Interferencija fizikoje: apibrėžimas, konstruktyvi ir destruktyvi

Fizikoje interferencija yra banginių funkcijų poveikis. Viena banga gali interferuoti pati su savimi, tačiau tai vis tiek yra dviejų arba daugiau bangų sudėtis (žr. Youngo plyšių eksperimentą). Dvi ar daugiau bangų visuomet gali interferuoti, net jei sudėties rezultatas yra sudėtingas arba mažai pastebimas.

Ką reiškia interferencija?

Interferencija – tai dviejų ar daugiau bangų susidūrimas toje pačioje erdvėje ir laike, kai jų amplitudės sudedamos pagal superpozicijos principą. Kai bangų viršūnė sutampa su kitos viršūne, susidaro didesnė banga; kai viršūnė sutampa su įduba, poveikiai gali vienas kitą anuliuoti. Tokiu būdu skiriamos dvi pagrindinės rūšys:

• Konstruktyvi (teigiama) interferencija – kai bangos susijungia taip, kad rezultuojanti amplitudė didesnė nei atskirų bangų amplitudės; dažnai atsiranda, kai fazių skirtumas yra lygus 2πn (n – sveikas skaičius).
• Destruktyvi (neigiama) interferencija – kai bangos viena kitos poveikį mažina arba visiškai anuliuoja; dažnai atsiranda, kai fazių skirtumas yra (2n+1)π.

Kada interferencija įvyksta?

Interferencijai būtinos kelios sąlygos:

• Atskirų šaltinių bangos turi persidengti erdvėje ir laike.
• Šaltiniai turi būti pakankamai koherentiški (t. y. turėti pastovų fazių santykį) arba turi būti palankios sąlygos, kad jų fazių santykis būtų apibrėžtas per laiko tarpą, per kurį stebima interferencija. Skiriami laiko (temporal) ir erdvinio (spatial) koherentiškumo aspektai.
• Bangos dažniai ir poliarizacija taip pat turi būti suderinami, kad būtų pastebima aiški interferencija.

Trumpa matematika (pagrindinė idėja)

Jeigu turime dvi sinusoidines bangas su amplitudėmis A1 ir A2 ir fazių skirtumu φ, jų rezultatas amplitudei (A) paprastai skaičiuojamas pagal vektorinę (fazorinę) sudėtį. Intensyvumas I yra proporcingas amplitudės kvadratui: I ∝ A². Dėl to dvi vienodo dydžio ir faziškai sutampančios bangos (A1 = A2 = A) duoda keturgubą intensyvumą (I ∝ (2A)² = 4A²), o tos pačios bangos visiškai priešfaziškai duoda nulį (I = 0).

Praktiniai sąlyginiai išvestiniai formulėmis: konstruktyvi interferencija, kai φ = 2πn; destruktyvi, kai φ = (2n+1)π.

Pavyzdžiai ir taikymai

• Youngo plyšių eksperimentas – paplitęs pavyzdys, rodantis šviesos interferencines juostas, kurių tarpai priklauso nuo bangos ilgio λ, atstumo iki ekrano D ir plyšių atstumo d; juostų tarpo apytikslė formulė y = λD / d.
• Stovinčios bangos – skaitomos kaip interferencijos rezultatas, kai priešingos krypties vienodo dažnio bangos sudaro stacionarias sritis (mazgus ir antinodus).
• Plonų sluoksnių interferencija – spalvoti raštai ant muilo burbulų arba alyvos plėvelės vandens paviršiuje atsiranda dėl įvairių sluoksnio storio ir šviesos atspindžių fazių skirtumų; tai naudojama ir antirefleksinėse dangose, kur destruktyviai interferuoja atspindėta šviesa ir mažina atspindį.
• Garso interferencija – garso bangos gali sustiprinti arba panaikinti viena kitą; tai svarbu akustikoje, triukšmo slopinime (pavyzdžiui, triukšmo aktyvus išjungimas) ir muzikos instrumentų rezonanso supratimui.

Vizualiai pastebimi efektai ir kontrastas

Realiame gyvenime dažnai matomas ne pilnas anuliavimas arba pilnas sustiprinimas, o tarpiniai variantai. Interferencijos kontrastą apibrėžia matuojamasis rodiklis „matomumas“ (visibility): V = (Imax − Imin) / (Imax + Imin). Jei šaltiniai nėra visiškai koherentiški arba turi skirtingas amplitudes, V sumažėja ir juostos tampa blankesnės.

Kas toliau — praktinis pavyzdys su automobiliu

Norint paprastai iliustruoti idėją, galima palyginti su dviem žmonėmis, stumiančiais automobilį. Jei du žmonės stumia automobilį ta pačia kryptimi, jie stumdys jį geriau nei vienas iš jų — tai būtų analogija konstruktyviai interferencijai. Jei du vienodos jėgos žmonės stumtų automobilį priešingomis kryptimis, automobilis nejudėtų — tai iliustruotų destruktyvią interferenciją (poveikiai vienas kitą anuliuoja).

Santrauka

Interferencija yra pagrindinis banginės fizikos reiškinys, paaiškinantis daugelį optinių, akustinių ir mechaninių efektų. Jos principai — superpozicija, fazių skirtumas ir koherentiškumas — yra naudojami įvairiose technologijose: nuo lazerių ir optinių prietaisų iki triukšmo kontrolės ir paviršių dangų kūrimo.

Konstruktyvūs trukdžiai

Konstruktyvioji interferencija vyksta tada, kai dvi ar daugiau bangų yra toje pačioje erdvėje ir fazėje. Tokiu atveju bangų amplitudės sumuojasi, o bendra suma yra didesnė už bet kurios atskiros bangos amplitudę. Dėl to bangos atrodo intensyvesnės.

Laiko momentu = 0 viena bangos viršūnė juda iš kairės, o kita - iš dešinės.
Laikui esant = 1, abi bangų viršūnės susitinka viduryje.
Laike = 2 abi bangos toliau juda į priekį ir vėl pasirodo pradiniame aukštyje.

Destrukciniai trukdžiai : Kai vienos bangos viršūnė susitinka su kitos bangos apačia, vanduo lieka lygus.


Konstruktyvus kišimasis : Kai dviejų bangų viršūnės susitinka viduryje, susidaro aukštesnė banga.

Fizikos klausimai

Čia pateikiama schema, kurioje pavaizduota, kaip atsiranda kai kurių rūšių šviesos trukdžiai. Atstumas tarp viršutinio stiklo gabalėlio ir apatinio gabalėlio didėja ties išoriniais kraštais.

Paprastesnė konfigūracija būtų, jei du plokšti stiklo gabalai liestųsi viena briauna, o tarp jų dviejų paviršių būtų siauras kampas. Jei atstumas tarp pirmojo stiklo gabalo viršutinio paviršiaus ir antrojo stiklo gabalo viršutinio paviršiaus tam tikru momentu yra toks, kad šviesos spinduliai, atsispindėję nuo abiejų stiklo gabalų, yra sinchronizuoti arba atitinka fazę, tada atsispindėjusi šviesa bus ryški, bet jei abu spinduliai yra pusę ciklo nefazėje, tada tuo momentu abu spinduliai vienas kitą panaikins ir atsispindėjusi šviesa nebus ryški.

Išlenktas stiklo gabalas virš plokščio stiklo gabalo


Du plokšti stiklo gabalai, sudarantys tarpusavyje siaurą kampą

Klausimai ir atsakymai

K: Kas fizikoje yra interferencija?

K: Ar gali viena banga interferuoti pati su savimi?

K: Ar visada, kai dvi bangos yra toje pačioje erdvėje, jos interferuoja?

K: Kas yra teigiama interferencija?

K: Kaip apibrėžiama neigiama interferencija?

K: Ar galite pateikti teigiamos interferencijos pavyzdį?

K: Koks yra neigiamo trukdymo pavyzdys?

Paieška pagal raidę