Fizikos bangos

9.1 Šviesos bangos.Šviesa yra gana sudėtingas gamtos reiškinys, vienais atvejais pasireiškiantis kaip elektromagnetinė banga, kitais atvejais – kaip tam tikrų dalelių (fotonų) srautas. Fizikoje šviesa vadinamos infraraudonosios, regimosios ir ultravioletinės spektro srities elektromagnetinės bangos. Monochromatinė, arba vienspalvė, šviesa – tai vieno pastovaus dažnio optinės bangos. Monochratinė banga yra periodinė ir nesibaigianti nei erdvėje, nei laike, bet realūs šviesos spinduliavimo procesai yra ribotos trukmės. Praktiškai monochromatine šviesa vadiname labai siauro dažnių intervalo šviesą, kurią apytiksliai galime apibūdinti vienu dažniu ar vienu bangos ilgiu. Šviesos greičio vakuume c ir jos fazinio greičio aplinkoje v santykis vadinamas šios aplinkos absoliutiniu lūžio rodikliu n , t.y Medžiaga, kurios lūžio rodiklis yra didesnis yra optiškai tankesnė. Visiškas atspindys gaunamas tada kai pastoviai didinant krintančio spindulio kampą lūžęs spindulys išnyksta, o krintantis spindulys atsispindi nuo oro ir stiklo ribos kaip nuo idealaus veidrodžio. Spindulio kritimo kampa, kurio lūžimo kampas 90°, vadin ribiniu kampu. Šviesos intensyvumas.Šviesos energijos jutikliai yra inertiški, ir jų reakcijos į šviesos poveikį stiprumas proporcingas suvidurkintai laiko atžvilgiu šviesos srauto vertei. Todėl šviesos energija įvertinama Pointingo vektoriaus modulio vidurkiu, ir šis dydis vadinamas šviesos intensyvumu I . šviesos intensyvumas yra tiesiogiai proporcingas bangos amplitudės kvadratui. Fotometrija.Šviesos šaltinis skleidžia erdvėje spinduliuotės energiją, kuri vertinama kokybiškai ir kiekybiškai. Pagrindiniai fotometriniai regimosios šviesos dydžiai yra: šviesos stiprumas (I ), ryškumas (B), šviesos srautas (Φ), apšviestumas (E). Šviesos srautas yra spinduliavimo energijos srautas, vertinamas regėjimo pojūčiu, o šviesos stiprumas yra lygus šviesos srautui, tenkančiam erdvinio kampo vienetui. Pagrindinis fotometrinių dydžių vienetas yra šviesos stiprumo vienetas – kandela (cd ). Visi kiti vienetai yra išvestiniai. 9.2.Bangų koherentiškumas. Jeigu per laika t0 bangu faziu skirtumas δ nepakinta daugiau kaip π, tai siame laiko intervale ≠0 ir interferencinis narys . Taigi siuo atveju bangos interferuoja. Tokios bangos yra koherentines laiko tarpa τ, per kuri faziu skirtumas pakinta dydziu π. Laiko tarpa τ vadiname bangu koherentiskumo trukme. Matome, kad bangu koherentiskumo savoka yra reliatyvi; koherentiskumas priklauso ne tik nuo bangu savybiu, bet ir nuo interferencini vaizda fiksuojanciu itaiso inertiskumo. Bangas galima padaryti koherentinėmis, dalijant atspindžio arba lūžio būdu vieno arba kelių artimai sąveikaujančių atomų išspinduliuotą šviesos srautą į atskirus du srautus. Šviesos interferencija. Šviesos interferencija - tai kitaip pasakius yra bangų sudėtis. Tačiau, kad mes galėtume stebėti interferencijos reiškinį bangos turi buti koherentinės. Įsivaizduokime, kad dviejose bangose, atėjusiose į tiriamąjį tašką iš vienodų šaltinių, svyravimų fazės sutampa. Tuomet atstojamojo svyravimo amplitudė pasidaro dvigubai didesnė-bangos sustiprina viena kitą. Dabar įsivaizduokime kitą tašką kurį bangos pasiekia pasilikusios per pusią bangos ilgio. Ten svyravimai būdami priešingų fazių užgesina vienas kitą, bangavimas išnyksta. Maksimumas gaunamas ten kur dvi bangos susitinka būdamos vienodų fazių.(δ=±2mπ; m=0; 1; 2; 3..) Minimumas-kur jos susitinka būdamos priešingų fazių. .(δ=±(2m+1)π; m=0; 1; 2; 3..). 9.3Kartais aiškus interferencinis vaizdas susidaro, apšvietus balta šviesa plonas muilo tirpalo, alyvos arba žibalo plėveles. Šie interferencijos reiškiniai vadinami plonų plėvelių spalvomis. Jie susidaro, atsispindėjus šviesai nuo priekinės ir užpakalinės plėvelės sienelių. Tarkime, kad lygiagrečių spindulių pluoštas krinta į storio h lygiagrečių sienelių plėvelę (2.6 pav.). Spindulių kritimo kampas yra α , lūžimo – β . Išskirkime iš šio pluošto du gretimus spindulius 1 ir 2 . Pirmasis krinta taške A ir, iš dalies atsispindėjęs, sklinda kryptimi AS . Antrasis krinta taške C ir, taip pat iš dalies atsispindėjęs, o iš dalies lūžęs, įeina į plėvelę ir, pasiekęs taške D apatinę jos sienelę, iš dalies atsispindi nuo jos ir, iš dalies lūžęs, išeina iš plėvelės kitoje pusėje. Atsispindėjusi spindulio dalis nueina ta pačia linkme kaip ir spindulio 1 atsispindėjusi dalis. Šios abi spindulių dalys, būdamos koherentinės, interferuoja. Eigos skirtumą nusako jų nueitų optinių kelių skirtumas Δ. Optinio kelio ilgį išreiškia geometrinio kelio ilgio ir aplinkos lūžio rodiklio sandauga. Interferenciniu reiškiniu remiasi optikos skaidrinimas. Lęšių paviršiai padengiami labai plona kitos skaidrios medžiagos plėvele su didesniu lūžio rodikliu. Atsispindėjusioje šviesoje gaunamas minimumas, todėl atspindžiai sumažėja arba visai išnyksta. 9.4 A.Maikelsono interferometro schema pateikta Šviesos banga AB , sutikusi pusskaidrę plokštelę P , iš dalies atsispindi taške C , o iš dalies pereina kiaurai. Pirmoji bangos dalis, pasiekusi veidrodį V1 , atsispindi ir sklinda keliu Z V1DC ; antroji, perėjusi per lygiai tokią pat antrą plokštelę P1 ir susitikusi pakeliui veidrodį V2 , atsispindi ir nueina keliu Z V2C . Jei abiejų veidrodžių V1 ir V2 nuotoliai nuo taško C bus skirtingi, tai bangos, susitikusios taške C , interferuoja, ir pro žiūroną Z matysime šviesias ir tamsias interferencijos juostas. Tokiu interferometru A.Maikelsonas ir E.Morlėjus bandė nustatyti šviesos sklidimo Žemės skriejimo kryptimi ir statmenai šiai krypčiai greičių skirtumą. 9.5 Sviesos difrakcija – tai reiskinys, kai sviesos bangos praejusias mazas kliutis, angas ar plysius, pastebimai uzlinksta. Heigenso ir Frenelio principas. Kiekvienas taškas, kurį banga pasiekia tam tikru laiko momentu, yra elementariųjų bangų šaltinis, o visų tokių bangų gaubtinė vėlesniu laiko momentu yra bangos paviršius. Heigenso ir Fernelio principas teigia, kad kiekvienas sklindančios bangos paviršiaus taškas yra antrinių koherentinių bangų šaltinis. 9.6 Frenelio difrakcija tai sferiniu bangu difrakcija. Nuotoliu r0 nuo bangos paviršiaus esančiame taške P atstojamųjų virpesių amplitudei rasti iš taško P brėžiamos koncentrinės sferos. Jos bangos paviršių dalija į juostas, vadinamas Fernelio zonomis. Gretimų zonų virpesių amplitudės yra labai artimos, todėl apytiksliai galioja lygybė čia Emi-kiekvienos zonos sukeliamų atstojamųjų virpesių amplitudė. Jei pirminė banga sklisdama nesutinka kliūčių, tai taške P jos sukeliamų virpesių amplitudė lygi pirmosios Frnelio zonos keliamų virpesių amplitudės pusei . Tarkime, kad sferinė banga sutinka neskaidrią kliūtį – diską, kuris uždengia m Frenelio zonų. Ekrane gaunamas disko difrakcinis vaizdas – šviesių ir tamsių koncentriškų žiedų sistema. Ekrano centre taške P visada yra šiek tiek šviesu (2.17 pav.). Šios šviesos amplitudė Ap lygi pusei amplitudės bangų, atėjusių į šį tašką iš pirmos neuždengtos artimiausios kliūčiai Frenelio zonos, t.y. Ap=Am+1/2 Didėjant kliūties matmenims ar mažėjant atstumui b , t.y. didėjant santykiui d/b , centrinės šviesos dėmės ryškumas mažėja. Už kliūties susidaro jos šešėlis. Tarkime, kad sferinės bangos kelyje yra diafragma su apvalia r spindulio skylute Jei ekranas E lygiagretus su diafragma, tai jame gaunama šviesių ir tamsių koncentriškų žiedų sistema. Šviesu ar tamsu ekrano centre (taške P ), priklauso nuo to, koks Frenelio zonų skaičius – lyginis ar nelyginis – telpa skylutėje. Taigi diafragma su maža skylute, kurioje, žiūrint iš taško P, telpa nelyginis Frenelio zonų skaičius, veikia panašiai kaip glaudžiamasis lęšis: Ap ≈ A1 , t.y. amplitudė padidėja beveik du kartus. Didėjant skylutės spinduliui r ar mažėjant atstumui b, t.y. didėjant santykiui r/b, amplitudė Ap artėja prie A1/2, o koncentriškų žiedų kontrastiškumas mažėja. 9.7 Fraunhoferio difrakcija. Šviesos bangas, sklindančias pro angas, kurių matmenys daug mažesni už Fernelio pirmosios zonos matmenis, galima laikyti plokščiosiomis. Tokių bangų difrakcija vadinama Fraunhoferio difrakcija. Pro plyšį praėjusios ir kampu α sklindančias bangas glaudžiamasis lęšis fokusuoja taške P, ir čia jos interferuoja. Ekrane gaunama šviesos interferencinių maksimumų ir minimumų sistema. Interferenciniai maksimumai yra plyšio difrakciniai atvaizdai. Fraunhoferio difrakcijos plyšyje minimumo sąlyga. Maksimumo sąlyga: Vienmate difrakcine gardele vadinama vienodo pločio lygiagrečių ir vienodai vienas nuo kito nutolusių plyšių sistema Norint ištirti difrakcinio vaizdo ekrane E pobūdį, reikia įskaityti ne tik atskiruose plyšiuose užlinkusių spindulių interferenciją, bet ir atskirų pluoštų tarpusavio interferenciją. Aišku, kad pagrindinių minimumų sąlygos lieka tos pačios – tomis kryptimis, kuriomis esant vienam plyšiui ekrano taškuose yra tamsu, , bus tamsu ir esant plyšių sistemai, t.y. a ⋅sinϕ = ±k ⋅λ , k = 1,2,3,... Pagrindiniai maksimumai gaunami tuose ekrano taškuose, į kuriuos iš skirtingų plyšių atėjusių bangų eigos skirtumas d ⋅sinϕ = ±k ⋅λ , k = 0,1,2,... čia d – gardelės periodas (konstanta) – atstumas tarp gretimų plyšių centrų. Jei d = 2a , tai ši sąlyga virsta pagrindinių minimumų sąlyga, ir lyginės šviesios juostelės išnyksta. Dėl to padidėja nelyginių šviesių juostelių intensyvumas. 9.8 Difrakcija erdvinėje gardelėje Dvi tiesines gardeles sudėjus taip, kad jų rėžiai būtų statmeni, gaunama paprasčiausia dvimatė difrakcijos gardelė. Analogiškai gaunama paprasčiausia trimatė difrakcijos gardelė. Tai visiškai vienodų ir vienodai orientuotų dvimačių gardelių sistema.. Labai svarbi erdvinė difrakcijos gardelė yra kristalas. Atstumai tarp šių dalelių yra daug kartų mažesnis už regimosios šviesos ilgį, todėl ji difrakcinio vaizdo nesudaro. Tačiau rentgeno ir γ bangų ilgis yra mažesnis ir jų veikiami kristalo struktūrinių dalelių elektronai virpa, skleisdami antrines koherentines bangas.. Jos interferuodamos duoda bangų difrakcijos kristale vaizdą. Žinant Rentgeno bangų ilgį α ir išmatavus į kristalą krintančios bangos spindesio kampą ir m, galima apskaičiuoti nežinomos struktūros kristalo tarpatomių plokštumų atstumą d (kristalo struktūrą). Ir atvirkščiai žinant struktūrą rasti bangos ilgį λ. 9.9 Objektų tūrinių (erdvinių) vaizdų sudarymo metodas, pagrįstas bangų interferencija, vadinamas holografija. Skirtingai nuo įprastinio fotografinio metodo, holografinis metodas registruoja ne tik bangų amplitudžių, bet ir jų fazių teikiamą informaciją. Monochromatinę šviesą prizme ar veidrodžiais išskaidoma į du koherentinius šviesos pluoštelius – pagrindinį ir pagalbinį. Pagrindiniu apšviečiamas daiktas. Šviesai jautri medžiaga apšviečiama kartu daikto išskaidyta šviesa ir pagalbiniu pluošteliu. Jeigu šių bangų koherentiškumo nuotolis didesnis už jų nueitų kelių skirtumą, tai jos interferuoja, ir ir šviesos interferencinį lauką fiksuoja plokštelė. Gaunamas daikto interferencinis atvaizdas vadinamas holograma. Naudojama koherentiniuose radaruose. 9.10 Sviesos absorbcija ir sklaida. Medziaga sklindanti sviesa ja issildo, suzadina jos molekules ir kt. Vadinasi, sklindancios bangos energija medziagoje virsta jos vidine energija, ir medziaga sklindancios sviesos intensyvumas palaipsniui mazeja. Sis reiskinys vadinamas absorbcija. Sviesai sklindant aplinka, atsiranda visomis kryptimis sklindancios ir tarpusavyje interferuojancios koherentines antrines bangos. Kai aplinka optiskai vienalyte, visomis krytimis, iskyrus pirmines bangos sklidimo krypti, susidaro bangu interferencijos minimumas. Visai kitaip sviesa sklinda optiskai nevienalyte aplinka: del sviesos difrakcijos nevienalytiskumuose jos intensyvumas visomis kryptimis pasiskirsto tolydziai. Sis reiskinys vadinamas svieos sklaida. 9.11 Šviesos dispersija. Bangų dispersija vadinamas jų fazinio greičio priklausomumas nuo bangos dažnio arba bangos ilgio. Kadangi vakuume šviesos greitis c nuo dažnio nepriklauso, tai šviesos dispersiją nusako lūžio rodiklio n priklausomumas nuo bangos dažnio. Dėl šios priežasties balta šviesa trikampėje prizmėje išsiskaido į spektrą. Trumpesnės bangos sklinda mažesniu faziniu greičiu už ilgesnes ir dėl to daugiau lūžta. Sklindant šviesai skaidriomis aplinkomis tokia dispersija vadinama normaliąja. Dažnių, kurių bangas medžiaga labai gerai sugeria, dispersija vadinama anomaliąja. 9.12 Kiekviena reali šviesos banga yra tam tikro skaičiaus skirtingo dažnio bangų superpozicijos rezultatas, todėl ji dar vadinama bangų grupe, arba paketu. Paprasčiausia bangų grupė gaunama sudėjus dvi ašies Ox teigiama kryptimi sklindančias plokščiąsias vienodos amplitudės bangas, kurių dažniai ω ir bangų skaičiai k vienas nuo kito labai mažai skiriasi. Taigi grupinis greitis yra lygus kampinio dažnio išvestinei bangos skaičiaus atžvilgiu. Bangų greičio matavimo davikliai reaguoja į bangų energinį poveikį, todėl atliekant eksperimentą, dažniausiai matuojamas bangų grupinis greitis. 9.13 Šviesos poliarizacija. Natūrali šviesa – tokia šviesa , kurios E vektoriai svyruoja įvairiomis kryptimis statmenomis sklidimo krypčiai ir kiekvienai E vektoriaus svyravimo krypčiai tenka vienodas energijos kiekis. Šviesa kurioje svyravimai vyksta tam tikru dėsniu vadinama poliarizuota. Natūralią šviesą nuo poliarizuotos galima atskirti paprasta akimi. Šviesa, kurios vektorius E virpa įvairiomis kryptimis, bet tam tikra kryptimi virpesių amplitudė yra didesnė, vad iš dalies poliarizuota. Dalinę šviesos poliarizaciją apibūdina jos poliarizacijos laipsnis čia Imax ir Imin – didžiausias ir mažiausias šviesos intensyvumas. Tiesiai poliarizuotos šviesos IMIN=0; PŠ=1.Naturalios šviesos IMAX= IMIN; PŠ=0. Optinė sistema, skirta šviesai tiesiai , vadinama poliarizatoriumi. Paprasčiausias poliarizatorius yra iš turmalino kristalo išpjauta plokštelė. Šviesos kelyje pastatome dvi plokšteles – poliarizatorių ir analizatorių. Tada pro analizatorių praėjusios šviesos intensyvumas yra lygus į ją krintančios šviesos intensyvumas padaugintas iš kosinuso kampo kvadrato I=I0cos2α čia I – krintančios šviesos intensyvumas – Maliu dėsnis. Išnagrinėjus dielektrinių aplinkų riboje (oro ir stiklo, oro ir vandens, vandens ir stiklo) atsispindinčios šviesos poliarizaciją, nustatyta, kad krintanti natūrali šviesa yra sudaryta iš vienodo intensyvumo tiesiškai poliarizuotų dviejų tipų bangų: vienų →E svyravimai yra statmeni ( • ) kritimo plokštumai, kitų – lygiagretūs (b ) Dalis kritusios šviesos atsispindi, o likusi dalis pereina į antrą aplinką. Tiek atsispindėjusi, tiek lūžusi šviesa yra iš dalies poliarizuota, nes nuo aplinkų ribos visada daugiau atsispindi statmenų komponenčių negu lygiagrečių. 9.14 Optiškai anizotropinėmis aplinkomis sklindančios šviesos spindulys suskyla į du. Šis reiškinys vadinamas dvejopu šviesos lūžimu. Tokios savybės būdingos daugeliui kristalų (kvarcui, turmalinui, islandiškajam špatui ir kt.). Tyrimai rodo, kad šviesos greitis juose priklauso ne tik nuo jos sklidimo krypties, bet ir nuo →E vektoriaus orientacijos. Kryptys, išilgai kurių dvejopo šviesos lūžimo nebūna, vadinamos kristalo optinėmis ašimis (2.34 paveiksle pavaizduota islandiškojo špato (CaCO3) optinė ašis). Bet kuri tiesė, lygiagreti su šia kryptimi, yra optinė ašis, t.y. išilgai kurios šviesos greitis nepriklauso nuo →E orientacijos. Per optinę ašį ir krintantį spindulį išvesta plokštuma vadinama pagrindinio pjūvio plokštuma. Nustatyta, kad tie abu spinduliai yra poliarizuoti taip, kad jų →E vektoriai svyruoja tarpusavyje statmenose plokštumose. Paprastojo (ordinarinio – o) spindulio →E vektorius svyruoja plokštumoje, statmenoje pagrindinio pjūvio plokštumai. Nepaprastojo (ekstraordinarinio – e) spindulio →E vektorius svyruoja pagrindinio pjūvio plokštumoje. Taigi dvejopas šviesos lūžimas reiškia, kad krintanti šviesos banga anizotropinėje aplinkoje sužadina dvi bangas – paprastąją ir nepaprastąją. 9.15 Poliarizacijos plokštumos sukimas. Optiškai aktyviomis vadinamos medž., kurios pasuka tiesiai poliarizuotos šviesos poliarizacijos plokštumą. Pasukimo kampas priklauso nuo medžiagos molekulių sandaros asimetrijos, kristalų sandaros asimetrijos. Kristalinis kūnas šviesos poliarizacijos plokštumą suka labiausiai. Visos optiškai aktyvios medž. skirstomos į kairinio ir dešininio sukimo medžiagas., kryptį nustatome pagal sklindančios šviesos bangos sukimo kryptį. Posūkio kampas  yra ties. proporcingas optiškai aktyvioje medžiagoje šviesos nueitam keliui l . =*l -sukimo konst., priklausanti nuo šviesos bangos ilgio. Kero reiskinys. Keras nustate, kad skystas ar kietas optiskai izotropinis dielektrikas pakankamai stipriame elektriniame lauke pasidaro anizotropinis. Sis reiskinys vadinamas elektroopiniu Kero reiskiniu. Luzio rodikliu n0 ir ne skirtumas yra tiesiog proporcingas elektrinio lauko stiprumo kvadratui: , cia k – Kero konstanta, ji priklauso nuo medziagos agregatines busenos, temperaturos ir medziagos strukturos. Faradejaus reiskinys. Faradejus pastebejo, jos optiskai neaktyvi medziaga magnetiniame lauke pasidaro optiskai aktyvi: tuomet tiesiai poliarizuotos sviesos, sklindancios medziaga issilgai vektoriaus H krypties, poliarizacijos plokstuma pasisuka. Sis magnetoopinis efektas vadinamas Faradejaus reiskiniu. Poliarizacijos plokstumos posukio kampas φ yra tiesiog proporcingas sviesos nueito kelio medziagoje ilgiui l ir magnetinio lauko stiprumui H: , cia V – Verdes konstanta, ji priklauso nuo medziagos savybiu, temperaturos ir sviesos bangu ilgio. 9.16 K.Dopleris nustatė, kad, judant bangų šaltiniui (siųstuvui) ar stebėtojui (imtuvui), pakinta priimamų akustinių ir elektromagnetinių bangų dažnis. Šis reiškinys vadinamas Doplerio reiškiniu. Akustinių bangų dažnio pokytis priklauso nuo to, kokiu greičiu siųstuvas ar imtuvas juda aplinkos, kurioje sklinda banga, atžvilgiu. Elektromagnetinei bangai sklindant vakuumu, jos dažnio pokytis priklauso tik nuo siųstuvo ir imtuvo reliatyvaus greičio. Kai siųstuvas ir imtuvas tolsta vienas nuo kito, v0 > 0 ir ω ' ω : regimosios šviesos spektro linijos pasislenka į violetinę spektro sritį. Bangų dažnio kitimas dėl šio judėjimo vadinamas išilginiu Doplerio reiškiniu, o dažnio pokytis – Doplerio poslinkiu. Bendru atveju reliatyviojo judėjimo greitį →v0 galima išskaidyti į dvi dedamąsias: viena jų ukreipta išilgai spindulio, antroji – jam statmenai. Pirmoji dedamoji lemia išilginį, o antroji – skersinį Doplerio reiškinį. šilginis Doplerio reiškinys taikomas žvaigždžių judėjimo Žemės atžvilgiu greičiui nustatyti, matuojant Doplerio poslinkį. Prieita prie išvados, kad šiuo metu Visata plečiasi. Chaotiškai judant švytinčių dujų molekulėms, dėl Doplerio reiškinio imtuvas fiksuoja pakitusių dažnių bangas. Spektro linija yra tam tikro pločio. Šis reiškinys vadinamas Doplerio išplitimu. Juo remiantis, galima įvertinti karštų dujų temperatūrą.

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!