasi tekan (tarik) dan geser.

intensitas suara(atau kekuatan suara) adalah nilai yang ditentukan oleh energi rata-rata waktu yang ditransfer oleh gelombang suara per satuan waktu melalui satuan luas yang tegak lurus terhadap arah rambat gelombang:

Satuan intensitas suara dalam SI - watt per meter persegi(L / m 2).

Sensitivitas telinga manusia berbeda untuk frekuensi yang berbeda. Untuk menimbulkan sensasi suara, gelombang harus memiliki intensitas minimum tertentu, tetapi jika intensitas ini melebihi batas tertentu, maka suara tidak terdengar dan hanya menimbulkan rasa sakit. Jadi, untuk setiap frekuensi osilasi, ada yang terkecil (ambang pendengaran) dan terbesar (ambang nyeri) intensitas suara yang mampu menghasilkan persepsi suara. pada gambar. 223 menunjukkan ketergantungan ambang pendengaran dan rasa sakit pada frekuensi suara. Luas daerah antara kedua kurva tersebut adalah daerah pendengaran.

Jika intensitas bunyi merupakan besaran yang secara objektif mencirikan proses gelombang, maka sifat subjektif bunyi yang dikaitkan dengan intensitasnya adalah volume suara, yang tergantung pada frekuensi. Menurut hukum fisiologis Weber - Fechner, dengan meningkatnya intensitas suara, volume meningkat sesuai dengan hukum logaritmik. Atas dasar ini, penilaian obyektif dari kenyaringan suara diperkenalkan sesuai dengan nilai intensitasnya yang terukur:

di mana Saya 0 - intensitas suara pada ambang pendengaran, diambil untuk semua suara yang sama dengan 10 -12 W / m 2. Nilai L ditelepon tingkat intensitas suara dan dinyatakan dalam bels (untuk menghormati penemu telepon Bell). Biasanya menggunakan satuan yang 10 kali lebih kecil, - desibel(dB).

Ciri fisiologis bunyi adalah tingkat volume, yang dinyatakan dalam latar belakang(Latar Belakang). Kerasnya suara pada 1000 Hz (frekuensi nada murni standar) adalah 1 phon jika tingkat intensitasnya adalah 1 dB. Misalnya, kebisingan di kereta bawah tanah dengan kecepatan tinggi sesuai dengan »90 fon, dan bisikan pada jarak 1 m - »20 fon.

Suara nyata adalah hamparan osilasi harmonik dengan serangkaian frekuensi yang besar, yaitu suara memiliki spektrum akustik, yang mungkin padat(dalam interval tertentu ada osilasi dari semua frekuensi) dan diatur(ada fluktuasi frekuensi tertentu yang terpisah satu sama lain).

Suara dicirikan selain kenyaringan oleh tinggi dan timbre. Melempar- kualitas suara, ditentukan oleh seseorang secara subjektif oleh telinga dan tergantung pada frekuensi suara. Saat frekuensi meningkat, nada suara meningkat, yaitu, suara menjadi "lebih tinggi". Sifat spektrum akustik dan distribusi energi antara frekuensi tertentu menentukan orisinalitas sensasi suara, yang disebut timbre suara. Jadi, penyanyi yang berbeda yang memainkan nada yang sama memiliki spektrum akustik yang berbeda, yaitu suara mereka memiliki timbre yang berbeda.

Setiap benda yang berosilasi dalam media elastis dengan frekuensi suara dapat menjadi sumber suara (misalnya, dalam alat musik gesek, sumber suara adalah string yang dihubungkan ke badan alat musik).

Membuat osilasi, tubuh menyebabkan osilasi partikel-partikel medium yang berdekatan dengannya dengan frekuensi yang sama. Keadaan gerak osilasi secara berurutan ditransfer ke partikel medium yang semakin jauh dari tubuh, yaitu, gelombang merambat dalam medium dengan frekuensi osilasi yang sama dengan frekuensi sumbernya, dan dengan kecepatan tertentu tergantung pada kerapatan. dan sifat elastis medium. Kecepatan rambat gelombang suara dalam gas dihitung dengan rumus

di mana R- konstanta gas molar, M - masa molar, g \u003d C p / C V - rasio kapasitas panas molar gas pada tekanan dan volume konstan, T - suhu termodinamika. Dari rumus (158.1) dapat disimpulkan bahwa kecepatan suara dalam gas tidak bergantung pada tekanan R gas, tetapi meningkat dengan suhu. Semakin besar massa molar gas, semakin rendah kecepatan suara di dalamnya. Misalnya, ketika T\u003d 273 K kecepatan suara di udara ( M\u003d 29 × 10 -3 kg / mol) v=331 m/s, dalam hidrogen ( M\u003d 2 × 10 -3 kg / mol) v= 1260 m/s. Ekspresi (158.1) sesuai dengan data eksperimen.

Ketika suara merambat di atmosfer, beberapa faktor perlu diperhitungkan: kecepatan dan arah angin, kelembaban udara, struktur molekul medium gas, fenomena pembiasan dan pemantulan suara pada batas dua media. Selain itu, setiap media nyata memiliki viskositas, sehingga redaman suara diamati, yaitu penurunan amplitudo dan, akibatnya, intensitas gelombang suara saat merambat. Redaman suara sebagian besar disebabkan oleh penyerapannya dalam medium, terkait dengan transisi ireversibel energi suara menjadi bentuk energi lain (terutama panas).

Untuk akustik ruangan, ini sangat penting gema suara- proses redaman bertahap suara di ruang tertutup setelah mematikan sumbernya. Jika ruangan kosong, maka suara perlahan menghilang dan ruangan "booming" tercipta. Jika suara memudar dengan cepat (saat menggunakan bahan penyerap suara), maka suara tersebut dianggap teredam. Waktu gema- ini adalah waktu di mana intensitas suara di dalam ruangan dilemahkan satu juta kali, dan levelnya sebesar 60 dB. Ruangan memiliki akustik yang baik jika waktu dengung 0,5-1,5 detik.

Pertanyaan 32.1

Melempar
Selain kenyaringan, suara dicirikan oleh ketinggian. Nada suara ditentukan oleh frekuensinya: semakin tinggi frekuensi getaran dalam gelombang suara, semakin tinggi suaranya. Getaran frekuensi rendah sesuai dengan suara rendah, getaran frekuensi tinggi sesuai dengan suara tinggi.

Jadi, misalnya, lebah mengepakkan sayapnya pada frekuensi yang lebih rendah daripada nyamuk: pada lebah itu 220 pukulan per detik, dan pada nyamuk - 500-600. Oleh karena itu, terbangnya seekor lebah disertai dengan suara yang rendah (buzz), dan terbangnya seekor nyamuk disertai dengan suara yang tinggi (mencicit).

Gelombang suara dengan frekuensi tertentu disebut nada musik, sehingga nada sering disebut nada.

Nada utama yang dicampur dengan beberapa getaran frekuensi lain membentuk suara musik. Misalnya, suara biola dan piano dapat mencakup hingga 15-20 getaran yang berbeda. Timbre-nya tergantung pada komposisi setiap suara yang kompleks.

Frekuensi getaran bebas seutas tali tergantung pada ukuran dan tegangannya. Oleh karena itu, dengan meregangkan senar gitar dengan bantuan pasak dan menekannya ke leher gitar di tempat yang berbeda, kami mengubah frekuensi alami mereka, dan, akibatnya, nada suara yang mereka buat.

Sifat persepsi suara sangat tergantung pada tata letak ruangan di mana pidato atau musik terdengar. Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa di ruangan tertutup, pendengar merasakan, selain suara langsung, juga serangkaian pengulangan yang terus menerus dengan cepat mengikuti satu sama lain, yang disebabkan oleh beberapa pantulan suara dari benda-benda di dalam ruangan, dinding, langit-langit dan lantai.

Pertanyaan 32.2

kekuatan suara

kekuatan suara(relatif) adalah istilah usang yang menggambarkan besaran yang mirip dengan, tetapi tidak identik dengan, intensitas suara. Kira-kira situasi yang sama kita amati untuk intensitas cahaya (satuan - candela) - besaran yang mirip dengan kekuatan radiasi (satuan - watt per steradian).

Intensitas suara diukur pada skala relatif dari nilai ambang, yang sesuai dengan intensitas suara 1 pW/m² dengan frekuensi sinyal sinusoidal 1 kHz dan tekanan suara 20 Pa. Bandingkan definisi ini dengan definisi satuan intensitas cahaya: "sebuah candela sama dengan intensitas cahaya yang dipancarkan dalam arah tertentu oleh sumber monokromatik, pada frekuensi emisi 540 THz dan intensitas emisi dalam arah ini 1/ 683 W / sr."

Saat ini istilah "kekuatan suara" diganti dengan istilah "tingkat volume suara"