Властивості хвиль

Підемо порадою Козьми Пруткова і спостерігатимемо за хвилями, намагаючись розібратися в їх природу і властивості.

ФОРМА ХВИЛЬ. З двох прикладів хвиль, наведених у попередній параграфі, коливання яких можна побачити, випливає, що форма хвиль може сильно відрізнятися. Хвиля від кинутого у воду каменя має форму розширюються кіл. Хвиля в натягнутій мотузці – вигин, що рухається уздовж мотузки. Про те, наскільки різноманітна форма хвиль, можна судити по хвилях на морі або великому озері. Виявляється, що і форма невидимих ​​хвиль може теж бути найрізноманітнішою. Спостерігаючи за хвилею від кинутого каменя, можна зробити висновок, що форма хвилі змінюється в міру поширення хвилі, на великій відстані хвиля згладжується і пропадає. Ця властивість характерна для хвиль будь-якої природи.

Хвилі можуть мати найрізноманітнішу форму, яка може змінюватися в міру поширення хвилі.

ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦІЇ ХВИЛЬ. Кинемо тепер у воду два камені. Ми побачимо, що в міру поширення хвилі проходять одна через іншу, складаючись. У тих місцях, де кожна з хвиль має горб, поверхня води підніметься на висоту, рівну сумі висот кожного з горбів. Те ж саме можна помітити для точок, в яких обидві хвилі мають западини. Якщо ж у якійсь точці одна хвиля мала горб, а інша – западину, то, складаючись, хвилі гасять один одного. Явище взаємопосилення або взаімогашенія двох або більше хвиль називають інтерференцією.

Спостерігаючи за поширенням хвиль від двох каменів, нескладно помітити, що на великій відстані від каменів вже не можна побачити дві хвилі. Що ж сталося – дві хвилі перетворилися в одну? Але в якийсь момент це відбувається? Правильніше і простіше вважати. що в момент падіння каменів утворилася одна хвиля, яка дорівнює сумі двох хвиль, яка змінювала форму у міру поширення, т. е. при складанні двох або більше хвиль утворюється нова хвиля. Це правило називається принципом суперпозиції хвиль.

Додавання кількох хвиль призводить до утворення нової хвилі. Будь-яку хвилю можна представити як суму декількох хвиль, причому це можна зробити багатьма способами.

Монохроматичному хвилі. Складання з декількох хвиль однієї нової нагадує дитячу іграшку, в якій з деталей різноманітної форми потрібно скласти вихідну картинку. А як підібрати універсальні елементи, щоб з них можна було скласти будь-яку картинку? Напевно, ви знаєте відповідь. Будь-яке зображення на екрані телевізора або на аркуші паперу формується з безлічі кольорових крапок – «елементарних цеглинок» зображення. Точно так само речовина складається з таких «елементарних цеглинок», як атоми, молекули, ядра, електрони. Можливо, такі «елементарні цеглинки» існують і в «світі хвиль»? Це дійсно так: будь-яку хвилю можна однозначно представити у вигляді суми монохроматичних хвиль.

На малюнку 67 наведено графіки залежності тиску в звуковій хвилі від координати X, уздовж якої поширюється хвиля, і від часу.

Монохроматичній хвилею називають хвилю, що змінюється в часі і в просторі за синусоїдальним законом.

«Монохроматична» в дослівному перекладі означає «одноколірна». Яке відношення має колір до звукової хвилі? Як вже говорилося, світло являє собою електромагнітну хвилю. При розкладанні світла призмою (див. Рис. 19) кожній вузькій одноколірної смужці, наприклад смужці в спектрі натрію (див. Рис. 20), відповідає хвиля, близька до синусоїдальної. В даному випадку одноколірна хвиля має явний сенс. Ця термінологія була перенесена на хвилі іншої природи.

На малюнку 67 наведено також деякі параметри, що характеризують монохроматичну хвилю. Періодом хвилі T називають час, за який відбувається одне коливання (вимірюється в секундах). Довжиною хвилі λ, називають просторовий інтервал, що відповідає одному періоду хвилі. Крім цього, вводять поняття «частота хвилі» v = 1 / T – число коливань хвилі в одну секунду (вимірюється в герцах). Ці параметри пов’язані зі швидкістю поширення хвилі і співвідношенням V = λv. Амплітудою хвилі (на малюнку вона позначена через А. однак для різних типів хвиль можуть застосовуватися різні позначення) називається максимальне відхилення параметра, що характеризує хвилю, від положення рівноваги.

Монохроматичні (синусоїдальні) хвилі являють собою «елементарні цеглинки», при додаванні яких можна отримати будь-яку хвилю. Для цих хвиль визначаються такі параметри, як довжина хвилі, період хвилі, частота хвилі, амплітуда хвилі.

Розкладання довільної хвилі на монохроматичні складові називають спектральним поданням хвилі. Сукупність частот (або довжин) монохроматичних хвиль, складових деяку хвилю, і визначає спектр хвилі. Призма є одним з найпростіших приладів, що здійснює розкладання електромагнітної хвилі видимого діапазону.

Монохроматичні хвилі володіють рядом чудових властивостей. Зокрема, при поширенні монохроматичному хвилі її форма не змінюється.

Слід зауважити, що, строго кажучи, синусоїда монохроматичному хвилі нескінченна в часі і в просторі. Монохроматична хвиля, таким чином, є ідеалізацією, такий же, як, наприклад, матеріальна точка. У природі не буває монохроматичних хвиль, однак багато хвилі за властивостями дуже близькі до монохроматичним.

ДИФРАКЦІЯ ХВИЛЬ. Якщо ви уважно спостерігали за брижами на поверхні води, то могли помітити, що дрібні предмети (стирчать з води гілки, невеликі камені) не є перешкодами для хвиль. Хвилі практично «не помічають» їх. Однак за перешкодою з великими розмірами (наприклад, плаваючий у воді пліт) хвилі зникають. Висновок, який можна зробити, виявляється справедливий для хвиль будь-якої природи: хвилі вільно огинають перешкоди, розміри яких порівнянні або менше довжини хвилі. Таке явище називають дифракцією.

Дифракцією називають явище огинання перешкод хвилями різної природи. Хвилі будь-якої природи вільно огинають перешкоди з розмірами, порівнянними чи меншими довжини хвилі.

Саме дифракція не дає можливості побачити атоми і молекули в мікроскоп з як завгодно великим збільшенням. Розміри атомів і молекул багато менше довжини хвилі видимого світла.

ЗАГАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ хвилі й частки. Такий об’єкт природи, як хвилі, зовсім не схожий на частинки, а «елементарні цеглинки», з яких можна скласти будь-яку хвилю, нескінченні в просторі і в часі. Проте у хвиль і частинок є загальні властивості. Почнемо з прикладу. Кинувши камінь у вікно, можна розбити скло. Але, як ви, напевно, знаєте, шибки розбиваються і при вибухах, в результаті яких утворюється ударна звукова хвиля (див. Рис. 66). Отже, така хвиля діє з деякою силою на скло. Якими мають бути властивості кинутого каменя, щоб він розбив скло? У нього повинна бути досить велика маса і досить велика швидкість. Як ви знаєте, твір цих двох величин дає імпульс тіла, т. Е. Камінь розіб’є скло при досить великому імпульсі. З аналогії між каменем і ударною хвилею можна зробити висновок, що хвиля має імпульсом і переносить імпульс через простір. Ця властивість характерна для хвиль будь-якої природи.

Крім імпульсу, хвилі мають енергію і переносять енергію через простір. Те, що електромагнітна хвиля, що приходить до нас від Сонця, постачає нас енергією, необхідної для життя, ви, звичайно, знаєте. Однак енергією володіють будь хвилі. Останнім часом, наприклад, ведуться активні роботи по використанню енергії морських хвиль для виробництва електроенергії.

Хвилі та частки володіють деякими загальними властивостями. Хвиля будь-якої природи переносить енергію і імпульс через простір

Що спільного у хвиль і частинок?
Наведіть приклади приладів, відмінних від призми, що розкладають хвилю в спектр.
Проведіть найпростіший експеримент: направте промінь сонця, відбитий від компакт-диска, на білий екран. Що ви спостерігаєте? Як пояснити результат спостереження?

Посилання на основну публікацію