Podstawowe wiadomości o
falach
Fala jest to
zaburzenie równowagi powstające w ośrodku sprężystym, które
się
rozchodzi na inne cząsteczki przekazując im energię.
Zaburzenie jest to wytrącenie
pewnego miejsca przestrzeni z położenia równowagi.
W sytuacji, gdy w ośrodku
rozchodzi się pojedyncze odkształcenie, nosi ono nazwę impulsu
falowego.
- faza początkowa - początkowe
odchylenie od stanu równowagi.
Powierzchnia falowa -
powierzchnia zawierająca wszystkie cząsteczki drgające w tej
samej fazie.
Czoło fali - najdalej od
źródła fali wysunięta powierzchnia falowa.
Rodzaje fal
ze względu na kierunek drgań
fale poprzeczne -
cząsteczki fali drgają prostopadle do kierunku
rozchodzenia się falifale podłużne -
cząsteczki fali drgają równolegle do kierunku
rozchodzenia się fali
ze względu na kierunki
rozchodzenia się fali
płaska - zaburzenie
rozchodzi się w jednym kierunkukolista - zaburzenie
rozchodzi się po płaszczyźniekulista - zaburzenie
rozchodzi się w przestrzeni
Fala harmoniczna
Fala harmoniczna (sinusoidalna)
to fala, w której drgania rozchodzą się sinusoidalnie w
czasie.
Prędkość fali możemy
określić wzorem
- długość fali - odległość między
dwoma najbliższymi punktami, które są zgodne w fazie
T - okres - czas, po
którym cząsteczka drgająca wykona jedno pełne drganie
f - częstotliwość -
ilość pełnych drgań cząsteczki w jednostce czasu
Oprócz tych wielkości
prędkość fali zależy od rodzaju ośrodka, w jakim fala się
rozchodzi.
Zasada Huygensa
Każdy punkt ośrodka, do
którego dociera fala, staje się źródłem nowej fali kulistej.
Prawo odbicia
Każda fala rozchodząca się w
ośrodku po dotarciu do przeszkody (innego ośrodka) może ulec
odbiciu.
Kąt padania równa się kątowi
odbicia, przy czym wszystkie trzy promienie (promień padania,
normalna i promień odbicia) leżą w jednej płaszczyźnie.
Prawo załamania
Fala, dochodząc do innego
ośrodka, nie tylko może się odbić od granicy ośrodków;
może również wniknąć do ośrodka i wtedy ulega załamaniu.
Sinus kąta padania do sinusa
kąta załamania jest równy stosunkowi prędkości V1
rozchodzenia się fali w
ośrodku pierwszym do prędkości V2 rozchodzenia się fali w ośrodku drugim.
Wszystkie trzy promienie leżą w jednej płaszczyźnie.
(prawo Snelliusa)
współczynnik załamania ośrodka
drugiego względem pierwszego
załamanie
do normalnej
załamanie
od normalnej
Załamanie zachodzi przy
przejściu z ośrodka o mniejszej gęstości do ośrodka
o większej gęstości.
Załamanie zachodzi przy
przejściu z ośrodka o większej gęstości do ośrodka
o mniejszej gęstości.
Kąt graniczny
Jest to taki kąt padania, dla
którego kąt załamania równa się 900. Jest to przykład załamania od normalnej.
Dyfrakcja fali
Zjawisko dyfrakcji jest to
ugięcie się fali przy przejściu przez przeszkodę. Zjawisko
dyfrakcji jest szczególnie widoczne,
gdy rozmiary przeszkody są porównywalne z długością fali.
Przykładem takiego ugięcia może być ugięcie fali płaskiej i
utworzenie fali kolistej.
Interferencja fali
Interferencja to zjawisko
nakładania się dwóch lub więcej fal. Zjawisko interferencji
zachodzi w przypadku nakładania się fal spójnych. W wyniku
interferencji może dojść do wzmocnienia fali lub jej
wygaszenia.
Maksymalne wzmocnienie
otrzymujemy w przypadku, gdy różnica dróg równa jest
całkowitej wielokrotności długości fali.
Maksymalne wygaszenie dwóch fal
jest obserwowane w przypadku, w którym różnica dróg równa
jest nieparzystej wielokrotności połówki długości fali.
Fala stojąca
Fala stojąca powstaje przez
nałożenie się na siebie dwóch fal o tych samych amplitudach,
częstotliwościach i prędkościach, ale rozchodzących się w
przeciwnych kierunkach.
Przykładem fali stojącej może
być np. interferowanie fali padającej i odbitej od przeszkody.
Polaryzacja fali
Polaryzacja fali to zjawisko
polegające na uporządkowaniu drgań falowych do jednej
płaszczyzny. Takie uporządkowanie uzyskujemy przepuszczając
falę przez polaryzator. Gdy falę spolaryzowaną przepuścimy
przez drugi polaryzator, ale ustawiony poprzecznie
(analizator) uzyskamy wygaszenie fali.
Kąt Brewstera
Jeżeli promień odbity tworzy z
promieniem załamanym kąt 900, to promień odbity jest promieniem
całkowicie spolaryzowanym (przypadek szczególny występujący
np. dla światła).