Interferencja światła

Czym jest interferencja światła?

Interferencja to zjawisko nakładania się fal.

Fale w wyniku nałożenia oddziałują ze sobą - fala wynikowa może być względem fal z których powstała:

Zjawisko interferencji zachodzi zarówno dla fal mechanicznych, jak i świetlnych.

Pokaż przypomnienie: jak zbudowana jest fala?


Do dalszej lektury tego artykułu potrzebna jest znajomość nazewnictwa kolejnych własności fali: grzbietu, doliny, amplitudy, długości i fazy.



Fazę fali możemy określić tylko względem innej fali - nazwijmy ją falą pierwotną.

Każda fala na początku przybiera pewną wartość, po czym cyklicznie ją zmienia.

Musimy zauważyć, że gdybyśmy doświadczalnie wyznaczyli równanie fali - na przykład otrzymalibyśmy równanie funkcji sinus - to dopóki nie określimy momentu od którego zaczęliśmy badać falę, to nie zidentyfikujemy jednoznacznie fali. Jednocześnie obok mogła przecież płynąć fala o identycznym równaniu, ale jej ruch mógł zacząć się w innym momencie!

Grzbiety tych fal o takim samym równaniu będą względem siebie przesunięte o stały czynnik. To przesunięcie jest właśnie tożsame z pojęciem fazy.

Faza to wartość o którą musimy przesunąć falę pierwotną aby uzyskać falę wynikową.


Przykład 1

Fala pierwotna została oznaczona na zielono, fala wynikowa na niebiesko.

Fala niebieska jest przesunięta względem zielonej w fazie o `pi/2`.


Przykład 2

Fala pierwotna została oznaczona na zielono, fala wynikowa na czerwono.

Fala czerwona jest przesunięta względem zielonej w fazie o `pi`.



Ogólny wzór na falę wynikowa

Fala wynikowa powstała na skutek interferencji fal jest sumą tych fal.

Przykład

Dla dwóch interferujących fal sinusoidalnych o takich samych parametrach fala wynikowa y(t) wynosi:

`y(t) = A_1 sin(t) + A_2 sin(t)`

t - czas
`A_1` - amplituda fali 1
`A_2` - amplituda fali 2


Ponieważ dodawanie funkcji trygonometrycznych jest matematycznie skomplikowane obliczanie wzorów interferencyjnych nie pojawia się na maturze.


Całkowite wygaszenie fali

Jeżeli w wyniku nałożenia się fal nie otrzymamy fali to znaczy, że fala uległa wygaszeniu.

Taką sytuację zaobserwujemy na przykład gdy nałożą się na siebie dwie fale o takich samych amplitudach i długościach przy czym jedna będzie przesunięta względem drugiej w fazie o połowę długości.



`{(y(t) = A sin(t) + A sin(t - phi)),(phi = t(lambda/2)):}`

gdzie `t(lambda/2)` oznacza czas w jakim fala przemieści się o połowę swojej długości.

Po podstawieniu i zastosowaniu wzoru redukcyjnego otrzymamy postać:

`y(t) = A sin(t) - A sin(t)`

więc:

`y(t) = 0`

gdzie:

`phi` - przesunięcie fazowe
`lambda` - długość fali


Maksymalne wzmocnienie fali

Jeżeli obie interferujące fale są zgodne w fazie, mają takie same długości i amplitudy to:

`y(t) = A sin(t) + A sin(t)`

Po zastosowaniu wzorów na sumę sinusów:

`y(t) = 2 A sin(t)`



Definicja interferencji

Interferencja to zjawisko nakładania się fal, na skutek którego może dochodzić do wzmocnienia bądź wygaszenia pewnych obszarów fali wynikowej.


Jeżeli dwie fale mają taką samą częstotliwość i fazę to są względem siebie spójne. Jeżeli nakładające się fale są spójne to interferencja jest trwała - wzmocnienia i wygaszenia fali będą się utrzymywać aż do czasu, kiedy zmienią się parametry którejś z fal.

W liceum jedyną omawianą interferencją jest właśnie interferencja trwała, a niektórzy nauczyciele podają jej definicje pod hasłem interferencji co jest pewnego rodzaju uproszczeniem, ale nie jest błędem - używając słowa "interferencja" mamy na myśli zazwyczaj interferencję trwałą. Tak więc druga definicja interferencji uwzględniająca jej trwałość brzmi:

Interferencja to zjawisko nakładania się spójnych fal, na skutek którego dochodzi do wzmocnienia bądź wygaszenia pewnych obszarów fali wynikowej.



Pokaż jak interferencja wpływa na załamanie światła

Następstwem pewnego rodzaju interferencji jest zjawisko załamania światła:

Na skutek padania wiązki światła pod pewnym kątem na pewną powierzchnie światło dociera do różnych punktów powierzchni z pewnym opóźnieniem. Te punkt na mocy prawa Huygensa mogą być traktowane jako źródła nowych fal kulistych.
Jeżeli dodatkowo prędkość rozchodzenia się światła w ośrodku do którego granicy fala dotarła będzie różna od tej z której pochodzi, to w wyniku padania światła otrzymamy w drugim ośrodku kolejne fale o wspólnej częstotliwości i przesunięciu w fazie o stały czynnik. Te fale utworzą wynikową wiązkę światła, załamaną względem pierwotnej.

Oczywiście nie jest to typowa trwała interferencja ponieważ na skutek nałożenia się fal nie powstają widoczne wzmocnienia i wygaszenia.

Jeżeli chcesz lepiej zrozumieć to zagadnienie polecamy zajrzeć do artykułu odbicie i załamanie światła, sekcji "dlaczego dochodzi do zjawiska załamania światła?".



Interferencja jest ściśle powiązana z innym zjawiskiem: dyfrakcją.