Уравнения плоской и сферической волн

На правах рукописи

Физика

Конспект лекций

(Часть 5. Волны, волновая оптика)

Для студентов направления 230400

«Информационные системы и технологии»

Электронный образовательный ресурс

Составитель: к.ф.-м.н., доцент В.В. Коноваленко

Рассмотрен и рекомендован для использования в учебном процессе на 2013/2014 – 2015/2016 уч. г. на заседании кафедры ЕНД.

Протокол № 1 от 04. 09. 2013 г.

Шахты 2013

Волновые процессы

Основные понятия и определения

Рассмотрим некоторую упругую среду - твёрдую, жидкую или га­зообразную. Если в каком-либо месте этой среды возбудить колебания её частиц, то вследствие взаимодействия между частицами, колебания будут, передаваясь от одной частицы среды к другой распространяться в среде с некоторой скоростью . Процесс распространения колеба­ний в пространстве называется волной.

Если частицы в среде колеблются в направлении распростране­ния волны, то она называется продольной. Если колебания частиц происходят в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, то волна называется попереч­ной. Поперечные механические волны могут возникнуть только в сре­де, обладающей ненулевым модулем сдвига. Поэтому в жидкой и газо­образной средах могут распространяться только продольные волны. Различие между продольными и поперечными волнами наиболее хорошо видно на примере распространения колебаний в пружине - см. рисунок.

Для характеристики поперечных колебаний необходимо задать положение в пространстве плоскости, проходящей через направление колебаний и направление распространения волны - плоскости поляризации.

Область пространства, в которой колеблются все частицы среды, называется волновым полем. Граница между волновым полем и остальным пространством среды называется фронтом волны. Иначе говоря, фронт волны - геометрическое место точек, до которых колебания дошли к данному моменту времени. В однородной и изотропной среде направление распространения волны перпендикулярно к фронту волны.

Пока в среде существует волна, частицы среды совершают колебания около своих положений равновесия. Пусть эти колебания являются гармоническими, и период этих колеба­ний равен Т. Частицы, отстоящие друг от друга на расстояние

(22.1)

вдоль направления распространения волны, совершают колебания одинаковым образом, т.е. в каждый дан­ный момент времени их смещения одинаковы. Расстояние называется длиной волны. Другими словами, длина волны есть расстояние, на которое распространяется волна за один период колебаний.

Геометрическое место точек, совершающих колебания в одной фазе называется волновой поверхностью. Фронт волны – частный случай волновой поверхности. Длина волны – минимальное расстояние между двумя волновыми поверхностями, в которых точки колеблются одинаковым образом, или можно сказать, что фазы их колебаний отличаются на .

Если волновые поверхности являются плоскостями, то волна называется плоской, а если сферами – то сферической. Плоская волна возбуждается в сплошной однородной и изотропной среде при колебаниях бесконечной плоскости. Возбуждение сферической можно представить в виде результата радиальных пульсаций сферической поверхности, а также как результат действия точечного источника, размерами которого по сравнению с расстоянием до точки наблюдения можно пренебречь. Поскольку любой реальный источник имеет конечные размеры, на достаточно большом расстоянии от него волна будет близка к сферической. В то же время участок волновой поверхности сферической волны по мере уменьшения его размеров становится сколь угодно близким к участку волновой поверхности плоской волны.

Уравнение плоской волны, распространяющейся

В произвольном направлении

Получим. Пусть колебания в плоскости, параллельной волновым поверхностям и проходящей через начало коорди­нат, имеют вид:

(22.12)

В плоскости, отстоящей от начала координат на расстояние l, колебания будут отставать по времени на . Поэтому уравнение колебаний в этой плоскости имеет вид:

(22.13)

Из аналитической геометрии известно, что расстояние от начала ко­ординат до некоторой плоскости равно скалярному произведению ради­ус-вектора некоторой точки плоскости на единичный вектор нормали к плоскости: . Рисунок иллюстрирует данное положение для двумерного случая. Подставим значение l в урав­нение (22.13):

(22.14)

Вектор , равный по модулю волновому числу и направленный по нормали к волновой поверхности, называется волновым вектором. Уравнение плоской волны можно теперь записать в виде:

. (22.15)

Функция (22.15) даёт отклонение от положения равновесия точки с радиус-вектором в момент времени t. Для того, чтобы представить зависимость от координат и времени в явном виде необходимо учесть, что

. (22.16)

Теперь уравнение плоской волны принимает вид:

. (22.17)

Часто оказывается полезным представить уравнение волны в экспоненциальной форме. Для этого воспользуемся формулой Эйлера:

, (22.18)

где , запишем уравнение (22.15) в виде:

. (22.19)

Волновое уравнение

Уравнение любой волны является решением дифференциального уравнения второго порядка, называемого волновым. Для того чтобы установить вид этого уравнения, найдем вторые производные по каждому из аргументов уравнения плоской волны (22.17):

, (22.20)

, (22.21)

, (22.22)

. 22.23)

Сложим первые три уравнения с производными по координатам:

. (22.24)

Выразим из уравнения (22.23): , и учтем, что :

(22.25)

Сумму вторых производных в левой части (22.25) представим как результат действия оператора Лапласа на , и в окончательном виде представим волновое уравнение в виде:

(22.26)

Примечательно, что в волновом уравнении квадратный корень из величины, обратной коэффициенту при производной по времени дает скорость распространения волны.

Можно показать, что волновому уравнению (22.26) удовлетворяет любая функция вида:

, (22.27)

и каждая из них является уравнением волны и описывает некоторую волну.

Энергия упругой волны

Рассмотрим в среде, в которой распространяется упругая вол­на (22.10), элементарный объём достаточно малый, чтобы деформацию и скорость движения частиц в нём можно было считать постоянными и равными:

и . (22.37)

Вследствие распространения в среде волны объём обладает энергией упругой деформации

(22.38)

В соответствии с (22.35) модуль Юнга можно представить в виде . Поэтому:

. (22.39)

Рассматриваемый объём обладает также кинетической энергией:

. (22.40)

Полная энергия объёма:

. (22.41)

А плотность энергии:

. (22.42)

Но

, а (22.43)

Подставим эти выражения в (22.42) и учтем, что :

. (22.44)

Таким образом, плотность энергии различна в разных точках про­странства и меняется во времени по закону квадрата синуса.

Сред­нее значение квадрата синуса равно 1/2, а значит среднее по времени значение плотности энергии в каждой точке среды, в которой распространяется волна:

. (22.45)

Выражение (22.45) справедливо для всех видов волн.

Итак, среда, в которой распространяется волна, обладает дополнительным запасом энергии. Следовательно, волна переносит с собой энергию.

Х.6 Излучение диполя

Колеблющийся электрический диполь, т.е. диполь, электрический момент которого периодически изменяется, например, по гармоническому закону, является простейшей системой, излучающей электромагнитные волны. Одним из важных примеров колеблющегося диполя является система состоящая из отрицательного заряда , который колеблется вблизи положительного заряда . Именно такая ситуация реализуется при воздействии электромагнитной волны на атом вещества, когда под действием поля волны электроны совершают колебания в окрестности ядра атома.

Предположим, что дипольный момент изменяется по гармоническому закону:

, (22.31)

где - радиус-вектор отрицательного заряда, l - амплитуда колебания, - единичный вектор, направленный вдоль оси диполя.

Ограничимся рассмотрением элементарного диполя, размеры которого малы по сравнению с излучаемой длиной волны и рассмотрим волновую зону диполя, т.е. область пространства для которой модуль радиус-вектора точки . В волновой зоне однородной и изотропной среды фронт волны будет сферическим - рисунок 22.4.

Электродинамический расчет показывает, что вектор волны лежит в плоскости, проходящей через ось диполя и радиус-вектор рассматриваемой точки. Амплитуды и зависят от расстояния r и угла между и осью диполя. В вакууме

~ ~ (22.32)

Поскольку вектор Пойнтинга , то

, (22.33)

и можно утверждать, что сильнее всего диполь излучает в направлениях, соответст­вующих , и диаграмма направленности излу­чения диполя имеет вид, показанный на рисунке 22.5. Диаграммой направленности называется графическое изображение распределения интенсивности излучения по различным направлениям в виде кривой построен­ной так, чтобы длина отрезка луча, проведенного из диполя в некотором направлении до точки кривой, была пропорциональна интенсивности излучения.

Расчеты показывают также, что мощность Р излучения диполя пропорциональнаквадрату второй производной по времени от дипольного момента:

. (22.34)

Поскольку

, (22.35)

то средняя мощность

, (22.36)

оказывается пропорциональной квадрату амплитуды дипольного момента и четвертой степени частоты.

С другой стороны, учитывая, что и , получаем, что мощность излучения пропорциональна квадрату ускорения:

. (22.37)

Это утверждение справедливо не только при колебаниях заряда, но и для произвольного движения заряда.

Волновая оптика

В этом разделе мы будем рассматривать такие световые явления, в которых проявляется волновая природа света. Напомним, что для света характерен корпускулярно-волновой дуализм и существуют явления, объяснимые только на основе представления о свете, как о потоке частиц. Но эти явления мы рассмотрим в квантовой оптике.

Общие сведения о свете

Итак, считаем свет электромагнитной волной. В электромагнитной волне колеблется и . Экспериментально установлено, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света определяются вектором световой волны, поэтому его называют световым. Соответственно, будем считать, что световая волна описывается уравнением:

(1)

где - амплитуда,

- волновое число (волновой вектор),

расстояние вдоль направления распространения.

Плоскость, в которой колеблется , называется плоскостью колебаний. Световая волна распространяется со скоростью

, (2)

где

называется показателем преломления и характеризует отличие скорости света в данной среде от скорости света в вакууме (пустоте).

В большинстве случаев у прозрачных веществ магнитная проницаемость , и почти всегда можно считать, что показатель преломления определяется диэлектрической проницаемостью среды:

(3)

Значение n используют для характеристики оптической плотности среды: чем больше n, тем более оптически плотной называется среда.

Видимый свет имеет в вакууме длины волн в интервале и частоты

Гц

Реальные приемники света не в состоянии уследить за столь быстротечными процессами и регистрируют усредненный во времени поток энергии. По определению, интенсивностью света называется модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной:

(4)

Поскольку в электромагнитной волне

, то (5) (5)

 

, (6)

Поэтому можно считать, что

Ι ~ ~ ~ (7)

В однородной среде можно считать

I ~ A² (8)

Лучами будем называть линии, вдоль которых распространяется световая энергия.

Вектор среднего потока энергии всегда направлен по касательной к лучу. В изотропных средах совпадает по направлению с нормалью к волновым поверхностям.

В естественном свете имеются волны с самыми различными ориентациями плоскости колебаний. Поэтому, не смотря на поперечность световых волн, излучение обычных источников света не обнаруживает асимметрии относительно направления распространения. Эта особенность света (естественного) объясняется следующим: результирующая световая волна источника складывается из волн, испущенных различными атомами. Каждый атом излучает волну в течение секунд. За это время в пространстве образуется цуг волн (последовательность «горбов и впадин») длиной приблизительно 3 метра.

Плоскость колебаний каждого цуга вполне определённа. Но одновременно свои цуги излучают огромное число атомов, а плоскость колебаний каждого цуга ориентирована независимо от других, случайным образом. Поэтому в результирующей волне от тела колебания различных направлений представлены с равной вероятностью. Это означает, что, если некоторым прибором исследовать интенсивность света с различной ориентацией вектора , то в естественном свете интенсивность не зависит от ориентации.

Измерение интенсивности процесс длительный по сравнению с периодом волны, и рассмотренные представления о природе естественного света удобны при описании достаточно длительных процессов.

Однако в данный момент времени в конкретной точке пространства в результате сложения векторов отдельных цугов образуется некоторый конкретный . Вследствие случайных «включений» и «выключений» отдельных атомов световая волна возбуждает в данной точке колебание, близкое к гармоническому, но амплитуда, частота и фаза колебаний зависят от времени, причем изменяются хаотически. Так же хаотически изменяется и ориентация плоскости колебан ий. Таким образом, колебания светового вектора в данной точке среды можно описать уравнением:

(9)

Причем , и есть хаотически изменяющиеся во времени функц ии. Такое представление о естественном свете удобно, если рассматриваются промежутки времени, сравнимые с периодом световой волны.

Свет, в котором направления колебаний вектора упорядочены каким – либо образом называют поляризованным.

Если колебания светового вектора происходят только в одной плоскости, проходящей через луч, то свет называется плоско - или линейно поляризованным. Другими словами в плоско поляризованном свете плоскость колебаний имеет строго фиксированное положение. Возможны и другие виды упорядочения, то есть виды поляризации света.

Принцип Гюйгенса

В приближении геометрической оптики свет не должен проникать в область геометрической тени. В действительности свет проникает в эту область, и это явление становится тем существенней, чем меньше размеры преград. Если размеры отверстий или щелей сравнимы с длинной волны, то геометрическая оптика неприменима.

Качественно поведение света за преградой объясняется принципом Гюйгенса, который позволяет построить фронт волны в момент по известному положению в момент .

Согласно принципу Гюйгенса каждая точка, до которой доходит волновое движение, становится точечным источником вторичных волн. Огибающая по фронтам вторичных волн дает положение фронта волны.

Интерференция света

Пусть в некоторой точке среды две волны (плоско поляризованные) возбуждают два колебания одинаковой частоты и одинакового направления:

и . (24.14)

Амплитуда результирующего колебания определяется выражением:

, (24.15)

Будем считать когерентными волны, у которых в рассматриваемой точке.

У некогерентных волн изменяется случайно и все значения равновероятны. Поэтому и из (24.15) вытекает:

6 Если же волны когерентные и , то

(24.16)

Но зависит от , – длинны пути от источников волн до данной точки и различно для различных точек среды. Следовательно, при наложении когерентных волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних точках среды интенсивность света увеличивается, , а в других – уменьшается - . Это явление называется интерференцией.

Отсутствие интерференции в быту при использовании нескольких источников света объясняется их некогерентностью. Отдельные атомы излучают импульсами в течение c и длина цуга ≈ 3метра. У нового цуга не только ориентация плоскости поляризации случайна, но и фаза также непредсказуема.

Реально когерентные волны получают путем разделения излучения одного источника на две части. При наложении частей можно наблюдать интерференцию. Но при этом разносить оптических длин не должна быть порядка длины цуга. Иначе интерференции не будет, т.к. накладываются различные цуги.

Пусть разделение происходит в точке O, а наложение – в точке Р. В P возбуждаются колебания.

и (24.17)

скорости распространения волн в соответствующих средах.

Разносить фаз в точке Р:

(24.18)

где - длина волны света в вакууме.

Величина , т.е. равная разнице оптических длин путей между рассматриваемыми точками называется оптической разностью хода.

КОГЕРЕНТНОСТЬ

Когерентность – согласованное протекание двух или нескольких волновых процессов. Абсолютной согласованности никогда не бывает, поэтому можно говорить о различной степени когерентности.

Различают временную и пространственную когерентность.

Временная когерентность

Уравнение реальных волн

Мы рассмотрели интерференцию волн, описываемых уравнениями вида:

(1)

Однако такие волны являются математической абстракцией, поскольку волна, описываемая (1), должна быть бесконечной во времени и пространстве. Только в этом случае величины могут быть определенными константами.

Реальная волна, образующаяся в результате наложения цугов от различных атомов, содержит в себе составляющие, частоты которых лежат в конечном диапазоне частот (соответственно волновые векторы в ), а А и a испытывают непрерывные хаотические изменения. Колебания, возбуждаемые в некоторой точке накладывающимися реальными волнами, можно описать выражением:

и (2)

Причем хаотические изменения функций от времени в (2) являются независимыми.

Для простоты анализа положим амплитуды волн постоянными и одинаковыми (экспериментально это условие реализуется достаточно просто):

Изменения частоты и фазы можно свести к изменениям только частоты или только фазы. Действительно, допустим, негармоничность функций (2) обусловлена скачками фазы. Но, по доказываемой в математике теореме Фурье, любую негармоническую функцию можно представить в виде суммы гармонических составляющих, частоты которых заключены в некоторых . В предельном случае сумма переходит в интеграл: любая конечная и интегрируемая функция может быть представлена интегралом Фурье:

, (3)

где есть амплитуда гармонической составляющей частоты , аналитически определяемая соотношением:

(4)

Итак, негармоническая вследствие изменения фазы функция представима в виде суперпозиции гармонических составляющих с частотами в некотором .

С другой стороны, функцию с переменной частотой и фазой можно свести к функции с переменной только фазой:

(5)

Поэтому для укрощения дальнейшего анализа будем считать:

т. е. реализуем фазовый подход к понятию «Временная когерентность».

Полосы равного наклона

Пусть тонкая плоскопараллельная пластинка освещается рассеянным монохроматическим светом. Расположим параллельно пластинке собирающую линзу, в ее фокальной плоскости – экран. В рассеянном свете имеются лучи самых разнообразных направлений. Лучи, падающие под углом , дают по 2 отраженных, которые соберутся в точке . Это справедливо для всех лучей, падающих на поверхность пластинки под данным углом, во всех точках пластинки. Линза обеспечивает сведение всех таких лучей в одну точку, поскольку параллельные лучи, падающие на линзу под определенным углом, собираются ею в одной точке фокальной плоскости, т.е. на экране. В точке О птическая ось линзы пересекает экран. В этой точке собираются лучи, идущие параллельно оптической оси.

Лучи, падающие под углом , но не в плоскости рисунка, а в других плоскостях, соберутся в точках, расположенных на таком же расстоянии от точки , как и точка . В результате интерференции этих лучей на некотором расстоянии от точки образуется окружность с определенной интенсивностью падающего света. Лучи, падающие под другим углом, образуют на экране окружность с другой освещенностью, которая зависит от их оптической разности хода. В результате на экране образуются чередующиеся темные и светлые полосы в форме окружностей. Каждая из окружностей образована лучами, падающими под определенным углом, и они называются полосами равного наклона. Локализованы эти полосы в бесконечности.

Роль линзы может исполнять хрусталик, а экрана – сетчатка глаза. При этом глаз должен быть аккомодирован на бесконечность. В белом свете получаются разноцветные полосы.

Полосы равной толщины

Возьмем пластинку в виде клина. Пусть на нее падает параллельный пучок света. Рассмотрим лучи, отразившиеся от верхней и нижней граней пластинки. Если эти лучи свести линзой в точке , то они будут интерферировать. При небольшом угле между гранями пластинки, разность хода лучей можно вычислять по форму ле для плоскопараллельной пластинки. Лучи образовавшиеся от падения луча в некоторую другую точку пластинки соберутся линзой в точке . Разность их хода определится толщиной пластинки в соответствующем месте. Можно доказать, что все точки типа Р лежат в одной плоскости, проходящей через вершину клина.

Если расположить экран так, чтобы он был сопряжен с поверхностью, в которой лежат точки P, Р₁ Р₂ то на нем возникнет система светлых и темных полос, каждая из которых образована за счет отражений от пластинки в местах определенной толщины. Поэтому в данном случае полосы называются полосами равной толщины.

При наблюдении в белом свете полосы будут окрашенными. Локализованы полосы равной толщины вблизи поверхности пластинки. При нормальном падении света – на поверхности.

В реальных условиях, при наблюдении окрашивания мыльных и масляных пленок наблюдается полосы смешанного типа.

Дифракция света.

27.1. Дифракция света

Дифракционная решетка

Многолучевая интерференция

Допустим, что в некоторую точку экрана приходит N когерентных лучей с одинаковой интенсивностью. При этом фаза каждого последующего луча сдвинута относительно предыдущего на постоянную величину . Рассмотрим интерференционную картину, возникающую в этом случае.

Колебания,возбуждаемые лучами можно представить в виде экспонент:

………………………….. (1)

…………………………..

Результирующее колебание в точке наблюдения равно сумме колебаний (1):

(2)

Сумма в соотношении (2) представляет собой сумму N членов геометрической прогрессии с единичным первым членом, знаменателем и последним членом .

Известно, что сумма членов геометрической прогрессии определяется формулой:

(

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: