Интерференция (физика)

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к навигации Перейти к поиску
Картина интерференции двух круговых когерентных волн, в зависимости от длины волны и расстояния между источниками
Пример интерференции света

Интерференция волн — наложение волн, при котором происходит их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление – в других. Результат интерференции зависит от разности фаз накладывающихся волн.

Интерферировать могут только волны, имеющие одинаковую частоту, в которых колебания совершаются вдоль одного и того же направления (т. е. когерентные волны). Интерференция бывает стационарной и не стационарной. Стационарную интерференционную картину могут давать только когерентные волны. Например, две сферические волны на поверхности воды, распространяющиеся от двух когерентных точечных источников, при интерференции дадут результирующую волну. Фронтом результирующей волны будет сфера.

При интерференции волн не происходит сложения их энергий. Интерференция волн приводит к перераспределению энергии колебаний между различными близко расположенными частицами среды. Это не противоречит закону сохранения энергии потому, что в среднем, для большой области пространства, энергия результирующей волны равна сумме энергий интерферирующих волн.

При наложении некогерентных волн средняя величина квадрата амплитуды результирующей волны равна сумме квадратов амплитуд накладывающихся волн. Энергия результирующих колебаний каждой точки среды равна сумме энергий ее колебаний, обусловленных всеми некогерентными волнами в отдельности.[1]

Расчет результата сложения двух сферических волн[править | править код]

Если в некоторой однородной и изотропной среде два точечных источника возбуждают сферические волны, то в произвольной точке пространства M может происходить наложение волн в соответствии с принципом суперпозиции (наложения): каждая точка среды, куда приходят две или несколько волн, принимает участие в колебаниях, вызванных каждой волной в отдельности; волны не взаимодействуют друг с другом и распространяются независимо друг от друга.

Две одновременно распространяющиеся синусоидальные сферические волны s 1 s_1\! и s 2 s_2\! , созданные точечными источниками B1 и B2, вызовут в точке M колебание, которое, по принципу суперпозиции, описывается формулой s = s 1 + s 2 s=s_1+s_2\! . Согласно формуле сферической волны: s 1 = A 1 r 1 sin  Синус  ( ω 1 t − k 1 r 1 + α 1 ) = A 1 r 1 sin  Синус  Φ 1 , s_1={A_1 \over r_1}\sin(\omega_1 t - k_1r_1 + \alpha_1)={A_1 \over r_1}\sin \Phi_1, s 2 = A 2 r 2 sin  Синус  ( ω 2 t − k 2 r 2 + α 2 ) = A 2 r 2 sin  Синус  Φ 2 , s_2={A_2 \over r_2}\sin(\omega_2 t - k_2r_2 + \alpha_2)={A_2 \over r_2}\sin \Phi_2,

где Φ 1 = ω 1 t − k 1 r 1 + α 1 \Phi_1=\omega_1 t - k_1r_1 + \alpha_1\! и Φ 2 = ω 2 t − k 2 r 2 + α 2 \Phi_2=\omega_2 t - k_2r_2 + \alpha_2\! – фазы распространяющихся волн k 1 k_1\! и k 2 k_2\! — волновые числа ( k = ω v = 2 π λ k={\omega \over v}={2\pi \over \lambda} ) ω 1 \omega_1\! и ω 2 \omega_2\! — циклические частоты каждой волны α 1 \alpha_1\! и α 2 \alpha_2\! — начальные фазы, r 1 r_1\! и r 2 r_2\! — расстояния от точки М до точечных источников B1 и B2

В результирующей волне s = s 1 + s 2 = A r sin  Синус  Φ s=s_1+s_2={A \over r}\sin \Phi , амплитуда A r {A \over r} и фаза Φ \Phi\! определяются формулами: A r = ( A 1 r 1 ) 2 + ( A 2 r 2 ) 2 + 2 A 1 r 1 A 2 r 2 cos  Косинус  ( Φ 2 − Φ 1 ) , {A \over r}=\sqrt{\left({A_1 \over r_1}\right)^2 + \left({A_2 \over r_2}\right)^2 + 2{A_1 \over r_1}{A_2 \over r_2}\cos(\Phi_2-\Phi_1)}, Φ = arctg ⁡ A 1 r 1 sin  Синус  Φ 1 + A 2 r 2 sin  Синус  Φ 2 A 1 r 1 cos  Косинус  Φ 1 + A 2 r 2 cos  Косинус  Φ 2 \Phi=\operatorname{arctg}{ {{A_1 \over r_1}\sin\Phi_1 + {A_2 \over r_2}\sin\Phi_2} \over {{A_1 \over r_1}\cos\Phi_1 + {A_2 \over r_2}\cos\Phi_2} }

Когерентность волн[править | править код]

Волны и возбуждающие их источники называются когерентными, если разность фаз волн Φ 2 − Φ 1 \Phi_2-\Phi_1\! не зависит от времени. Волны и возбуждающие их источники называются некогерентными, если разность фаз волн Φ 2 − Φ 1 \Phi_2-\Phi_1\! изменяется с течением времени. Формула для разности фаз: Φ 2 − Φ 1 = ( ω 1 − ω 2 ) t − ( k 2 r 2 − k 1 r 1 ) + ( α 2 − α 1 ) , \Phi_2-\Phi_1=(\omega_1-\omega_2)t-(k_2r_2-k_1r_1)+(\alpha_2-\alpha_1)\!, где k 1 = ω 1 v k_1={\omega_1 \over v} , k 2 = ω 2 v k_2={\omega_2 \over v} ,

v v\! – скорость распространения волны, одинаковая для обеих волн в данной среде. В приведенном выше выражении от времени зависит только первый член. Две синусоидальные волны когерентны, если их частоты одинаковы ( ω 1 = ω 2 \omega_1=\omega_2 ), и некогерентны, если их частоты различны.

Для когерентных волн ( ω 1 = ω 2 = ω \omega_1=\omega_2=\omega ) при условии α 2 − α 1 = 0 \alpha_2-\alpha_1=0 Φ 2 − Φ 1 = − ω v ( r 2 − r 1 ) = − k ( r 2 − r 1 ) , \Phi_2-\Phi_1=-{\omega \over v}(r_2-r_1)=-k(r_2-r_1), A r = ( A 1 r 1 ) 2 + ( A 2 r 2 ) 2 + 2 A 1 A 2 r 1 r 2 cos  Косинус  k ( r 2 − r 1 ) . {A \over r}=\sqrt{\left({A_1 \over r_1}\right)^2 + \left({A_2 \over r_2}\right)^2 + {2A_1A_2 \over r_1r_2}\cos k(r_2-r_1)}.

Амплитуда результирующих колебаний в любой точке среды не зависит от времени. Косинус равен единице, а амплитуда колебаний в результирующей волне максимальна ( A r = A 1 r 1 + A 2 r 2 ) \left({A \over r}={A_1 \over r_1}+{A_2 \over r_2} \right) во всех точках среды, для которых k ( r 2 − r 1 ) = 2 m π k(r_2-r_1)=2m\pi\! , где m = 0 , ± 1 , ± 2 , . . . m=0, \pm 1, \pm 2, ...\! или r 2 − r 1 = m λ r_2-r_1=m\lambda\! , (так как k = 2 π λ k={2\pi \over \lambda} )

Величина r 2 − r 1 = Δ r_2-r_1=\Delta\! называется геометрической разностью хода волн от их источников B1 и B2, до рассматриваемой точки среды.

Амплитуда колебаний в результирующей волне минимальна ( A r = | A 1 r 1 − A 2 r 2 | ) \left({A \over r}= \begin{vmatrix}{A_1 \over r_1}-{A_2 \over r_2} \end{vmatrix} \right) во всех точках среды, для которых k ( r 2 − r 1 ) = ( 2 m − 1 ) π , k(r_2-r_1)=(2m-1)\pi\!, где m = 1 , 2 , . . . m=1, 2, ...\! ,

или Δ = r 2 − r 1 = ( 2 m − 1 ) λ 2 . \Delta=r_2-r_1=(2m-1){\lambda \over 2}.

При наложении когерентных волн квадрат амплитуды и энергия результирующей волны отличны от суммы квадратов амплитуд и суммы энергий накладываемых волн.

См. также[править | править код]

  • Интерференция — страница разрешения неоднозначностей; ссылки на значения термина «Интерференция» в других областях знания.

Литература[править | править код]

  • Яворский Б. М., Селезнев Ю. А., Справочное руководство по физике., М., Наука., 1984

Ссылки[править | править код]

  1. ↑ http://phdep.ifmo.ru/labor/

При написании этой статьи использовались материалы страницы «Интерференция (физика)» Русской Википедии.

Источник — https://traditio.wiki/w/index.php?title=Интерференция_(физика)&oldid=850915