Метод векторных диаграмм

Световая волна распространяется прямолинейно. Фазы колебаний, возбуждаемые соседними зонами, отличаются на π. Поэтому в качестве допустимого приближения можно считать, что амплитуда колебания от некоторой m -й зоны равна среднему арифметическому от амплитуд примыкающих к ней зон, т.е.

.

Тогда выражение (9.2.1) можно записать в виде

Так как площади соседних зон одинаковы, то выражения в скобках равны нулю, значит результирующая амплитуда.

Интенсивность излучения.

Таким образом, результирующая амплитуда, создаваемая в некоторой точке M всей сферической поверхностью, равна половине амплитуды, создаваемой одной лишь центральной зоной, а интенсивность.

Так как радиус центральной зоны мал (), следовательно, можно считать, что свет от точки P до точки M распространяется прямолинейно.

Если на пути волны поставить непрозрачный экран с отверстием, оставляющим открытой только центральную зону Френеля, то амплитуда в точке M будет равна. Соответственно, интенсивность в точке M будет в 4 раза больше, чем при отсутствии экрана (т.к.). Интенсивность света увеличивается, если закрыть все четные зоны.

Таким образом, принцип Гюйгенса–Френеля позволяет объяснить прямолинейное распространение света в однородной среде.

Правомерность деления волнового фронта на зоны Френеля подтверждена экспериментально. Для этого используются зонные пластинки – система чередующихся прозрачных и непрозрачных колец.

Опыт подтверждает, что с помощью зонных пластинок можно увеличить освещенность в точке М, подобно собирающей линзе.

47.

. Первое уравнение Максвелла представляет собой закон Гаусса (да, того самого Карла Гаусса, чьё имя носит колоколообразное распределение случайных величин; в те времена можно было быть и выдающимся математиком и выдающимся физиком одновременно) для электрических полей. Максвелл записал его в дифференциальной форме. В современной записи оно выглядит так (не пугайтесь математики, и не бросайте чтение хотя бы еще несколько абзацев):

∇· E = ρ/ε_o

где:

E – векторное электрическое поле (здесь и далее жирным шрифтом выделены векторные величины, а курсивом - скалярные);

∇· – значок оператора дивергенции (потока);

ρ – суммарный заряд;

ε _o – диэлектрическая постоянная вакуума.

Первое уравнение говорит об очевидной вещи…

Но перед тем как ее озвучить, давайте разберемся, что такое дивергенция векторной величины. Вы видели водопроводный кран? Ну, тогда вы хорошо знаете, что такое дивергенция. В переводе с латинского это извержение наружу. Иначе говоря, поток. Для водопроводного крана это поток вытекающей воды, который тем больше, чем больше диаметр трубы и напор воды в ней. Если дивергенция больше нуля, то точка является источником, если меньше – стоком. Теперь вы знаете половину нужной векторной математики.

…Но вернемся к первому уравнению Максвелла (оно же – закон Гаусса). Оно говорит том, что поток электрического поля Е через любую замкнутую поверхность зависит от суммарного электрического заряда внутри этой поверхности. Иначе говоря, если из замкнутого бассейна вытекает воды больше, чем в него втекает (то есть суммарный поток из бассейна получается больше нуля), то ясно, что внутри бассейна прячется труба – источник этой самой воды (иначе бы она быстро кончилась).

С электрическим полем то же самое: если есть электрический заряд (труба-источник воды в бассейне), то поле от него будет вытекать наружу во все стороны (вода будет выливаться через края).

48.

Сферический конденсатор состоит из двух концентрических полых сфер. Если расстояние между сферами ∆r очень мало, так что площадь обеих сферических поверхностей практически одинакова, то можно пользоваться выражением для емкости плоского конденсатора. Полагая S = 4πr² см. площадь сферы, получаем:

При большем расстоянии между поверхностями нужно учитывать различие площадей сфер.

Если

то

49.

Геометри́ческая о́птика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

Краеугольным приближением геометрической оптики является понятие светового луча. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света.

В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место интерференция, в результате которой ограниченный пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение т.е имеет место дифракция. Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

В основе геометрической оптики лежат несколько простых эмпирических законов:

1. Закон прямолинейного распространения света
2. Закон независимого распространения лучей
3. Закон отражения света
4. Закон преломления света (Закон Снеллиуса, или Снелла)
5. Закон обратимости светового луча. Согласно ему, луч света, распространившийся по определённой траектории в одном направлении, повторит свой ход в точности при распространении и в обратном направлении.

Поскольку геометрическая оптика не учитывает волновой природы света, в ней действует постулат, согласно которому если в какой-то точке сходятся две (или большее количество) систем лучей, то освещённости, создаваемые ими, складываются.

Однако наиболее последовательным является вывод законов геометрической оптики из волновой оптики в эйкональном приближении. В этом случае, основным уравнением геометрической оптики становится уравнение эйконала, которое допускает также словесную интерпретацию в виде принципа Ферма, из которого и выводятся перечисленные выше законы.

Частным видом геометрической оптики является матричная оптика.

50.

Звуковые колебания частиц упругой среды имеют сложный характер и могут быть представлены в виде функции времени a = a(t) (рис 3.1, а).

Рис.3.1. Колебания частиц воздуха.

Простейший процесс описывается синусоидой (рис. 3.1, б)

,

где a_max - амплитуда колебаний; w = 2p f - угловая частота; f - частота колебаний.

Гармонические колебания с амплитудой a_max и частотой f называются тоном.

Сложные колебания характеризуются эффективным значением на временном периоде Т

.

Для синусоидального процесса справедливо соотношение

.

Для кривых другой формы отношение эффективного значения к максимальному составляет от 0 до 1.

В зависимости от способа возбуждения колебаний различают:

· плоскую звуковую волну, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;

· цилиндрическую звуковую волну, создаваемую радиально колеблющейся боковой поверхностью цилиндра;

· сферическую звуковую волну, создаваемую точечным источником колебаний типа пульсирующий шар.

Основными параметрами, характеризующими звуковую волну, являются:

· звуковое давление p _зв, Па;

· интенсивность звука I, Вт/м².

· длина звуковой волны l, м;

· скорость распространения волны с, м/с;

· частота колебаний f, Гц.

Если в сплошной среде возбудить колебания, то они расходятся во все стороны. Наглядным примером являются колебания волн на воде. При этом следует различать скорость распространения механических колебаний u (в нашем случае видимые поперечные колебания воды) и скорость распространения возмущающего действия с (продольные акустические колебания).

С физической точки зрения распространение колебаний состоит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой. Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует определенной затраты времени, в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом, колебания распространяются с определенной скоростью. Скорость распространения звуковой волны с - это физическое свойство среды.

Длина волны l равна длине пути, проходимого звуковой волной за один период Т:

где с - скорость звука, Т = 1 /f.

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в областях разрежения понижается. Разность между давлением, существующем в возмущенной среде p _ср в данный момент, и атмосферным давлением p _атм, называется звуковым давлением (рис.3.3). В акустике этот параметр является основным, через который определяются все остальные.

p _зв = p _ср - p _атм. (3.1)

Рис.3.3. Звуковое давление

Среда, в которой распространяется звук, обладает удельным акустическим сопротивлением z_A, которое измеряется в Па*с/м (или в кг/(м²*с) и представляет собой отношение звукового давления p _зв к колебательной скорости частиц среды u

z_A = p _зв /u = r*с, (3.2)

где с - скорость звука, м; r - плотность среды, кг/м³.

Для различных сред значения z_A различны.

Звуковая волна является носителем энергии в направлении своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через сечение площадью 1 м², перпендикулярное направлению движения, называется интенсивностью звука. Интенсивность звука определяется отношением звукового давления к акустическому сопротивлению среды Вт/м²:

(3.3)

Для сферической волны от источника звука с мощностью W, Вт интенсивность звука на поверхности сферы радиуса r равна

I = W / (4 p r ²),

то есть интенсивность сферической волны убывает с увеличением расстояния от источника звука. В случае плоской волны интенсивность звука не зависит от расстояния.

51.

Затухающие колебания — колебания, энергия которых уменьшается с течением времени. Бесконечно длящийся процесс вида в природе невозможен. Свободные колебания любого осциллятора рано или поздно затухают и прекращаются. Поэтому на практике обычно имеют дело с затухающими колебаниями. Они характеризуются тем, что амплитуда колебаний A является убывающей функцией. Обычно затухание происходит под действием сил сопротивления среды, наиболее часто выражаемых линейной зависимостью от скорости колебаний или её квадрата.

В акустике: затухание — уменьшение уровня сигнала до полной неслышимости.

Затухающие колебания пружинного маятника[править | править исходный текст]

Модель пружинного маятника. B — демпфер. F — внешняя сила (в примере не присутствует).

Пусть имеется система, состоящая из пружины (подчиняющейся закону Гука), один конец которой жёстко закреплён, а на другом находится тело массой m. Колебания совершаются в среде, где сила сопротивления пропорциональна скорости с коэффициентом c (см. вязкое трение).

Тогда второй закон Ньютона для рассматриваемой системы запишется так:

где — сила сопротивления, — сила упругости

, , то есть

или в дифференциальной форме

где k — коэффициент упругости в законе Гука, c — коэффициент сопротивления, устанавливающий соотношение между скоростью движения грузика и возникающей при этом силой сопротивления.

Для упрощения вводятся следующие обозначения:

Величину называют собственной частотой системы, — коэффициентом затухания.

Тогда дифференциальное уравнение принимает вид

Сделав замену , получают характеристическое уравнение

Корни которого вычисляются по следующей формуле

Решения[править | править исходный текст]

Зависимость графиков колебаний от значения .

В зависимости от величины коэффициента затухания решение разделяется на три возможных варианта.

• Апериодичность

Если , то имеется два действительных корня, и решение дифференциального уравнения принимает вид:

В этом случае колебания с самого начала экспоненциально затухают.

• Граница апериодичности

Если , два действительных корня совпадают , и решением уравнения является:

В данном случае может иметь место вре́менный рост, но потом — экспоненциальное затухание.

• Слабое затухание

Если , то решением характеристического уравнения являются два комплексно сопряжённых корня

Тогда решением исходного дифференциального уравнения является

Где — собственная частота затухающих колебаний.

Константы и в каждом из случаев определяются из начальных условий:

52.