Warto przeczytać

Doświadczenie 1

Przygotuj prostopadłościenne, płytkie naczynie napełnione wodą. Na jego jednym końcu wytwórz płaską falę poprzez np. uderzenie w nie bokiem linijki. Zaobserwuj, co dzieje się z falą, gdy dotrze do przeciwległej ściany naczynia. Następnie spróbuj wytworzyć taką falę pod pewnym kątem do ściany. Jak zmienia się zachowanie fali, gdy dotrze do ściany?

Prawo odbicia

Jeśli weźmiemy piłkę do koszykówki i rzucimy nią o ścianę, odbije się ona od niej. Gdy zrobimy to pod kątem prostym do ściany, to piłka również odbije się pod kątem prostym. Rzucając piłkę pod innym kątem spowodujemy odbicie piłki pod tym innym kątem. Podobnie zachowują się fale – gdy trafiają na przeszkodę, wówczas odbijają się od niej.

To, pod jakim kątem odbije się fala, zależy od kąta, pod jakim uderzyła ona o przeszkodę. Kąt między kierunkiem biegu fali padającej a prostą prostopadłą do powierzchni przeszkody będziemy nazywali kątem padaniakąt padaniakątem padania. Ta prosta nosi nazwę normalnejnormalnanormalnej. Kąt padania został zaznaczony na rysunku Rys. 1a.

Kąt, pod jakim odbiła się fala, będziemy nazywać kątem odbiciakąt odbiciakątem odbicia. Znajduje się on pomiędzy normalną a kierunkiem rozchodzenia się fali odbitej. Został on zaznaczony na Rys. 1b.

Prawo odbicia mówi, że kąty padania i odbicia są sobie równe, co przedstawiono na rysunku Rys. 1c.

Rk4ZOAXJ5958W

Rys. 1. a. Na rysunku znajduje się linia pozioma, która symbolizuje powierzchnię odbijającą falę oraz druga linia pionowa - prostopadła do linii poziomej. Przy linii pionowej jest napis: „normalna”. W punkt przecięcia linii poziomej i pionowej celuje od góry ukośna strzałka skierowana w dół i w prawo. Przy strzałce jest napis: „kierunek biegu fali padającej”. Kąt między strzałką i normalną opisany jest słowami: „kąt padania”.
b. Na rysunku znajdują się takie same linie, jak na rysunku a: linia pozioma, czyli powierzchnia odbijająca oraz linia pionowa, czyli normalna. Z punktu przecięcia linii poziomej i pionowej wychodzi ukośna strzałka skierowana w górę i w prawo. Przy strzałce jest napis: „kierunek biegu fali odbitej”. Kąt między tą strzałką i normalną opisany jest słowami: „kąt odbicia”.
c. Na rysunku znajdują się takie same linie, jak na rysunku a: linia pozioma, czyli powierzchnia odbijająca oraz linia pionowa, czyli normalna. W punkt przecięcia linii poziomej i pionowej celuje od góry ukośna strzałka skierowana w dół i w prawo. Kąt między strzałką i normalną opisany jest grecką literą alfa. Z punktu przecięcia linii poziomej i pionowej wychodzi ukośna strzałka skierowana w górę i w prawo. Kąt między tą strzałką i normalną opisany jest grecką literą alfa.

Prawo załamania

Z pewnością kojarzysz sytuację, gdy ktoś próbuje wyciągnąć jakiś przedmiot spod wody, np. chłopiec złapać rybę pływającą pod jej powierzchnią. Nie jest to proste zadanie, ponieważ po kilku próbach okazuje się, że ryba nie znajduje się w miejscu, w którym chłopiec ją widzi – musi celować trochę niżej. Jest to przykład sytuacji, w której światło (czyli fala elektromagnetyczna) ulega załamaniuprawo załamaniazałamaniu na granicy dwóch ośrodków. Załamanie się fali polega na zmianie jej kierunku rozchodzenia się. Dzieje się tak, ponieważ podróżuje ona w nich z różnymi prędkościami.

W prawie załamania kąt padania jest zdefiniowany tak samo, jak w prawie odbicia. Kąt, jak tworzy kierunek rozchodzenia się fali załamanej z normalną (tutaj prostą prostopadłą do granicy ośrodków), nazywamy kątem załamania. Kąty te zostały odpowiednio oznaczone jako $\alpha$ i $\beta$ na Rys. 2.

R1aOWpW4kJoal

Rys. 2. Na rysunku znajduje się długa pozioma linia oznaczająca granicę ośrodków. Pośrodku linii poziomej narysowano linię prostopadłą do niej, zwaną normalną. W punkt przecięcia linii poziomej i normalnej od góry celuje strzałka skierowana ukośnie w dół i w prawo. Strzałka symbolizuje promień padający. Kąt między promieniem padającym i normalną oznaczono literą grecką alfa. Powyżej linii poziomej narysowano w równych odległościach pasy na przemian jasne i ciemne. Pasy te są prostopadłe do promienia padającego i symbolizują grzbiety i doliny fali padającej. Odległość między środkami ciemnych pasów, czyli długość fali w pierwszym ośrodku, zaznaczono odcinkiem zakończonym z obu stron strzałkami i oznaczonym literą grecką lambda z indeksem dolnym 1. Z punktu przecięcia linii poziomej i normalnej wychodzi strzałka skierowana ukośnie w dół i w prawo. Strzałka symbolizuje promień załamany. Kąt między promieniem załamanym i normalną oznaczono literą grecką beta. Kąt załamania beta jest mniejszy niż kąt padania alfa. Poniżej linii poziomej narysowano w równych odległościach pasy na przemian jasne i ciemne. Pasy te są prostopadłe do promienia załamanego i symbolizują grzbiety i doliny fali załamanej. Odległość między środkami ciemnych pasów, czyli długość fali w drugim ośrodku, zaznaczono odcinkiem zakończonym z obu stron strzałkami i oznaczonym literą grecką lambda z indeksem dolnym 2. Długość fali w drugim ośrodku lambda z indeksem dolnym 2 jest mniejsza niż długość fali w pierwszym ośrodku lambda z indeksem dolnym 1.

Na tym rysunku możemy również zaobserwować, że długość fali $\lambda$ podczas załamania ulega zmianie.

Wyrażenie łączące kąty padania i załamania ma postać

gdzie $v_1$ oraz $v_2$ są to prędkości fali w kolejnych ośrodkach.

Na skutek załamania częstotliwość fali pozostaje stała. Oznacza to, że zgodnie ze wzorem

który łączy długość, prędkość i częstotliwość fali, podczas załamania dochodzi do zmiany długości fali. Długość zmniejsza się, jeśli prędkość fali ulega zmniejszeniu. Jeśli prędkość rozchodzenia się fali wzrośnie, wzrośnie również długość fali.

Dyfrakcja fal

Na Rys. 3. przedstawiono płytę, którą oświetlono białym światłem.

R5ZrRCpfH2kKs

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia płytę CD, która mieni się barwami tęczy.

Pomimo świecenia białym światłem, płyta mieni się kolorami tęczy. Jest to wynik dyfrakcjidyfrakcja falidyfrakcji światła, czyli ugięcia się światła na małej przeszkodzie. W tym przypadku dyfrakcja nastąpiła na szczelinach płyty. Dyfrakcja jest zjawiskiem, którego nie można wyjaśnić na gruncie optyki geometrycznej, gdyż jej skutkiem jest pojawienie się fali w cieniu geometrycznymcień geometrycznycieniu geometrycznym. Dyfrakcja światła białego powoduje rozszczepienie światła, dlatego obserwując płytę pod różnymi kątami widzimy kolory tęczy. Do badania dyfrakcji światła najczęściej używa się siatki dyfrakcyjnej, która składa się z szeregu wąskich szczelin. Aby zaszło zjawisko dyfrakcji, przeszkoda, na którą pada światło, musi być rozmiarów długości fali.

Interferencja fal

Podczas występu chóru pomimo jednoczesnego śpiewu wielu osób jesteśmy w stanie łatwo zrozumieć słowa utworu. W szkole podczas przerwy rozmawia wiele osób, jednak nie jesteśmy w stanie zrozumieć słów, tworzą one razem szum. W obu tych przypadkach mamy do czynienia z interferencjąinterferencjainterferencją fal dźwiękowych, czyli ich nakładaniem się.

W chórze osoby śpiewają dźwięki, które są do siebie podobne, dlatego nie mamy problemu z ich zrozumieniem. W uproszczony sposób wzmocnienie dwóch identycznych fal, zielonej i niebieskiej, przedstawiono na Rys. 4. Taką interferencję nazywamy konstruktywną. Wynikiem nałożenia fal jest fala czerwona.

R1QZNlib7CqFW

Rys. 4. Na rysunku znajdują się dwie jednakowe fale, przedstawione w kształcie sinusoid. U góry jest fala w kolorze zielonym, u dołu w kolorze niebieskim. Grzbiety fali zielonej znajdują się w tych samych miejscach co grzbiety fali niebieskiej. Podobnie, doliny obu fal znajdują się w tych samych miejscach. Niżej narysowano falę czerwoną, powstałą w wyniku nałożenia się fali zielonej i niebieskiej. Grzbiety fali czerwonej są dwa razy wyższe niż fali zielonej i niebieskiej, co oznacza, że fale się wzmocniły.

Na przerwie rozmowy toczą się różnymi głosami, uczniowie wypowiadają różne słowa, dlatego jedynym obserwowanym skutkiem interferencji na korytarzu szkolnym jest zwiększenie głośności.

Szczególnym przypadkiem interferencji jest interferencja destruktywna. Ma ona miejsce, gdy dwie identyczne fale nakładają się na siebie, ale jedna z nich jest opóźniona o połowę długości fali. Wtedy następuje wygaszenie fal. Interferencję dwóch fal (zielonej i niebieskiej) spełniających taki warunek przedstawia Rys. 5. Wynikiem nałożenia fal jest ich wygaszenie (czerwona linia).

R1OvAAdDFQmVp

Rys. 5. Na rysunku znajdują się dwie jednakowe fale, przedstawione w kształcie sinusoid. U góry jest fala w kolorze zielonym, u dołu w kolorze niebieskim. Grzbiety fali zielonej znajdują się, w tych samych miejscach, co doliny fali niebieskiej. I odwrotnie, grzbiety fali niebieskiej odpowiadają dolinom fali zielonej. Niżej narysowano falę czerwoną powstałą w wyniku nałożenia się fali zielonej i niebieskiej. Przedstawiona jest jako pozioma linia prosta, co oznacza, że fale się wygasiły.

Najłatwiej taką interferencję zaobserwować dla światła. Przepuszczając światło lasera przez bardzo cienkie szczeliny, obserwuje się na przemian występujące wzmocnienia i wygaszenia fal. Wynik takiego doświadczenia przedstawia Rys. 6.

R16eGUFUgXr2P

Rys. 6. Ilustracja prezentuje obraz, jaki otrzymuje się po przepuszczeniu światła lasera przez bardzo cienkie szczeliny. Rysunek przedstawia czarny poziomy prostokąt, na którym są małe, czerwone kółka. Pośrodku prostokąta jest kółko o rozmytych brzegach. Po obu stronach środkowego kółka, w jednakowych odległościach od środka, znajdują się po 2 kółka.

Słowniczek