Wstęp teoretyczny 74

Ruchem falowym nazywamy rozchodzenie się zaburzeń równowagi ośrodka sprężystego. Ze wzgl. Na kształt fal wyróżniamy: koliste, kuliste, płaskie.
Wielkości charakteryzujące fale: amplituda fali ( jest to max Wychylenie cząstki z położenia równowagi) długość fali (odległość pomiędzy najbliższymi pkt drgającymi w tej samej fazie) prędkość rozchodzenia się fali (jest to odległość jaką fala przebędzie w ciągu 1 okresu)
Czołem fali nazywamy zbiór pkt do których w danej chwili dociera impuls falowy)
Ze względu na kierunek wykonywanych przez cząstkę drgań wyróżniamy nast. fale: poprzeczną (kierunek drgań jest prostopadły do kierunku rozchodzenia się zaburzenia) podłużną (kierunek drgań jest równy do kierunku rozchodzenia się zaburzenia)
Zasada Huygensa każdy pkt ośrodka pobudzony do drgań staje się źródłem nowej fali

Prędkość fali to odległość ∆x na jaką przemieściła się fala w czasie ∆t, w granicy prędkość obliczamy z pochodnej
.

Wyrażamy ją również wzorami

Prędkość fali zależy od ośrodka w jakim się rozchodzi.

Fala elektromagnetyczna rozchodzi się najlepiej i najszybciej w próżni (prędkość w próżni wynosi 299792km/s). W ośrodkach materialnych prędkość fali elektromagnetycznej jest zawsze mniejsza i zależna od rodzaju ośrodka oraz od częstotliwości fali. W ośrodkach materialnych część energii fali jest tracona i ulega zamianie na energię wewnętrzną ciała. Zjawisko to nosi nazwę absorpcji lub pochłaniania światła. Na skutek absorpcji fala ulega stopniowemu osłabianiu, a stopień osłabienia zależy od własności ośrodka, grubości warstwy, przez którą przechodzi fala oraz od częstotliwości fali.

Do fal elektromagnetycznych zaliczamy światło widzialne i nadfioletowe, fale radiowe i telewizyjne, mikrofale, promieniowanie rentgenowskie oraz fale radarowe. Nie potrzebują żadnego ośrodka materialnego, aby mogły się rozchodzić.

Fale elektromagnetyczne są to zaburzenia pola elektromagnetycznego, rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c m/s. Własności, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują w zupełności równania falowe wynikające z równań Maxwella. Istotny wpływ na takie własności fal elektromagnetycznych, jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja, natężenie, ma ośrodek, w którym się rozchodzą fale elektromagnetyczne. W realnych ośrodkach występuje dyspresja fal elektromagnetycznych, tzn. zależność prędkości ich rozchodzenia się od częstotliwości fali. Charakterystyczne dla fal elektromagnetycznych są zjawiska interferencji, dyfrakcji, załamania, oraz całkowitego wewnętrznego odbicia. Charakterystyka przestrzenno- czasowa dla fal elektromagnetycznych jest określana zarówno przez własności ośrodka, w którym się one rozchodzą, jak przez własności źródła promieniowania.

Światło widzialne jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali zawartej w przedziale 380-780nm. Są to fale, które może wykrywać ludzkie oko. Wytwarzane jest przez lampy wyładowcze i każdą rozżarzoną substancję. Światło widzialne wywołuje wrażenie barwne, a światło białe jest mieszaniną świateł o różnej długości fal. Światło w próżni rozchodzi się z jednakową prędkością w każdym układzie odniesienia. Powoduje zmiany chemiczne, np.: na błonie fotograficznej.

Oscyloskop to urządzenie elektroniczne przeznaczone do obserwacji napięcia stałego i przemiennego, znajduje również zastosowanie przy pomiarze wartości prądu, częstotliwości, kąta fazowego i innych wielkości elektrycznych oraz nieelektrycznych dających się przetworzyć na napięcie. Głównym podzespołem oscyloskopu jest lampa oscyloskopowa.

1. grzejnik
2. katoda
3. cylinder Wehnelta
4. anoda pierwsza
5. anoda druga
6. płytki odchylania pionowego
7. płytki odchylania poziomego
8. ekran

Współczynnik załamania ośrodka jest miarą zmiany prędkości rozchodzenia się fali w danym ośrodku w stosunku do prędkości w innym ośrodku (pewnym ośrodku odniesienia). Dokładniej jest on równy stosunkowi prędkości fazowej fali w ośrodku odniesienia do prędkości fazowej fali w danym ośrodku

gdzie

- prędkość fali w ośrodku, w którym fala rozchodzi się na początku,

- prędkość fali w ośrodku, w którym rozchodzi się po załamaniu.

Współczynnik załamania, jak sugeruje nazwa, istotny jest w zjawisku załamania, gdy fala rozchodząca się w ośrodku odniesienia pada na granicę z danym ośrodkiem i dalej rozchodzi się w tym ośrodku. Współczynnik ten wiąże się bezpośrednio z kątem padania i kątem załamania. Związek ten wyraża prawo Snelliusa

gdzie

α - kąt padania promienia fali na granicę ośrodków (kąt między kierunkiem promienia a normalną do powierzchni granicznej ośrodków),

β - kąt załamania (kąt między kierunkiem r załamanego w danym ośrodku a normalną do powierzchni).

Wyznaczanie prędkości światła

Po raz pierwszy metodą laboratoryjną prędkość światła wyznaczona została w 1849 roku przez francuskiego fizyka A. Fizeau. W metodzie Fizeau promienie świetlne przechodzą przez szczeliny między zębami obracającego się koła zębatego. Następnie padają na zwierciadło umieszczone w odległości kilku kilometrów od koła. Po odbiciu się od zwierciadła światło powinno ponownie trafić na szczelinę między zębami koła. Jeśli koło obraca się powoli, promienie odbite od zwierciadła można zobaczyć. Przy zwiększaniu prędkości obrotowej światło powoli zanika. W jaki sposób można to wytłumaczyć? W tym samym czasie, w którym promień po przejściu przez szczelinę biegnie do zwierciadła i z powrotem, koło zdąży już obrócić się tak, że na miejscu szczeliny znajduje się teraz ząb i dlatego światła nie widzimy. Przy dalszym zwiększaniu prędkości obrotowej światło zaczynamy widzieć ponownie. Teraz, w tym samym czasie, w którym promienie biegną do zwierciadła i z powrotem, koło obraca się tak szybko, że na miejscu poprzedniej szczeliny pojawia się następna. Znając ten czas oraz odległość między kołem, a zwierciadłem, można wyznaczyć prędkość światła. W doświadczeniu Fizeau odległość wynosiła 8,6 kilometrów. Wyznaczona w tych warunkach wartość prędkości światła była równa c = 315 300 km/s.

Wirujące zwierciadła Foucaulta.
Przyrząd Foucaulta z wirującym zwierciadłem pochodzi z 1850 roku. Składa się on ze źródła S, półprzeźroczystego posrebrzanego zwierciadła M1, wirującego zwierciadła R oraz zwierciadła sferycznego M2. Wiązka biegnie ze źródła S do M2. Gdy zwierciadło R jest w spoczynku to wiązka światła biegnąca ze źródła S przez M1 i R do M2 wraca po odbiciu tą samą drogą do M1 i jest widziana w punkcie obserwacyjnym O. Jeśli zwierciadło R wiruje, to światło biegnące ze źródła S przez R do M2, po odbiciu od M2 powraca do wirującego zwierciadła, gdy jest ono już w nowym położeniu R'. Obserwator O widzi na płytce M1 obraz przesunięty. Foucault wyznaczył prędkość światła znając długość L, przesunięcie obrazu i prędkość kątową wirującego zwierciadła. Najlepsza wartość prędkości światła w powietrzu, uzyskaną przez Foucaulta w 1862 roku wynosiła: c = 289 000±500 km/s.

---