Интерференция (физика)

Картина интерференции двух круговых когерентных волн, в зависимости от длины волны и расстояния между источниками

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.

Происходит сложение световых волн, при котором обычно наблюдается характерное пространственное распределение интенсивности света (интерференционная картина) в виде чередующихся светлых и тёмных полос в результате нарушения принципа сложения интенсивностей.

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 нестационарной. 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.

Расчет результата сложения двух сферических волн

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 не взаимодействуют друг с другом и распространяются независимо друг от друга.

Две одновременно распространяющиеся синусоидальные сферические волны $s_1\!$ и $s_2\!$, созданные точечными источниками B₁ и B₂, вызовут в точке M колебание, которое, по принципу суперпозиции, описывается формулой $s=s_1+s_2\!$. Согласно формуле сферической волны:

$s_1={A_1 \over r_1}\sin(\omega_1 t - k_1r_1 + \alpha_1)={A_1 \over r_1}\sin \Phi_1$,

$s_2={A_2 \over r_2}\sin(\omega_2 t - k_2r_2 + \alpha_2)={A_2 \over r_2}\sin \Phi_2$,

где

$\Phi_1=\omega_1 t - k_1r_1 + \alpha_1\!$ и $\Phi_2=\omega_2 t - k_2r_2 + \alpha_2\!$ – фазы распространяющихся волн

$k_1\!$ и $k_2\!$ — волновые числа ($k={\omega \over v}={2\pi \over \lambda}$)

$\omega_1\!$ и $\omega_2\!$ — циклические частоты каждой волны

$\alpha_1\!$ и $\alpha_2\!$ — начальные фазы,

$r_1 \!$ и $r_2 \!$ — расстояния от точки М до точечных источников B₁ и B₂

В результирующей волне $s=s_1+s_2={A \over r}\sin \Phi$, амплитуда ${A \over r}$ и фаза $\Phi \!$ определяются формулами:

${A \over r}=\sqrt{\left({A_1 \over r_1}\right)^2 + \left({A_2 \over r_2}\right)^2 + 2{A_1 \over r_1}{A_2 \over r_2}\cos(\Phi_2-\Phi_1)}$,

$\Phi=\operatorname{arctg}{ {{A_1 \over r_1}\sin\Phi_1 + {A_2 \over r_2}\sin\Phi_2} \over {{A_1 \over r_1}\cos\Phi_1 + {A_2 \over r_2}\cos\Phi_2} }$

Когерентность волн

Tolkundar Жан alardyn bulaktaryn kozgoo дини tolkundardyn etaptaryn ortosundagy ayyrma, ☃☃ Uchurda kөz Карандила Эмес atalat makuldashylgan кампалары. Tolkundar Жан alardyn bulaktaryn kozgoo дини tolkundardyn etaptaryn ortosundagy ayyrmachylyk ☃☃ Ubakyttyn өtүshү Менен өzgөrүp Турат atalat kelbegen кампа берди. ayyrmaloo үchүn болуш  :

$\Phi_2-\Phi_1=(\omega_1-\omega_2)t-(k_2r_2-k_1r_1)+(\alpha_2-\alpha_1)\!$, где $k_1={\omega_1 \over v}$, $k_2={\omega_2 \over v}$,

$v\!$ – 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 ($\omega_1=\omega_2$), и некогерентны, если их частоты различны.

Для когерентных волн ($\omega_1=\omega_2=\omega$) при условии $\alpha_2-\alpha_1=0$

$\Phi_2-\Phi_1=-{\omega \over v}(r_2-r_1)=-k(r_2-r_1)$,

${A \over r}=\sqrt{\left({A_1 \over r_1}\right)^2 + \left({A_2 \over r_2}\right)^2 + {2A_1A_2 \over r_1r_2}\cos k(r_2-r_1)}$.

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

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

Амплитуда колебаний в результирующей волне минимальна $\left({A \over r}= \begin{vmatrix}{A_1 \over r_1}-{A_2 \over r_2} \end{vmatrix} \right)$ во всех точках среды, для которых

$k(r_2-r_1)=(2m+1)\pi\!$, где $m=0,1, 2,...\!$ (m-натуральное),

или

$\Delta=r_2-r_1=(2m+1){\lambda \over 2}$.

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

oshondoy элемент

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

• Частные случаи интерференции:
  • Интерференция света
  • Биения
  • Муаровый узор
  • Спекл

Литература

• Спасский Б.И. Физика в ее развитии. - М.: Просвещение, 1979;
• Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов. - М.: Просвещение, 1986;

Ссылки

• Демонстрации по интерференции света

ar:تداخل bg:Интерференция (физика) bs:Interferencija talasa cs:Interference cy:Ymyriant da:Interferens de:Interferenz (Physik) en:Interference eo:Interfero es:Interferencia et:Interferents fi:Interferenssi fr:Interférence gl:Interferencia he:התאבכות hr:Interferencija valova hu:Interferencia id:Interferensi io:Interfero it:Interferenza (fisica) ja:干渉 (物理学) ko:간섭 lt:Interferencija lv:Interference nl:Interferentie (natuurkunde) no:Interferens pl:Interferencja pt:Interferência ro:Interferenţă simple:Interference sk:Interferencia (vlny) sl:Interferenca sr:Интерференција sv:Interferens (vågrörelse) tr:Girişim tt:Интерференция (физика) uk:Інтерференція vi:Giao thoa zh:干涉 (物理学) zh-min-nan:Kan-sia̍p