Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 21
Текст из файла (страница 21)
8и. Рупор (мегафон) дает направленное излучение одинаковой площади. Однако в действительности происходит ослаоление, вызванное п о г л о щ е н и е м энергии волны той средой, в которой она распространяется. В каждой точке на пути волны часть переносимой ею энергии тратится на работу против снл трения (вязкости) в среде и переходит в тепло. Благодаря поглощению интенсивность сферической волны убывает фактически еще быстрее, чем обратно пропорционально квадрату расстояния. При рас- 106 Если ограничить возможность расхождения волны в стороны, то и убывание интенсивности уменьшится.
Так, например, звуковая волна, распространяющаяся в т р у б е, не расходится в стороны и поэтому на длинном пути сохраняет большую интенсивность. На этом основано применение переговорных труб, которые и теперь еще зачастую можно видеть на небольших кораблях, где оип служат для связи капитанского мостика с машинным отделением, с кабиной рулевого и т. п. (рис.
81). Для увеличения громкости звука на оольших расстояниях иногда применяются рупоры (рис. 82). Следует, однако, иметь в виду, что вне рупора расхождение волны в стороны уже не ограничено и причина усиления звука здесь иная: рупор концентрирует энергию волны в некотором телесном угле, т. е. создает н а и р а в л е н н о е и зл у ч е н и е Я 42). Но внутри этого телесного угла интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния. Иитенсивность волны, распространяющейся в цилиндрической трубе, ие должна была бы уменьшаться с расстоянием, так как энергия переносится здесь через сечения пространении в трубе энергия волны поглощается, кроме того, и стенками самой трубы.
Электромагнитные волны представляют собой передачу изменений электромагнитного поля. Они, конечно, тоже переносят энергию, но не в форме кинетической и потенциальной энергии частиц среды, а в виде энергии электрического и магнитного полей, Именно в таком виде поступает от Солнца вся энергия, за счет которой поддерживается жизнь на Земле. Общая мощность электромагнитных волн, излучаемых Солнцем, выражается числом 4 10»а кВт. На расстоянии 150 миллионов километров, т. е.
иа таком удалении от Солнца, на котором находится Земля, интенсивность электромагнитных волн равна 1,4 кВтймт. Эта последняя величина называется солнечной постоянной. Из-за отражения от облаков, рассеяния и поглощения в атмосфере до земной поверхности доходит примерно 43 е4 этой энергии (см. том 1, 8 308).
Если бы Солнце удалилось от нас на расстояние ближайшей звезды, т. е. на 4 световых года, то интенсивность его электромагнитного излучения у Земли составила бы всего 2 1О 'Вт!мв. И все же, если бы даже лишь сотая часть этой энергии приходилась на видимый свет, то и тогда интенсивность последнего во много раз превосходила бы порог чувствительности нашего глаза. Интересно отметить, что порог чувствительности глаза примерно такой же, как и уха. Глаз способен реагировать на потоки световой энергии около 3.10 хв Вт!мв. Впрочем, современные радиоприемники могут соперничать по чувствительности с глазом: хороший приемник может «услышать» радиостанцию, волны которой имеют в месте приема интенсивность 10 " Вт)м'. $40.
Отражение волн. Поставим на пути волн в водяной ванне плоскую пластинку, длина которой велика по сравнению с длиной волны Х е). Мы увидим следующее. Позади пластинки получается область, в которой поверхность воды остается почти в покое (рис, 83). Другими словами, пластинка создает тлена — пространство, куда волны не проникают. Перед пластинкой отчетливо видно, как волны отражаются от нее, т. е. волны, падающие на пластинку, создают волны, идущие от пластинки.
Эти отраженные волны имеют форму концентрических дуг, разбегающихся *) «На рис. 83 и 84, а также на ряде последующих рисунков длина волны Х взята недостаточно малой по сравнению с размерами пластинки. Это сделано лишь для четкости рисунков. 107 как бы из центра, лежащего позади пластинки. Перед пластинкой возникает своеобразная сетка из первичных волн, падающих на пластинку, и отраженных волн, идущих от нее навстречу падающим.
Как меняется направление распространения волны прн ее отражении? Рнс. 84. Угол отражения ра- вен углу падения Рис. 83. Тень, отбрасывае- мая б>ольшой пластинкой Посмотрим, как отражается плоская волна. Обозначим угол, образуемый перпендикуляром к плоскости нашего «зеркала» (пластинки) и направлением распространения падая>щей волны, через а (рис. 84), а уго,п, образуемый тем же перпендикуляром и направлением распространения отраженной волны, — через (4.
Опыт показывает, что при всяком положении «зеркала» (1=-а, т. е. угол ( т.'. н>и(ей плосносп>и Равен углу падения. Этот закон огра>вени я (,', является общим волновым законом, т. е. он справедлив для любых волн, в том числе и для звуковых и для световых. Закон остается в силе и для сферических (или кольцевых) волн, как зто видно из рис. 85. Здесь угол отражения р в разных точках отражающей плоскости различен, но в каждой точке равен углу падения а. Рис. 85.
Закон отражения вы полнея в каждой то ~ке огра >камщей плоскости 108 Отражение волн от препятствий относима к числу очен распространенных явлений. Хорошо всем известное э х о ооусловлено отражением звуковых волн от зданий, холмов, леса и т. п. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от ряда препятствий, тополучастся многократное эхо.
Раскаты грома имеют такое же происхождение. Зто — многократное повторение очень сильного «треска» огромной электрической искры — молнии "). Методы локации, упомянутые в р 35, основаны на отражении электромагнитных волн и упругих волн от препятствий. Особенно часто мы наблюдаем явление отражения на световых волнах. Отраженная волна всегда в той или иной степени ослаблена по сравнению с падающей. Часть энергии падающей волны п о г л о щ а е т с я тем телом, от поверхности которого происходит отражение. Звуковые волны хорошо отражюотся твердыми поверхностями (штукатурка, паркет) и значительно хуже мягкими поверхностями (ковры, занавеси и т. п.). Всякий звук прекращается не сразу после того, как замолк его источник, а замирает постепенно.
Отражением звука в помещениях обусловлено явление послезвучания, называемое ревербера»(пей. В пустых помещениях реверберация велика, т. е. мы наблюдаем своеобразную г у лк о с т ь. Если же в помещении много поглощающих поверхностей, в осооенности мягких (мягкая мебель, одежда людей, занавеси и т. и.), то гулкость не наблюдается. В первом случае получается большое число отражений звука, прежде чем энергия звуковой волны практически полностью поглотится, во втором — поглощение происходит значительно быстрее. Реверберация существенным образом определяет звуковые качества помещения и играет большую роль в архитектурной акустике. Для данного помещения (аудитории„ зала и т.
п.) и данного рода звука (речь, музыка) поглощение должно подбираться специально. Оно должно быть не слишком большим, чтобы не получался глухой, «мертвый», звук, но и не слишком малым, чтобы длительная реверберация не нарушала разборчивости речи или звучания музыки. «) Первичный звук, вызываемый молнией, тоже растянут по времени. Дело в том, что длина молнии может достигать нескольких километров, и поэтому от разных ее участков звук доходит до нас с различным запаздыванием. 109 5 41. Дифракция.
Образование тени в случае световых волн — часто наблюдаемое и привычное явление. Иначе обстоит дело со звуковыми волнами. От ннх очень трудно заслониться. Мы слышим звук из-за угла дома нлн стоя за забором, за деревом и т. п. Почему эти препятствия не отбрасывают «звуковой тени»? Обратим внимание на следующее обстоятельство. Длина звуковой волны в воздухе прн частоте 1000 Гц равна 33,7 см, а при частоте 100 Гц она составляет уже 3,37 м. Таким образом, размеры обычно окружающих нас предметов (за исключением больших домов) отнюдь не велики по сравнению с длиной звуковой волны. Между тем в опыте с водяной ванной, описанном в предыдущем параграфе, при наблюдении правильного отражения и образования тени мы применяли препятствие (пластинку) з н а ч и т е л ь н о большего размера, чем длина волны ?.. а) Рис. 86.
Позади малого препятствия тени нет Как оудет зависеть характер образующейся тени от размеров препятствия? Поставим на пути прямолинейной поверхностной волны в водяной ванне препятствия различного размера (рис. 86). Ыы увидим, что, когда препятствие достаточно велико по сравнению с длиной волны ?.
(рис, 86, а), тень от него сравнительно резкая: лишь у самых краев тени заметно небольшое волнение, указывающее, что волна слегка ог и б а е т край препятствия. По мере уменьшения препятствия тень оказывается менее ясно выраженной (рис. 86, б), а когда размеры препятствия становятся сравнимыми с длиной волны, образования тени практически уже не происходит, Рис. 86, в показывает, что в этом случае водяная волна о г и б а е т препятствие, н позади него она распространяется почти так же, как если бы препятствия не было. Это огибание волной края прегтягтстаия, особенно отчетливо наблюдаемое при малых по сравнению ыо с длиной волны размерах препятствия, называется диф7закцией.
Отсутствие в обычных условиях хорошо выраженной звуковой тени и есть результат дифракции звуковых волн, которую мы наблюдаем, таким образом, буквально на каждом шагу. Дифракцию световых волн наблюдать не так просто, как в случае звука, так как длины световых волн очень малы — всего несколько десятитысячных долей миллиметра. Дифракция — одно из важнейших явлений, свойственных всякому волновому процессу. Мы подробно изучим а) 8) 87 Рис. 87. Дифракцня не позволяет выделить сколь угодно узкий волно- ной пучок е в разделе «физическая оптика».
Там мы увидим, в частности, что дифракция не позволяет различать сколь угодно малые детали предмета, рассматриваемого с поаощью какого-либо оптического инструмента (в том числе невооруженным глазом). Из-за дифракции же нельзя толучить с помощью рупоров, зеркал, отверстий в экранах 'диафрагм) и любых других средств с к о л ь у г о д н о 7 з к и е волновые пучки. Это нетрудно показать на водяаых волнах. Поставим на пути прямолинейной поверхностной волты в нашей водяной ванне две пластинки, промежуток меж1у которыми выделяет из этой волны ограниченный пучок 'рис. 87, а). Сближая пластинки, мы увидим, что вырезаегый ими пучок отнюдь не делается как угодно узким. По лере сужения промежутка все больше проявляется дифракгия — огибание волной краев пластинок (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
