Zakłócenia, dyfrakcja i zasada superpozycji

Zakłócenia mają miejsce, gdy fale oddziałują na siebie, podczas gdy dyfrakcja zachodzi, gdy fala przechodzi przez otwór. Te interakcje rządzą się zasadą superpozycji. Interferencja, dyfrakcja i zasada superpozycji są ważnymi pojęciami dla zrozumienia kilku zastosowań fal.

Kiedy dwie fale oddziałują, zasada superpozycji mówi, że powstały funkcja falowa jest sumą dwóch indywidualnych funkcji falowych. Zjawisko to ogólnie opisuje się jako ingerencja.

Rozważ przypadek, w którym woda kapie do wanny z wodą. Jeśli choć jedna kropla uderzy o wodę, utworzy okrągłą falę fal na całej wodzie. Gdybyś jednak zaczął kapać z wody w innym miejscu, zrobiłby to również zacznij tworzyć podobne fale. W punktach, w których te fale zachodzą na siebie, fala wynikowa byłaby sumą dwóch wcześniejszych fal.

Dotyczy to tylko sytuacji, w których funkcja falowa jest liniowa, czyli od której zależy x i t tylko do pierwszego moc. Niektóre sytuacje, takie jak nieliniowe zachowanie sprężyste, które nie jest zgodne

Może to być oczywiste, ale prawdopodobnie dobrze jest również wyjaśnić, że zasada ta obejmuje fale podobnego rodzaju. Oczywiście fale wody nie będą zakłócać fal elektromagnetycznych. Nawet wśród podobnych rodzajów fal efekt jest zasadniczo ograniczony do fal o praktycznie (lub dokładnie) tej samej długości fali. Większość eksperymentów z udziałem interferencji zapewnia, że ​​fale są identyczne pod tym względem.

Zdjęcie po prawej pokazuje dwie fale, a pod nimi, w jaki sposób te dwie fale są połączone, aby pokazać interferencję.

Kiedy grzbiety zachodzą na siebie, fala superpozycji osiąga maksymalną wysokość. Wysokość ta jest sumą ich amplitud (lub dwukrotności ich amplitudy, w przypadku gdy fale początkowe mają jednakową amplitudę). To samo dzieje się, gdy koryta nakładają się na siebie, tworząc powstałe koryto będące sumą ujemnych amplitud. Ten rodzaj zakłóceń nazywa się konstruktywna ingerencja ponieważ zwiększa całkowitą amplitudę. Kolejny nieanimowany przykład można zobaczyć, klikając zdjęcie i przechodząc do drugiego obrazu.

Alternatywnie, gdy grzbiet fali zachodzi na dolinę innej fali, fale do pewnego stopnia się znoszą. Jeśli fale są symetryczne (tj. Ta sama funkcja falowa, ale przesunięta o fazę lub połowę długości fali), całkowicie się skasują. Ten rodzaj zakłóceń nazywa się Niszczące zakłócenia i można je wyświetlić na grafice po prawej stronie lub klikając ten obraz i przechodząc do innej reprezentacji.

We wcześniejszym przypadku zmarszczek w wannie z wodą zobaczyłbyś zatem pewne punkty, w których fale interferencyjne są większe niż każda z poszczególnych fal, a niektóre punkty, w których fale anulują każdą inne poza.

Szczególny przypadek zakłóceń znany jest jako dyfrakcja i ma miejsce, gdy fala uderza w barierę apertury lub krawędzi. Na krawędzi przeszkody fala jest odcinana i tworzy efekty interferencyjne z pozostałą częścią frontów falowych. Ponieważ prawie wszystkie zjawiska optyczne obejmują światło przechodzące przez pewnego rodzaju aperturę - czy to oko, czujnik, a teleskop, czy cokolwiek innego - dyfrakcja zachodzi w prawie wszystkich z nich, chociaż w większości przypadków efekt jest taki nieistotny. Dyfrakcja zazwyczaj tworzy „rozmytą” krawędź, chociaż w niektórych przypadkach (takich jak eksperyment Younga z podwójną szczeliną, opisany poniżej) dyfrakcja może sama powodować interesujące zjawiska.

Zakłócenia są intrygującą koncepcją i mają pewne konsekwencje, na które warto zwrócić uwagę, szczególnie w obszarze światła, gdzie takie zakłócenia są stosunkowo łatwe do zaobserwowania.

W Eksperyment Thomasa Younga z podwójną szczeliną, na przykład wzory interferencyjne wynikające z dyfrakcji „fali” światła sprawiają, że można świecić równomiernie i rozbić go na szereg jasnych i ciemnych pasm, po prostu wysyłając go przez dwie szczeliny, co z pewnością nie jest tym, czego można się spodziewać. Jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że przeprowadzenie tego eksperymentu z cząsteczkami, takimi jak elektrony, daje podobne właściwości podobne do fali. Każda fala wykazuje takie zachowanie, przy odpowiednim ustawieniu.

Być może najbardziej fascynującym zastosowaniem interferencji jest stworzenie hologramy. Odbywa się to poprzez odbijanie spójnego źródła światła, takiego jak laser, od przedmiotu na specjalnym filmie. Wzory interferencyjne tworzone przez światło odbite powodują powstanie holograficznego obrazu, który można obejrzeć, gdy zostanie on ponownie umieszczony we właściwym rodzaju oświetlenia.