Большая Советская Энциклопедия (ВО)

Большая Советская Энциклопедия

Распространение В. всегда связано с переносом энергии, который можно количественно характеризовать вектором потока энергии 1 . Этот вектор для упругих В. называется вектором Умова (по имени русского учёного А. А. Умова, введшего это понятие), для электромагнитных — вектором Пойнтинга. Направление вектора Умова совпадает с направлением переноса энергии, а абсолютная величина равна энергии, переносимой В. за единицу времени через площадку 1 см² , расположенную перпендикулярно вектору I . При малых отклонениях от положения равновесия I = КА, где К — коэффициент пропорциональности, зависящий от природы В. и свойств среды, в которой В. распространяется.

Поверхности равных фаз,

фронт В. Важной характеристикой В. является вид поверхностей равных фаз, т. е. таких поверхностей, в любой точке которых в данный момент времени фазы одинаковы. Форма поверхности равной фазы зависит от условий возникновения и распространения В. В простейшем случае такими поверхностями являются плоскости, перпендикулярные направлению распространения В., а В. называется плоской. В., у которых поверхностями равных фаз являются сферы и цилиндры, называются соответственно сферическими и цилиндрическими. Поверхности равных фаз называются также фронтами В. В случае конечной или одиночной В. фронтом называется передний край В., непосредственно граничащий с невозмущённой средой.

Интерференция В. При приходе в данную точку среды двух В. их действие складывается. Особо важное значение имеет наложение так называемых когерентных В. (т. е. В., разность фаз которых постоянна, не меняется со временем). В случае когерентности В. имеет место явление, называемое интерференцией: в точках, куда обе В. приходят в фазе, они усиливают друг друга; в точках же, куда они попадают в противофазе, — ослабляют друг друга. В результате получается характерная интерференционная картина (см., например, рис. 3 ). См. такжеИнтерференция света , Когерентность .

Стоячие В., собственные колебания. При падении плоской В. на плоское же отражающее препятствие возникает отражённая плоская В. Если при распространении В. в среде и при отражении их от препятствия не происходит потерь энергии, то амплитуды падающей и отражённой В. равны между собой. Отражённая В. интерферирует с падающей В., в результате чего в тех точках, куда падающая и отражённая В. приходят в противофазе, результирующая амплитуда падает до 0, т. е. точки всё время остаются в покое, образуя неподвижные узлы колебаний, а в тех местах, где фазы В. совпадают, В. усиливают друг друга, образуя пучности колебаний. В результате получается так называемая стоячая В. (рис. 4 ). В стоячей В. поток энергии отсутствует: энергия в ней (при условии, что потерь нет) перемещается только в пределах, ограниченных смежными узлом и пучностью.

Стоячая В. может существовать также и в ограниченном объёме. В частности, в случае, изображённом на рис. 4, на месте ВВ можно вообразить себе такое же препятствие, что и справа. Между двумя стенками будет существовать стоячая В., если расстояние между ними равно целому числу полуволн. Вообще стоячая В. может существовать в ограниченном объёме лишь в том случае, если длина В. находится в определённом соотношении с размерами объёма. Это условие выполняется для ряда частот v₁ , v₂ , v₃ ,..., называется собственными частотами данного объёма.

Дифракция. При падении В. на непрозрачное для неё тело или на экран позади тела образуется теневое пространство (заштриховано на рис. 5 , а и 5 , б). Однако границы тени не резки, а размыты, причём размытость увеличивается при удалении от тела. Это явление огибания тела В. называется дифракцией. На расстояниях порядка d²/ l от тела, где d — его поперечный размер, тень практически полностью смазана. Чем больше размеры тела, тем большее пространство занимает тень. Тела, размеры которых малы по сравнению с длиной В., вообще не создают тени, они рассеивают падающую на них В. во всех направлениях. Изменение амплитуды В. при переходе из «освещённой» области в область тени происходит по сложному закону с чередующимися уменьшением и увеличением амплитуды (рис. 6 , а и 7 ), что обусловлено интерференцией В., огибающих тело.

Дифракция имеет место также при прохождении В. через отверстие (рис. 5 ,

б и 6 , б), где она также выражается в проникновении В. в область тени и в некотором изменении характера В. в «освещённой» области: чем меньше диаметр отверстия по сравнению с длиной В., тем шире область, в которую проникает В. См. также Дифракция света .

Поляризация В. Как уже сказано, плоскость, в которой происходят колебания поперечной В., перпендикулярна направлению распространения. Эта особенность поперечных В. обусловливает возможность возникновения явления поляризации, которая заключается в нарушении симметрии распределения возмущений (например, смещений и скоростей в механических В. или напряжённостей электрических и магнитных полей в электромагнитных В.) относительно направления распространения. В продольной В., в которой возмущения всегда направлены вдоль направления распространения В., явления поляризации возникнуть не могут.

Если колебания возмущения Е происходят всё время в каком-то одном направлении (рис. 8 , а), то имеет место простейший случай линейно-поляризованной, или плоско-поляризованной В. Возможны и другие, более сложные типы поляризации. Например, если конец вектора Е , изображающего возмущение, описывает эллипс или окружность в плоскости колебаний (рис. 8 , б), то имеет место эллиптическая или круговая поляризация. Скорость распространения поперечных В. может зависеть от состояния поляризации.

Поляризация может возникнуть: из-за отсутствия симметрии в возбуждающем В. излучателе, при распространении В. в анизотропной среде (см. Анизотропия ), при преломлении и отражении В. на границе двух сред. Подробнее см. Поляризация света .

Отражение и преломление В. При падении на плоскую границу раздела двух разных сред плоская В. частично отражается, частично проходит в другую среду, оставаясь плоской, но меняет при этом своё направление распространения (преломляется) (рис. 9 , а). Углы, образуемые направлениями падающей, отражённой и преломлённой В. (рис. 9 , б) с перпендикуляром к границе раздела сред, называются соответственно углом падения a, углом отражения a₁ и углом преломления a₂ . Согласно закону отражения, угол падения равен углу отражения, т. е. a = a₁ . Согласно закону преломления, синус угла падения относится к синусу угла преломления, как скорость в первой среде к её скорости во второй среде, т. е.:

sin a/sin a₂=с₁ /с₂ = n,

где n — показатель преломления (см. также Отражение света , Преломление света ).

Смесь В. с различными состояниями поляризации, распространяющаяся в одном и том же направлении, разделится, попадая в среду, в которой скорость распространения зависит от состояния поляризации; В., поляризованные различно, пойдут по разным направлениям (двойное лучепреломление ). Во многих случаях скорость распространения зависит также от частоты колебаний (дисперсия , см. ниже); в этих случаях смесь В. с различными частотами при преломлении разделится. При отражении расходящейся (сферической или цилиндрической) В. под малыми углами к плоской границе раздела двух сред возникают некоторые особенности. Наиболее важна та, когда скорость c₂ в нижней среде больше, чем c₁ в верхней среде (рис. 10 ), тогда, кроме обычной отражённой В., которой соответствует луч ОАР , возникает так называемая боковая В. Соответствующий ей луч OSDP часть своего пути (отрезок SD ) проходит в среде, от которой происходит отражение.