§ 4.19. Дифракция волн

Рассматривая отражение волн, мы предполагали, что отражающая поверхность очень велика. Однако очень часто волна встречает на своем пути небольшие (по сравнению с длиной волны) препятствия. Соотношение между длиной волны и размером препятствий определяет в основном поведение волны.

Волны способны огибать препятствия.

Волны способны огибать препятствия. Так, морские волны свободно огибают выступающий из воды камень, если его размеры меньше длины волны или сравнимы с ней. За камнем волны распространяются так, как если бы его не было совсем (маленькие камни на рисунке 4.43). Точно так же волна от брошенного в пруд камня огибает торчащий из воды прутик. Только за препятствием большого по сравнению с длиной волны размера (большой камень на рисунке 4.43) образуется «тень»: волны за препятствие не проникают.

Способностью огибать препятствия обладают и звуковые волны. Вы можете слышать сигнал машины за углом дома, когда самой машины не видно. В лесу деревья заслоняют ваших товарищей. Чтобы их не потерять, вы начинаете кричать. Звуковые волны, в отличие от света, свободно огибают стволы деревьев и доносят ваш голос до товарищей.

Отклонение от прямолинейного распространения волн, огибание волнами препятствий называется дифракцией*.

* От латинского слова diffractus — разломанный.

Дифракция присуща любому волновому процессу в той же мере, как и интерференция.

Явление дифракции волн на поверхности воды можно наблюдать, если поставить на пути волн экран с узкой щелью, размеры которой меньше длины волны (рис. 4.44). Хорошо будет видно, что за экраном распространяется круговая волна, как если бы в отверстии экрана располагалось колеблющееся тело — источник волн. Согласно принципу Гюйгенса так и должно быть. Вторичные источники в узкой щели располагаются столь близко друг к другу, что их можно рассматривать как один точечный источник.

Если размеры щели велики по сравнению с длиной волны, то картина распространения волн за экраном совершенно иная (рис. 4.45). Волна проходит сквозь щель, почти не меняя своей формы. Только по краям можно заметить небольшие искривления волновой поверхности, благодаря которым волна частично проникает и в пространство за экраном.

Принцип Гюйгенса в его первоначальной формулировке позволяет понять, почему происходит дифракция. Вторичные волны, испускаемые участками среды, проникают за края препятствия, расположенного на пути распространения волны. Однако, исходя из приведенной выше формулировки принципа Гюйгенса, нельзя было объяснить дифракцию во всех деталях. Этот принцип нуждался в уточнении, которое и было сделано французским ученым О. Френелем в начале XIX в. Согласно идее Френеля волновая поверхность в любой момент времени представляет собой не просто огибающую вторичных волн, а результат их интерференции. О применении принципа Гюйгенса—Френеля будет рассказано в разделе «Оптика».

1. Почему интерференционная картина (см. рис. 4.37) отчетливо видна только вблизи прямой, проходящей посередине между источниками?

2. Почему в закрытых помещениях звук кажется громче, чем на открытом воздухе?

3. Почему слышны раскаты грома?

4. При взрыве, произведенном недалеко от дома, стекла окон разбиваются не только со стороны, обращенной к взрыву, но и с противоположной стороны. Почему?