Волновая концепция в естествознании.

            Волны звука, на воде, механические колебания, колебания струны, колебания в земной коре, электромагнитные волны.

            Основные свойства волн:

1. Все волны обладают конечной скоростью. Скорость распространения волн зависит от среды.
   • Скорость света в вакууме – 300000 км/с
   • Звук при 0°С, Р=1 атм – 330 м/с
2. Все виды волн обладают импульсом.
3. Движение волн подчиняется принципу суперпозиции.
4. Все волны переносят энергию.

            Любая колеблющаяся система, независимо от её физической природы, называется осциллятор.

• Существуют колебания с постоянной амплитудой – незатухающие.
• С точки зрения кинематики бывают периодические и непериодические колебания.
• По способу возбуждения бывают собственные и вынужденные.
• По направлению распространения – продольные и поперечные.

            Продольные – сжатие и растяжение пружины, забивание гвоздя, распространение звука, кроме распространения в твердых телах. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания от 16 до 20000 Гц.

            Поперечные волны – частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Например, колебание струны, в твердых телах даже звук распространяется поперечно (все волны в твердых телах поперечны), электромагнитные волны.

            В природе встречаются плоские и трехмерные волны. Звуковые волны являются трехмерными, электромагнитные – плоскими.

            Когда плоская волна попадает на препятствие, она преломляется – это явление дифракции.

Ф Гримальди (1665) впервые описал дифракцию.

Т. Гук и Х. Гюйгенс, XVII век – придерживались теории эфира.

Одна из работ Гюйгенса – «Трактат о свете».

            Принцип Гюйгенса: Каждая точка среды, до которой доходит волна, является в свою очередь центром одной из элементарных вторичных волн, огибающая которых становится волновой поверхностью в следующий момент времени.

            Гюйгенс доказал, что дифракция проявляется, если длина (диаметр) препятствия меньше или равен длине волны.

            Идеи Гюйгенса были доработаны Френелем, он же дошёл до открытия интерференции. Интерференция – сложение двух или более волн одинакового периода, которые сходятся в одной точке. При наложении амплитуд может давать интерференционные максимумы и минимумы. Главным условием интерференции является когерентность волн (фиксированная разность фаз и одинаковая частота). Для наблюдения интерференции света требуется наличие двух волн от одного источника, но с геометрической разностью хода.

            Явление интерференции наблюдается как для продольных, так и для поперечных волн любого типа.

            Один из способов наблюдения – дифракционная решетка – решетка с 2000 штрихов на 1 мм. Даёт очень высокую разрешающую способность и используется для спектрографов. В сейсмологии при помощи дифракционной решетки улавливают смещение до 10-6 м. Интерференция применяется в просветленной оптике для уменьшения бликов и потерь энергии. В современных перископах сейчас проходит до 85-90% световых волн, раньше это число не превышало 30%.

            Голография – голос (олос) (греч.) – полно, целиком.

            Создана Габором в 1947-м году.

            Дополнение от автора конспекта:

            Голография - особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные. Такая фотографическая запись называется голограммой. При освещении лазером голограмма формирует изображение, которое представляет собой точную копию исходного трехмерного объекта и обнаруживает все свойства таких объектов, например изменение перспективы при перемещении наблюдателя. Метод голографии, применяемый в основном для регистрации информации, которую несет свет, отражающийся от некоего объекта или проходящий сквозь него, пригоден отнюдь не только для видимого света. Теоретически этот метод приложим ко всем другим волновым явлениям – звуковым волнам, сверхвысокочастотному, инфракрасному, рентгеновскому и электронному излучению. Этим и объясняется тот интерес, который вызывает голография; однако из-за практических трудностей ее пока не удалось применить к электронам и в рентгеновской области спектра.

            Суть метода голографии. Пучок света, создаваемый лазером, отличается от света, испускаемого обычными источниками, например электролампой, в двух отношениях. Во-первых, он монохроматичен, т.е. характеризуется только одной длиной волны. Во-вторых, он когерентен, т.е. гребни и впадины каждой его волны согласуются с гребнями и впадинами каждой другой волны. Если рассматривать пучок света как последовательность волновых фронтов, лазерный луч представляет собой такой луч, в котором все точки волнового фронта согласованы по фазе.

            При взаимном наложении двух когерентных волновых фронтов (в месте пересечения двух когерентных пучков) происходит интерференция. На интерференции и основана голография.

            Обычно голограмма не обнаруживает никакого сходства с зарегистрированным объектом; это просто какой-то набор темных и светлых пятен, в которых не угадывается никакого смысла. Но, будучи интерференционной картиной, голограмма содержит информацию особого свойства: это запись не только амплитудных, но и фазовых характеристик волнового фронта, отразившегося от объекта. Если теперь объект удалить, а на голограмму направить опорный пучок (т.е. такой же пучок света, как и тот, которым она была записана), то она сформирует волновой фронт, несущий всю ту информацию, которую нес первоначальный волновой фронт. Таким образом, голограмма воссоздает волновые фронты, исходившие от объекта, хотя самого объекта в этом месте уже нет.

            Применение голографии. Основные особенности голографии, отличающие ее от фотографии, таковы:

1. это запись интерференционной картины, содержащая не только амплитудную, но и фазовую информацию, тогда как обычная фотография – это запись только интенсивностей света, не содержащая фазовой информации;
2. при регистрации голограммы нет необходимости в фокусировке, голограмма чаще всего не имеет сходства с объектом;
3. голограмма способна восстанавливать точную копию волнового фронта, идущего от объекта (если объект трехмерный, она восстанавливает трехмерное изображение);
4. изменяя угол между опорным пучком и волновым фронтом, идущим от объекта, можно на одном участке фотографической пластинки записать более одной голограммы;
5. в большинстве случаев для восстановления изображения достаточно любой малой части голограммы; если голограмма повреждена или частично уничтожена, она все равно восстановит изображение.