Свойства волн: дифракция, интерференция, поляризация

Корпускулярно-волновой дуализм  

Корпускулярные свойства света проявляются в том, что свет излучается и поглощается порциями – квантами света. Корпускулярные свойства электромагнитных волн можно обнаружить в опытах по фотоэффекту. Волновые свойства корпускул были экспериментально продемонстрированы при дифракции электронов, интерференции и поляризации волн. Основу квантовой механики легла гипотеза о том, что электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами.

Материя обладает и корпускулярными и волновыми свойствами. Поле от вещества отличается тем, что масса покоя квантов поля равна нулю. Длина волны частицы не зависит от скорости. Состояние системы в квантовой механике описывает волновая или пси-функуция. Закон сохранения энергии, закон сохранения импульса описывают поведение как корпускулярной, так и волновой формы материи. Корпускулярные свойства материи проявляются через дискретность, квантованность, инерциальность.

3. Развитие представлений о движении:

Формы движения материи (4): механическая, физическая, химическая, биологическая. Общей мерой различных форм движения является энергия. Взаимосвязь форм движения и их несводимость друг к другу.

Формы движения материи - основные типы движения и взаимодействия материальных объектов, выражающие их целостные изменения. Каждому телу присуще не одна, а ряд форм движения материи.

В научной классификации форм движения материи необходимо учитывать:

1) специфику материальных объектов - носителей движения;

2) наличие общих законов для данной формы движения;

3) закономерности исторического развития материи и движения от простейших до наиболее сложных форм.

Основные формы движения материи:

1) Механическое движение, связанное с перемещением тел в пространстве.

2) Физическое (по существу тепловое) движение, как движение молекул.

3) Химическое движение - движение атомов внутри молекул.

4) Органическое или биологическое движение, связанное с развитием белковой формы жизни.

Механическое движение  -  это изменение положения тела в пространстве относительно других тел.

Виды:

Поступательное движение – это движение тела, при котором все его точки движутся одинаково.

Вращательное движение – это движение тела вокруг некоторой оси. При таком движении все точки тела совершают движение по окружностям, центром которых является эта ось.

Колебательное движение – это периодическое движение, которое совершается поочерёдно в двух противоположных направлениях.

Относительность механического движения:

Все тела во Вселенной движутся, поэтому не существует тел, которые находятся в абсолютном покое. По той же причине определить движется тело или нет, можно только относительно какого-либо другого тела.

Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения и скорости от выбора системы отсчёта.

Физическая форма движения (тепловая, электромагнитная, гравитационная, атомная и ядерная) - беспорядочное движение молекул, атомов и ионов в газах, жидкостях и твердых телах.

Молекулы газов беспорядочно движутся с различными скоростями по всему объему газа.

Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое.

В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия.

Характеристики волн: скорость, длина волны, частота

Каждая волна распространяется с какой-то скоростью. Под скоростью волны понимают скорость распространения возмущения. Например, удар по торцу стального стержня вызывает в нем местное сжатие, которое затем распространяется вдоль стержня со скоростью около 5 км/с.

Скорость волны определяется свойствами среды, в которой эта волна распространяется. При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.

Помимо скорости, важной характеристикой волны является длина волны. Длиной волны называется расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.

Направление распространения воины

Поскольку скорость волны - величина постоянная (для данной среды), то пройденное волной расстояние равно произведению скорости на время ее распространения. Таким образом, чтобы найти длину волны, надо скорость волны умножить на период колебаний в ней:

Выбрав направление распространения волны за направление оси х и обозначив через у координату колеблющихся в волне частиц, можно построить график волны.

Частота колебаний в волне совпадает с частотой колебаний источника (так как колебания частиц среды являются вынужденными) и не зависит от свойств среды, в которой распространяется волна. При переходе волны из одной среды в другую ее частота не изменяется, меняются лишь скорость и длина волны.

Свойства волн: дифракция, интерференция, поляризация

Дифракция света:

Волны, создающие в каждой точке пространства колебания с не изменяющейся со временем разностью фаз, называются когерентными. Разность фаз в этом случае имеет постоянное, но, вообще говоря, различное для разных точек пространства значение. Очевидно, что когерентными могут быть лишь волны одинаковой частоты.

При распространении в пространстве нескольких когерентных волн порождаемые этими волнами колебания в одних точках усиливают друг друга, в других - ослабляют. Это явление называется интерференцией волн. Интерферировать могут волны любой физической природы.

Интерференция света:

У световой волны не происходит изменения геометрической формы фронта при распространении в однородной среде. Однако если распространение света осуществляется в неоднородной среде, в которой, например, находятся не прозрачные экраны, области пространства со сравнительно резким изменением показателя преломления и т.п., то наблюдается искажение фронта волны. В этом случае происходит перераспределение интенсивности световой волны в пространстве. При освещении, например, непрозрачных экранов точечным источником света на границе тени, где согласно законам геометрической оптики должен был бы проходить скачкообразный переход от тени к свету, наблюдается ряд тёмных и светлых полос, часть света проникает в область геометрической тени. Эти явления относятся к дифракции света.

Итак, дифракция света в узком смысле - явление огибания светом контура непрозрачных тел и попадание света в область геометрической тени; в широком смысле - всякое отклонение при распространении света от законов геометрической оптики. Определение Зоммерфельда: под дифракцией света понимают всякое отклонение от прямолинейного распространения, если оно не может быть объяснено как результат отражения, преломления или изгибания световых лучей в средах с непрерывно меняющимся показателем преломления.

Если в среде имеются мельчайшие частицы (туман) или показатель преломления заметно меняется на расстояниях порядка длины волны, то в этих случаях говорят о рассеянии света и термин «дифракция» не употребляется. Различают два вида дифракции света. Изучая дифракционную картину в точке наблюдения, находящейся на конечном расстоянии от препятствия, мы имеем дело с дифракцией Френеля. Если точка наблюдения и источник света расположены от препятствия так далеко, что лучи, падающие на препятствие, и лучи, идущие в точку наблюдения, можно считать параллельными пучками, то говорят о дифракции в параллельных лучах - дифракции Фраунгофера. Теория дифракции рассматривает волновые процессы в тех случаях, когда на пути распространения волны имеются какие-либо препятствия. С помощью теории дифракции решают такие проблемы, как защита от шумов с помощью акустических экранов, распространение радиоволн над поверхностью Земли, работа оптических приборов (так как изображение, даваемое объективом, - всегда дифракционная картина), измерения качества поверхности, изучение строения вещества и многие другие.

Поляризация:

Опыт с прохождением света через две последовательно поставленные пластинки турмалина показывает, что первая пластинка поляризует проходящий через неё пучок света, оставляя в нем колебания только одного направления. Эти колебания могут пройти через второй турмалин полностью только в том случае, когда направление их совпадает с направлением колебаний, пропускаемых вторым турмалином, т.е. когда его ось параллельна оси первого. Если же направление колебаний в поляризованном свете перпендикулярно к направлению колебаний, пропускаемых вторым турмалином, то свет будет полностью задержан. Если направление колебаний в поляризованном свете составляет острый угол с направлением, пропускаемым турмалином, то колебания будут пропущены лишь частично

4. Эволюция представлений о пространстве-времени: