ეს სტატია განიხილავს ფიზიკის ისეთ ფენომენს, როგორიცაა ჩარევა: რა არის ეს, როდის ხდება და როგორ გამოიყენება. იგი ასევე დეტალურად აღწერს ტალღის ფიზიკის დაკავშირებულ კონცეფციას - დიფრაქციას.

ტალღების ტიპები

როდესაც სიტყვა "ტალღა" ჩნდება წიგნში ან საუბარში, მაშინ, როგორც წესი, მაშინვე ჩნდება ზღვა: ლურჯი სივრცე, უზარმაზარი მანძილი, ერთმანეთის მიყოლებით, მარილიანი ლილვები ეშვება სანაპიროზე. სტეპების მკვიდრი წარმოიდგენს განსხვავებულ ხედს: უსაზღვრო ბალახის სივრცე, ის ირხევა რბილი ნივის ქვეშ. ვიღაც სხვას დაიმახსოვრებს ტალღებს, მძიმე ფარდის ნაკეცებს ან მზიან დღეს დროშის ფრიალს. მათემატიკოსი იფიქრებს სინუსოიდზე, რადიოს მოყვარული იფიქრებს ელექტრომაგნიტურ რხევებზე. ყველა მათგანს განსხვავებული ბუნება აქვს და სხვადასხვა სახეობას მიეკუთვნება. მაგრამ ერთი რამ უდაოა: ტალღა არის წონასწორობიდან გადახრის მდგომარეობა, რაიმე სახის „გლუვი“ კანონის რხევად გადაქცევა. მათთვის არის ისეთი ფენომენი, როგორიცაა ჩარევა. რა არის და როგორ ჩნდება, ცოტა მოგვიანებით განვიხილავთ. პირველი, მოდით შევხედოთ რა არის ტალღები. ჩვენ ჩამოვთვლით შემდეგ ტიპებს:

• მექანიკური;
• ქიმიური;
• ელექტრომაგნიტური;
• გრავიტაცია;
• დატრიალება;
• სავარაუდო.

ფიზიკის თვალსაზრისით, ტალღები ატარებენ ენერგიას. მაგრამ ხდება ისე, რომ მასაც მოძრაობს. პასუხის გაცემისას რა არის ჩარევა ფიზიკაში, უნდა აღინიშნოს, რომ ის დამახასიათებელია აბსოლუტურად ნებისმიერი ბუნების ტალღებისთვის.

ტალღის განსხვავების ნიშნები

უცნაურად საკმარისია, მაგრამ ტალღის ერთიანი განმარტება არ არსებობს. მათი სახეობები იმდენად მრავალფეროვანია, რომ მხოლოდ ათზე მეტი ტიპის კლასიფიკაცია არსებობს. როგორ განასხვავებენ ტალღებს?

1. გარემოში განაწილების მეთოდის მიხედვით (სირბილი ან დგომა).
2. თავად ტალღის ბუნებით (ოსცილატორული და სოლიტონები განსხვავდებიან ზუსტად ამის საფუძველზე).
3. გარემოში განაწილების ტიპის მიხედვით (გრძივი, განივი).
4. წრფივობის ხარისხით (წრფივი ან არაწრფივი).
5. გარემოს თვისებების მიხედვით, რომელშიც ისინი მრავლდებიან (დისკრეტული, უწყვეტი).
6. ფორმაში (ბრტყელი, სფერული, სპირალური).
7. ფიზიკური გავრცელების საშუალების (მექანიკური, ელექტრომაგნიტური, გრავიტაციული) მახასიათებლების მიხედვით.
8. საშუალო ნაწილაკების რხევის მიმართულებით (შეკუმშვის ან ათვლის ტალღები).
9. იმ დროისთვის, რაც სჭირდება მედიუმის აღგზნებას (ერთჯერადი, მონოქრომატული, ტალღური პაკეტი).

და ჩარევა გამოიყენება ნებისმიერი ტიპის ამ არეულობაზე. რა არის განსაკუთრებული ამ კონცეფციაში და რატომ აქცევს ზუსტად ეს ფენომენი ჩვენს სამყაროს ისეთი, როგორიც არის, ჩვენ გეტყვით ტალღის მახასიათებლების მიცემის შემდეგ.

ტალღის მახასიათებლები

ტალღების ტიპისა და ტიპის მიუხედავად, მათ ყველას აქვთ საერთო მახასიათებლები. აქ არის სია:

1. სავარცხელი ერთგვარი მაქსიმუმია. შეკუმშვის ტალღებისთვის, ეს არის საშუალო სიმკვრივის ადგილი. წარმოადგენს წონასწორობის მდგომარეობიდან რხევის უდიდეს დადებით გადახრას.
2. ღრუ (ზოგიერთ შემთხვევაში ხეობა) ქედის საპირისპიროა. მინიმალური, ყველაზე დიდი უარყოფითი გადახრა წონასწორობის მდგომარეობიდან.
3. დროებითი პერიოდულობა, ან სიხშირე, არის დრო, რომელიც სჭირდება ტალღის გადაადგილებას ერთი მაღალიდან მეორეზე.
4. სივრცითი პერიოდულობა, ანუ ტალღის სიგრძე, არის მანძილი მიმდებარე მწვერვალებს შორის.
5. ამპლიტუდა არის მწვერვალების სიმაღლე. სწორედ ეს განსაზღვრება იქნება საჭირო იმის გასაგებად, თუ რა არის ტალღის ჩარევა.

ჩვენ დეტალურად განვიხილეთ ტალღა, მისი მახასიათებლები და სხვადასხვა კლასიფიკაცია, რადგან "ინტერფერენციის" ცნება არ შეიძლება აიხსნას ისეთი ფენომენის მკაფიო გაგების გარეშე, როგორიცაა მედიუმის დარღვევა. შეგახსენებთ, რომ ჩარევას მხოლოდ ტალღებისთვის აქვს აზრი.

ტალღის ურთიერთქმედება

ახლა ჩვენ მივუახლოვდით „ჩარევის“ ცნებას: რა არის ეს, როდის ხდება და როგორ განვსაზღვროთ იგი. ზემოთ ჩამოთვლილი ტალღების ყველა ტიპი, ტიპი და მახასიათებელი იდეალურ შემთხვევას ეხება. ეს იყო „სფერული ცხენის ვაკუუმში“ აღწერილობები, ანუ ზოგიერთი თეორიული კონსტრუქცია, რომელიც რეალურ სამყაროში შეუძლებელია. მაგრამ პრაქტიკაში, ირგვლივ მთელი სივრცე გაჟღენთილია სხვადასხვა ტალღებით. სინათლე, ხმა, სითბო, რადიო, ქიმიური პროცესები არის მედია. და ყველა ეს ტალღა ურთიერთქმედებს. უნდა აღინიშნოს ერთი თვისება: იმისთვის, რომ მათ ერთმანეთზე გავლენა მოახდინონ, მათ უნდა ჰქონდეთ მსგავსი მახასიათებლები.

ბგერითი ტალღები ვერანაირად ვერ შეუშლის ხელს სინათლეს და რადიოტალღები ვერანაირად ვერ ურთიერთობენ ქართან. რა თქმა უნდა, გავლენა ჯერ კიდევ არსებობს, მაგრამ ის იმდენად მცირეა, რომ მისი ეფექტი უბრალოდ არ არის გათვალისწინებული. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, როდესაც ვხსნით რა არის სინათლის ჩარევა, ვარაუდობენ, რომ ერთი ფოტონი გავლენას ახდენს მეორეზე, როდესაც ის ხვდება. ასე რომ, უფრო დეტალურად.

ჩარევა

მრავალი ტიპის ტალღისთვის მოქმედებს სუპერპოზიციის პრინციპი: როდესაც ისინი ხვდებიან სივრცის ერთ წერტილში, ურთიერთქმედებენ. ენერგიის გაცვლა გამოიხატება ამპლიტუდის ცვლილებაზე. ურთიერთქმედების კანონი ასეთია: თუ ერთ წერტილში ორი მაქსიმუმი ხვდება, მაშინ საბოლოო ტალღაში მაქსიმალური ინტენსივობა ორმაგდება; თუ მაქსიმუმი და მინიმალური ხვდება, მაშინ მიღებული ამპლიტუდა ქრება. ეს არის ნათელი პასუხი კითხვაზე, თუ რა არის სინათლისა და ბგერის ჩარევა. არსებითად, ეს არის ზემოქმედების ფენომენი.

ტალღების ჩარევა სხვადასხვა მახასიათებლებით

ზემოთ აღწერილი მოვლენა წარმოადგენს ორი იდენტური ტალღის შეხვედრას წრფივ სივრცეში. თუმცა, ორ კონტრგავრცელებულ ტალღას შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებული სიხშირე, ამპლიტუდა და სიგრძე. როგორ წარმოვადგინოთ საბოლოო სურათი ამ შემთხვევაში? პასუხი მდგომარეობს იმაში, რომ შედეგი არ იქნება ზუსტად ტალღის მსგავსი. ანუ, ირღვევა მაქსიმუმების და მინიმუმების მონაცვლეობის მკაცრი რიგი: რაღაც მომენტში ამპლიტუდა იქნება მაქსიმალური, შემდეგში ნაკლები, შემდეგ მაქსიმუმი და მინიმალური შეხვდება და შედეგი გადაიქცევა ნულამდე. თუმცა, რაც არ უნდა ძლიერი იყოს განსხვავება ორ ტალღას შორის, ამპლიტუდა მაინც მეორდება ადრე თუ გვიან. მათემატიკაში ჩვეულებრივად არის საუბარი უსასრულობაზე, მაგრამ სინამდვილეში, ხახუნის ძალებმა და ინერციამ შეიძლება შეაჩეროს მიღებული ტალღის არსებობა მანამ, სანამ მწვერვალების, ხეობებისა და დაბლობების ნიმუში განმეორდება.

ტალღების ჩარევა კუთხით

მაგრამ, გარდა საკუთარი მახასიათებლებისა, რეალურ ტალღებს შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებული პოზიციები სივრცეში. მაგალითად, როდესაც განიხილავს რა არის ხმის ჩარევა, ეს უნდა იქნას გათვალისწინებული. წარმოიდგინეთ: ბიჭი დადის და სასტვენს უბერავს. ის თავის წინ აგზავნის ხმის ტალღას. და კიდევ ერთი ბიჭი ველოსიპედზე გადის მის გვერდით და რეკავს ზარს ისე, რომ ფეხით მოსიარულე განზე გადადის. ამ ორი ბგერითი ტალღის შეხვედრის ადგილას ისინი რაღაც კუთხით იკვეთებიან. როგორ გამოვთვალოთ ჰაერის საბოლოო რყევის ამპლიტუდა და ფორმა, რომელიც მიაღწევს, მაგალითად, მაშას თესლის უახლოეს გამყიდველს? სწორედ აქ მოქმედებს ხმის ტალღის ვექტორული კომპონენტი. და ამ შემთხვევაში, საჭიროა არა მხოლოდ ამპლიტუდის სიდიდის, არამედ ამ რხევების გავრცელების ვექტორების დამატება ან გამოკლება. ვიმედოვნებთ, რომ ბებია მაშა ზედმეტად არ იყვირებს ხმაურიან ბიჭებს.

სინათლის ჩარევა სხვადასხვა პოლარიზაციასთან

ასევე ხდება, რომ სხვადასხვა პოლარიზაციის ფოტონები ერთმანეთს ხვდებიან. ამ შემთხვევაში მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული ელექტრომაგნიტური რხევების ვექტორული კომპონენტიც. თუ ისინი არ არიან ერთმანეთის პერპენდიკულარული ან სინათლის ერთ-ერთ სხივს აქვს წრიული ან ელიფსური პოლარიზაცია, მაშინ ურთიერთქმედება სავსებით შესაძლებელია. კრისტალების ოპტიკური სიწმინდის განსაზღვრის რამდენიმე მეთოდი ეფუძნება ამ პრინციპს: არ უნდა იყოს ურთიერთქმედება პერპენდიკულარულად პოლარიზებულ სხივებში. თუ სურათი დამახინჯებულია, მაშინ ბროლი არ არის იდეალური, ის ცვლის სხივების პოლარიზაციას, რაც ნიშნავს, რომ ის სწორად არ გაიზარდა.

ჩარევა და დიფრაქცია

სინათლის ორი სხივის ურთიერთქმედება იწვევს მათ ჩარევას, რის შედეგადაც დამკვირვებელი ხედავს რამდენიმე სინათლის (მაქსიმას) და მუქ (მინიმალურ) ზოლს ან რგოლს. მაგრამ სინათლისა და მატერიის ურთიერთქმედებას ახლავს სხვა ფენომენი – დიფრაქცია. იგი ემყარება იმ ფაქტს, რომ სხვადასხვა ტალღის სიგრძის სინათლე გარემოს მიერ განსხვავებულად ირღვევა. მაგალითად, თუ ტალღის სიგრძე 300 ნანომეტრია, მაშინ გადახრის კუთხე არის 10 გრადუსი, ხოლო თუ 500 ნანომეტრი, უკვე 12. ამრიგად, როდესაც მზის სხივიდან გამოსული სინათლე ეცემა კვარცის პრიზმაზე, წითელი ირღვევა განსხვავებულად, ვიდრე იისფერი (მათი ტალღის სიგრძე. განსხვავდება) და დამკვირვებელი ხედავს ცისარტყელას. ეს არის პასუხი კითხვაზე, რა არის სინათლის ჩარევა და დიფრაქცია და როგორ განსხვავდებიან ისინი. თუ ლაზერის მონოქრომატული გამოსხივება მიმართულია იმავე პრიზმაზე, არ იქნება ცისარტყელა, რადგან არ არსებობს სხვადასხვა ტალღის სიგრძის ფოტონები. უბრალოდ, სხივი გარკვეული კუთხით გადაიხრება გავრცელების საწყისი მიმართულებიდან და ეგაა.

ჩარევის ფენომენის გამოყენება პრაქტიკაში

ამ წმინდა თეორიული ფენომენისგან პრაქტიკული სარგებლის მიღების უამრავი შესაძლებლობა არსებობს. აქ მხოლოდ ძირითადი იქნება ჩამოთვლილი:

1. კრისტალების ხარისხის შესწავლა. ამაზე ცოტა მაღლა ვისაუბრეთ.
2. ლინზების შეცდომების იდენტიფიცირება. ხშირად ისინი უნდა იყოს დაფქული სრულყოფილ სფერულ ფორმაში. ნებისმიერი დეფექტის არსებობა გამოვლენილია ზუსტად ჩარევის ფენომენის დახმარებით.
3. ფირის სისქის განსაზღვრა. წარმოების ზოგიერთ სახეობაში, ფილმის მუდმივი სისქე, როგორიცაა პლასტიკური, ძალიან მნიშვნელოვანია. სწორედ ჩარევის ფენომენი დიფრაქციასთან ერთად შესაძლებელს ხდის მისი ხარისხის განსაზღვრას.
4. ოპტიკის განათება. სათვალეები, კამერების ლინზები და მიკროსკოპები დაფარულია თხელი ფირით. ამრიგად, გარკვეული სიგრძის ელექტრომაგნიტური ტალღები უბრალოდ აისახება და თავსდება საკუთარ თავზე, რაც ამცირებს ჩარევას. ყველაზე ხშირად, განმანათლებლობა კეთდება ოპტიკური სპექტრის მწვანე ნაწილში, რადგან სწორედ ამ ზონას აღიქვამს ადამიანის თვალი საუკეთესოდ.
5. კოსმოსის კვლევა. იცოდნენ ჩარევის კანონები, ასტრონომებს შეუძლიათ განასხვავონ ორი მჭიდროდ დაშორებული ვარსკვლავის სპექტრები და დაადგინონ მათი შემადგენლობა და მანძილი დედამიწიდან.
6. თეორიული კვლევა. ერთხელ, ჩარევის ფენომენის დახმარებით, შესაძლებელი გახდა ელემენტარული ნაწილაკების, როგორიცაა ელექტრონები და პროტონები, ტალღური ბუნების დამტკიცება. ამან დაადასტურა მიკროსამყაროს კორპუსკულარულ-ტალღური დუალიზმის ჰიპოთეზა და საფუძველი ჩაუყარა კვანტურ ეპოქას.

ვიმედოვნებთ, რომ ამ სტატიით თქვენი ცოდნა თანმიმდევრული (გამოსხივებული წყაროებით, რომლებსაც აქვთ მუდმივი ფაზის სხვაობა და იგივე სიხშირე) ტალღების სუპერპოზიცია მნიშვნელოვნად გაფართოვდა. ამ ფენომენს ინტერფერენცია ეწოდება.

სინათლის ტალღოვანი ბუნება.მე-17 საუკუნეში ჰოლანდიელმა მეცნიერმა კრისტიან ჰიუგენსმა თქვა, რომ სინათლეს აქვს ტალღური ბუნება. თუ ობიექტის ზომა შეესაბამება ტალღის სიგრძეს, მაშინ შუქი, როგორც ეს იყო, ეშვება ჩრდილის არეში და ჩრდილის საზღვარი ბუნდოვანია. ამ ფენომენების ახსნა შეუძლებელია სინათლის სწორხაზოვანი გავრცელებით. იდეა ეწინააღმდეგებოდა ი. ნიუტონის განცხადებებს, რომ სინათლე არის ნაწილაკების ნაკადი, მაგრამ სინათლის ტალღური ბუნება ექსპერიმენტულად დადასტურდა ისეთ მოვლენებში, როგორიცაა ჩარევა და დიფრაქცია.

ეს ტალღური ფენომენები შეიძლება აიხსნას ორი კონცეფციის გამოყენებით: ჰიუგენსის პრინციპი და სინათლის თანმიმდევრულობა.

ჰიუგენსის პრინციპი.ჰიუგენსის პრინციპიარის შემდეგი: ტალღის ფრონტის ნებისმიერი წერტილი შეიძლება ჩაითვალოს ელემენტარული ტალღების მეორად წყაროდ, რომელიც გავრცელდება საწყისი მიმართულებით პირველადი ტალღის სიჩქარით.ამრიგად, პირველადი ტალღა შეიძლება ჩაითვალოს მეორადი ელემენტარული ტალღების ჯამად. ჰაიგენსის პრინციპის მიხედვით, პირველადი ტალღის ტალღის ფრონტის ახალი პოზიცია ემთხვევა ელემენტარული მეორადი ტალღების კონვერტის მრუდს (ნახ. 11.20).

ბრინჯი. 11.20. ჰიუგენსის პრინციპი.

თანმიმდევრულობა.დიფრაქციისა და ჩარევის წარმოქმნისთვის დაცული უნდა იყოს სინათლის ტალღების ფაზური სხვაობის მუდმივობის მდგომარეობა სხვადასხვა სინათლის წყაროდან:

ტალღებს, რომლებიც ინარჩუნებენ მუდმივ ფაზურ განსხვავებას, ეწოდება თანმიმდევრული.

ტალღის ფაზა არის მანძილისა და დროის ფუნქცია:

თანმიმდევრულობის მთავარი პირობაა სინათლის სიხშირის მუდმივობა. თუმცა, სინათლე სინამდვილეში არ არის მკაცრად მონოქრომატული. ამრიგად, სინათლის სიხშირე და, შესაბამისად, ფაზური სხვაობა შეიძლება არ იყოს დამოკიდებული ერთ-ერთ პარამეტრზე (დროზე ან მანძილზე). თუ სიხშირე დროზე არ არის დამოკიდებული, თანმიმდევრულობა ეწოდება დროებითიდა როდის არ არის დამოკიდებული მანძილზე - სივრცითი. პრაქტიკაში, როგორც ჩანს, ინტერფერენცია ან დიფრაქციის ნიმუში ეკრანზე ან არ იცვლება დროში (დროებითი თანმიმდევრობით), ან ის შენარჩუნებულია, როდესაც ეკრანი მოძრაობს სივრცეში (სივრცითი თანმიმდევრობით).

მსუბუქი ჩარევა. 1801 წელს ინგლისელმა ფიზიკოსმა, ექიმმა და ასტრონომმა ტ.იუნგმა (1773 - 1829) მიიღო დამაჯერებელი დადასტურება სინათლის ტალღური ბუნების შესახებ და გაზომა სინათლის ტალღის სიგრძე. იანგის გამოცდილების სქემა ნაჩვენებია ნახ. 11.21. მოსალოდნელი ორი ხაზის ნაცვლად, თუ სინათლე იყო ნაწილაკები, მან დაინახა ალტერნატიული ზოლების სერია. ეს შეიძლება აიხსნას დაშვებით, რომ სინათლე არის ტალღა.

მსუბუქი ჩარევატალღის სუპერპოზიციის ფენომენს უწოდებენ. სინათლის ჩარევას ახასიათებს სტაციონარული (დროში მუდმივი) ჩარევის ნიმუშის ფორმირება - რეგულარული მონაცვლეობა გაზრდილი და შემცირებული სინათლის ინტენსივობის უბნების სივრცეში, რომელიც გამოწვეულია თანმიმდევრული სინათლის ტალღების სუპერპოზიციით, ე.ი. იგივე სიხშირის ტალღები, რომლებსაც აქვთ მუდმივი ფაზის სხვაობა.

დამოუკიდებელი წყაროებიდან ტალღების ფაზებში მუდმივი განსხვავების მიღწევა პრაქტიკულად შეუძლებელია. ამიტომ, შემდეგი მეთოდი ჩვეულებრივ გამოიყენება თანმიმდევრული სინათლის ტალღების მისაღებად. ერთი წყაროს შუქი რატომღაც იყოფა ორ ან მეტ სხივად და, მათი გაგზავნის შემდეგ სხვადასხვა ბილიკზე, შემდეგ ისინი იკრიბებიან. ეკრანზე დაფიქსირებული ჩარევის ნიმუში დამოკიდებულია ამ ტალღების ბილიკებს შორის განსხვავებაზე.

ჩარევის მაქსიმალური და მინიმალური პირობები.ორი ტალღის ერთნაირი სიხშირითა და მუდმივი ფაზის სხვაობით ზემოქმედება იწვევს ეკრანზე გამოჩენას, მაგალითად, როდესაც შუქი ხვდება ორ ჭრილში, ჩარევის შაბლონი - ეკრანზე ღია და მუქი ზოლების მონაცვლეობა. სინათლის ზოლების გამოჩენის მიზეზი არის ორი ტალღის ისე სუპერპოზიცია, რომ მოცემულ წერტილში დაემატოს ორი მაქსიმუმი. როდესაც ტალღის მაქსიმალური და მინიმალური ზემოქმედება მოცემულ წერტილშია, ისინი ანაზღაურებენ ერთმანეთს და ჩნდება მუქი ზოლი. ნახატები 11.22a და 11.22b ასახავს პირობებს ეკრანზე სინათლის ინტენსივობის მინიმალური და მაქსიმალური ფორმირებისთვის. რაოდენობრივ დონეზე ამ ფაქტების ასახსნელად, ჩვენ შემოგთავაზებთ აღნიშვნას: Δ არის ბილიკის განსხვავება, d არის მანძილი ორ ჭრილს შორის, არის სინათლის ტალღის სიგრძე. ამ შემთხვევაში, მაქსიმალური მდგომარეობა, რომელიც ილუსტრირებულია ნახ. 11.22b-ზე, წარმოადგენს ბილიკის სხვაობის სიმრავლეს და სინათლის ტალღის სიგრძეს:

ეს მოხდება, თუ M წერტილში ორივე ტალღით აღგზნებული რხევები მოხდება ერთსა და იმავე ფაზაში და ფაზური სხვაობა არის:

სადაც m=1, 2, 3, ....

ეკრანზე მინიმუმების გამოჩენის პირობა წარმოადგენს სინათლის ნახევარტალღების სიმრავლეს:

(11.4.5)

ამ შემთხვევაში, ორივე თანმიმდევრული ტალღით აღგზნებული სინათლის ტალღების რხევები M წერტილში ნახ. 11.22a მოხდება ანტიფაზაში ფაზური სხვაობით:

(11.4.6)

ბრინჯი. 11.21. ჩარევის ნიმუშის მინიმალური და მაქსიმალური ფორმირების პირობები

ჩარევის მაგალითია ჩარევა თხელ ფილმებში. ცნობილია, რომ თუ წყალზე ბენზინს ან ზეთს დაასხამთ, ფერადი ლაქები შესამჩნევი იქნება. ეს გამოწვეულია იმით, რომ ბენზინი ან ზეთი აყალიბებს თხელ ფენას წყალზე. სინათლის ნაწილი აირეკლება ზედა ზედაპირიდან, ხოლო მეორე ნაწილი ქვედა ზედაპირიდან - ორ მედიას შორის ინტერფეისი. ეს ტალღები თანმიმდევრულია. ფირის ზედა და ქვედა ზედაპირებიდან არეკლილი სხივები (ნახ. 11.22) ერევა, ქმნის მაქსიმუმს და მინიმუმს. ამრიგად, ჩარევის ნიმუში ჩნდება თხელ ფილმზე. წყლის ზედაპირზე ბენზინის ან ზეთის ფირის სისქის ცვლილება იწვევს სხვადასხვა სიგრძის ტალღების ბილიკის სხვაობის ცვლილებას და, შესაბამისად, ზოლების ფერის ცვლილებას.

ბრინჯი. 11.22 ჩარევა თხელ ფენებში

ჩარევის გამოყენების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მიღწევაა მანძილების საზომი ულტრა ზუსტი ინსტრუმენტის შექმნა - მაიკლსონის ინტერფერომეტრი(სურ.11.24). მონოქრომატული შუქი ეცემა ნახევრად გამჭვირვალე სარკეზე, რომელიც მდებარეობს ნიმუშის ცენტრში, რომელიც ყოფს სხივს. სინათლის ერთი სხივი აირეკლება ფიქსირებული სარკიდან, რომელიც მდებარეობს სურ. 11.23-ის თავზე, მეორე - მოძრავი სარკიდან, რომელიც მდებარეობს ნახ. 11.23-ში მარჯვნივ. ორივე სხივი ბრუნდება დაკვირვების წერტილში, ერევა ერთმანეთს სინათლის ტალღის ჩარევის ჩამწერზე. მოძრავი სარკის გადაადგილება ტალღის მეოთხედით იწვევს სინათლის ზოლების ჩანაცვლებას მუქი ზოლებით. მანძილის გაზომვის სიზუსტე ამ შემთხვევაში არის 10 -4 მმ. ეს არის მიკროსკოპული რაოდენობების ზომის გაზომვის ერთ-ერთი ყველაზე ზუსტი მეთოდი, რომელიც საშუალებას გაძლევთ გაზომოთ მანძილი სინათლის ტალღის სიგრძის სიზუსტით.

თანამედროვე მაღალტექნოლოგიური დანადგარების რეგულირება, მაგალითად, დიდი ადრონული კოლაიდერის ელემენტები CERN-ში, ხდება სინათლის ტალღის სიგრძემდე სიზუსტით.

ბრინჯი. 11.23. მაიკლსონის ინტერფერომეტრი

დიფრაქცია. დიფრაქციის ფენომენის ექსპერიმენტული აღმოჩენა იყო სინათლის ტალღური თეორიის მართებულობის კიდევ ერთი დადასტურება.

1819 წელს პარიზის მეცნიერებათა აკადემიაში ა.ფრენელმა წარმოადგინა სინათლის ტალღური თეორია, რომელიც ხსნიდა დიფრაქციისა და ჩარევის ფენომენს. ტალღის თეორიის მიხედვით, სინათლის დიფრაქციამ გაუმჭვირვალე დისკზე უნდა გამოიწვიოს ნათელი ლაქის გამოჩენა დისკის ცენტრში, რადგან დისკის ცენტრში სხივების გზაზე სხვაობა ნულის ტოლია. ექსპერიმენტმა დაადასტურა ეს ვარაუდი (სურ. 11.24). ჰაიგენსის თეორიის თანახმად, დისკის რგოლზე წერტილები მეორადი სინათლის ტალღების წყაროა და ისინი ერთმანეთთან თანმიმდევრულია. ამიტომ, სინათლე შემოდის დისკის უკან რეგიონში.

დიფრაქციადაბრკოლებების ირგვლივ ტალღების მოხრის ფენომენს უწოდებენ. თუ ტალღის სიგრძე დიდია, მაშინ ტალღა არ ამჩნევს დაბრკოლებებს. თუ ტალღის სიგრძე შედარებულია დაბრკოლების ზომასთან, მაშინ ეკრანზე დაბრკოლებიდან ჩრდილის საზღვარი ბუნდოვანი იქნება.

ბრინჯი. 11.24. დიფრაქცია გაუმჭვირვალე დისკზე

სინათლის დიფრაქცია ერთი ჭრილით იწვევს მონაცვლეობით სინათლისა და მუქი ზოლების გამოჩენას. უფრო მეტიც, პირველი მინიმალურის პირობას აქვს ფორმა (ნახ. 11.25):

სად არის ტალღის სიგრძე, d არის სლოტის ზომა.

იგივე ფიგურა გვიჩვენებს სინათლის ინტენსივობის დამოკიდებულებას მართკუთხა მიმართულებიდან გადახრის კუთხეზე θ.

ბრინჯი. 11.25. 1-ლი მაქსიმუმის ფორმირების პირობა.

დიფრაქციის მარტივი მაგალითი შეგიძლიათ თავად დააკვირდეთ, თუ ოთახის ნათურას შეხედავთ ხელის გულზე პატარა ჭრილით ან ნემსის თვალით, მაშინ ჩვენ შევამჩნევთ კონცენტრირებულ მრავალფეროვან წრეებს სინათლის წყაროს გარშემო.

დიფრაქციული სამუშაოების ფენომენის გამოყენებაზე დაყრდნობით სპექტროსკოპი- მოწყობილობა ტალღის სიგრძის ძალიან ზუსტი გაზომვისთვის დიფრაქციული ბადეების გამოყენებით (სურ. 11.26).

ბრინჯი. 11.26. სპექტროსკოპი.

სპექტროსკოპი გამოიგონა იოზეფ ფრაუნჰოფერმა მე-19 საუკუნის დასაწყისში. მასში სინათლე, რომელიც გადიოდა ნაპრალებში და კოლიმირებულ ლინზებში, გადაიქცა პარალელური სხივების თხელ სხივად. წყაროს შუქი ვიწრო ჭრილით შედის კოლიმატორში. ჭრილი მდებარეობს ფოკუსურ სიბრტყეში. ტელესკოპი იკვლევს დიფრაქციის ბადეს. თუ მილის კუთხე ემთხვევა მაქსიმუმამდე მიმართულ კუთხეს (ჩვეულებრივ პირველს), მაშინ დამკვირვებელი დაინახავს ნათელ ზოლს. პირველი მაქსიმუმის ეკრანზე მდებარეობის θ კუთხე განსაზღვრავს ტალღის სიგრძეს. არსებითად, ეს მოწყობილობა ეფუძნება ნახ. 11.25-ზე ილუსტრებულ პრინციპს.

სინათლის ინტენსივობის ტალღის სიგრძეზე დამოკიდებულების მისაღებად (ამ დამოკიდებულებას ეწოდება სპექტრი), სინათლე გაიარა პრიზმაში. მისგან გასასვლელში, დისპერსიის შედეგად, სინათლე დაიშალა კომპონენტებად. ტელესკოპის დახმარებით შესაძლებელია ემისიის სპექტრების გაზომვა. ფოტოგრაფიული ფილმის გამოგონების შემდეგ შეიქმნა უფრო ზუსტი ინსტრუმენტი: სპექტროგრაფი. მუშაობდა იმავე პრინციპით, როგორც სპექტროსკოპი, მას ჰქონდა კამერა დაკვირვების მილის ნაცვლად. მეოცე საუკუნის შუა ხანებში კამერა შეიცვალა ელექტრონის ფოტოგამრავლების მილით, რამაც შესაძლებელი გახადა სიზუსტის მნიშვნელოვნად გაზრდა და რეალურ დროში ანალიზის ჩატარება.

სინათლის ჩარევისა და დიფრაქციის ფენომენები მისი ტალღური ბუნების დასტურია.

ჩარევატალღებს უწოდებენ ტალღების სუპერპოზიციის ფენომენს, რომლის დროსაც ხდება მათი ურთიერთგაძლიერება სივრცის ზოგიერთ წერტილში და სუსტდება ზოგიერთ წერტილში. დროში მუდმივი (სტაციონარული) ჩარევის ნიმუში წარმოიქმნება მხოლოდ მაშინ, როდესაც ემატება თანაბარი სიხშირის ტალღები მუდმივი ფაზის სხვაობით. ასეთ ტალღებს და მათ ამაღელვებელ წყაროებს ე.წ თანმიმდევრული.

სინათლის ჩარევა - მისი ტალღური ბუნების ერთ-ერთი გამოვლინება, ხდება, მაგალითად, როდესაც სინათლე აირეკლება თხელ ჰაეროვან უფსკრულით ბრტყელ შუშის ფირფიტასა და პლანო-ამოზნექილ ლინზას შორის. ამ შემთხვევაში, ჩარევა ხდება თანმიმდევრული ტალღების დამატებისას 1 და 2 აისახება ჰაერის ფენის ორივე მხრიდან. ამ ჩარევის ნიმუშს, რომელსაც აქვს კონცენტრული რგოლების ფორმა, ეწოდება ნიუტონის რგოლები ი. ნიუტონის პატივსაცემად, რომელმაც პირველად აღწერა და აღმოაჩინა, რომ ამ რგოლების რადიუსი წითელი სინათლისთვის უფრო დიდია, ვიდრე ლურჯისთვის.

იმის გათვალისწინებით, რომ სინათლე არის ტალღები, ინგლისელმა ფიზიკოსმა ტ. იუნგმა სინათლის ჩარევა ასე ახსნა. სხივის ინციდენტი ობიექტივზე 0 მისი ამოზნექილი ზედაპირიდან ასახვის შემდეგ და გარდატეხის შემდეგ წარმოიქმნება ორი არეკლილი სხივი ( 1 და 2 ). ამ შემთხვევაში, სინათლის ტალღები სხივში 2 სხივს მიღმა ჩამორჩენილი 1 Dj-ზე და ფაზური სხვაობა Dj დამოკიდებულია "ზედმეტ" გზაზე, რომელიც სხივმა გაიარა 2 , სხივთან შედარებით 1 .

ცხადია, თუ Dj = ნლ, სადაც ნარის მთელი რიცხვი, შემდეგ ტალღები 1 და 2 , შეკრება, გააძლიერებს ერთმანეთს და ამ კუთხით ლინზებს რომ შევხედოთ, დავინახავთ მოცემული ტალღის სიგრძის სინათლის ნათელ რგოლს. პირიქით, თუ

სადაც ნარის მთელი რიცხვი, შემდეგ ტალღები 1 და 2 ზემოდან ასეთი კუთხით რომ შევხედოთ ლინზას, დავინახავთ მუქ რგოლს. ამრიგად, ტალღური ჩარევა იწვევს რხევის ენერგიის გადანაწილებას საშუალო მჭიდროდ განლაგებულ ნაწილაკებს შორის.

ჩარევა დამოკიდებულია ტალღის სიგრძეზე და, შესაბამისად, კუთხური მანძილების გაზომვით ინტერფერენციის ნიმუშის მიმდებარე მინიმებსა და მაქსიმუმებს შორის, შეიძლება განისაზღვროს სინათლის ტალღის სიგრძე. თუ ჩარევა ხდება ბენზინის თხელ ფილმებში წყლის ზედაპირზე ან საპნის ბუშტების ფილმებში, მაშინ ეს იწვევს ამ ფილმების შეღებვას ცისარტყელის ყველა ფერში. ჩარევა გამოიყენება ოპტიკური სათვალეებიდან და ლინზებიდან სინათლის არეკვლის შესამცირებლად, რომელსაც ე.წ ოპტიკის განმანათლებლობა. ამისათვის გამჭვირვალე ნივთიერების ფილმი გამოიყენება მინის ზედაპირზე ისეთი სისქით, რომ მინისა და ფილიდან არეკლილი სინათლის ტალღების ფაზური სხვაობაა.

სინათლის დიფრაქცია– სინათლის ტალღების მოხრა დაბრკოლებების კიდეების ირგვლივ, რაც სინათლის ტალღური ბუნების კიდევ ერთი დასტურია, პირველად აჩვენა ტ. იუნგმა ექსპერიმენტში, როდესაც სიბრტყე სინათლის ტალღა დაეცა ეკრანზე ორი მჭიდროდ დაშორებული ჭრილით. ჰაიგენსის პრინციპის მიხედვით, სლოტები შეიძლება ჩაითვალოს მეორადი თანმიმდევრული ტალღების წყაროდ. ამიტომ, თითოეულ ჭრილში გავლისას, სინათლის სხივი გაფართოვდა და ეკრანზე დაფიქსირდა ჩარევის ნიმუში მონაცვლეობით მსუბუქი და მუქი ზოლებით, ჭრილებიდან სინათლის სხივების გადახურვის რეგიონში. ჩარევის ნიმუშის გამოჩენა აიხსნება იმით, რომ ტალღები სლოტებიდან თითოეულ წერტილამდე პეკრანზე გადის სხვადასხვა მანძილი r 1 და r 2 და მათ შორის შესაბამისი ფაზის სხვაობა განსაზღვრავს წერტილის სიკაშკაშეს რ.

მსუბუქი პოლარიზაცია

სინათლის ტალღების პოლარიზაცია, რაც მათი განივიების შედეგია, იცვლება გამჭვირვალე გარემოში სინათლის არეკვლის, გარდატეხის და გაფანტვისას.

სინათლის ტალღების განივი განივი არის ჯ.კ მაქსველის ელექტრომაგნიტური თეორიის ერთ-ერთი შედეგი და გამოიხატება იმით, რომ ტალღებში რხევა ელექტრული ველის სიძლიერის ვექტორები. ედა მაგნიტური ველის ინდუქცია ATერთმანეთის პერპენდიკულარული და ამ ტალღების გავრცელების მიმართულების მიმართ. ელექტრომაგნიტური ტალღის აღსაწერად საკმარისია ვიცოდეთ, როგორ იცვლება ამ ორი ვექტორიდან ერთი, მაგალითად, ე, რომელსაც ქვია სინათლის ვექტორი. მსუბუქი პოლარიზაციადაასახელეთ სინათლის ვექტორის ცვლილებების ორიენტაცია და ბუნება სინათლის სხივის პერპენდიკულარულ სიბრტყეში. სინათლეს, რომელშიც სინათლის ვექტორის რხევის მიმართულებები ერთგვარად არის დალაგებული, ეწოდება პოლარიზებული.

თუ ელექტრომაგნიტური ტალღის გავრცელებისას სინათლის ვექტორი ინარჩუნებს ორიენტაციას, მაშინ ასეთ ტალღას ე.წ. ხაზოვანი პოლარიზებულიან თვითმფრინავი პოლარიზებულიადა სიბრტყე, რომელშიც სინათლის ვექტორი რხევა - ვიბრაციის თვითმფრინავი. ნებისმიერი ატომის (ან მოლეკულის) მიერ გამოსხივებული ელექტრომაგნიტური ტალღა გამოსხივების ერთ მოქმედებაში ყოველთვის ხაზოვანი პოლარიზებულია. ხაზოვანი პოლარიზებული სინათლის წყაროც არის ლაზერები.

თუ ელექტრომაგნიტური ტალღის რხევის სიბრტყე მუდმივად და შემთხვევით იცვლება, მაშინ სინათლე ე.წ. არაპოლარიზებული. ბუნებრივი სინათლე (მზე, ნათურები, სანთლები და ა.შ.) არის ცალკეული ატომების უზარმაზარი რაოდენობის გამოსხივების ჯამი, რომელთაგან თითოეული გარკვეულ მომენტში ასხივებს ხაზოვანი პოლარიზებული სინათლის ტალღებს. თუმცა, ვინაიდან ამ სინათლის ტალღების რხევების სიბრტყეები შემთხვევით იცვლება და არ არის კოორდინირებული ერთმანეთთან, მთლიანი სინათლე აღმოჩნდება არაპოლარიზებული. ამიტომ, არაპოლარიზებულ სინათლეს ხშირად უწოდებენ ბუნებრივი.

თუ სინათლის ვექტორის ამპლიტუდა ერთი მიმართულებით უფრო დიდია, ვიდრე სხვებში, მაშინ ასეთი სინათლე ეწოდება ნაწილობრივ პოლარიზებული. ბუნებრივი სინათლე, როდესაც აისახება არალითონური ზედაპირებიდან (წყალი, მინა და ა.შ.), ნაწილობრივ პოლარიზდება ისე, რომ სინათლის ვექტორის ამპლიტუდა ამრეკლავი სიბრტყის პარალელურად უფრო დიდი ხდება. ბუნებრივი სინათლის გარდატეხა ორი მედიის საზღვარზე ასევე აქცევს მას ნაწილობრივ პოლარიზებულად, მაგრამ ამ შემთხვევებში, როგორც წესი, სინათლის ვექტორის ამპლიტუდა ამრეკლავი სიბრტყის პარალელურად მცირდება.

ბუნებრივი სინათლე შეიძლება გარდაიქმნას წრფივად პოლარიზებულად პოლარიზატორები- მოწყობილობები, რომლებიც გადასცემენ ტალღებს მხოლოდ გარკვეული მიმართულების სინათლის ვექტორით. ტურმალინის კრისტალები ხშირად გამოიყენება როგორც პოლარიზატორები, რომლებიც ძლიერად შთანთქავენ სხივებს ბროლის ოპტიკური ღერძის პერპენდიკულარული სინათლის ვექტორით. აქედან გამომდინარე, ბუნებრივი სინათლე, რომელიც გადის ტურმალინის ფირფიტაზე, ხდება ხაზოვანი პოლარიზებული ელექტრული ვექტორით, რომელიც ორიენტირებულია ტურმალინის ოპტიკური ღერძის პარალელურად.

განმარტება

ჩარევაეწოდება საშუალო ენერგიის ნაკადის სიმკვრივის ცვლილებას, რომელიც გამოწვეულია ტალღების სუპერპოზიციით.

ან ცოტა სხვაგვარად: ინტერფერენცია არის ტალღების ჯამი სივრცეში და ამ შემთხვევაში წარმოიქმნება მთლიანი რხევების ამპლიტუდური განაწილება, რომელიც დროში უცვლელია.

სინათლის ტალღების ჩარევას ეწოდება ტალღების დამატება, რომლის დროსაც შეიძლება დაკვირვება დროში სტაბილური ნიმუშის გაძლიერება ან შესუსტება სინათლის მთლიანი ვიბრაციების სხვადასხვა სივრცულ წერტილებში. ტერმინი ინტერფერენცია მეცნიერებაში შემოიტანა ტ.იუნგმა.

ჩარევის პირობები

იმისათვის, რომ ჩამოყალიბდეს სტაბილური ჩარევის ნიმუში ტალღების ზემოქმედებისას, აუცილებელია, რომ ტალღის წყაროებს ჰქონდეთ იგივე სიხშირე და მუდმივი ფაზის სხვაობა. ასეთ წყაროებს უწოდებენ თანმიმდევრულ (თანმიმდევრულ). თანმიმდევრულ ტალღებს უწოდებენ ტალღებს, რომლებიც იქმნება თანმიმდევრული წყაროებით.

ამრიგად, მხოლოდ თანმიმდევრული ტალღების ზედმეტად გადანაწილებისას წარმოიქმნება სტაბილური ჩარევის ნიმუში.

ოპტიკაში, ჩარევის ნიმუშის შესაქმნელად, თანმიმდევრული ტალღები იღებენ:

1. ტალღის ამპლიტუდის გაყოფა;
2. ტალღის ფრონტის გაყოფა.

ჩარევის მინიმალური მდგომარეობა

ჩარევის ტალღების რხევის ამპლიტუდა განსახილველ წერტილში მინიმალური იქნება, თუ ტალღების ბილიკის სხვაობა () ამ წერტილში შეიცავს ნახევარტალღების სიგრძის კენტ რაოდენობას ():

დავუშვათ, რომ ის ჯდება სეგმენტზე, შემდეგ გამოდის, რომ ერთი ტალღა მეორეს ნახევარი პერიოდით ჩამორჩება. ამ ტალღების ფაზური სხვაობა თანაბარი გამოდის, რაც ნიშნავს, რომ რხევები ანტიფაზაში ხდება. ასეთი რხევების დამატებისას მთლიანი ტალღის ამპლიტუდა ნულის ტოლი იქნება.

ჩარევის მაქსიმალური მდგომარეობა

ჩარევის ტალღების რხევების ამპლიტუდა განხილულ წერტილში მაქსიმალური იქნება, თუ ტალღების ბილიკის სხვაობა () ამ წერტილში შეიცავს ტალღის სიგრძის მთელ რიცხვს ():

დიფრაქციის განმარტება

განმარტება

ტალღების გადახრა სწორი ხაზით გავრცელებისგან, დაბრკოლებების ტალღით დამრგვალება ე.წ. დიფრაქცია.

სიტყვა დიფრაქცია ლათინური ენიდან ნიშნავს გატეხილი.

დიფრაქციის ფენომენი აიხსნება ჰაიგენსის პრინციპით. მეორადი ტალღები, რომლებიც გამოიყოფა ნივთიერების მონაკვეთებით (საშუალო), ცდება ტალღის გზაზე მყოფი დაბრკოლების კიდეებს. ფრესნელის თეორიის თანახმად, ტალღის ზედაპირი დროის ნებისმიერ თვითნებურ მომენტში არის არა მხოლოდ მეორადი ტალღების გარსი, არამედ მათი ჩარევის შედეგი.

პირობები, რომლებშიც ხდება დიფრაქცია

დიფრაქცია განსაკუთრებით გამოხატულია, როდესაც დაბრკოლების ზომა ტალღის სიგრძეზე ნაკლებია ან შედარებადია.

ნებისმიერი ბუნების ტალღებს შეუძლია დიფრაქციული, ასევე ჩარევა.

ინტენსივობის მინიმალური მდგომარეობა

როდესაც სინათლის ტალღა დიფრაქციულია ერთი ნახვრეტით სხივების ნორმალური სიხშირით, ინტენსივობის მინიმალური პირობა იწერება როგორც:

სადაც a არის ჭრილის სიგანე; - დიფრაქციის კუთხე; k - მინიმალური რაოდენობა; - ტალღის სიგრძე.

ინტენსივობის მაქსიმალური მდგომარეობა

როდესაც სინათლის ტალღა დიფრაქციულია ერთი ნახვრეტით სხივების ნორმალური სიხშირით, ინტენსივობის მაქსიმალური პირობა იწერება როგორც:

სად არის დიფრაქციის კუთხის სავარაუდო მნიშვნელობა.

ძირითადი ინტენსივობის მაქსიმუმების მდგომარეობა დიფრაქციულ ბადეზე დიფრაქციის დროს

სინათლის დიფრაქციის ძირითადი ინტენსივობის მაქსიმუმების პირობა დიფრაქციულ ბადეზე სხივების ნორმალური დაცემისას იწერება:

სადაც d არის გისოსის პერიოდი (მუდმივი); k არის მთავარი მაქსიმუმის რიცხვი; არის კუთხე ნორმალურ სიბრტყესა და დიფრაქციული ტალღების მიმართულებას შორის.

დიფრაქციული მნიშვნელობა

დიფრაქცია არ იძლევა მცირე ობიექტების მკაფიო გამოსახულების მიღებას, რადგან ყოველთვის არ არის შესაძლებელი ვივარაუდოთ, რომ სინათლე ვრცელდება მკაცრად სწორ ხაზზე. შედეგად, სურათები შეიძლება იყოს ბუნდოვანი და გადიდება არ უწყობს ხელს ობიექტის დეტალების დანახვას, თუ მისი ზომა შედარებულია სინათლის ტალღის სიგრძესთან. დიფრაქციის ფენომენი აწესებს საზღვრებს გეომეტრიული ოპტიკის კანონების გამოყენებაზე და განსაზღვრავს ოპტიკური ინსტრუმენტების გარჩევადობის ზღვარს.

პრობლემის გადაჭრის მაგალითები

მაგალითი 1

ვარჯიში

რატომ არის შეუძლებელი ჩარევის ფენომენის დაკვირვება ორი ელექტრო ნათურის დახმარებით?

გადაწყვეტილება

თუ ჩართავთ ერთ ელექტრო ნათურას, შემდეგ დაამატეთ მას მეორე, მაშინ განათება გაიზრდება, მაგრამ არ იქნება მუქი და მსუბუქი ზოლების მონაცვლეობა (განათების მინიმალური და მაქსიმალური). ეს იმიტომ ხდება, რომ სინათლის ტალღები, რომლებიც ნათურებს ასხივებს, არ არის თანმიმდევრული (არათანმიმდევრული). დროში სტაბილური ჩარევის ნიმუშის მისაღებად, სინათლის ტალღებს უნდა ჰქონდეთ იგივე სიხშირეები (ტალღის სიგრძე) და დროში მუდმივი ფაზის სხვაობა. სინათლის წყაროების ატომები, როგორიცაა ნათურები, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად ასხივებენ ტალღებს ცალკეულ მატარებლებში. სხვადასხვა წყაროს მატარებლები ერთმანეთზეა გადახურული. სივრცის თვითნებურ წერტილში რხევის ამპლიტუდა დროში ქაოტურად იცვლება, რაც დამოკიდებულია ტალღის მატარებლების ფაზურ განსხვავებაზე. მაღალი და დაბალი სტაბილური განაწილება არ ჩანს.

მაგალითი 2

ვარჯიში	m ტალღის სიგრძის სინათლის მონოქრომატული სხივი ეცემა მის ზედაპირზე პერპენდიკულარულ დიფრაქციულ ბადეზე, ხაზების რაოდენობა ბადეზე მილიმეტრზე არის 500. რა არის სპექტრის უმაღლესი რიგი?
გადაწყვეტილება	მოდით დავხატოთ ნახატი.

ჩარევაარის ვიბრაციების ჯამი. ჩარევის შედეგად სივრცის ზოგიერთ წერტილში რხევების ამპლიტუდა იზრდება, ზოგიერთში კი მცირდება. უცვლელი ჩარევის ნიმუში შეინიშნება მხოლოდ მაშინ, როდესაც სხვაობა შეჯამებულ რხევებს შორის მუდმივია (ისინი თანმიმდევრული ). ცხადია, იგივე სიხშირის რხევები შეიძლება იყოს თანმიმდევრული. ამიტომ, ჩარევა ხშირად შესწავლილია მონოქრომატული რყევები.

დიფრაქცია- ტალღების თვისებასთან დაკავშირებულ მოვლენებს ვუწოდოთ დაბრკოლებების ირგვლივ მოხვევა, ანუ სწორხაზოვანი გავრცელების გადახვევა.

ფიგურა მარჯვნივ გვიჩვენებს, თუ როგორ იცვლის ხმის ტალღები მიმართულებას კედლის ნახვრეტის გავლის შემდეგ. ჰაიგენსის პრინციპის მიხედვით, 1-5 რეგიონები ხდება სფერული ხმის ტალღების მეორადი წყაროები. ჩანს, რომ მეორადი წყაროები 1 და 5 რეგიონებში იწვევს ტალღებს დაბრკოლებების გარშემო.

კითხვა 30.1

მდგარი ტალღები. მუდმივი ტალღის განტოლება.

თუ გარემოში რამდენიმე ტალღა ვრცელდება, მაშინ საშუალო ნაწილაკების რხევები აღმოჩნდება რხევების გეომეტრიული ჯამი, რომელსაც ნაწილაკები გააკეთებდნენ თითოეული ტალღის ცალკე გავრცელების დროს. ტალღები გადახურულია Ერთმანეთი,შეწუხების გარეშე(ერთმანეთის დამახინჯების გარეშე). სწორედ ეს არის ტალღების სუპერპოზიციის პრინციპი.

თუ სივრცის ნებისმიერ წერტილში მოსულ ორ ტალღას აქვს მუდმივი ფაზის სხვაობა, ასეთ ტალღებს უწოდებენ თანმიმდევრული.როდესაც ემატება თანმიმდევრული ტალღები, ჩარევის ფენომენი.

ჩარევის ძალიან მნიშვნელოვანი შემთხვევა შეინიშნება, როდესაც ორი კონტრგავრცელებული სიბრტყე ტალღა ერთნაირი ამპლიტუდის ზედმიწევნით არის გადანაწილებული. შედეგად რხევის პროცესს ე.წ მდგარი ტალღა . პრაქტიკულად მდგარი ტალღები წარმოიქმნება დაბრკოლებებიდან ასახვისას.

დავწეროთ ორი სიბრტყე ტალღის განტოლება, რომლებიც ვრცელდება საპირისპირო მიმართულებით (საწყისი ფაზა):

ფაზის გამოხატულება არ შეიცავს კოორდინატს, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ დაწეროთ:

კვანძებში მდებარე საშუალო წერტილები არ ირხევა.

მუდმივი ტალღების წარმოქმნა შეინიშნება, როდესაც მოძრაობს და არეკლილი ტალღები ერევა. საზღვარზე, სადაც ტალღა აირეკლება, ანტიკვანძი მიიღება, თუ გარემო, საიდანაც ხდება არეკვლა, ნაკლებად მკვრივია (ნახ. 5.5, ა), ხოლო კვანძი - თუ უფრო მკვრივია (ნახ. 5.5, ბ).

თუ გავითვალისწინებთ მოგზაურობის ტალღა , შემდეგ მისი გავრცელების მიმართულებით ენერგია გადადისრხევითი მოძრაობა. Როდესაც იგივე არ არსებობს ენერგიის გადაცემის მუდმივი ტალღა , იმიტომ ერთი და იგივე ამპლიტუდის ინციდენტი და არეკლილი ტალღები ატარებენ ერთსა და იმავე ენერგიას საპირისპირო მიმართულებით.

კითხვა 32

Ხმის ტალღები.

ხმა(ან აკუსტიკური) ტალღებიეწოდება ელასტიური ტალღები, რომლებიც ავრცელებენ საშუალო სიხშირეებს 16-20000 ჰც დიაპაზონში. ამ სიხშირეების ტალღები, რომლებიც მოქმედებს ადამიანის სმენის აპარატზე, იწვევს ხმის შეგრძნებას. ტალღები ნ< 16 Гц (ინფრაბგერითი) და ნ> 20 kHz ( ულტრაბგერითი) არ აღიქმება ადამიანის სმენის ორგანოებით.

აირებსა და სითხეებში ხმის ტალღები შეიძლება იყოს მხოლოდ გრძივი, რადგან ეს საშუალებები ელასტიურია მხოლოდ კომპრესიული (დაჭიმვის) დეფორმაციების მიმართ. მყარ სხეულებში ბგერითი ტალღები შეიძლება იყოს როგორც გრძივი, ასევე განივი, რადგან მყარი ნივთიერებები ელასტიურია შეკუმშვის (დაჭიმვის) და ათვლის დეფორმაციების მიმართ.

ხმის ინტენსივობა(ან ხმის ძალა) არის მნიშვნელობა, რომელიც განისაზღვრება დროში საშუალო ენერგიის მიერ, რომელიც გადაიცემა ხმის ტალღით დროის ერთეულზე ტალღის გავრცელების მიმართულების პერპენდიკულარული ფართობის ერთეულში:

ხმის ინტენსივობის ერთეული SI-ში - ვატი კვადრატულ მეტრზე(W / m 2).

ადამიანის ყურის მგრძნობელობა განსხვავებულია სხვადასხვა სიხშირეზე. ხმის შეგრძნების გამოწვევისთვის ტალღას უნდა ჰქონდეს გარკვეული მინიმალური ინტენსივობა, მაგრამ თუ ეს ინტენსივობა გარკვეულ ზღვარს აჭარბებს, მაშინ ხმა არ ისმის და მხოლოდ ტკივილს იწვევს. ამრიგად, თითოეული რხევის სიხშირისთვის არის ყველაზე პატარა (სმენის ბარიერი)და ყველაზე დიდი (ტკივილის ბარიერი)ბგერის ინტენსივობა, რომელსაც შეუძლია ხმის აღქმის წარმოქმნა. ნახ. 223 გვიჩვენებს სმენისა და ტკივილის ზღურბლების დამოკიდებულებას ბგერის სიხშირეზე. ფართობი ამ ორ მოსახვევს შორის არის სმენის ზონა.

თუ ხმის ინტენსივობა არის სიდიდე, რომელიც ობიექტურად ახასიათებს ტალღის პროცესს, მაშინ ბგერის სუბიექტური მახასიათებელი, რომელიც დაკავშირებულია მის ინტენსივობასთან არის ხმის მოცულობა, რაც დამოკიდებულია სიხშირეზე. ვებერის - ფეხნერის ფიზიოლოგიური კანონის მიხედვით, ბგერის ინტენსივობის მატებასთან ერთად, მოცულობა იზრდება ლოგარითმული კანონის მიხედვით. ამის საფუძველზე შემოღებულია ხმის სიძლიერის ობიექტური შეფასება მისი ინტენსივობის გაზომილი მნიშვნელობის მიხედვით:

სადაც მე 0 - ხმის ინტენსივობა მოსმენის ზღურბლზე, აღებული ყველა ბგერაზე, რომელიც უდრის 10 -12 ვტ/მ 2. ღირებულება ლდაურეკა ხმის ინტენსივობის დონედა გამოიხატება ბელებში (ტელეფონის ბელის გამომგონებლის პატივსაცემად). ჩვეულებრივ გამოიყენეთ ერთეულები, რომლებიც 10-ჯერ უფრო მცირეა, - დეციბელი(დბ).

ხმის ფიზიოლოგიური მახასიათებელია მოცულობის დონე, რომელიც გამოიხატება ფონები(ფონი). ხმის სიძლიერე 1000 ჰც-ზე (სტანდარტული სუფთა ტონის სიხშირე) არის 1 ფონ, თუ მისი ინტენსივობის დონეა 1 დბ. მაგალითად, მეტროს ვაგონში ხმაური მაღალი სიჩქარით შეესაბამება »90 ფონს, ხოლო ჩურჩული 1 მ მანძილზე - »20 ფონ.

რეალური ხმა არის ჰარმონიული რხევების გადაფარვა დიდი სიხშირეებით, ანუ ბგერას აქვს აკუსტიკური სპექტრი, რომელიც შეიძლება იყოს უწყვეტი(გარკვეულ ინტერვალში ხდება ყველა სიხშირის რხევები) და განაგებდა(არსებობს ერთმანეთისგან გამოყოფილი გარკვეული სიხშირეების რყევები).

ხმას სიმაღლის გარდა ახასიათებს სიმაღლე და ტემბრი. მოედანი- ხმის ხარისხი, რომელიც განისაზღვრება პირის მიერ სუბიექტურად ყურით და ხმის სიხშირეზეა დამოკიდებული. სიხშირის მატებასთან ერთად, ხმის სიმაღლე იზრდება, ანუ ხმა ხდება "უფრო მაღალი". აკუსტიკური სპექტრის ბუნება და ენერგიის განაწილება გარკვეულ სიხშირეებს შორის განსაზღვრავს ხმის შეგრძნების ორიგინალურობას, ე.წ. ხმის ტემბრი.ამრიგად, სხვადასხვა მომღერლებს, რომლებიც ერთსა და იმავე ნოტს აძლევენ, აქვთ განსხვავებული აკუსტიკური სპექტრი, ანუ მათ ხმას განსხვავებული ტემბრი აქვს.

ნებისმიერი სხეული, რომელიც რხევა ელასტიურ გარემოში ხმის სიხშირით, შეიძლება იყოს ხმის წყარო (მაგალითად, სიმებიანი ინსტრუმენტების დროს, ხმის წყარო არის სიმები, რომელიც დაკავშირებულია ინსტრუმენტის სხეულთან).

რხევების გაკეთებისას სხეული იწვევს მის მიმდებარე გარემოს ნაწილაკების რხევას იგივე სიხშირით. რხევითი მოძრაობის მდგომარეობა თანმიმდევრულად გადაეცემა სხეულისგან სულ უფრო და უფრო დაშორებულ ნაწილაკებს, ანუ გარემოში ტალღა ვრცელდება მისი წყაროს სიხშირის ტოლი რხევის სიხშირით და გარკვეული სიჩქარით, სიმკვრივის მიხედვით. და ელასტიური თვისებები საშუალო. აირებში ხმის ტალღების გავრცელების სიჩქარე გამოითვლება ფორმულით

სადაც R-მოლური გაზის მუდმივი, M -მოლური მასა, g \u003d C p / C V -გაზის მოლური სითბოს შესაძლებლობების თანაფარდობა მუდმივი წნევისა და მოცულობის დროს, T -თერმოდინამიკური ტემპერატურა. ფორმულიდან (158.1) გამომდინარეობს, რომ აირში ხმის სიჩქარე არ არის დამოკიდებული წნევაზე რგაზი, მაგრამ იზრდება ტემპერატურასთან ერთად. რაც უფრო დიდია გაზის მოლური მასა, მით უფრო დაბალია მასში ხმის სიჩქარე. მაგალითად, როდის თ\u003d 273 K ხმის სიჩქარე ჰაერში ( მ\u003d 29 × 10 -3 კგ / მოლი) ვ=331 მ/წმ, წყალბადში ( მ\u003d 2 × 10 -3 კგ / მოლი) ვ=1260 მ/წმ. გამოხატულება (158.1) შეესაბამება ექსპერიმენტულ მონაცემებს.

როდესაც ხმა ვრცელდება ატმოსფეროში, აუცილებელია გავითვალისწინოთ მთელი რიგი ფაქტორები: ქარის სიჩქარე და მიმართულება, ჰაერის ტენიანობა, აირისებრი გარემოს მოლეკულური სტრუქტურა, გარდატეხის და ხმის ასახვის ფენომენი ორი მედიის საზღვარზე. გარდა ამისა, ნებისმიერ რეალურ გარემოს აქვს სიბლანტე, ამიტომ შეინიშნება ხმის შესუსტება, ანუ მისი ამპლიტუდის და, შესაბამისად, ბგერის ტალღის ინტენსივობის შემცირება მისი გავრცელებისას. ხმის შესუსტება დიდწილად განპირობებულია მისი შეწოვით გარემოში, რაც დაკავშირებულია ბგერის ენერგიის შეუქცევად გადასვლასთან ენერგიის სხვა ფორმებში (ძირითადად სითბოში).

ოთახის აკუსტიკისთვის მას დიდი მნიშვნელობა აქვს ხმის რევერბერაცია- ხმის თანდათანობითი შესუსტების პროცესი დახურულ სივრცეებში მისი წყაროს გამორთვის შემდეგ. თუ ოთახები ცარიელია, მაშინ ხმა ნელ-ნელა ფუჭდება და ოთახი "ბუმი" იქმნება. თუ ხმები სწრაფად ქრებოდა (ხმის შთამნთქმელი მასალების გამოყენებისას), მაშინ ისინი აღიქმება როგორც ჩახლეჩილი. რევერბის დრო- ეს ის დროა, რომლის დროსაც ოთახში ხმის ინტენსივობა მცირდება მილიონჯერ, ხოლო მისი დონე 60 დბ-ით. ოთახს აქვს კარგი აკუსტიკა, თუ რევერბერაციის დრო არის 0,5-1,5 წმ.

კითხვა 32.1

მოედანი
ხმაურის გარდა, ხმას ახასიათებს სიმაღლე. ბგერის სიმაღლე განისაზღვრება მისი სიხშირით: რაც უფრო მაღალია ვიბრაციის სიხშირე ბგერის ტალღაში, მით უფრო მაღალია ხმა. დაბალი სიხშირის ვიბრაციები შეესაბამება დაბალ ბგერებს, მაღალი სიხშირის ვიბრაციები შეესაბამება მაღალ ხმებს.

ასე, მაგალითად, ბუმბერაზი ფრთებს უფრო დაბალი სიხშირით ატრიალებს, ვიდრე კოღო: ბუმბერაზში ეს არის 220 დარტყმა წამში, ხოლო კოღოში - 500-600. მაშასადამე, ბუმბერაზის ფრენას თან ახლავს დაბალი ხმა (ზუზუნი), ხოლო კოღოს ფრენას - მაღალი ხმა (კვიჭი).

გარკვეული სიხშირის ხმის ტალღას სხვაგვარად უწოდებენ მუსიკალურ ტონს, ამიტომ სიმაღლეს ხშირად უწოდებენ სიმაღლეს.

ძირითადი ბგერა, რომელიც შერეულია სხვა სიხშირის რამდენიმე ვიბრაციასთან, ქმნის მუსიკალურ ხმას. მაგალითად, ვიოლინოსა და ფორტეპიანოს ხმები შეიძლება შეიცავდეს 15-20-მდე სხვადასხვა ვიბრაციას. მისი ტემბრი დამოკიდებულია თითოეული რთული ბგერის შემადგენლობაზე.

სიმის თავისუფალი ვიბრაციის სიხშირე დამოკიდებულია მის ზომაზე და დაძაბულობაზე. ამიტომ გიტარის სიმების გაჭიმვით და სხვადასხვა ადგილას გიტარის კისერზე დაჭერით, ვცვლით მათ ბუნებრივ სიხშირეს და შესაბამისად, მათ მიერ გამოშვებულ ბგერების სიმაღლეს.

ხმის აღქმის ბუნება დიდწილად დამოკიდებულია ოთახის განლაგებაზე, რომელშიც ისმის მეტყველება ან მუსიკა. ეს აიხსნება იმით, რომ დახურულ ოთახებში მსმენელი, პირდაპირი ხმის გარდა, აღიქვამს ასევე გამეორებების უწყვეტ სერიას, რომლებიც სწრაფად მიჰყვება ერთმანეთს, რაც გამოწვეულია ოთახის, კედლების, ჭერისა და იატაკის საგნებიდან ხმის მრავალჯერადი არეკვლით.

კითხვა 32.2

ხმის ძალა

ხმის ძალა(ნათესავი) არის მოძველებული ტერმინი, რომელიც აღწერს ბგერის ინტენსივობის მსგავს, მაგრამ არა იდენტურ სიდიდეს. დაახლოებით იგივე სიტუაციას ვაკვირდებით სინათლის ინტენსივობისთვის (ერთეული - კანდელა) - რადიაციის სიძლიერის მსგავსი რაოდენობა (ერთეული - ვატი სტერადიანზე).

ხმის ინტენსივობა იზომება ფარდობითი მასშტაბით ზღვრული მნიშვნელობიდან, რომელიც შეესაბამება ხმის ინტენსივობას 1 pW/m² სინუსოიდური სიგნალის სიხშირით 1 kHz და ხმის წნევით 20 μPa. შეადარეთ ეს განმარტება მანათობელი ინტენსივობის ერთეულის განმარტებას: ”კანდელა უდრის მონოქრომატული წყაროს მიერ მოცემული მიმართულებით გამოსხივებული სინათლის ინტენსივობას, ემისიის სიხშირით 540 THz და ემისიის ინტენსივობა ამ მიმართულებით 1/ 683 W / sr."

ამჟამად ტერმინი "ხმის ძალა"ანაცვლებს ტერმინს "აუდიო ხმის დონე"