Viļņu interference: definīcija, konstruktīvā un destruktīvā iejaukšanās

Viļņu interference: skaidra definīcija un praktiski piemēri par konstruktīvo un destruktīvo iejaukšanos — Junga eksperimenta skaidrojums, rezultāti un pielietojumi.

Fizikā interference ir viļņu superpozīcijas efekts, kad divu vai vairāku viļņu lauki vienā telpas punktā saskaitās un rada kopēju rezultātu. Pat ja šķiet, ka "viens" vilnis interferē pats ar sevi, tas joprojām nozīmē divu vai vairāku viļņu saskaitīšanu (sk. Junga eksperimentu ar spraugām). Divi viļņi vienmēr interferē, pat ja saskaitīšanas rezultāts ir sarežģīts vai nav viegli pamanāms.

Kas notiek fiziski

Ja divi vai vairāki viļņi atrodas vienā telpā un tajā pašā laikā, to vērtības (piemēram, nobīdes vai elektriskie lauki) punktā tiek vienkārši saskaitītas — tā darbojas lineārā superpozīcijas principa dēļ. Tā rezultātā var rasties pastiprinājums vai iznīcināšana atkarībā no viļņu relatīvās fāzes.

Konstruktīvā un destruktīvā interferenca

Ja viena viļņa maksimums sakrīt ar otra maksimumu, to kopīgais maksimums ir lielāks — to sauc par konstruktīvo interferenci. Ja viena viļņa maksimums sakrīt ar otra ieplaku, tie viens otru daļēji vai pilnībā atceļ — to sauc par destruktīvo interferenci.

Matemātiski, ja diviem viļņiem ir amplitūdas A1 un A2 un relatīvā fāze φ, tad rezultējošā amplitūda ir: A_res = A1 + A2 e^{iφ}, un intensitāte I ir proporcionāla |A_res|^2. Praktiski, diviem vienāda lieluma viļņiem:

• φ = 0 (fāzes sakritība) → konstruktīva interferenca, rezultējošā intensitāte var būt līdz 4A^2;
• φ = π (180° nobīde) → destruktīva interferenca, viļņi var pilnīgi iznīcināt viens otru (I = 0).

Nosacījumi attiecībā uz ceļa garumu un viļņa garumu

Interferencei būtiska ir ceļa starpības Δ un viļņa garums λ:

• konstruktīvai interferencesi: Δ = mλ (m — vesels skaitlis);
• destruktīvai interferencesi: Δ = (m + 1/2)λ.

Šie nosacījumi ir pamats daudzām interferenci raksturojošām parādībām, piemēram, svītru (frinžu) veidošanai Junga eksperimentā vai krāsainām plēvēm uz eļļas traipiem.

Praktiski piemēri un pielietojumi

• Gaisma: interferometrija (piem., Mahela, Michelsona ietvari) izmanto fāzes nobīdes mērīšanai, attālumu precizitātei un spektrālu analīzi.
• Trokšņu slāpēšana: aktīvā trokšņu slāpēšana izmanto destruktīvu interferences principu — skaņas vilnis tiek radīts ar pretēju fāzi, lai samazinātu dzirdamo trokšņu līmeni.
• Plēves un pārklājumi: plānās plēves (piem., pretatstarojoši pārklājumi uz brillēm vai objektīviem) izmanto interferenci, lai pastiprinātu vai samazinātu atstaroto gaismu noteiktos viļņu garumos.
• Stāvošie viļņi: ja viļņi no pretējiem virzieniem interferē, rodas stāvošās viļņu joslas ar mezgliem (nulles amplitūda) un vērtībpunktiem (maksimālā amplitūda).

Kohērentums un realitātes ierobežojumi

Interference parādās skaidri tikai tad, ja viļņi ir koherentīvi — tiem ir stabila fāzes attiecība ilgākā laikā. Monohromatiski (vienkrāsu) un labi koordinēti (sinhronizēti) avoti dod skaidrākas un noturīgākas interferences parādības. Ja avoti ir neregulāri vai plaša spektra, interferences frinžas izplūst vai pazūd.

Ilustrācija ar analogiju

Vienkārša ikdienišķa analoģija: ja divi cilvēki stumj automašīnu vienā virzienā, rezultāts ir labāks nekā viena cilvēka pūle — tā ir pozitīva iejaukšanās (konstruktīva). Ja divi cilvēki ar vienādu spēku stumj automašīnu no pretējiem virzieniem, automašīna nevirzās — tā ir negatīva iejaukšanās (destruktīva). Šī salīdzinājuma robežās jāatceras, ka viļņu gadījumā saskaitās ietekmes (amplitūdas), nevis tikai spēki.

Kopsavilkums

Interference ir universāls viļņu fenomens, kas rodas superpozīcijas dēļ un var gan pastiprināt, gan samazināt viļņu efektu. Saprašana par fāzi, ceļa starpību un koherenci ļauj paredzēt un izmantot interferences slutības daudzās tehnoloģijās — no optikas un akustikas līdz precīzām mērierīcēm.

Konstruktīvie traucējumi

Konstruktīvā interference notiek, ja divi vai vairāki viļņi atrodas vienā telpā un fāzē. Šādā gadījumā viļņu amplitūdas summējas, un kopsumma ir lielāka nekā jebkura viļņa amplitūda atsevišķi. Tādējādi viļņi šķiet intensīvāki.

Laikā = 0 viena viļņa virsotne virzās no kreisās puses, bet otra - no labās puses.
Laikā = 1 abas viļņu virsotnes satiekas vidū.
Laikā = 2 abi viļņi turpina virzīties uz priekšu un atkal parādās sākotnējā augstumā.

Destruktīvi traucējumi : Kad viena viļņa augšdaļa satiekas ar cita viļņa apakšdaļu (apakšdaļu) pa vidu, ūdens paliek līdzens.


Konstruktīva iejaukšanās : Kad divu viļņu virsotnes satiekas pa vidu, rodas lielāks vilnis.

Fizikas jautājumi

Šeit ir diagramma, kas attēlo, kā rodas dažu veidu gaismas traucējumi. Attālums starp augšējo stikla gabalu un apakšējo stikla gabalu kļūst lielāks pie ārējām malām.

Vienkāršāka uzstādīšana būtu, ja divi plakani stikla gabali saskaras gar vienu malu un starp to abām virsmām ir šaurs leņķis. Ja attālums starp pirmā stikla gabala augšējo virsmu un otrā stikla gabala augšējo virsmu kādā brīdī ir tāds, ka no katra no tiem atstarotie gaismas stari ir sinhronizēti jeb fāzē, tad atstarotā gaisma būs spilgta, bet, ja abi stari ir puscikla atšķirībā no fāzes, tad šajā brīdī abi stari viens otru iznīcinās un atstarotā gaisma nebūs spilgta.

Izliekts stikla gabals virs plakana stikla gabala


Divi plakani stikla gabali, kas savā starpā veido šauru leņķi

Jautājumi un atbildes

J: Kas fizikā ir interference?

J: Vai viens vilnis var interferēt pats ar sevi?

J: Ja divi viļņi atrodas vienā telpā, vai tie vienmēr interferē?

J: Kas ir pozitīvā interference?

J: Kā definē negatīvo interferenci?

J: Vai varat minēt pozitīvās interferences piemēru?

J: Kāds ir negatīvās iejaukšanās piemērs?

Meklēt pēc burta