Что такое интерференция?
Дифракционная решетка, виды, свойства
Что такое интерферометр? Принцип работы
История открытия
Явление интерференции было впервые описано в 1801 году Томасом Юнгом, британским врачом и физиком, известным как “отец волновой теории света”. Ученый провел ряд экспериментов, в которых он наблюдал интерференцию света, проходящего через две узкие щели. Он обнаружил, что когда свет проходил через эти две щели, возникали яркие и темные полосы на экране, расположенном за щелями. Это показало, что свет ведет себя как волна и может интерферировать с самим собой.
Юнг также провел эксперимент с двойной щелью, который стал классическим примером интерференции. В этом эксперименте свет от источника проходит через две узкие параллельные щели, и результирующая картина интенсивности света регистрируется на экране. Наблюдаемая картина интерференции света представляет собой чередующиеся светлые и темные полосы, которые являются результатом сложения и вычитания волн света, исходящих от каждой щели.
Позднее, в 19 веке, предположение Юнга о волновой природе света было подтверждено опытами Огюстена Френеля и Жана Батиста Фурье, которые провели эксперименты с интерференцией света и воды, подтвердив волновую теорию света.
Принцип работы
Чтобы понять, как происходит интерференция, рассмотрим две волны, идущие от двух разных источников. Каждая волна имеет:
- Амплитуда
- Фаза
Амплитуда волны определяет ее интенсивность, а фаза определяет, где волна находится в определенный момент времени.
Когда две волны достигают точки пересечения, они начинают взаимодействовать друг с другом. Если волны имеют одинаковую фазу, то они усиливают друг друга и создают более интенсивную волну. Если же волны имеют разные фазы, то они ослабляют друг друга и образуют менее интенсивную волну или даже исчезают.
При интерференции света в радуге, например, каждая волна света, исходящая от Солнца, имеет свою собственную длину волны и фазовое смещение. Когда эти волны проходят через призму, они разделяются на разные цвета, которые затем интерферируют друг с другом в разных точках на поверхности воды. Это создает эффект разноцветных полос и цветов на воде, который мы видим как радугу.
Роль интерференции в акустических системах
В акустических системах интерференция играет важную роль, так как она влияет на качество воспроизводимого звука. Например, в динамиках используются две звуковые волны – одна от динамика и другая от преобразователя. При их взаимодействии происходит интерференция, создающая звуковые колебания в воздухе, которые затем передаются на слушателя.
Виды интерференции
Интерференция может иметь различные виды, в зависимости от типа волн и условий их взаимодействия. Некоторые из видов интерференции включают:
Интерференция света
Интерференция света возникает при взаимодействии света от нескольких источников, создавая интерференционную картину. Явление это может быть когерентным или некогерентным, в зависимости от характеристик источников света. Примером интерференции света является интерференция в тонких пленках.
Интерференция звука
При интерференции звука звуковые волны от двух источников взаимодействуют, создавая различные эффекты, такие как усиление или ослабление звука. Это явление может применяться для создания звуковых эффектов, изменения высоты звука и других акустических явлений.
Интерференция в акустических системах имеет свои особенности, влияющие на качество звучания и эффективность передачи звука от источника к слушателю. Понимание этого явления помогает создавать более качественные аудиоустройства и обеспечивать высокую четкость звучания.
Создание интерференции звуковых волн
Для создания интерферирующих звуковых волн используются различные методы:
- Звуковые резонаторы
- Звуковые фильтры
- Звуковые генераторы
Один из наиболее распространенных методов – использование звуковых резонаторов, специальных устройств, которые усиливают определенную частоту звука.
Интерференция волн на воде
Интерференция волн на воде – это явление, возникающее при взаимодействии волн на поверхности воды. Это может привести к образованию волн-убийц, опасных для судоходства.
Когда две волны накладываются, они создают интерференционные полосы на поверхности воды. Полосы могут иметь различные формы и размеры в зависимости от частоты и амплитуды волн.
Пример создания интерференционной полосы на воде:
Если две волны имеют одинаковую частоту и амплитуду, они создадут полосу в форме линии. При различной частоте и амплитуде волны создадут более сложные формы полос.
Интерференционные полосы используются для измерения частоты и амплитуды волн, а также для определения направления их распространения.
Интерференция электромагнитных волн
Интерференция электромагнитных волн происходит при взаимодействии волн от нескольких источников. Это может вызвать различные эффекты, такие как усиление или ослабление сигнала.
Когда две волны накладываются, они могут усилить или ослабить друг друга в зависимости от фазы. Когерентные волны с одинаковым периодом создают интерференционные максимумы и минимумы.
Пример интерференции электромагнитных волн:
При прохождении когерентных волн через отверстие можно наблюдать интерференционную картину на экране. Светлые и темные полосы зависят от разности фаз между волнами.
Интерференция электромагнитных волн используется для создания различных оптических эффектов, таких как голограммы и дифракционные решетки.
Интерференция: ключевое явление в электромагнитных волнах
Интерференция – это важное явление в электромагнитных волнах, которое находит применение в различных устройствах, таких как интерференционные фильтры и оптические элементы. Давайте рассмотрим, как это явление используется в различных областях.
Применение интерференции
В оптике
Интерференция в оптике используется для создания интерференционных картин, которые могут быть использованы для различных приложений.
В физике
В физике, интерференция играет ключевую роль и имеет множество применений.
В современных технологиях
Интерференция также является важным принципом в современных технологиях и используется в различных областях.
Интерференция света
Интерференция света – это явление перераспределения интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн. Оно характеризуется чередующимися максимумами и минимумами интенсивности света.
Опыт Юнга
Томас Юнг был первым, кто детально объяснил и наблюдал интерференцию света от двух щелей. Его опыт стал классическим примером интерференции света и привел к развитию современного понимания этого явления.
Интерференция света также используется в тонких пленках, где можно наблюдать разноцветные полосы в зависимости от толщины пленки.
Таким образом, интерференция играет важную роль в электромагнитных волнах и имеет широкий спектр применений в различных областях науки и технологий.
Интерференция в тонкой плёнке. — угол падения, — угол преломления, жёлтый луч отстанет от оранжевого, они сводятся глазом в один и интерферируют.
Изменение фазы проходящего через плёнку луча, в общем случае, зависит от показателя преломления плёнки и окружающих её сред. Кроме того, надо учитывать, что свет при отражении от оптически более плотной среды меняет свою фазу на половину периода. Так, например, в случае для воздуха ( ≈ ), окружающего тонкую масляную плёнку ( ≈ ), луч, отражённый от внешней поверхности будет иметь сдвиг фазы , а от внутренней — не будет. Интерференция будет конструктивной, если итоговая разница между пройденными этими лучами путями на поверхности плёнки будет составлять полуцелое число длин волн в плёнке .
Для деструктивной интерференции в данном примере необходимо, чтобы разность фаз между лучами была кратна .
Полное гашение лучей произойдет для толщин плёнки:
Если нм, то длина этой волны в масляной плёнке нм.
Интерференция света на мыльном пузыре
При формула даёт результат нм — и это минимальная толщина плёнки для данных условий для образования деструктивной интерференции.
Лучи соседних участков спектра по обе стороны от нм интерферируют не полностью и только ослабляются. Результирующее усиление одних частей спектра и ослабление других меняет окраску плёнки. Причем малейшие изменения толщины плёнки сразу же выражаются в смещении спектра наблюдаемого цвета — этот эффект легко продемонстрировать на примере с мыльным пузырём.
Явление интерференции наблюдается в тонком слое несмешивающихся жидкостей (керосина или масла на поверхности воды), в мыльных пузырях, бензине, на крыльях бабочек, в цветах побежалости, и т. д.
Интерференция двух плоских волн
Пусть имеются две плоские волны:
По принципу суперпозиции результирующее поле в области пересечения этих волн будет определяться суммой:
Интенсивность задается соотношением:
Откуда с учётом:
Для простоты рассмотрим одномерный случай и сонаправленность поляризаций волн, тогда выражение для интенсивности можно переписать в более простом виде:
Интерференционная картина представляет собой чередование светлых и темных полос, шаг которых равен:
Примером этого случая является интерференционная картина в отраженном от поверхностей плоскопараллельной пластинки свете.
Случай неравных частот
В некоторых учебниках и пособиях говорится о том, что интерференция света возможна только для волн, образованных от одного источника света путём амплитудного либо полевого деления волновых фронтов. Это утверждение является неверным. С точки зрения принципа суперпозиции интерференция существует всегда, даже когда интерферируют волны от двух разных источников света. Правильно было бы говорить о наблюдении или возможности наблюдения интерференционной картины. Последняя может быть нестационарна во времени, что приводит к замазыванию и исчезновению интерференционных полос. Рассмотрим две плоские волны с разными частотами:
Пусть некоторый прибор, обладающий некоторым характерным временем регистрации (экспозиции), фотографирует интерференционную картину. В физической оптике интенсивностью называют усредненный по времени поток световой энергии через единичную площадку ортогональную направлению распространения волны. Время усреднения определяется временем интегрирования фотоприемника, а для устройств, работающих в режиме накопления сигнала (фотокамеры, фотоплёнка и т. п.), временем экспозиции. Поэтому приемники излучения оптического диапазона реагируют на среднее значение потока энергии. То есть сигнал с фотоприемника пропорционален:
Квадрат модуля амплитуды задается соотношением:
Откуда, подставляя напряженность электрического поля, получим:
, где , ,
Взятие интеграла по времени и применение формулы разности синусов даёт следующие выражения для распределения интенсивности:
Здесь и далее используется обозначение .
В итоговом соотношении слагаемое, содержащее тригонометрические множители, называется интерференционным членом. Оно отвечает за модуляцию интенсивности интерференционными полосами. Степень различимости полос на фоне средней интенсивности называется видностью или контрастом интерференционных полос:
Условия наблюдения интерференции
Рассмотрим несколько характерных случаев:
1. Ортогональность поляризаций волн.
При этом и . Интерференционные полосы отсутствуют, а контраст равен 0. Далее, без потери общности, можно положить, что поляризации волн одинаковы.
2. В случае равенства частот волн и контраст полос не зависит от времени экспозиции .
3. В случае (радиан) значение функции и интерференционная картина не наблюдается. Контраст полос, как и в случае ортогональных поляризаций, равен 0
4. В случае контраст полос существенным образом зависит от разности частот и времени экспозиции.
Общий случай интерференции
Оно называется общим законом интерференции стационарных оптических полей.