Большая Советская Энциклопедия (ВО)

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.

Форма В. Дисперсия и нелинейность В. В процессе распространения В. её форма претерпевает изменения. Характер изменений существенно зависит от первоначальной формы В. Лишь бесконечная синусоидальная (гармоническая) В. (за исключением В. очень большой интенсивности) сохраняет свою форму неизменной при распространении, если при этом она не испытывает заметного поглощения. Но всякую В. (любой формы) можно представить как сумму бесконечных синусоидальных В. разных частот (как говорят, разложить в спектр). Например, одиночный импульс можно представить, как бесконечную сумму наложенных друг на друга синусоидальных В. Если среда, в которой распространяются В., линейна, т. е. её свойства не меняются под действием возмущений, создаваемых В., то все эффекты, вызываемые негармонической В., могут быть определены как сумма эффектов, создаваемых в отдельности каждой из её гармонических составляющих (так называемый суперпозиции принцип ).

В реальных средах нередко скорости распространения синусоидальных В. зависят от частоты В. (так называемая дисперсия волн). Поэтому негармоническая В. (т. е. совокупность гармонических В. различных частот) в процессе распространения меняет свою форму вследствие того, что при распространении этих гармонических В. соотношение между их фазами меняется. Искажение формы В. может происходить и при дифракции и рассеянии негармонических В., так как оба эти процесса зависят от длины В. и поэтому для гармонической В. разной длины дифракция и рассеяние будут происходить по-разному. При наличии дисперсии изменение формы негармонической В. может происходить также в результате преломления В. Однако иногда может искажаться и форма гармонической В. Это происходит в тех случаях, когда амплитуда распространяющейся В. достаточно велика, так что уже нельзя пренебрегать изменениями свойств среды под воздействием В., т. е. когда сказываются нелинейные свойства среды. Искажения формы синусоидальной В. могут выразиться в том, что «горбы» В. (области больших возмущений) распространяются со скоростью, превышающей скорость распространения остальных участков В., в результате чего синусоидальная форма В. превращается в пилообразную (рис. 11 ). В нелинейной среде существенно изменяются и другие законы распространения В. — в частности, законы отражения и преломления. Подробнее см. Нелинейная оптика .

Фазовая и групповая скорости В. Введённая выше скорость В. называется фазовой скоростью, это скорость, с которой перемещается какая-нибудь определённая фаза бесконечной синусоидальной В. (например, фаза, соответствующая гребню или впадине), фазовая скорость В. входит, в частности, в формулу закона преломления. Однако на опыте имеют дело с В. не в виде бесконечных синусоид, называемых также монохроматическими В., для которых только и имеет смысл понятие фазовой скорости, а с ограниченными В. Как уже было указано, любая ограниченная В. может быть представлена в виде наложения большого (точнее — бесконечно большого) числа монохроматических В. различных частот. Если фазовые скорости В. всех частот одинаковы, то с этой же скоростью распространяется и вся совокупность, или группа, В. Если же эти скорости не одинаковы, т. е. имеет место дисперсия, то вопрос о скорости распространения ограниченной. В. усложняется. Английским физиком Дж. У. Рэлеем было показано, что если ограниченная В. составляется из В., частоты которых мало отличаются друг от друга, то эта В., или как её часто называют волновой пакет, распространяется с определённой скоростью, называемой групповой скоростью. Групповая скорость u вычисляется по формуле: u = с - dc/d . С групповой скоростью происходит также перенос энергии В.

Изменение частоты В. при движении источника или наблюдателя (эффект Доплера). Наблюдатель, движущийся по направлению к источнику В. (любого вида), воспринимает несколько повышенную частоту по сравнению с неподвижным наблюдателем, между тем как наблюдатель, удаляющийся от источника В., воспринимает пониженную частоту. Аналогичное явление (качественно) имеет место также, когда наблюдатель неподвижен, а источник В. движется. Это явление называется Доплера эффектом .