Номер 2, страница 94, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

2. Какое явление называется дифракцией? Как в воде можно наблюдать дифракцию волн? Как объяснить дифракцию волн на основе принципа Гюйгенса?

Какое явление называется дифракцией?

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых при распространении волн в среде с резкими неоднородностями и связанных с отклонением от законов геометрической оптики. Проще говоря, это способность волн огибать препятствия. Дифракция является универсальным волновым свойством и присуща любым волнам, независимо от их природы: звуковым, световым, волнам на поверхности жидкости и т.д. Явление дифракции проявляется наиболее отчетливо, когда размер препятствия или отверстия, через которое проходит волна, сопоставим с длиной волны или меньше нее. В этом случае волна проникает в область так называемой геометрической тени — область пространства за препятствием, куда волна не могла бы попасть, если бы распространялась строго прямолинейно.

Ответ: Дифракция — это явление огибания волнами препятствий, которое особенно заметно, когда размер препятствия сравним с длиной волны.

Как в воде можно наблюдать дифракцию волн?

Дифракцию волн на поверхности воды легко наблюдать в простом опыте. Для этого можно использовать любую емкость с водой (например, таз или ванну) или специальную волновую ванну.

1. Сначала нужно создать на поверхности воды регулярные волны. Лучше всего для этого подходят плоские волны, которые можно получить, ритмично опуская и поднимая длинный плоский предмет (например, линейку) на одном краю емкости. Расстояние между соседними гребнями волн будет их длиной волны ($\lambda$).

2. Затем на пути этих волн следует разместить препятствие. Это может быть либо непроницаемый барьер с узкой щелью, либо отдельный небольшой предмет (например, камень).

3. Наблюдая за волнами, прошедшими через щель, можно увидеть следующее: если щель достаточно узкая (ее ширина сравнима с длиной волны), то за ней волны будут распространяться не прямолинейным пучком, а расходиться в виде веера, проникая в область за краями барьера. Если же на пути волн стоит небольшое препятствие, то волны обогнут его с обеих сторон и снова сомкнутся за ним, заполняя область, которая должна была бы быть "спокойной". Это и есть наблюдаемое проявление дифракции.

Ответ: Чтобы наблюдать дифракцию в воде, нужно создать волны и направить их на препятствие (например, барьер с узкой щелью), размер которого сопоставим с длиной волны. За препятствием будет видно, как волны огибают его края и распространяются в область геометрической тени.

Как объяснить дифракцию волн на основе принципа Гюйгенса?

Принцип Гюйгенса является фундаментальным для объяснения волновых явлений, включая дифракцию. Он гласит: каждая точка, до которой доходит волновое возмущение (фронт волны), сама становится источником вторичных сферических волн, а огибающая этих вторичных волн в следующий момент времени дает положение нового фронта волны.

С помощью этого принципа дифракцию можно объяснить следующим образом. Когда плоская волна подходит к препятствию (например, к экрану со щелью), то часть волнового фронта этим препятствием поглощается или отражается. Точки волнового фронта, которые оказались в плоскости щели, согласно принципу Гюйгенса, становятся источниками вторичных волн.

• Если щель широкая по сравнению с длиной волны ($d >> \lambda$), то вторичные источники в центральной части щели порождают волны, которые, интерферируя, усиливают друг друга в направлении первоначального распространения и гасят друг друга в боковых направлениях. В результате за щелью формируется практически такой же плоский фронт. Лишь у самых краев щели вторичные волны могут распространяться в стороны, вызывая незначительное "размытие" границ тени.
• Если же щель узкая ($d \approx \lambda$), то в ней умещается лишь небольшое количество источников вторичных волн. У них нет "соседей", которые могли бы погасить боковое распространение. В результате эти вторичные волны распространяются во всех направлениях за щелью, в том числе и в область геометрической тени. Их интерференция создает сложную дифракционную картину. В предельном случае очень узкой щели ($d << \lambda$) она ведет себя как единственный точечный источник, излучающий круговые волны.

Таким образом, именно способность каждой точки волнового фронта порождать новые волны, распространяющиеся во все стороны, и объясняет, почему волны могут огибать препятствия.

Ответ: Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка фронта волны в отверстии становится источником вторичных волн. Эти вторичные волны распространяются во все стороны, в том числе в область за препятствием (геометрическую тень), что и приводит к огибанию волной этого препятствия.