Дифракция в нашей жизни кратко
Дифракция света — явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.
Изначально под ней подразумевалось преломление световой волной препятствия. Однако сегодня данное толкование считается частичным. С более подробным изучением передвижения волны света под дифракцией стали подразумеваться разнообразные формы распространения света в неоднородной среде. Это может быть, как огибание препятствия, так и преломление волны из-за него. Кроме того, свет может переходить от точки к точке постепенно. Это образует криволинейный волновой пучок, что связано не с дифракцией, а с геометрической оптикой.
Таким образом, в волновой теории под дифракцией понимается любое отклонение от норм геометрической оптики. Суть процесса заключается в том, что свет при входе в геометрическую тень огибает препятствие.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Где применяется, принцип Гюйгенса – Френеля
Впервые процесс распространения света был подробно представлен в работах Гюйгенса .
Принцип Гюйгенса заключается в следующем: все, что находится по близости распространения света, является причиной появления новых сферических волн. Сформированные волны рассеиваются от встретившейся точки во всех направлениях, как от излучаемого свет центра. В результате этого происходит их наложение друг на друга.
Теория Гюйгенса была дополнена Френелем. Ученый доказал, что полученная от столкновения с препятствием волна является реальной. В комплексе они интерферируют, то есть взаимодействуют друг с другом. От этого становятся сильнее, что позволяет им распространяться не только вперед, но и назад. Во время движения назад происходит контакт с первоисточником. В результате чего начинается угасание всех световых волн.
Получается, что вторичные волны усиливаются при направлении вперед, а в местах ослабления будут заметны темные участки пространства.
В подобных случаях очевидно появление дифракции на отверстии, поскольку волна огибает его края по направлению к области геометрической тени. Это объясняется тем, что отверстие вырезает светящийся диск, соразмерный его диаметру. Дальнейшее световое поле — это процесс взаимодействия волны вторичных источников, полученных на диске отверстия. В результате этого ход лучей искривляется, поскольку искривленная волна рассеивается в разных направлениях, что не совпадает с первоначальным движением.
Качество волны света, возникшей от разных точек, зависит от фазы и угла отклонения лучей. Это приводит к чередованию максимумов и минимумов.
Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны. А результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.
Условия для возникновения дифракции
Главным условием для возникновения дифракции является наличие препятствия и первоисточника света.
Длина препятствия не должна быть больше длины волны. В противном случае волна просто рассеется или будет заметна только вблизи. Чтобы можно было заметить постоянную картину дифракции, волны должны быть от разных источников. Этого добиться несложно: достаточно иметь один источник света и несколько препятствий. Когда волна попадает на препятствие, она становится новым световым источником. В результате данного взаимодействия световых волн от разных препятствий можно получить устойчивую дифракционную картину.
Таким образом, для возникновения дифракции длина световой волны должна быть соразмерна длине препятствия. Если размеры препятствия больше длины волны, то образуется тень, поскольку волны за нее не проникают. Если размер препятствия слишком мал, то свет с ним не взаимодействует. Чем меньше отверстие препятствия, тем быстрее световая волна расходится в стороны.
Получается, что дифракционное изображение напрямую связано с геометрическими особенностями препятствия.
Где можно наблюдать в природных условиях
Яркие примеры прохождения света через препятствие можно встретить в природе. Речь идет о случаях, когда облака прикрывают солнце или луну. Солнечный свет не может продолжить прямолинейное движение сквозь призму возникшего препятствия. В результате этого лучи преломляются и образуют дугу вокруг самого светила. Кроме того, в зависимости от структуры облака, свет может рассеиваться сквозь дождевые капли. Картина преломления при этом будет представлена разноцветным сиянием.
Радуга на небе или блики масляного пятна на воде также являются примером преломления световой волной препятствия в природных условиях.
Если смотреть на пылающее пламя сквозь запотевшее окно, то можно заметить, как огонь начинает неестественно двигаться в разных направлениях. При этом он окружается разноцветным ореолом, что тоже объясняется световым преломлением препятствия.
Что такое дифракционная решетка
Сфера отклонения света от прямолинейного направления нашла свое применение в повседневной жизни. Примером тому служит светоотражение на CD или DVD дисках. На первый взгляд отражение напоминает радугу. Но при более подробном изучении становится очевидным, что характеристика данного светоотражения имеет достаточно сложную структуру. На диск наносятся на одинаковом расстоянии друг от друга дорожки. Это создает совокупность щелей. При попадании на них света происходит дифракция. Она становится причиной появления световой радуги.
Дифракционная решетка — это совокупность многочисленных щелей и расстояний между ними.
Изображение на решетке является взаимодействием волн света, которые произошли от всех имеющихся щелей одновременно. В физике этот процесс называется многолучевой интерференцией.
Наиболее сложным образцом световой дифракции считается голограмма на кредитных картах. Это связано с наличием на ней дифракционной решетки более сложного вида. В центре голограммы имеется яркое световое кольцо. При попадании на него света можно получить отражение в виде луны или солнца. Это обусловлено игрой света и тени: при попадании света голограммы на тень от пластика образуется некая световая волна.
Связь дифракции и разрешающей способности оптических приборов
Дифракция света считается ограничителем разрешения для оптических приборов: телескопа, микроскопа. В том числе и для человеческого глаза.
Размер препятствий должен быть намного больше длины волны света. Кроме того, рассматривается преломление световой волны препятствия на круглом отверстии.
В качестве примера возьмем 2 звезды на небе. Звездный свет попадает в глаз через зрачок. Таким образом, на сетчатке глаза обе звезды сформируют 2 картины. Они представлены двумя центральными максимумами. Если свет будет падать под определенным углом, то звезды сольются в одну звезду.
Получается, что разрешение можно увеличить или уменьшить, если изменить диаметр объектива или сократить длину волны.
Принцип увеличения используют в телескопах, что позволяет уменьшению рассматриваемого объекта до удобных для рассматривания размеров. Уменьшение объектива используют в изготовлении микроскопов. Это позволяет увеличить маленький элемент до удобных для рассматривания размеров.
Явление дифракции характерно для совершенно любых волн, например, электромагнитных или волн на поверхности воды. В данной статье рассказано о дифракции звука. Рассмотрены особенности этого явления, приведены примеры его проявления в быту и использования человеком.
Звуковая волна
Перед рассмотрением дифракции звука, стоит сказать несколько слов о том, что такое звуковая волна. Она представляет собой физический процесс передачи энергии в какой-либо материальной среде без перемещения материи. Волна представляет собой гармонические колебания частиц материи, которые распространяются в среде. Например, в воздухе эти колебания приводят к возникновению областей повышенного и пониженного давления, в твердом же теле это уже области напряжения сжатия и растяжения.
Вам будет интересно: Что такое условие? Множество значений слова
Звуковая волна распространяется в среде с некоторой скоростью, которая зависит от свойств среды (температуры, плотности и других). При 20 oC в воздухе звук движется со скоростью приблизительно 340 м/с. Учитывая, что человек слышит частоты от 20 Гц до 20 кГц, можно определить соответствующие предельные длины волн. Для этого можно воспользоваться формулой:
Где f — частота колебаний, λ — их длина волны, а v — скорость движения. Подставляя приведенные выше числа, получится, что человек слышит волны с длинами от 1,7 сантиметра до 17 метров.
Понятие о дифракции волн
Дифракция звука — это явление, которое заключается в изгибании волнового фронта, когда он встречает непрозрачное препятствие на пути своего следования.
Ярким бытовым примером дифракции является следующий: два человека находятся в разных комнатах квартиры и не видят друг друга. Когда один из них что-то кричит другому, то второй слышит звук, будто его источник находится в дверном проеме, соединяющим комнаты.
Дифракция звука бывает двух типов:
Отличие дифракции света от таковой для звука
Поскольку речь идет об одном и том же явлении, которое не зависит от природы волн, то формулы дифракции звука являются точно такими же, как и для света. Например, при прохождении через щель в двери можно записать условие для минимума аналогичное, как для дифракции Фраунгофера на узкой щели, то есть:
sin(θ) = m*λ/d, где m = ±1, 2, 3, .
Здесь d — ширина дверной щели. По этой формуле определяются зоны в помещении, где звука извне не будет слышно.
Отличия между звуковой и световой дифракциями носят исключительно количественный характер. Дело в том, что длина волны света составляет несколько сотен нанометров (400-700 нм), что в 100000 раз меньше длины самых маленьких волн звука. Явление же дифракции сильно проявляется, если размеры волны и препятствия близки. По этой причине в описанном выше примере два человека, находясь в разных комнатах, не видят друг друга, но слышат.
Дифракция коротких и длинных волн
В предыдущем пункте приведена формула для дифракции звука на щели при условии, что фронт волны является плоским. Из формулы видно, что при постоянной величине d, углы θ будут тем меньше, чем более короткие волны λ будут падать на щель. Иными словами, короткие волны дифрагируют хуже, чем длинные. Далее приведено несколько примеров из жизни, подтверждающих этот вывод.
Объяснение эффектов, отмеченных в этих примерах, заключается в большей способности низких частот звука дифрагировать и в меньшей их способности поглощаться в сравнении с частотами высокими.
Ультразвуковая локация
Она представляет собой метод анализа или ориентирования на местности. В обоих случаях идея заключается в испускании ультразвуковых волн (λ Понравилась статья? Поделись с друзьями:
Шесть важных явлений описывают поведение световой волны, если она встречает на своем пути какое-либо препятствие. К этим явлениям относятся отражение, преломление, поляризация, дисперсия, интерференция и дифракция света. В данной статье речь пойдет о последнем из них.
Споры о природе света и опыты Томаса Юнга
В середине XVII века на равных правах существовали две теории, касающиеся природы световых лучей. Основоположником одной из них был Исаак Ньютон, который полагал, что свет — это совокупность быстро движущихся частичек материи. Вторую теорию выдвинул голландский ученый Кристиан Гюйгенс. Он считал, что свет — это особый тип волн, распространяющийся в среде подобно тому, как звук движется в воздухе. Средой для света, согласно Гюйгенсу, был эфир.
Поскольку эфира никто не обнаружил, а авторитет Ньютона был огромным на то время, теорию Гюйгенса отклонили. Однако в 1801 году англичанин Томас Юнг провел следующий эксперимент: он пропускал монохроматический свет через две узкие щели, расположенные близко друг от друга. Проходящий свет он проецировал на стену.
Каков был результат этого опыта? Если бы свет представлял собой частицы (корпускулы), как полагал Ньютон, то изображение на стене соответствовало бы четким двум ярким полосам, происходящим от каждой из щелей. Однако Юнг наблюдал совершенно иную картину. На стене появлялась череда темных и светлых полос, причем светлые линии появлялись даже за пределами обеих щелей. Схематическое изображение описанной световой картины представлено на рисунке ниже.
Эта картина говорила об одном: свет является волной.
Явление дифракции
Световая картина в опытах Юнга связана с явлениями интерференции и дифракции света. Оба явления трудно отделить друг от друга, поскольку в ряде экспериментов можно наблюдать их совокупный результат.
Дифракция света заключается в изменении волнового фронта, когда он встречает на своем пути препятствие, размеры которого сравнимы или меньше длины волны. Из этого определения понятно, что дифракция характерна не только для света, но и для любых других волн, например звуковых или волн на поверхности моря.
Также понятно, почему в природе не удается наблюдать это явление (длина световой волны составляет несколько сотен нанометров, поэтому любые макроскопические объекты отбрасывают четкие тени).
Принцип Гюйгенса — Френеля
Явление дифракции света объясняется благодаря названному принципу. Его суть заключается в следующем: распространяющийся прямолинейный плоский волновой фронт приводит к возбуждению вторичных волн. Эти волны являются сферическими, однако если среда однородная, то, налагаясь друг на друга, они приведут к первоначальному плоскому фронту.
Как только возникает какое-либо препятствие (например, две щели в опыте Юнга), то оно становится источником вторичных волн. Поскольку количество этих источников ограничено и определяется геометрическими особенностями препятствия (в случае двух тонких щелей вторичных источников всего два), то результирующая волна уже не даст первоначальный плоский фронт. Последний изменит свою геометрию (например, приобретет сферическую форму), более того, появятся максимумы и минимумы интенсивности света в разных его частях.
Принцип Гюйгенса — Френеля демонстрирует, что явления интерференции и дифракции света являются неразделимыми.
Какие условия необходимы, чтобы можно было наблюдать дифракцию?
Одно из них уже было озвучено выше: это наличие небольших (порядка длины волны) препятствий. Если же препятствие будет относительно больших геометрических размеров, то дифракционная картина будет наблюдаться только вблизи его краев.
Вторым важным условием дифракции света является когерентность волн от разных источников. Это означает, что они должны иметь постоянную разность фаз. Только в этом случае благодаря интерференции можно будет наблюдать устойчивую картину.
Когерентность источников достигается простым способом, достаточно любой световой фронт от одного источника пропустить через одно или несколько препятствий. Вторичные источники от этих препятствий уже будут действовать, как когерентные.
Заметим, что для наблюдения интерференции и дифракции света совершенно не обязательно, чтобы первичный источник был монохроматическим. Об этом будет сказано ниже при рассмотрении дифракционной решетки.
Дифракция Френеля и Фраунгофера
Говоря простым языком, дифракция Френеля заключается в рассмотрении картины на экране, расположенном близко к щели. Дифракция же Фраунгофера рассматривает картину, которая получается на расстоянии гораздо большем ширины щели, кроме того, она предполагает, что падающий на щель волновой фронт является плоским.
Выделяют эти два вида дифракции потому, что картины в них получаются разными. Связано это со сложностью рассматриваемого явления. Дело в том, что для получения точного решения дифракционной задачи необходимо использовать теорию электромагнитных волн Максвелла. Принцип же Гюйгенса — Френеля, упомянутый ранее, является хорошим приближением для получения практически пригодных результатов.
Ниже на рисунке показано, как изменяется изображение на дифракционной картине, когда экран удаляют от щели.
На рисунке красная стрелка показывает направление приближения экрана к щели, то есть верхний рисунок соответствует дифракции Фраунгофера и нижний — Френеля. Как видно, при приближении экрана к щели картина становится более сложной.
Далее в статье будем рассматривать только дифракцию Фраунгофера.
Дифракция на тонкой щели (формулы)
Как выше отмечалось, дифракционная картина зависит от геометрии препятствия. В случае тонкой щели, имеющей ширину a, которую освещают монохроматическим светом с длиной волны λ, положение минимумов (тени) можно наблюдать для углов, соответствующих равенству
sin(θ) = m × λ/a, где m = ±1, 2, 3.
Угол тета здесь отсчитывается от перпендикуляра, соединяющего центр щели и экран. Благодаря этой формуле можно рассчитать, при каких углах будет происходить полное гашение волн на экране. Более того, можно рассчитать порядок дифракции, то есть число m.
Поскольку речь идет о дифракции Фраунгофера, то L>>a, где L — расстояние до экрана от щели. Последнее неравенство позволяет заменить синус угла простым отношением координаты y к расстоянию L, что приводит к следующей формуле:
Здесь ym — это координата положения минимума порядка m на экране.
Дифракция на тонкой щели (анализ)
Приведенные в предыдущем пункте формулы позволяют проанализировать изменения дифракционной картины при изменении длины волны λ или ширины щели a. Так, увеличение величины a приведет к уменьшению координаты минимума первого порядка y1, то есть свет будет концентрироваться в узком центральном максимуме. Уменьшение же ширины щели приведет к растяжению центрального максимума, то есть он становится расплывчатым. Эта ситуация продемонстрирована на рисунке ниже.
Изменение длины волны действует наоборот. Большие значения λ приводят к размыванию картины. Это означает, что длинные волны лучше дифрагируют, чем короткие. Последнее имеет принципиальное значение при определении разрешающей способности оптических приборов.
Дифракция и разрешающая способность оптических приборов
Наблюдение дифракции света является ограничителем разрешающей способности любых оптических приборов, например телескопа, микроскопа и даже человеческого глаза. Когда речь идет об этих приборах, то рассматривают дифракцию не на щели, а на круглом отверстии. Тем не менее все выводы, сделанные ранее, остаются верными.
Для примера будем рассматривать две светящиеся звезды, которые находятся на огромном расстоянии от нашей планеты. Отверстие, через которое свет попадает в наш глаз, называется зрачком. От двух звезд на сетчатке глаза формируются две дифракционные картины, каждая из которых имеет центральный максимум. Если в зрачок свет от звезд падает под некоторым критическим углом, то оба максимума будут сливаться в один. В этом случае человек будет видеть одну-единственную звезду.
Критерий разрешающей способности был установлен лордом Дж. У. Рэлеем, поэтому в настоящее время он носит его фамилию. Соответствующая математическая формула выглядит так:
Здесь D — диаметр круглого отверстия (объектив, зрачок и так далее).
Таким образом, разрешающую способность можно увеличить (уменьшить θc), если увеличить диаметр объектива или уменьшить длину волны. Первый вариант реализуется в телескопах, позволяющих в несколько раз уменьшать θc по сравнению с глазом человека. Второй вариант, то есть уменьшение λ, находит применение в электронных микроскопах, которые обладают в 100 тысяч раз лучшей разрешающей способностью, чем аналогичные световые приборы.
Дифракционная решетка
Она представляет собой совокупность тонких щелей, находящихся на расстоянии d друг от друга. Если фронт волны является плоским и падает параллельно на эту решетку, тогда положение максимумов на экране описывается выражением
sin(θ) = m×λ/d, где m = 0, ±1, 2, 3.
Формула показывает, что максимум нулевого порядка возникает по центру, остальные расположены под некоторыми углами θ.
Поскольку в формуле стоит зависимость θ от длины волны λ, то это означает, что дифракционная решетка может разлагать свет на цвета подобно призме. Этот факт применяют в спектроскопии для анализа спектров различных светящихся объектов.
Пожалуй, самым известным примером дифракции света является наблюдение цветных оттенков на DVD-диске. Бороздки на нем представляют собой дифракционную решетку, которая, отражая свет, разлагает его на ряд цветов.
Дифракция света – это отклонение светового луча от прямолинейной траектории движения во время столкновения с препятствиями.
Классическая физика описывает дифракцию как интерференцию волн по принципу Гюйгенса-Френеля. Такая характерная модель поведения имеет место при попадании света на щель или препятствие, по размеру совпадающее с длинной световой волны. Такой эффект имеет место при прохождении волны света сквозь среду, имеющую нестабильный показатель преломления, либо в случае прохождения звуковой волны сквозь среду с нестабильным акустическим импедансом. Явление дифракции может случаться со всеми существующими волнами, такими как звук, свет, ветер, радиоволны, электромагнитные и другие.
Так как на атомном уровне все вещества обладают волновыми свойствами, явление дифракции может происходить в любом веществе и изучается на основе принципов квантовой механики.
Практические примеры явления дифракции
Явление дифракции можно встретить в обычной жизнедеятельности человека. Например, если рассматривать световые волны, то на музыкальных дисках соседние дорожки можно рассмотреть, как дифракционную решетку. Эффект яркого кольца вокруг источника света, например, солнца или луны, тоже является дифракцией света. При падении лазерного луча на оптически неровную поверхность, наблюдается спекл, что тоже представляет собой явление дифракции. Все эти явления происходят из-за того, что свет является волной.
Не нашли что искали?
Просто напиши и мы поможем
Морские волны рассеиваются, обходя препятствия на своем пути. Волны звука преломляются вокруг препятствий, поэтому мы можем слышать звук от источника, находящегося вне поля зрения, за каким-либо объектом.
История изучения явления дифракции
Явление дифракции света
Если рассмотреть длинную очень узкую щель, на которую падает свет, то будет наблюдаться явление преломления световой волны в ряд круговых волн с волновым фронтом, что выходят с обратной стороны щели и представляют собой цилиндрическую волну с однородной интенсивностью. Если ширина щели больше длины волны, на выходе из щели будет иметь место интерференция. Это объясняется тем, что щель как бы обладает большим количеством точечных источников, распределенных однородно во ширине щели. Проще проанализировать эту систему, если световые волны имеют одинаковую длину волн. При когерентности света эти точечные обладают равной фазой.
Сложно разобраться самому?
Попробуй обратиться за помощью к преподавателям
Явление дифракции также наблюдается при прохождении света через дифракционную решетку. При прохождении через дифракционную решетку, что является оптическим компонентом с периодической структурой, свет расщепляется и дифрагируется на несколько лучей, которые распространяются в разных направлениях.
Свет, который дифрагируется на решетке рассчитывается как сумма света, дифрагированного отдельно каждым элементом, и по сути представляет собой наложение дифракции и интерференции.
Не нашли нужную информацию?
Закажите подходящий материал на нашем сервисе. Разместите задание – система его автоматически разошлет в течение 59 секунд. Выберите подходящего эксперта, и он избавит вас от хлопот с учёбой.
Гарантия низких цен
Все работы выполняются без посредников, поэтому цены вас приятно удивят.
Доработки и консультации включены в стоимость
В рамках задания они бесплатны и выполняются в оговоренные сроки.
Вернем деньги за невыполненное задание
Если эксперт не справился – гарантируем 100% возврат средств.
Тех.поддержка 7 дней в неделю
Наши менеджеры работают в выходные и праздники, чтобы оперативно отвечать на ваши вопросы.
Тысячи проверенных экспертов
Гарантия возврата денег
Эксперт получил деньги, а работу не выполнил?
Только не у нас!
Деньги хранятся на вашем балансе во время работы над заданием и гарантийного срока
Гарантия возврата денег
В случае, если что-то пойдет не так, мы гарантируем возврат полной уплаченой суммы
Принципы Гюйгенса-Френеля: интерференция, дифракция, поляризация света
Принципы Гюйгенса-Френеля стали основой корпускулярно-волновой теории света. В начале XIX века Христиан Гюйгенс, делая опыты над световыми волнами, предположил, что существуют частицы, являющиеся переносчиками «световой энергии». Этот процесс представлялся ему как последовательная передача энергии от одной корпускулы к следующей путем соударения. Ученые, которые поддерживали эту теорию, утверждали, что свет движется эфире, среде с особыми физическими свойствами, позволяющими частицам не терять энергию при движении. Этот эфир пронизывает все окружающее пространство, а также проходит сквозь предметы, позволяя световым волнам распространяться во все стороны.
Основы теории
Интерференция
Дифракция
Световая волна, проходя через аэрозоли, жидкости или твердые тела, может отклоняться от прямолинейной оси движения. Это явление называется дифракцией. Его используют в оптических приборах для получения четкого изображения даже наименьших предметов, или объектов, находящихся на значительном расстоянии.
Одновременно с Гюйгенсом, в 1818 году, Френель сделал презентацию доклада о дифракции Парижскому научному обществу. Его опыт и теоретические выкладки были одобрены, а один из членов комиссии, физик Пуассон, на основе этой теории сделал заключение, что если поставить на пути дифракционно отклоненных лучей непрозрачное круглое препятствие, то на экране будет отражаться светлое пятно, а не тень предмета. Позднее это предположение было проверено опытным путем физиком Д.Ф. Араго. Дифракция света (принцип Гюйгенса-Френеля) нашла свое подтверждение через, казалось бы, противоречащую гипотезу. Волновая теория света заняла свое место среди других верифицированных постулатов физики.
Дисперсия
Поляризация
Отражение
Если на пути световой волны возникает твердое или жидкое тело, то она полностью или частично отражается он него. Таким образом, мы можем видеть окружающие нас предметы. Когда световая волна достигает границы раздела сред (например, газ/жидкость или газ/твердое тело), то она полностью или частично отражается обратно. Угол, который образует между лучом света и перпендикуляром, опушенным на поверхность (границу фаз), называется углом падения, а тот, который находится между перпендикуляром и отраженным лучом – углом отражения.
- Падающий и отраженный лучи и перпендикуляр существуют в одной плоскости.
- Угол падения равен углу отражения.
- Ход световых лучей обратим.
Диффузное и зеркальное отражение
В зависимости от типа поверхности, от которой отражается луч, можно выделить зеркальное и диффузное отражение. Зеркальным называется отражение, которое наблюдается от очень гладкой поверхности, когда неровности не превышают длину волны. Тогда отраженный луч будет параллелен падающему. Это встречается в зеркалах, стеклах, полированном металле. Если неровности поверхности больше длины световой волны, то отраженные лучи направлены под разными углами относительно угла падения. Именно из-за этого мы можем видеть предметы, которые сами не являются источниками света. Впервые прийти к такому умозаключению помог принцип Гюйгенса. Закон отражения света получил математическое и практическое обоснование, опираясь на уже известные понятия интерференции и дифракции.
Практическое применение
Методика такого запечатления трехмерного изображения находит применение в сфере хранения информации, потому что на небольшой поверхности голограммы помещается большее количество данных, чем на микрофотографиях. В качестве наглядного примера можно привести расположение энциклопедического словаря объемом в тысячу триста страниц на фотопластинке 3х3 см.
В разработке находятся такие приборы, как голографический электронный микроскоп, позволяющий создавать трехмерные изображения наименьших структурных единиц живой материи, а также голографическое кино и телевидение, первыми версиями которого являются 3D-киносеансы.
Изобретение линзы Френеля: революция в маяках и спасение жизней до появления GPS
Сейчас, если вы потерялись в незнакомом городе или в лесу, вы быстро выйдете из ситуации при помощи GPS/Глонасс трекинга в том же смартфоне или другом гаджете. Конечно, если с покрытием или зарядкой всё нормально. Причём на суше у вас ещё попадаются ориентиры, которые упрощают жизнь.
Но если вы потерялись на море, то всё сложнее — перед вами только «синяя вечность», как пел Муслим Магомаев. Поэтому для морской навигации GPS стал настоящим прорывом. Теперь на кораблях действует система ECDIS, утверждённая международным сообществом и заменившая бумажные карты. Но 200 лет назад всё было не так радужно.
Представьте: глухая ночь, море штормит, и корабль пытается найти путь в гавань. Ни радаров, ни трекинга нет, а единственный ориентир — это свет маяка. Чем он сильнее, тем больше шансов у моряков не погибнуть, налетев на рифы, и безопасно добраться до пункта назначения. Именно поэтому изобретение линзы Френеля спасло сотни, если не тысячи жизней моряков задолго до GPS. Да и сейчас они используются в маяках по всему миру: только в США их 75 штук! Давайте посмотрим на историю этого удивительного открытия.
С чего всё началось
Самые ранние известные маяки представляли собой обычные холмы или насыпи, на вершине которых разводили большие костры. Моряки древности заметили, что чем выше и ярче источник света, тем проще ориентироваться на него в море — блестящее наблюдение.
Одним из самых знаменитых маяков в истории человечества был Александрийский (его ещё называют Фаросский) маяк, построенный в Александрии в 280-247 г до н.э. Он имел в высоту порядка 150 метров и по праву являлся одним из семи чудес света. Но кроме статуса и репутации, которые он приносил для порта Александрии — крупной транспортной артерии, маяк ещё и помогал ориентироваться кораблям, проплывающим вдоль однообразного и унылого побережья Египта. На вершине маяка располагалось зеркало, отражающее свет солнца днём, а ночью тут разводили костёр. По свидетельству очевидцев, «ночью вокруг было светло, как днём».
Однако строить что-то подобное по масштабу на входе во все бухты — дорого. Поэтому все остальные маяки древности имели значительно меньшую высоту. Например, старейший сохранившийся маяк «Башня Геркулеса», построенный в 1 веке н.э. в Ла-Корунье (Испания) возвышался «всего» на 57 метров.
В Европе после заката Римской Империи самыми знаковыми и старыми маяками стали маяк в Генуе (настоящий символ города), а также маяк Хук в Ирландии. Суть не поменялась: топливом для сигнального огня служили высушенные куски дерева эрики и можжевельника. Причём за обслуживание маяков платили. Сами мореплаватели в виде налога.
В 1611 году во Франции был построен Кордуанский маяк в устье реки Жиронды — знаковый для нашей истории, потому что именно на нём впервые установили линзы Френеля. Но это было позже, а с момента постройки до середины 18 века использовали привычные всем костры — топливом служила дубовая щепа или уголь. Причём расходы были сумасшедшие, до 400 тонн угля в год.
В 1782 году в освещении маяков произошла революция: появилась так называемая лампа Арганда. Воздух в ней проходил через узкую трубку, поэтому при горении газы сгорали полностью — это давало меньше дыма и копоти, а заодно и большую яркость в 10-12 свечей. Топливом служил китовый жир и рапсовое масло, при этом расходы на освещения упали в десятки раз.
Однако света всё равно не хватало: большая часть светового потока освещала помещения маяка, а не служила ориентиром для моряков. Поэтому в 1763 году английский моряк Уильям Хатчинсон придумал оригинальную конструкцию параболического отражателя. Он представлял собой полусферическое основание, обклеенное отполированными металлическими кусочками. За основу Хатчинсон взял труды Иоганна Кеплера ещё начала 17 века, и придумал, как применить их к освещению маяков.
Первая система была опробована на маяке неподалёку от Ливерпуля и позволяла фокусировать до 40-50% светового потока. Однако конструкция была очень дорогой и тяжёлой, что создавало трудности в транспортировке. Да и вращать такую махину на 360 градусов, чтобы свет распространялся во все стороны, а не только в определённую зону, было проблематично.
В начале 19 века во Франции многие моряки и рыболовы направляли жалобы на неудовлетворительное качество света. Глас народа услышал новоиспечённый император Наполеон Бонапарт. В 1811 году он учредил «Комиссию по маякам», которая была передана в ведение инженерного «Корпуса мостов и дорог». Нужно было придумать способ, как фокусировать свет ещё эффективнее, при этом не увеличивая вес и по возможности, стоимость.
Членом этой комиссии и являлся наш герой Жан Огюстен Френель. Но обо всём по порядку.
Как устроена линза
Френель был видным учёным, занимавшийся изучением волновых свойств света и описавший дифракцию и её частный случай — интерференцию. Эти же идеи он применил для решения задачи по усилению света маяка.
Основная идея линзы Френеля проста. Представьте, что вы берёте обычное увеличительное стекло с выпуклой линзой, и разрезаете её на сотню концентрических колец. Каждое кольцо по мере удаления от центра немного меньше предыдущего. При этом угол наклона колец (читайте — тонких призм) тоже изменяется — для того, чтобы при преломлении все лучи имели параллельное направление. Так, в в окружающую среду будет рассеиваться минимум светового потока.
Преимущество такой «нарезки» на концентрические призмы состоит в том, что линзу можно изготовить практически плоской — она будет меньше весить. При этом с точки зрения оптики, линза Френеля:
может работать даже с большой угловой апертурой — углом между крайними лучами света;
разное сечение колец позволяет снизить сферическую аберрацию (отклонение лучей от идеального направления) к минимуму из-за точно рассчитанного угла наклона плоскостей.
Всё это позволило использовать мощность источника света по максимуму, фокусируя до 98% светового потока. В 19 веке это стало невероятным открытием, решивших проблему света маяка. Теперь свечение даже относительно слабой лампы можно было заметить на огромном расстоянии до 30 и даже 40 км.
Дополнительным преимуществом стало то, что лёгкую линзу можно было вращать вокруг источника света. Это позволяло создавать вспышки света с заданным периодом, что помогало в навигации и передачи разных сигналов.
Для тех, кто хочет узнать подробнее о расчётах линзы Френеля, рекомендуем обратиться к этой научной публикации.
Как Френель изобрёл линзу
Кстати, подобную конструкцию линзы предложили использовать ещё до Френеля. В 1748 году Жорж-Луи Леклерк, граф де Бюффон, первым предложил заменить выпуклую линзу на состоящую из концентрических кольцевых призм. Он полагал, что это нужно сделать из цельного куска стекла, шлифуя ступеньку за ступенькой. В 1790 году маркиз де Кондорсе предположил, что кольцевые секции проще и дешевле изготовить отдельно и собрать их на каркасе.
Однако Френель — однозначно первый, кто сумел довести задумку до ума и получить её практическую реализацию.
С детства он увлекался наукой, поэтому пошёл учиться сначала в Политехническую школу, а позже в Национальную школу мостов и дорог на инженера. По выпуску он участвовал в разных проектах, связанных с гражданским строительством. Параллельно в 1814 году он проводил опыты, связанные с исследованием оптики. Не зная про опыты Юнга («эксперимент с двумя щелями»), он придумал другой способ доказать, что свет имеет волновую природу.
Так в 1816 году появились бипризмы Френеля — с их помощью учёный наблюдал ещё одно проявление интерференции света. Заодно дополнил и развил идею Гюйгенса, сформулировав основополагающий «принцип Гюйгенса — Френеля» — чуть освежим в памяти школьный курс физики:
Каждый элемент волнового фронта можно рассматривать как центр вторичного возмущения, порождающего вторичные сферические волны, а результирующее световое поле в каждой точке пространства будет определяться интерференцией этих волн.
В 1818 году Френель написал свою главную работу «Воспоминания о дифракции света», а в 1819 году представил свою теорию научному сообществу. За это он получил Гран-При Французской Академии наук. Члены комиссии в лице Франсуа Араго, Симеон Пуассон и Пьер-Симон Лаплас — все сторонники корпускулярной теории света — были поражены его теоретическим обоснованием экспериментальных данных.
Именно по рекомендации Франсуа Араго, Френель и очутился в «Комиссии по маякам» и должен был со всеми своими теоретическими знаниями решить практическую задачу. Спустя несколько месяцев он уже предложил конструкцию ступенчатой линзы, ничего не зная о более ранних работах де Бюффона.
Проведя необходимые расчёты и проработав конструкцию из восьми панелей, Френель обратился к нескольким производителям, чтобы те смогли изготовить прототип. Официальный бюджет составлял всего 500 франков. В марте 1820 года появилась первая панель: она имела прямоугольную форму с размером 55х65 см.
Члены комиссии тут же согласились выделить дополнительное финансирование. За год было закончено изготовление остальных панелей, и 13 апреля 1821 года Френель официально продемонстрировал свою работу. Над и под панелями располагались 128 плоских зеркал под разными углами, чтобы увеличить угловую апертуру. Сами панели скреплялись при помощи металлического каркаса.
Официальное испытание провели 20 августа 1822 года на недостроенной Триумфальной арке, в присутствии Людовика XVIII. По свидетельству очевидцев, свет заметили на расстоянии в 32 километра! Ничего подобного не мог дать ни один параболический отражатель того времени. В качестве источника света использовалась как раз лампа Арганда, о которой мы говорили выше.
Линза Френеля была одобрена «Комиссией по маякам», и 25 июля 1823 года ее установили на маяке Кордуан — первом во Франции. В фокальной плоскости устройства располагались три концентрических фитиля лампы, куда рапсовое масло подавалось при помощи напорного насоса.
В мае 1824 года Френеля за достижения назначили секретарём комиссии. В 1825 году он продолжал свои исследования волновой природы света, придя к окончательному выводу, что свет является не просто волной, а имеет поперечный механизм распространения.
В том же году он предложил заменить плоские зеркала на трёхгранные в сечении призмы. Свет в них преломляется через первую поверхность, отражается от второй и выходит через третью поверхность, преломляясь в нужную сторону, строго параллельно другим лучам. Это усложнило производство, однако дало значительно меньшие потери светопотока. Вместе с тем аппарат «стал чем-то походить на улей», по свидетельству изобретателя.
Одним из первых, кто понял всю важность открытия Френеля для морской навигации по всему миру, стал шотландский учёный Дэвид Брюстер. В 1820-х годах он способствовал популяризации и массовому использованию линз Френеля в маяках Великобритании: для этого даже открыли отдельный завод по производству стекла.
После этого линзы стали использовать в маяках по всей Европы, а после 1852 года — и в США. В 1860-х каждый маяк в Америке снабжался линзами Френеля.Прошло уже больше 150 лет, а согласно сайту «Сообщества любителей маяков», 75 маяков по-прежнему работают с использованием этой технологии, казалось бы, устаревшей после появления радаров и GPS навигации.
Конечно, освещение маяков тоже не стояло на месте: например, добавлялось газовое и электрическое освещение. Вместе с этим менялась и конструкция линз Френеля начиная от количества панелей, формы и числа линз и заканчивая их цветами. Всего было сделано больше сотни модификаций и доработок.
К сожалению, Жан Огюстен Френель не дожил до того момента, как его детище триумфально распространилось по всему миру. Он умер 14 июля 1827 года в возрасте 39 лет от туберкулёза.
В честь изобретателя на каждом французском маяке, в котором использовалась линза Френеля, был установлен его бюст, а имя Жана Огюстена является одним из 72 имён, выбитых на Эйфелевой башне. Ведь ему обязаны своими жизнями тысячи моряков, которых свет его линзы спас от кораблекрушения.
Где ещё используют линзы Френеля
Для многих моряков или пилотов маленьких самолётов свет маяка и сейчас является хорошим резервом на случай отказа GPS навигации. Но всё-таки линзы Френеля нашли и другие применения, где требуется сфокусированный поток света. Например:
Аэродромы и авианосцы. При заходе на посадку самолёты должны чётко ориентироваться и понимать, где находится взлётная полоса. Особенно в условиях плохой видимости и тумана, там малейшая ошибка может быть ещё более фатальной. Для этого используют мощные прожекторы, которые ориентированы в нужную сторону или вращаются вокруг своей оси. В них тоже используются более компактные и простые линзы Френеля.
Театр и кино. Для хорошей картинки нужно освещение с равномерной интенсивностью по всей ширине луча света. Линзы Френеля в фонарях идеально подходят для этого: они дают классный заливающий свет с мягкими контурами. Дополнительно в них легко изменяется угол раскрытия луча от 7 до 70 градусов при фокусировке, что важно для мощного спотового освещения.
Светофоры. Чем раньше и чётче водитель увидит запрещающий сигнал, тем безопаснее. Причём в любую погоду. Поэтому в железнодорожных светофорах также часто используют линзы Френеля.
Автомобили. Отличная штука для того, чтобы убирать мёртвые зоны. Например, клеите линзу на заднее стекло и получаете дополнительную камеру с более широким углом охвата. Это повышает безопасность, когда будете сдавать задним ходом: больше шансов заметить низкое препятствие, от столбика до собаки или, не дай бог, ребёнка. Дополнительно их используют на зеркалах европейских машин, которые въезжают в Великобританию и вынуждены адаптироваться к левостороннему движению.
Увеличительная линза. Для людей, страдающих от дефектов зрения, может быть проблематично прочитать мелкий шрифт на договоре кредитования. Специально для этого приспособили линзу Френеля — она даёт картинку без искажений по всей ширине области чтения. Очень компактная штука, размером с кредитную карту. Кстати, подобное применение у линзы Френеля было и в портативных телевизорах — например, Sinclair TV80, полностью провалившийся в продажах.
VR-очки. Для технологии дополненной реальности линзы Френеля решают некоторые проблемы: они легче и тоньше стандартных линз, при этом лучше увеличивают изображение по всей площади и убирают эффект «москитной сетки». Однако если скосить зрение, то на периферии можно увидеть световые блики из-за аберраций. Эту проблему решила компания Sony, запатентовав антибликовую технологию для линз Френеля и уже применяя их в гарнитуре PS VR2.
Солнечные батареи. Линзы Френеля при той же толщине можно сделать больше по площади, чем обычные линзы. Поэтому их часто применяют в составе солнечных коллекторов из-за высокой эффективности. На базе этого даже строят специальные LFR системы.
Ещё линзы Френеля используют:
в инфракрасных системах обнаружения, таких как охранная сигнализация или сканеры штрих-кодов;
в процессах, связанных с проекцией изображений;
в фото и видеокамерах, где требуется компактность — например, Nikon представил самый легкий в мире объектив;
В общем, изобретение Жана Огюстена Френеля пошло намного дальше, чем задумывалось изначально — являться частью системы освещения маяка. Но звание «изобретения, спасшего миллион кораблей», как написала о линзе Френеля в своей статье BBC, тоже дорогого стоит.
Описание и применение принципа Гюйгенса — Френеля
С давних времён люди заметили отклонение световых лучей при нахождении какого-то препятствия перед ними. Можно обратить внимание на то, как сильно искажается свет при попадании в воду: луч «ломается» из-за так называемого эффекта дифракции света. Дифракцией света называется огибание или искажение света из-за различных факторов вблизи.
- Принцип Гюйгенса
- Принцип Гюйгенса — Френеля
- Метод зон Френеля
Принцип Гюйгенса
Работу подобного явления описал Христиан Гюйгенс. После определённого количества проведённых экспериментов со световыми волнами на водной поверхности, он предложил науке новое объяснение такого феномена и дал ему название волновой фронт. Таким образом, Христиан дал возможность понять, как будет вести себя луч света при попадании на какую-то поверхность другого типа.
Его принцип звучит следующим образом:
Точки поверхности, заметные в определённый момент времени, могут быть причиной для вторичных элементов. Площадь, которая прикасается ко всем вторичным волнам, считается волновой сферой в последующие отрезки времени.
Он объяснил, что все элементы следует рассматривать как начало сферических волн, которые имеют название как вторичные волны. Христиан заметил, что волновой фронт по своей сути является совокупностью этих точек касания, отсюда и выплывает весь его принцип. Кроме этого, вторичные элементы представляются сферической формы.
Стоит запомнить, что волновой фронт — это точки геометрического смысла, до которых доходят колебания к определённому моменту времени.
Вторичные элементы Гюйгенса представляются не как настоящие волны, а лишь дополнительные, имеющие форму сферы, используемые не для расчёта, а лишь приблизительного построения. Поэтому эти сферы вторичных элементов по своей сути имеют только огибающее действие, что позволяет образовываться новому волновому фронту. Этот принцип хорошо объясняет работу дифракции света, однако решает вопрос только направления фронта, а не объясняет, откуда появляется амплитуда, интенсивность волн, распыление волн и их обратное действие. Френель использовал принцип Гюйгенса для устранения этих недостатков и дополнения его работы физическим смыслом. Через некоторое время учёный представил свою работу, которая полностью подержалась научным сообществом.
Принцип Гюйгенса — Френеля
Ещё во времена Ньютона учёные-физики имели некоторое представление о работе дифракции света, но некоторые моменты оставались для них загадкой из-за небольших возможностей технологий и знаний об этом явлении. Так, описать дифракцию на основе корпускулярной теории света было невозможным.
Независимо друг от друга два учёных разрабатывали качественное объяснение этой теории. Французский физик Френель взялся за дополнение принципа Гюйгенса физическим смыслом, так как изначальная теория была представлена только с математической точки зрения. Таким образом, геометрический смысл оптики изменился с помощью трудов Френеля.
Изменения в принципе выглядели так — Френель физическими методами доказал, что вторичные волны интерферируют в точках наблюдения. Свет может быть замечен во всех участках пространства, где сила вторичных элементов умножается под действием интерференции: так, что если замечается затемнение, можно предположить, волны взаимодействуют и нейтрализуются под влиянием друг друга. В случае если вторичные волны попадают в площадь со схожими типами, состояниями и фазами, то замечается сильный всплеск света.
Таким образом, становится понятным, почему нет обратной волны. Так, когда вторичная волна возвращается обратно в пространство, они вступают во взаимодействие с прямой волной и путём взаимного погашения пространство оказывается спокойным.
Метод зон Френеля
Принцип Гюйгенса — Френеля даёт чёткое представление о возможном распространении света. Применения вышеописанных методов стало называться метод зон Френеля, что позволяет использовать новые и неординарные способы решения задач на нахождение амплитуды. Так, он заменил интегрирование суммированием, что очень положительно приняли в научном сообществе.
На вопросы как работают некоторые важные физические элементы, например, как дифракция света, принцип Гюйгенса — Френеля даёт чёткие ответы. Решение задач стало возможным только благодаря подробному описанию работы этого явления.
Вычисления, представленные Френелем и его методом зон, сами по себе являются трудной работой, однако выведенная учёным формула немного облегчает этот процесс, давая возможность найти точное значение амплитуды. Ранний принцип Гюйгенса не был способен на это.
Необходимо обнаружить на площади точку колебания, которая впоследствии может служить важным элементом в формуле. Площадь будет представлена в виде сферы, так что по методу зон можно разбить её на кольцевые участки, которые позволяют с точностью определить расстояния от краёв каждой зоны. Проходящие по этим зонам точки имеют разное колебание, соответственно, и возникает разница в амплитуде. В случае монотонного убывания амплитуды, можно представить несколько формул:
- А рез = А 1 A 2 + A 3 – A 4 +…
- А 1 >, A 2 >, A 3 >, A m >,…>, A ∞
Следует помнить, что довольно большое количество других физических элементов влияют на решение задачи подобного типа, которые тоже нужно искать и учитывать.