Номер 2, страница 111, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

2. Понаблюдайте дифракцию на поверхности воды и объясните увиденное.

Наблюдение дифракции на поверхности воды и объяснение этого явления можно разбить на две части: описание самого эксперимента и физическое обоснование наблюдаемых эффектов.

Как наблюдать дифракцию на воде

Для наблюдения этого явления в домашних условиях потребуется неглубокая ёмкость с водой (например, поднос, большая тарелка или кювета) и источник света для лучшей визуализации волн (например, лампа от телефона).

1. Создание волн. Аккуратно коснитесь поверхности воды пальцем или кончиком карандаша. От точки касания начнут расходиться круговые волны. Для создания плоских волн можно использовать линейку, периодически опуская и поднимая её в воду.

2. Создание препятствий. Поместите на пути волн одно или несколько препятствий. Например, можно поставить два карандаша параллельно друг другу на небольшом расстоянии, чтобы образовалась щель.

Что мы увидим (наблюдение)

Когда волны, распространяющиеся по поверхности воды, достигают препятствия, можно заметить, что они не просто останавливаются или отражаются, создавая за препятствием область спокойной воды («тень»). Вместо этого происходит следующее:

- Огибание препятствия: Волны изгибаются и огибают края препятствия, проникая в область «геометрической тени». Если препятствие небольшое, то волны за ним смыкаются и продолжают свое движение, как будто препятствия почти не было.

- Прохождение через щель: Если волны проходят через узкую щель, то после прохождения они не движутся дальше узким пучком. Вместо этого щель сама становится источником новых, уже полукруговых волн, которые распространяются во все стороны за ней. Этот эффект распространения волн после прохождения через узкое отверстие и есть дифракция.

Важно отметить, что явление дифракции наиболее заметно, когда размер препятствия или ширина щели ($\text{d}$) сопоставимы с длиной волны ($\lambda$) или меньше неё. Если щель будет очень широкой по сравнению с длиной волны, то эффект огибания будет наблюдаться только у самых краев, а основная часть волны пройдет прямо.

Объяснение увиденного

Наблюдаемые явления объясняются с помощью принципа Гюйгенса-Френеля. Этот фундаментальный принцип волновой оптики (и теории волн в целом) гласит:

Каждая точка, до которой доходит волновой фронт, становится источником вторичных сферических волн, а результирующее поле волны в последующие моменты времени определяется суперпозицией (сложением) этих вторичных волн.

Применительно к нашему опыту:

1. Когда фронт волны на воде достигает препятствия, его часть блокируется. Однако точки на краю препятствия, до которых дошла волна, согласно принципу Гюйгенса, сами становятся источниками вторичных волн. Эти вторичные волны распространяются во все стороны, в том числе и в область за препятствием («тень»). В результате сложения этих волн и происходит огибание препятствия.

2. Когда волна проходит через узкую щель, все точки волнового фронта, оказавшиеся в этой щели, становятся источниками когерентных вторичных волн. Если щель узкая, то она ведет себя как один линейный источник, излучающий цилиндрические волны (полукруговые на плоскости воды). Именно поэтому за щелью мы видим распространение волн во все стороны, а не прямолинейный пучок.

Условие, при котором дифракция проявляется наиболее ярко, имеет вид: $d \le \lambda$ где $\text{d}$ — размер препятствия или отверстия, а $\lambda$ — длина волны. Это объясняет, почему мы слышим звук из-за угла (длина звуковой волны велика, и она легко дифрагирует на предметах вроде зданий), но не можем видеть за угол (длина световой волны чрезвычайно мала, и для ее заметной дифракции нужны микроскопические препятствия).

Ответ: Дифракция на поверхности воды — это явление огибания волнами препятствий и их распространения в область геометрической тени. Наблюдать ее можно, создав на поверхности воды волны и направив их на препятствие или узкую щель. Объясняется это явление принципом Гюйгенса-Френеля, согласно которому каждая точка фронта волны является источником вторичных волн. При встрече с препятствием эти вторичные волны от краев препятствия или из щели распространяются во все стороны, в том числе и в область за препятствием, что и воспринимается как "изгиб" волны. Эффект наиболее заметен, когда размер препятствия сопоставим с длиной волны.