Фізика 11 клас (Остапенко Т.М.)

Розділ 5.5. Дифракція хвиль

Розглядаючи відбивання хвиль ми описали поведінку хвилі з перешкодою досить великою, в порівнянні з фронтом хвилі. Однак, хвилі часто на своєму шляху зустрічають перешкоди, розміри яки малі (в порівнянні з довжиною хвилі). Співвідношення між довжиною хвилі та розміром перешкоди визначає в основному поведінку хвилі.

Хвилі здатні огинати краї перешкод. Коли розміри перешкод малі в порівнянні з довжиною хвилі, хвиля розділяється, частини хвилі огинають перешкоду і за нею знову змикаються в одну хвилю. Це явище отримало назву дифракції (від лат «розламаний»).

Дифракція - це явище огинання хвилею перешкод.

Прикладами дифракції є такі: коли ви кинете в воду камінчик, то утворені хвилі огинають стеблини очерету, який виринає із води. А от, якщо на шляху таких хвиль розміщений великий камінь (в порівнянні з довжиною хвилі), то за каменем утворюється так звана тінь хвилі, тобто частина простору, в яку хвиля не проникає. Хвиля від кинутого у воду камінчика, яка розповсюджується по поверхні води, огинатиме великий камінь лише частково.

Здатністю огинати перешкоди володіють і звукові хвилі. Ви можете чути сигнал автомобіля за рогом будинку, коли самого автомобіля не видно.

Дифракція притаманна будь-якому хвильовому процесу та як поперечним хвилям так і поздовжнім. Під час дифракції відбувається викривлення хвильових поверхонь біля краю перешкоди.

Дифракція хвиль проявляється особливо чітко у випадках, коли розміри перешкод на шляху хвиль менше довжин хвиль або порівняні з ними.

Явище дифракції хвиль на поверхні води можна спостерігати, якщо розташувати на шляху хвиль екран з вузькою щілиною, розміри якої менші за довжину хвилі (рис 12). Добре видно, що на екран падає плоска лінійна хвиля, а за екраном поширюється плоска кільцева, ніби джерело коливань розміщене в отворі екрану. Чому так відбувається? Згідно принципу Гюйгенса так і має бути. Вторинні джерела хвиль, розміщені в отворі на стільки близько один до одного, що їх можна розглядати як одне точкове джерело.

Якщо розміри щілини великі в порівнянні з довжиною хвилі, то картина розподілу хвиль за екраном зовсім інша (рис 13). Хвиля проходить через щілину, практично не змінюючи своєї форми. Лише на краях хвилі можна помітити незначне викривлення, завдяки яким хвиля частково проникає і в області за екраном.

Принцип Гюйгенса дає можливість зрозуміти, чому відбувається дифракція. Вторинні хвилі, які випромінюються ділянками середовища, проникають за краї перешкод, що розміщені на шляху поширення хвиль.

Отже, явище дифракції полягає в огинанні хвилями перешкод. Якщо розміри перешкоди порівняні або менші за довжину хвилі, то хвиля повністю огинає перешкоду, поширюючись у кожну точку за нею. Якщо ж розміри перешкоди більші за довжину хвилі, то хвиля також огинає перешкоду, але за перешкодою утворюється при цьому область так званої хвильової тіні - частина простору за перешкодою, куди не поширюються коливання хвилі.

Цікаво, що в результат огинання хвилями перешкод, як уже говорилось раніше, одна хвиля може розділятись на частини, які, обійшовши перешкоду знов накладаються одна на одну. Тобто, в результаті дифракції хвиль (огинання хвилями перешкод) може відбуватись і накладання (інтерференція) хвиль (рис 12). Цю закономірність називають принципом Гюйгенса-Френеля:

Принцип Гюйгенса-Френеля

Вторинні хвилі, що випромінюються різними частинами хвильового фронту біля перешкоди інтерферують  між собою.

Дійсно, явище дифракції тісно пов'язане з явищем інтерференції. Цей зв'язок властивий для хвиль будь-якої природи; поперечних та поздовжніх хвиль

Розділ 5.6. Поляризація хвиль

Важливою особливістю цієї властивості є те, що поляризація притаманні ЛИШЕ ПОПЕРЕЧНИМ хвилям. Справа в тому, що під час поширення поперечних хвиль у просторі, коливання можуть відбуватись не обов'язково в одній площині. Як правило коливання відбуваються у різних площинах. Для практичного застосування буває необхідно виділити у хвилі коливання, які відбуваються лише в одній площині. Це явище і отримало назву поляризації.

Поляризація - виділення у поперечній хвилі коливань лише в одній площині (або лише у визначених площинах).

Пристрій призначений для виділення у поперечній хвилі лише однієї площини коливань називається поляризатором. Уявимо собі поперечну хвилю, яка поширюється у пружному шнурі (рис 14). Як видно з рисунка, до поляризатора коливання відбуваються у різних площинах. Поляризатор в даному випадку, у найпростішому виконанні, являє собою ящик у якому зроблено вузький вертикальний отвір, через який продітий даний шнур. За рахунок форми отвору через отвір проходитимуть лише ті коливання, які відбуваються у вертикальній площині (площині отвору). Усі коливання, що відбуваються в інших площинах будуть гаситись.

Якщо за поляризатором ми поставимо ще один такий самий ящик з такою ж вертикальною щілиною (який називають аналізатором) то хвиля безперешкодно пройде через нього. Аналізатор призначений для перевірки того, яка саме площина коливань виділена. Якщо ж аналізатор розмістити так, щоб щілина була горизонтальна. То абсолютно всі поперечні коливання будуть погашені (рис 14).

Хвиля у якій виділені коливання лише в одній площині називається лінійно поляризованою. Якщо коливання виділяються у декількох площинах, то хвиля називається просто поляризованою.