ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Волны вокруг нас из "Голография " Слово волна возникло очень давно, задолго до того, как родилась наука. Этим словом обозначали чередование расходящихся по воде впадин и горбов. Волны легко вызвать, наверно, каждый из вас бросал в пруд камень или палку и наблюдал, как они распространяются. В физике волной называют всякое изменяющееся со временем чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например напряженности электрического поля, температуры или освещенности на поверхности экрана. [c.13] Волнами заполнены поверхности морей и океанов, атмосфера, безвоздушное пространство. Понятие волна охватывает широкий круг явлений. Нас интересуют главным образом электромагнитные волны (радиоволны, свет), но для наглядности будем пользоваться и упругими волнами на поверхности жидкости. [c.13] Представим, что в нашем распоряжении есть две лодки, оснащенные приспособлениями в виде выступающей вперед стрелы, на которой оборудован барабан с запасом рыболовной лески. Только вместо крючка привязан небольшой камень. В тихую погоду, когда нет волн, выйдем на озеро для проведения экспериментов. [c.14] Первый из них такой. Уроним камень в воду и на поверхности увидим ряд кругов, расходящихся от точки падения. Эта картина хорошо всем знакома. [c.14] Для второго эксперимента следует расположить лодки недалеко одну от другой. Затем одновременно сбросить в воду камни. Образуются два ряда кругов, расходящихся от мест падения камней. Обратим внимание на то, что волны проходят одна сквозь другую безо всяких взаимных влияний (рис. 5). Каждая волна распространяется так, как будто другой не существует. Есть научное выражение для такого явления. Оно называется суперпозицией. Смещение частиц воды в каждой точке есть сумма смещений, которые создавались бы от каждого источника волны в отдельности. Ну, а если в процессе проводимых экспериментов пойдет дождь, то вы сможете наблюдать очень сложный случай суперпозиции волн на поверхности озера. [c.14] Теперь проведем третий эксперимент. Постараемся одновременно опускать и поднимать в воду оба камня. Вот здесь пригодится барабан с леской (например, от спиннинга). Барабан надо поворачивать на половину оборота то в одну, то в другую сторону. Картина, которая будет наблюдаться на поверхности воды, показана на рис. 6. Можно заметить, что при одновременном действии двух волн в некоторых местах вода будет спокойной, поскольку здесь суперпозиция волн двух источников привела к отсутствию колебаний ее поверхности. В других местах, наоборот, суперпозиция привела к тому, что поверхность воды колеблется сильнее, чем в случае с одним источником, т. е. наблюдается усиление волн. Как говорят бьюалые моряки, видны полосы штиля и полосы бури . Вот это явление и назьшают интерференцией волн. Именно это явление и наблюдал Юнг в своем эксперименте со световыми волнами. [c.14] Проведем четвертый эксперимент. [c.15] Эти эксперименты позволяют сделать определенные выводы для случая волн на водной поверхности, но, как станет ясно в дальнейшем, какова бы ни была природа волн (механическая, электромагнитная), при наличии нескольких источников, колеблющихся с одинаковой частотой, возбуждаемые ими волны в одних местах усиливаются, а в других - ослабляются. При этом степень усиления и ослабления зависит от расположения источников. Где происходит усиление и где ослабление, также определяется расположением источников. [c.15] Другой важный вьюод состоит в том, что рассеяние на препятствиях - это тоже свойство волн любой природы, при этом препятствия становятся новыми источниками волн. Эти волны накладываются одна на другую, а также на первоначальную волну. [c.15] Все эти эксперименты и их результаты пригодятся нам для понимания принципов физической и цифровой голографии. Перейдем теперь к количественной оценке волн, для чего используем такое понятие, как колебания. Каждый хорошо знаком с колебаниями маятника, струны или камертона. Прикрепим к концу маятника кисточку с темной краской, а под ней расположим лист чистой бумаги (рис. 9). Зададим колебания маятнику, а лист бумаги будем равномерно двигать в направлении, перпендикулярном к плоскости качания маятника. Кисточка вычертит кривую, которая может многое рассказать о маятнике. [c.16] Если амплитуда все время уменьшается, то можно считать, что маятник скоро остановится, его колебания прекратятся (затухнут). Когда амплитуда колебаний остается неизменной, говорят, что колебания носят незатухающий характер. [c.17] Мы рассмотрели механические колебания. Электромагнитные колебания могут быть получены, если собрать электрический контур из конденсатора, катушки, выключателя и соединительных проводов (рис. 10). Если предварительно зарядить конденсатор и замкнуть контакты выключателя, то конденсатор начнет разряжаться через катушку. Разрядный ток создаст в катушке магнитное поле. По мере разрядки конденсатора ток в катушке увеличивается, и как только напряжение на нем станет равным нулю, ток достигнет максимального значения максимального значения достигнет и магнитное поле катушки. В этот момент энергия, запасенная в конденсаторе, полностью перейдет в энергию магнитного поля катушки. [c.17] Далее ток через катушку начнет уменьшаться, а катушка в соответствии с законом электромагнитной индукции будет поддерживать этот ток. Энергия поля катушки будет уменьшаться, а ток будет заряжать конденсатор. В момент, когда ток станет равным нулю, а значит, уменьшится до нуля и энергия поля катушки, конденсатор окажется вновь заряженным, но в противоположной полярности. [c.17] Затем конденсатор снова начнет разряжаться, и весь процесс повторится в прежней последовательности. Таким образом, ток в контуре будет попеременно протекать в противоположных направлениях. Иначе говоря, в контуре возникают электрические колебания, связанные с возникновением и исчезновением магнитного поля. Это приводит к появлению электромагнитных колебаний. Колебания в электрическом контуре могут совершаться с различной частотой, зависящей от емкости конденсатора и индуктивности катушки. При уменьшении емкости и индуктивности колебания учащаются, а их период уменьшается. Частота колебаний в контуре может быть очень большой /=10 Гц и более. [c.17] Если колебательный контур не подпитывать энергией извне, то колебания довольно быстро затухнут. Подпитывают контур с помощью электронной лампы (или транзистора), в анодную цепь которой и включают колебательный контур. В цепь сетки лампы включают еще одну катушку, индуктивно связанную с контурной. [c.18] Известно, что электромагнитные волны распространяются в пространстве со скоростью около 300 ООО км/с (равной скорости света). Энергия распространяется от источника радиально во все стороны. Само слово радио обязано своим происхождением латинскому слову радиус , что означает луч . [c.18] Если частота /колебаний равна 10 Гц,то все эти волны за одну секунду заполнят в пространстве, считая по прямой от источника излучения, расстояние в 300 ООО км. На долю каждой волны придется отрезок, равный V/f= 3-10 /10 = 300 м, где V= 3-10 - скорость света. Расстояние, которое успеет пройти энергия, излучаемая источником электромагнитных колебаний за один период, получило название длины волны. Ее обозначают буквой На рис. П показано, как укорачивается длина волны с ростом частоты. [c.18] Формула 5 = 1 osG) означает, что при t = О S = А Положим, мы наблюдаем колебания маятника, отсчитываемые по секундомеру. Наша запись означает, что секундомер пущен в один из тех моментов, когда маятник занимает крайнее положение, т. е. текущая величина S проходит через один из максимумов функции. [c.19] Постоянную Ф называют фазой гармонического колебания, точнее, начальной фазой. Эта величина выражается в долях радиана. При произвольном, но фиксированном выборе начала счета времени различные колебания одинаковой частоты могут иметь различные фазы. [c.19] С другой стороны, фаза колебания зависит от выбора момента начала счета времени. Одно и то же значение фазы может соответствовать различным началам счета времени, отстоящим одно от другого на целое число периодов. Отсюда следует, что при фиксированном начале счета времени фаза не определена однозначно, а лишь с точностью до целого кратного числа 2 п. [c.19] Вернуться к основной статье