Общая характеристика волны

Волна (волновой процесс) – распространение колебания в непрерывной (сплошной) среде. Волновой процесс характеризуется двойной периодичностью: величины, определяющие состояние системы, периодически изменяются во времени и пространстве:

,

где t – время, r – координата рассматриваемой точки.

Периодичность во времени характеризуется, как и в случае колебаний, периодом и частотой, а периодичность в пространстве – длиной волны (λ ). Длина волны – скалярная величина, численно равная расстоянию, на котором повторяется состояние системы:

x(r)=x(r+λ); (3.6)

Для гармонических волн х зависит от времени по закону синуса или косинуса, и длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна за период:

, (3.7)

где υ – скорость распространения волны.

В естествознании образами, наиболее ярко воплощающими противоположность прерывного (дискретного) и непрерывного являются частицы (корпускулы) и волны: частицы – носители дискретности, а волны – непрерывности. Существуют два способа переноса энергии в пространстве: корпускулярный – движение частиц вещества, - и волновой – распространение волн. Важнейшая особенность волн - возможность переноса энергии без переноса вещества. Количественной характеристикой этого процесса является интенсивность волны (I) - величина, численно равная энергии (ΔW), переносимой волной в единицу через единицу площади поверхности (S), перпендикулярной направлению распространения волны:

; (3.8)

Подобно движущимся частицам вещества волны обладают и импульсом, оказывая давление на преграду при поглощении или отражении.

Волны могут различаться по тому, как соотносятся направления колебаний и направление распространения волны (т.е. по геометрическому характеру колебаний): различают продольные (направления параллельны) и поперечные (направления перпендикулярны) волны. Примером продольных волн являются звук, ультразвук, поперечных – свет, волны на поверхности воды.

В зависимости от природы в макромире рассматриваются упругие (механические) и электромагнитные волны.

Упругие волны

Упругими волнами называется процесс распространения механических колебаний в вещественной среде. Условием их распространения является наличие упругой связи частиц в среде: выведение из равновесия одной частицы сказывается на другой и т.д., так что в следствие упругой связи возмущение передается от одной частицы к другой. Возможны два типа механических волн: поперечные и продольные. Поперечные волны возможны в среде, оказывающей сопротивление сдвигу, обладающей упругостью формы т.е. в твердом теле. Продольные упругие волны могут распространяться в любой среде: твердой, жидкой, газообразной.

Среди упругих волн особую роль играют звуковые волны. Звук – продольные механические волны. Звук распространяется в любой среде. В вакууме звуковые волны не распространяются. В воздухе при нормальных условиях скорость звука приблизительно равна 340 м/с, а в воде – 1500 м/с. Звуки принято характеризовать громкостью и высотой тона. Эти характеристики определяются соответственно амплитудой и частотой звуковой волны.

Человек слышит звук с частотами от 16 до 20 000 Гц. Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком (содержится в шуме атмосферы, леса и моря), выше 20 000 Гц -ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10⁹ до 10¹²-10¹³ Гцотносят к гиперзвуку.

Электромагнитные волны

В теории электромагнитного поля Максвелл предсказал возможность распространения переменного электромагнитного поля в пространстве (в т.ч. и в вакууме) в виде электромагнитной волны. Теоретически полученное численное значение скорости этих волн в вакууме совпало с экспериментально определенной скоростью света, что позволило сделать вывод об электромагнитной природе света. Электромагнитные волны могут иметь различные значения длины волны (частоты). Исторически принято выделять шесть диапазонов электромагнитного излучения, которые обычно перечисляются в порядке убывания длины волны, образуя шкалу электромагнитных волн (таблица 3.1).

Таблица 3.1.

Шкала электромагнитных волн

Вид электромагнитных волн	Диапазон частот, Гц	Диапазон длины волны, м
Радиоволны	0,3*104 - 0,5*1012	0,6*10-4 - 105
Инфракрасное излучение	5*1012 - 4*1014	0,8*10-6 - 0,6*10-3
Видимый свет	0,4*1014 - 0,8*1014	0,4*10-6 - 0,8*10-6
Ультрафиолетовое излучение	0,8*1014 - 0,5*1017	0,6*10-8 - 0,4*10-6
Рентгеновское излучение	0,7*1016 - 0,6*1020	0,5*10-11 - 0,2*10-7
Гамма-излучение	более 0,6*1019	Менее 0,5*10-10

Природа электромагнитных волн едина: это поперечные волны, в которых происходят согласованные колебания напряженности электрического и индукции магнитного полей, но различие частоты (длины волны) существенным образом влияют на свойства волн. Например, радиоволны практически не оказывают вредного воздействия на живые организмы, при распространении длинные радиоволны способны огибать поверхность Земного шара, а гамма-излучение губительно для живого и распространяется строго прямолинейно.

Скорость любых электромагнитных волн в вакууме одинакова и равна с = 3*10⁸ м/с, а при их распространении в среде уменьшается. Величина, характеризующая оптические свойства среды и равная отношению скорости света в вакууме (с) к скорости света в данной среде (υ), называется показателем преломления среды (n):

; (3.9)

где n – показатель преломления среды.

Для воды n=1,33 , и, соответственно, скорость света υ=2,2*10⁸ м/с. Чем больше показатель преломления, тем оптически более плотной является среда.

Волновые явления

Данные явления присущи волнам любой природы. Причем явления интерференции, дифракции, поляризации и свойственны только волновым процессам и могут быть объяснены только на основе волновой теории.

Отражение и преломление. Распространение волн геометрически описывается с помощью лучей. В однородной среде (n = const) лучи прямолинейны. Однако, на границе раздела сред их направления меняются. При этом образуется две волны: отраженная, распространяющаяся в первой среде с прежней скоростью, и преломленная, распространяющаяся во второй среде с другой скоростью, зависящей от свойств этой среды. Явление отражения известно как для звуковых (эхо), так и для световых волн. Благодаря отражению света формируется мнимое изображение в зеркале. Преломление света лежит в основе множества интересных атмосферных явлений. Оно широко используется в различных оптических устройствах: линзах, призмах, оптических волокнах. Эти устройства являются элементами приборов самого разного назначения: фотоаппаратов, микроскопов и телескопов, перископов, проекторов, оптических систем связи и т.д.

Интерференция волн – явление перераспределения энергии при наложении двух (или нескольких) когерентных (согласованных) волн, сопровождающееся возникновением интерференционной картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности (амплитуды) результирующей волны. Когерентными называются волны, для которых разность фаз в точке сложения остаётся неизменной во времени, но может изменяться от точки к точке и в пространстве. Если волны встречаются «в фазе», т.е. одновременно достигают максимального отклонения в одном направлении, то они усиливают друг друга, а если встречаются «в противофазе», т.е. одновременно достигают противоположных отклонений, то ослабляют друг друга. Согласование колебаний двух волн (когерентность) двух волн в случае света возможно, только если они имеют общее происхождение, что обусловлено особенностями процессов излучения. Исключение составляют лазеры, излучение которых характеризуется высокой когерентностью. Поэтому для наблюдения интерференции свет, идущий от одного источника делят на две группы волн, либо пропуская через два отверстия (щели) в непрозрачном экране, либо за счет отражения и преломления на границе сред в тонких пленках. Интерференционная картина от монохроматического источника (λ =const) на экране для лучей, прошедших через две узкие близко расположенные щели, имеет вид чередующихся ярких и темных полос (опыт Юнга, 1801 г.). Яркие полосы – максимумы интенсивности наблюдаются в тех точках экрана, в которых волны от двух щелей встречаются «в фазе», т. е. их разность фаз

, m =0,1,2,…, (3.10)

Это соответствует разности хода лучей, кратной целому числу длин волн λ

, m =0,1,2,…, (3.11)

Темные полосы (взаимные погашения), т.е. минимумы интенсивности возникают в тех точках экрана, в которых волны встречаются «в противофазе», т. е. их разность фаз составляет

, m =0,1,2,…, (3.12)

Это соответствует разности хода лучей, кратной нечетному числу полуволн

, m =0,1,2,…. (3.13)

Интерференция наблюдается для различных волн. Интерференция белого света, включающего все волны видимого света в диапазоне длин волн мкм может проявляться в виде радужной окраски тонких пленок бензина на поверхности воды, мыльных пузырей, окисных пленок на поверхности металлов. Условия интерференционного максимума в разных точках пленки выполняются для разных волн с разной длиной волны, что приводит к усилению волн разного цвета. Условия интерференции определяются длиной волны, которая для видимого света составляет доли микрон (1 мкм = 10^{-6 м), поэтому данное явление лежит в основе различных прецизионных («сверхточных») методов исследования, контроля и измерения. На использовании интерференции основано использование интерферометров, интерференционных спектроскопов, а также метод голографии. Интерференция света используется для измерения длины волны излучения, исследования тонкой структуры спектральных линий, определения плотностей, показателей преломления веществ, толщины тонких покрытий.}

Дифракция – совокупность явлений, возникающих при распространении волны в среде с резко выраженной неоднородностью свойств. Это наблюдается при прохождении волн через отверстие в экране, вблизи границы непрозрачных объектов и т.д. Дифракция приводит к огибанию волной препятствия, размеры которого соизмеримы с длиной волны. Если размер препятствия намного превышает длину волны, то дифракция проявляется слабо. На макроскопических препятствиях наблюдается дифракция звуковых, сейсмических волн, радиоволн, для которых 1см км_. Для наблюдения дифракции света препятствия должны иметь существенно меньшие размеры. Дифракцией звуковых волн объясняется возможность слышать голос человека, находящегося за углом дома. Дифракцией радиоволн вокруг поверхности Земли объясняется приём радиосигналов в диапазоне длинных и средних радиоволн далеко за пределами прямой видимости излучающей антенны.

Дифракция волн сопровождается их интерференцией, что приводит к формированию дифракционной картины, чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. При похождении света через дифракционную решетку, представляющую собой совокупность чередующихся параллельных прозрачных и непрозрачных полос (до 1000 на 1мм), на экране возникает дифракционная картина, положение максимумов которой зависит от длины волны излучения. Это позволяет использовать дифракционную решетку для анализа спектрального состава излучения. Структура кристаллического вещества подобна трехмерной дифракционной решетки. Наблюдение дифракционной картины при прохождении рентгеновского излучения, пучка электронов или нейронов, через кристаллы, в которых упорядоченно расположены частицы вещества (атомы, ионы, молекулы), позволяет исследовать особенности их структуры. Характерной величиной для межатомных расстояний является d~10^-10м, что соответствует длинам волн используемых излучений и делает их незаменимыми для кристаллографического анализа.

Дифракция света определяет предел разрешающей способности оптических приборов (телескопов, микроскопов и др.). Разрешающая способность – минимальное расстояние между двумя объектами, при котором они видны раздельно, не сливаются – разрешаются. Из-за дифракции изображение точечного источника (например, звезды в телескопе) имеет вид кружка, так что близко расположенные объекты не разрешаются. Разрешающая способность зависит от ряда параметров, в т. ч. от длины волны: чем меньше длина волны, тем лучше разрешение. Поэтому размер объекта, наблюдаемого в оптическом микроскопе, ограничен длиной световой волны ( приблизительно 0,5 мкм).

Явление интерференции и дифракции света лежат в основе принципа записи и воспроизведения изображения в голографии. В предложенном в 1948 году Д. Габором (1900 – 1979) методе фиксируется интерференционная картина, полученная при освещении объекта и фотопластинки когерентными лучами. Полученная голограмма представляет собой чередующиеся светлые и темные пятна, не имеющие сходства с объектом, однако, дифракция от голограммы световых волн, идентичных использовавшимся при ее записи, позволяет восстановить волну, рассеянную реальным объектом и получить его объемное изображение.

Поляризация – явление свойственное только поперечным волнам. Поперечность световых волн (как и любых других электромагнитных волн) выражается в том, что колеблющиеся в них векторы напряженности электрического ( ) и индукции магнитного ( ) полей перпендикулярны направлению распространения волны. Кроме того, эти векторы взаимно перпендикулярны, поэтому для полного описания состояния поляризации света требуется знать поведение лишь одного из них. Действие света на регистрирующие устройства определяется вектором напряженности электрического поля , который называют световым вектором.

Световые волны, испущенные естественным источником излучения т.е. множеством независимых атомов, являются не поляризованными, т.к. направление колебаний светового вектора ( ) в естественном луче непрерывно и беспорядочно изменятся, оставаясь перпендикулярным вектору скорости волны.

Свет, у которого направление светового вектора остается неизменным, называется линейно поляризованным. Поляризация – упорядочение колебаний вектора. Примером может служить гармоническая волна. Для поляризации света используются устройства, называемые поляризаторами, действие которых основано на особенностях процессов отражения и преломления света, а так же на анизотропии оптических свойств вещества в кристаллическом состоянии. Световой вектор в луче, прошедшем через поляризатор, колеблется в плоскости называемой плоскостью поляризатора. При прохождении поляризованного света через второй поляризатор оказывается, что интенсивности прошедшего луча изменяется при вращении поляризатора. Свет проходит через прибор без поглощения, если его поляризация совпадает с плоскостью второго поляризатора и полностью им задерживается при повороте кристалла на 90 градусов, когда плоскость колебаний поляризованного света оказывается перпендикулярно плоскости второго поляризатора.

Поляризация света нашла широкое применение в различных отраслях научных исследований и техники. она используется в микроскопических исследованиях, в процессах звукозаписи, оптической локации, скоростной кино- и фотосъемке, в пищевой промышленности (сахариметрия) и т.д.

Дисперсия - зависимость скорости распространения волн от их частоты (длины волны). При распространении электромагнитных волн в среде возникает -

Дисперсия определяется физическими свойствами той среды, в которой распространяются волны. Например, в вакууме электромагнитные волны распространяются без дисперсии, в вещественной же среде, даже в такой разреженной, как ионосфера Земли, возникает дисперсия. Звуковые и ультразвуковые волны также обнаруживают дисперсию. При распространении их в среде гармонические волны разных частот, на которые может быть разложен сигнал, распространяются с различной скоростью, что приводит к искажению формы сигналов. Дисперсия света - зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света. При изменении скорости света в зависимости от частоты (длины волны) показатель преломления меняется. В следствии дисперсии белый свет, состоящий из множества волн различной частоты, при прохождении сквозь прозрачную трехгранную призму разлагается и образуется сплошной (непрерывный) спектр. Изучение этого спектра привело И. Ньютона (1672) к открытию дисперсии света. Для веществ, прозрачных в данной области спектра, показатель преломленияувеличивается с увеличением частоты (уменьшением длины волны), чему и соответствует распределение цветов в спектре. Наибольший показатель преломления оказывается для фиолетового света ( =0,38 мкм), наименьший у красного ( =0,76 мкм). Подобное явление наблюдается в природе при распространении солнечного света в атмосфере и его преломлении в частицах воды (летом) и льда (зимой). При этом возникает радуга или солнечное гало.

Эффект Доплера. Эффект Доплера - изменение частоты или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Скорость волны u определяется свойствами среды и при движении источника или наблюдателя не меняется. Если наблюдатель или источник волн движется со скоростью относительно среды, то частота v принимаемых волнстановится иной. При этом, как установил К. Доплер (1803 – 1853), при приближении наблюдателя к источнику частота волн увеличивается, а при удалении – уменьшается. Это соответствует уменьшению длины волны λ при сближении источника и наблюдателя и увеличению λ при их взаимном удалении. Для звуковых волн Эффект Доплера проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются. Эффект Доплера обуславливает и «красное смещение», что описано выше. - понижение частот электромагнитного излучения от движущегося источника. Это название связано с тем, что в видимой части спектра в результате эффекта Доплера линии оказываются смещенными к красному концу; «красное смещение» наблюдается и в излучениях любых других частот, например в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, называется синим (или фиолетовым) смещением. В астрофизике рассматриваются два «красных смещения» - космологическое и гравитационное. Космологическим (метагалактическим) называют «красное смещение», наблюдаемое для всех далёких источников (галактик, квазаров) - понижение частот излучения, свидетельствующее об удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т. е. о нестационарности (расширении) Метагалактики. «Красное смещение» для галактик было обнаружено американским астрономом В. Слайфером в 1912-14; в 1929 Э. Хаббл открыл, что для далёких галактик оно больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию. Это позволило выявить закон взаимного удаления (разбегания) галактик. Закон Хаббла в этом случае записывается в форме

u = Hr; (3.14)

(u – скорость удаления галактики, r – расстояние до нее, Н - постоянная Хаббла). Определяя по величине «красного смещения» скорость удаления галактики можно рассчитать расстояние до нее. Для определения расстояний до внегалактических объектов по этой формуле нужно знать численное значение постоянной Хаббла Н. Знание этой постоянной очень важно и для космологии: с ней связано определение «возраста» Вселенной. В начале семидесятых годов двадцатого века для постоянной Хаббла принято значение Н = (3 – 5)*10 ^-18 с ^-1, обратная величина Т = 1/Н = 18 млрд. лет. Гравитационное «красное смещение» является следствием замедления темпа времени и обусловлено гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление называется также эффектом Эйнштейна или обобщённым эффектом Доплера. Оно наблюдалось начиная с 1919 сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. В ряде случаев (например, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться «красное смещение» обоих типов.