Как найти разность хода двух когерентных волн - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

IV. Оптика

Тестирование онлайн

Интерференция

Интерференция — сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Явление характерно для волн любой природы: звуковых волн, волн на поверхности воды, электромагнитных волн и др.

Устойчивую интерференционную картину дают только когерентные волны, т.е. волны, имеющие одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз колебаний.

Пусть в точку А пришли две волны одинаковой частоты, прошедшие перед этим различные расстояния l₁ и l₂ от своих источников.

Амплитуда результирующего колебания зависит от величины, называемой разностью хода волн.

Если разность хода равна целому числу волн, то волны приходят в точку синфазно. Складываясь, волны усиливают друг друга и дают колебание с удвоенной амплитудой.

Если разность хода равна нечетному числу полуволн, то волны приходят в точку А в противофазе. В этом случае они гасят друг друга, амплитуда результирующего колебания равна нулю.

В других точках пространства наблюдается частичное усиление или ослабление результирующей волны.

Опыт Юнга

В 1802 г. английский ученый Томас Юнг поставил опыт, в котором наблюдал интерференцию света. Свет из узкой щели S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S₁ и S₂. Проходя через каждую из щелей, световой пучок расширялся, и на белом экране световые пучки, прошедшие через щели S₁ и S₂, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Ход луча в мыльной пленке

На рисунке изображена в разрезе сильно увеличенная по толщине мыльная пленка. Пусть в точке А пленки попадает световая волна. Часть света отражается от этой поверхности, а часть — преломляется, проходит внутрь пленки и отражается от ее поверхности в точке В. Эти два отраженных пучка света имеют одинаковую частоту, поскольку исходят от одного источника. Складываясь, они образуют интерференционную картину.

С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен, рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков и др.

Источник

Интерференция волн.

Сложение колебаний.
Когерентные источники.
Условие максимума и минимума.
Интерференционная картина.

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: интерференция света.

В предыдущем листке, посвящённом принципу Гюйгенса, мы говорили о том, что общая картина волнового процесса создаётся наложением вторичных волн. Но что это значит — «наложением»? В чём состоит конкретный физический смысл наложения волн? Что вообще происходит, когда в пространстве одновременно распространяются несколько волн? Этим вопросам и посвящён данный листок.

к оглавлению ▴

Сложение колебаний.

Сейчас мы будем рассматривать взаимодействие двух волн. Природа волновых процессов роли не играет — это могут быть механические волны в упругой среде или электромагнитные волны (в частности, свет) в прозрачной среде или в вакууме.

Опыт показывает, что волны складываются друг с другом в следующем смысле.

Принцип суперпозиции. Если две волны накладываются друг на друга в определённой области пространства, то они порождают новый волновой процесс. При этом значение колеблющейся величины в любой точке данной области равно сумме соответствующих колеблющихся величин в каждой из волн по отдельности.

Например, при наложении двух механических волн перемещение частицы упругой среды равно сумме перемещений, создаваемых в отдельности каждой волной. При наложении двух электромагнитных волн напряжённость электрического поля в данной точке равна сумме напряжённостей в каждой волне (и то же самое для индукции магнитного поля).

Разумеется, принцип суперпозиции справедлив не только для двух, но и вообще для любого количества накладывающихся волн. Результирующее колебание в данной точке всегда равно сумме колебаний, создаваемых каждой волной по отдельности.

Мы ограничимся рассмотрением наложения двух волн одинаковой амплитуды и частоты. Этот случай наиболее часто встречается в физике и, в частности, в оптике.

Оказывается, на амплитуду результирующего колебания сильно влияет разность фаз складывающихся колебаний. В зависимости от разности фаз в данной точке пространства две волны могут как усиливать друг друга, так и полностью гасить!

Предположим, например, что в некоторой точке фазы колебаний в накладывающихся волнах совпадают (рис. 1).

Рис. 1. Волны в фазе: усиление колебаний

Мы видим, что максимумы красной волны приходятся в точности на максимумы синей волны, минимумы красной волны — на минимумы синей (левая часть рис. 1). Складываясь в фазе, красная и синяя волны усиливают друг друга, порождая колебания удвоенной амплитуды (справа на рис. 1).

Теперь сдвинем синюю синусоиду относительно красной на половину длины волны. Тогда максимумы синей волны будут совпадать с минимумами красной и наоборот — минимумы синей волны совпадут с максимумами красной (рис. 2, слева).

Рис. 2. Волны в противофазе: гашение колебаний

Колебания, создаваемые этими волнами, будут происходить, как говорят, в противофазе — разность фаз колебаний станет равна . Результирующее колебание окажется равным нулю, т. е. красная и синяя волны попросту уничтожат друг друга (рис. 2, справа).

к оглавлению ▴

Когерентные источники.

Пусть имеются два точечных источника, создающие волны в окружающем пространстве. Мы полагаем, что эти источники согласованы друг с другом в следующем смысле.

Когерентность. Два источника называются когерентными, если они имеют одинаковую частоту и постоянную, не зависящую от времени разность фаз. Волны, возбуждаемые такими источниками, также называются когерентными.

Итак, рассматриваем два когерентных источника $S_{1}$ и $S_{2}$ . Для простоты считаем, что источники излучают волны одинаковой амплитуды, а разность фаз между источниками равна нулю. В общем, эти источники являются «точными копиями» друг друга (в оптике, например, источник $S_{2}$ служит изображением источника $S_{1}$ в какой-либо оптической системе).

Наложение волн, излучённых данными источниками, наблюдается в некоторой точке . Вообще говоря, амплитуды этих волн в точке не будут равны друг другу — ведь, как мы помним, амплитуда сферической волны обратно пропорциональна расстоянию до источника, и при разных расстояниях $S_{1}P$ и $S_{2}P$ амплитуды пришедших волн окажутся различными. Но во многих случаях точка расположена достаточно далеко от источников — на расстоянии гораздо большем, чем расстояние между самими источниками. В такой ситуации различие в расстояниях $S_{1}P$ и $S_{2}P$ не приводит к существенному отличию в амплитудах приходящих волн. Следовательно, мы можем считать, что амплитуды волн в точке также совпадают.

к оглавлению ▴

Условие максимума и минимума.

Однако величина $d=|S_{1}P-S_{2}P|$ , называемая разностью хода, имеет важнейшее значение. От неё самым решительным образом зависит то, какой результат сложения приходящих волн мы увидим в точке .

Рис. 3. Усиление колебаний в точке P

В ситуации на рис. 3 разность хода равна длине волны . Действительно, на отрезке $S_{1}P$ укладываются три полных волны, а на отрезке $S_{2}P$ — четыре (это, конечно, лишь иллюстрация; в оптике, например, длина таких отрезков составляет порядка миллиона длин волн). Легко видеть, что волны в точке складываются в фазе и создают колебания удвоенной амплитуды — наблюдается, как говорят, интерференционный максимум.

Ясно, что аналогичная ситуация возникнет при разности хода, равной не только длине волны, но и любому целому числу длин волн.

Условие максимума. При наложении когерентных волн колебания в данной точке будут иметь максимальную амплитуду, если разность хода равна целому числу длин волн:

(1)

Теперь посмотрим на рис. 4. На отрезке $S_{1}P$ укладываются две с половиной волны, а на отрезке $S_{2}P$ -три волны. Разность хода составляет половину длины волны (d=lambda /2[/math]).

Рис. 4. Гашение колебаний в точке P

Теперь нетрудно видеть, что волны в точке складываются в противофазе и гасят друг друга — наблюдается интерференционный минимум. То же самое будет, если разность хода окажется равна половине длины волны плюс любое целое число длин волн.

Условие минимума.
Когерентные волны, складываясь, гасят друг друга, если разность хода равна полуцелому числу длин волн:

$d=nlambda+frac{displaystyle lambda }{displaystyle 2}.$ (2)

Равенство (2) можно переписать следующим образом:

$d=(2n+1)frac{displaystyle lambda }{displaystyle 2}$ .

Поэтому условие минимума формулируют ещё так: разность хода должна быть равна нечётному числу длин полуволн.

к оглавлению ▴

Интерференционная картина.

А что, если разность хода принимает какое-то иное значение, не равное целому или полуцелому числу длин волн? Тогда волны, приходящие в данную точку, создают в ней колебания с некоторой промежуточной амплитудой, расположенной между нулём и удвоенным значением 2A амплитуды одной волны. Эта промежуточная амплитуда может принимать все значения от 0 до 2A по мере того, как разность хода меняется от полуцелого до целого числа длин волн.

Таким образом, в той области пространства, где происходит наложение волн когерентных источников $S_{1}$ и $S_{2}$ , наблюдается устойчивая интерференционная картина — фиксированное не зависящее от времени распределение амплитуд колебаний. А именно, в каждой точке $S_{1}P$ данной области амплитуда колебаний принимает своё значение, определяемое разностью хода $d=|S_{1}P-S_{2}P|$ приходящих сюда волн, и это значение амплитуды не меняется со временем.

Такая стационарность интерференционной картины обеспечивается когерентностью источников. Если, например, разность фаз источников будет постоянно меняться, то никакой устойчивой интерференционной картины уже не возникнет.

Теперь, наконец, мы можем сказать, что такое интерференция.

Интерференция — это взаимодействие волн, в результате которого возникает устойчивая интерференционная картина, то есть не зависящее от времени распределение амплитуд результирующих колебаний в точках области, где волны накладываются друг на друга.

Если волны, перекрываясь, образуют устойчивую интерференционную картину, то говорят попросту, что волны интерферируют. Как мы выяснили выше, интерферировать могут только когерентные волны. Когда, например, разговаривают два человека, то мы не замечаем вокруг них чередований максимумов и минимумов громкости; интерференции нет, поскольку в данном случае источники некогерентны.

На первый взгляд может показаться, явление интерференции противоречит закону сохранения энергии — например, куда девается энергия, когда волны полностью гасят друг друга? Но никакого нарушения закона сохранения энергии, конечно же, нет: энергия просто перераспределяется между различными участками интерференционной картины. Наибольшее количество энергии концентрируется в интерференционных максимумах, а в точки интерференционных минимумов энергия не поступает совсем.

На рис. 5 показана интерференционная картина, созданная наложением волн двух точечных источников $S_{1}$ и $S_{2}$ . Картина построена в предположении, что область наблюдения интерференции находится достаточно далеко от источников. Пунктиром отмечена ось симметрии интерференционной картины.

Рис. 5. Интерференция волн двух точечных источников

Цвета точек интерференционной картины на этом рисунке меняются от чёрного до белого через промежуточные оттенки серого. Чёрный цвет — интерференционные минимумы, белый цвет — интерференционные максимумы; серый цвет — промежуточное значение амплитуды, и чем больше амплитуда в данной точке, тем светлее сама точка.

Обратите внимание на прямую белую полосу, которая идёт вдоль оси симметрии картины. Здесь расположены так называемые центральные максимумы. Действительно, любая точка данной оси равноудалена от источников (разность хода равна нулю), так что в этой точке будет наблюдаться является интерференционный максимум.

Остальные белые полосы и все чёрные полосы слегка искривлены; можно показать, что они являются ветвями гипербол. Однако в области, расположенной на большом расстоянии от источников, кривизна белых и чёрных полос мало заметна, и выглядят эти полосы почти прямыми.

к оглавлению ▴

Интерференционный опыт, изображённый на рис. 5, вместе с соответствующим методом расчёта интерференционной картины называется схемой Юнга. Эта схема лежит в основе знаменитного
опыта Юнга (речь о котором пойдёт в теме Дифракция света). Многие эксперименты по интерференции света так или иначе сводятся к схеме Юнга.

В оптике интерференционную картину обычно наблюдают на экране. Давайте ещё раз посмотрим на рис. 5 и представим себе экран, поставленный перпендикулярно пунктирной оси.
На этом экране мы увидим чередование светлых и тёмных интерференционных полос.

На рис. 6 синусоида показывает распределение освещённости вдоль экрана. В точке O, расположенной на оси симметрии, находится центральный максимум. Первый максимум в верхней части экрана, соседний с центральным, находится в точке A. Выше идут второй, третий (и такдалее) максимумы.

Рис. 6. Интерференционная картина на экране

Расстояние , равное расстоянию между любыми двумя соседними максимумами или минимумами, называется шириной интерференционной полосы. Сейчас мы займёмся нахождением этой величины.

Пусть источники находятся на расстоянии друг от друга, а экран расположен на расстоянии от источников (рис. 7 ). Экран заменён осью ; начало отсчёта , как и выше, отвечает центральному максимуму.

Рис. 7. Вычисление координат максимумов

Точки $N_{1}$ и $N_{2}$ служат проекциями точек $S_{1}$ и $S_{2}$ на ось и расположены симметрично относительно точки . Имеем: $ON_{1}=ON_{2}=a/2$ .

Точка наблюдения может находиться на оси (на экране) где угодно. Координату точки
мы обозначим . Нас интересует, при каких значениях в точке будет наблюдаться интерференционный максимум.

Волна, излучённая источником $S_{1}$ , проходит расстояние:

$S_{1}P=sqrt{displaystyle S_{displaystyle 1}N_{displaystyle 1}^{displaystyle 2}+PN_{displaystyle 1}^{displaystyle 2}}=sqrt{L^{2}+(x-frac{displaystyle a}{displaystyle 2})^{displaystyle 2}}=Lsqrt{1+(frac{displaystyle 2x-a}{displaystyle 2L})^{displaystyle 2}}$ . (3)

Теперь вспомним, что расстояние между источниками много меньше расстояния от источников до экрана: aleq L . Кроме того, в подобных интерференционных опытах координата точки наблюдения также гораздо меньше . Это означает, что второе слагаемое под корнем в выражении (3) много меньше единицы:

$(frac{displaystyle 2x-a}{displaystyle 2L})^{displaystyle 2}leq 1$ .

Раз так, можно использовать приближённую формулу:

$sqrt{1+alpha }=1+frac{displaystyle alpha }{displaystyle 2}, alpha leq 1$ (4)

Применяя её к выражению (4), получим:

$S_{1}P=L(1+frac{1}{2}(frac{displaystyle 2x-a}{displaystyle 2L})^{displaystyle 2})=L+frac{(displaystyle 2x-a)^{displaystyle 2}}{displaystyle 8L}$ (5)

Точно так же вычисляем расстояние, которое проходит волна от источника $S_{2}$ до точки наблюдения:

$S_{2}P=sqrt{displaystyle S_{displaystyle 1}N_{displaystyle 2}^{displaystyle 2}+PN_{displaystyle 2}^{displaystyle 2}}=sqrt{L^{2}+(x+frac{displaystyle a}{displaystyle 2})^{displaystyle 2}}=Lsqrt{1+(frac{displaystyle 2x+a}{displaystyle 2L})^{displaystyle 2}}$ . (6)

Применяя к выражению (6) приближённую формулу (4), получаем:

$S_{2}P=L(1+frac{1}{2}(frac{displaystyle 2x+a}{displaystyle 2L})^{displaystyle 2})=L+frac{(displaystyle 2x+a)^{displaystyle 2}}{displaystyle 8L}$ . (7)

Вычитая выражения (7) и (5), находим разность хода:

$d=S_{2}P-S_{1}P=frac{(displaystyle 2x+a)^{displaystyle 2}-(displaystyle 2x-a)^{displaystyle 2}}{displaystyle 8L}=frac{displaystyle ax}{displaystyle L}$ . (8)

Пусть lambda — длина волны, излучаемой источниками. Согласно условию (1), в точке будет наблюдаться интерференционный максимум, если разность хода равна целому числу длин волн:

$d=frac{displaystyle ax}{displaystyle L}=nlambda (n=0,1,2,3,...).$

Отсюда получаем координаты максимумов в верхней части экрана (в нижней части максимумы идут симметрично):

$displaystyle x_{displaystyle n}=frac{displaystyle nlambda L}{displaystyle a} (n=0,1,2,3,...).$

При n=0 получаем, разумеется, $displaystyle x_{displaystyle n}=0$ (центральный максимум). Первый максимум рядом с центральным соответствует значению n=1 и имеет координату $displaystyle x_{displaystyle 1}=lambda L/a$ .Такой же будет и ширина интерференционной полосы:

$Delta x=displaystyle x_{displaystyle n+1}-displaystyle x_{displaystyle n}=frac{(displaystyle n+displaystyle 1)lambda L}{displaystyle a}-frac{displaystyle nlambda L}{displaystyle a}=frac{displaystyle lambda L}{displaystyle a}$ .

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими статьями.
Информация на странице «Интерференция волн.» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в высшее учебное заведение или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими материалами из данного раздела.

Публикация обновлена:
07.05.2023

Источник

Когерентностью
называется
согласованное протекание нескольких
колебательных или волновых процессов.
Степень согласования может быть
различной.

Пусть
в данную точку пространства приходят
две световые волны одинаковой частоты,
которые возбуждают в этой точке колебания
одинакового направления:

Е =
А₁соs(wt
+ a₁),
Е = A₂cos(wt
+ a₂),
тогда амплитуда результирующего
колебания А²
= А₁²
+А₂²
+ 2А₁А₂соsj,
(1) где j
=
a₁
— a₂
= const.

Если
частоты колебаний в обеих волнах w
одинаковы, а разность фаз j
возбуждаемых колебаний остается
постоянной во времени, то такие волны
называются когерентными.

При
наложении
когерентных волн они дают устойчивое
колебание с
неизменной амплитудой А
= соnst,
определяемой выражением (1).Т.о.,
когерентные волны при интерференции
друг с другом дают устойчивое колебание
с амплитудой не больше суммы амплитуд
интерферирующих волн.

В случае
когерентных волн, соsj
имеет постоянное во времени значение,
но свое для каждой точки пространства,
так что I
= I₁
+ I₂
+ 2Ö
I₁
×
I₂
cosj
(2).

При
наложении когерентных световых волн
происходит
перераспределение светового потока в
пространстве, в результате чего в одних
местах возникают максимумы, а в других
– минимумы интенсивности. Это
явление называется интерференцией
волн.
Особенно отчетливо проявляется
интерференция в том случае, когда
интенсивности обеих интерферирующих
волн одинаковы: I₁=I₂.
Тогда согласно (2) в максимумах I
= 4I₁,
в минимумах же I
= 0. Все естественные источники света
(Солнце, лампочки накаливания и т.д.) не
когерентны.

Когерентные
световые волны можно получить, разделив
(с помощью отражений или преломлений)
волну, излучаемую одним источником
света, на две части. Если заставить эти
две волны пройти разные оптические
пути, а потом наложить их др. на др.,
наблюдается интерференция. Разность
оптических длин путей, проходимых
интерферирующими волнами, не должна
быть очень большой, так как складывающиеся
колебания должны принадлежать одному
и тому же результирующему цугу волн.

Пусть
разделение на две когерентные волны
происходит в точке О (рис.2).

До
точки Р первая волна проходит в среде
показателем
преломления n₁
путь S₁,
вторая волна проходит в среде с показателем
преломления n₂
путь S₂.
Если в точке О фаза колебания равна wt,
то первая волна возбудит в точке Р
колебание А₁соsw(t
– S₁/V₁),
а вторая волна — колебание А₂соsw(t
– S₂/V₂),
где V₁
и
V₂
— фазовые скорости. Следовательно,
разность фаз колебаний, возбуждаемых
волнами в точке Р, будет равна
j
=
w(S₂/V₂
– S₁/V₁)
= (w/c)(n₂S₂
– n₁S₁).

Заменимw/с
через 2pn/с
⁼
2p/lо
(lо
— длина волны в),тогда j
= (2p/lо)D,
где D=
n₂S₂
– n₁S₁
= L₂
— L₁
есть
величина, равная разности оптических
длин, проходимых волнами путей, и
называется оптической
разностью хода.
Если
оптическая разность хода равна целому
числу длин волн в вакууме:
D
= ±mlо
(m
= 0,1,2), (4)
то
разность фаз оказывается кратной 2p
и колебания, возбуждаемые в точке Р
обеими волнами, будут происходить с
одинаковой фазой. Это условие
интерференционного максимума.

Если
оптическая разность хода D
равна полуцелому числу длин волн в
вакууме:
D
= ± (m
+ 1/2)lо (m
=0, 1,2, …), (5)
то
j
= ± (2m
+ 1)p,
так что колебания в точке Р находятся
в противофазе. Это условие интерференционного
минимума.

Соседние файлы в предмете Физика

Источник

Разность хода двух когерентных волн: максимум интерференции

Δd — разность хода
λ — длина волны

Найти

Δ_d
k
λ

Известно, что:

Вычислить ‘Δ_d‘

Источник

Интерференция света – явление ослабления или усиления интенсивности света в зависимости от соотношения фаз складываемых световых когерентных волн, линейно поляризованных в одной плоскости. Для уровня школьной физики данное определение является излишним. По умолчанию, световые волны являются когерентными и линейно поляризованными.

Таким образом, для нас в задачах на интерференцию важно наличие нескольких (чаще всего двух) волн и разности фаз (разности хода) между ними.

В школьных задачах на интерференцию основным вопросом является результат интерференции в наблюдаемой точке (усиление или ослабление света).

Для математического описания явления интерференции вводят оптическую длину пути ( displaystyle nr ) — произведение показателя преломления среды, по которой проходит свет, на геометрическую длину пути, которую прошёл луч. Тогда для двух лучей (рис. 1):

$displaystyle delta ={{n}_{1}}{{r}_{1}}-{{n}_{2}}{{r}_{2}}$ (1)

где

Рис. 1. Интерференция

Пусть от точечного источника системой зеркал два луча развели по двум областям с различными показателями преломления ( $displaystyle {{n}_{2}}$ и $displaystyle {{r}_{1}}$ ). Пути лучей в этих системах $displaystyle {{r}_{2}}$ и соответственно. Затем, вышедшие из областей, лучи обратно свели в точку displaystyle S' . За счёт того, что в средах с различным показателем преломления луч от одного и того же источника движется с разной скоростью, к одной и той же точке они приходят с ненулевой разностью хода (1).

Тогда результат интерференции (усиление или ослабление света) диктуется соотношениями:

максимум интерференции (максимальное усиление):

displaystyle delta =mlambda (2)

где
минимум интерференции (максимальное ослабление):

$displaystyle delta =(2m-1)frac{lambda }{2}$ (3)

где

Тогда для ответа на вопрос об усилении и ослаблении света можно анализировать приведённое уравнение (2):

$displaystyle m=frac{delta }{lambda }$ (4)

Тогда, если полученное целое или ближе к целому, то в точке наблюдается усиление света, в случае, если полуцелое или близко к полуцелому, в точке displaystyle S' — темнота.

Вывод: фактически задачи на интерференцию сводятся к анализу уравнения (4) и поиску оптической длины пути для (1).

Пример: Оптическая разность хода волн от двух когерентных источников в некоторой точке пространства $displaystyle {{lambda }_{1}}=671,$ мкм. Каков будет результат интерференции в этой точке, если длина волны будет: $displaystyle {{lambda }_{2}}=406,$ нм, $displaystyle {{lambda }_{2}}=406,$ нм.

Исходя из аналитической формулы (4):

$displaystyle {{m}_{1}}=frac{delta }{{{lambda }_{1}}}=frac{8,723*{{10}^{-6}}}{671*{{10}^{-9}}}=13,00$ (5)

$displaystyle {{m}_{2}}=frac{delta }{{{lambda }_{2}}}=frac{8,723*{{10}^{-6}}}{405*{{10}^{-9}}}approx 21,54$ (6)

Таким образом, получившийся параметр $displaystyle {{m}_{2}}$ получился целым числом, это говорит о том, что при данных параметрах в точке соединения лучей будет наблюдаться усиление света. Параметр $displaystyle {{m}_{2}}$ оказался ближе к полуцелому, таким образом, в исследуемой точке будет наблюдаться ослабление света.

Источник