Η αρχή της διάθλασης του Huygens

Η αρχή της ανάλυσης κύματος του Huygen σας βοηθά να καταλάβετε το κινήσεις των κυμάτων γύρω από αντικείμενα. Η συμπεριφορά των κυμάτων μπορεί μερικές φορές να είναι αντιληπτή. Είναι εύκολο να σκεφτούμε τα κύματα σαν να κινούνται σε ευθεία γραμμή, αλλά έχουμε καλά αποδεικτικά στοιχεία ότι αυτό συχνά δεν είναι απλά αλήθεια.

Για παράδειγμα, αν κάποιος φωνάζει, ο ήχος εξαπλώνεται προς όλες τις κατευθύνσεις από αυτό το άτομο. Αλλά αν είναι σε μια κουζίνα με μόνο μία πόρτα και φωνάζουν, το κύμα που κατευθύνεται προς την πόρτα στην τραπεζαρία περνά μέσα από την πόρτα, αλλά ο υπόλοιπος ήχος χτυπά στον τοίχο. Αν η τραπεζαρία είναι σε σχήμα L και κάποιος βρίσκεται σε ένα σαλόνι που βρίσκεται γύρω από μια γωνία και μέσω μιας άλλης πόρτας, θα ακούσει ακόμα την κραυγή. Εάν ο ήχος κινείται σε ευθεία γραμμή από το πρόσωπο που φώναξε, αυτό θα ήταν αδύνατο επειδή δεν υπήρχε τρόπος για να ακουστεί ο ήχος γύρω από τη γωνία.

Η ερώτηση αυτή εξετάστηκε από τον Christiaan Huygens (1629-1695), ένας άνθρωπος που ήταν επίσης γνωστός για τη δημιουργία μερικών

Η αρχή της κυματικής ανάλυσης του Huygens αναφέρει βασικά ότι:

Κάθε σημείο ενός εμπρόσθιου κύματος μπορεί να θεωρηθεί ως η πηγή των δευτερογενών κυματοειδών που διασκορπίζονται σε όλες τις κατευθύνσεις με ταχύτητα ίση με την ταχύτητα διάδοσης των κυμάτων.

Αυτό σημαίνει ότι όταν έχετε ένα κύμα, μπορείτε να δείτε την "άκρη" του κύματος, καθώς δημιουργείτε μια σειρά κυκλικών κυμάτων. Αυτά τα κύματα συνδυάζονται στις περισσότερες περιπτώσεις για να συνεχίσουν τη διάδοση, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις, υπάρχουν σημαντικά παρατηρήσιμα αποτελέσματα. Το κύμα μπορεί να θεωρηθεί ως η γραμμή εφαπτομένος σε όλα αυτά τα κυκλικά κύματα.

Αυτά τα αποτελέσματα μπορούν να ληφθούν ξεχωριστά από τις εξισώσεις του Maxwell, αν και η αρχή του Huygens (που ήρθε πρώτη) είναι ένα χρήσιμο μοντέλο και είναι συχνά βολικό για υπολογισμούς των φαινομένων κύματος. Είναι ενδιαφέρον ότι η δουλειά του Huygens προηγήθηκε του έργου του James Clerk Maxwell με περίπου δύο αιώνες, και παρ 'όλα αυτά φαινόταν να το προβλέψει, χωρίς τη στερεά θεωρητική βάση που προσέφερε ο Maxwell. Ο νόμος του Ampere και Ο νόμος του Faraday προβλέπουν ότι κάθε σημείο ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δρα ως πηγή του συνεχιζόμενου κύματος, το οποίο είναι απόλυτα σύμφωνο με την ανάλυση του Huygens.

Όταν το φως περνά μέσα από ένα άνοιγμα (ένα άνοιγμα μέσα σε ένα φράγμα), κάθε σημείο του φωτός κύματος μέσα στο διάφραγμα μπορεί να θεωρηθεί ότι δημιουργεί ένα κυκλικό κύμα που διαδίδεται προς τα έξω από το άνοιγμα.

Επομένως, το διάφραγμα αντιμετωπίζεται ως δημιουργία μιας νέας πηγής κύματος, η οποία διαδίδεται με τη μορφή κυκλικής κυματομορφής. Το κέντρο του κύματος έχει μεγαλύτερη ένταση, με εξασθένιση της έντασης καθώς προσεγγίζονται οι άκρες. Εξηγεί το περίθλαση και γιατί το φως μέσα από ένα άνοιγμα δεν δημιουργεί μια τέλεια εικόνα του ανοίγματος σε μια οθόνη. Οι άκρες "εξαπλώνονται" βάσει αυτής της αρχής.

Ένα παράδειγμα αυτής της αρχής στην εργασία είναι κοινό στην καθημερινή ζωή. Εάν κάποιος βρίσκεται σε ένα άλλο δωμάτιο και καλεί προς εσάς, ο ήχος φαίνεται να έρχεται από την πόρτα (εκτός αν έχετε πολύ λεπτούς τοίχους).

Οι νόμοι του αντανάκλαση και η διάθλαση μπορούν να προέρχονται και από την αρχή του Huygens. Τα σημεία κατά μήκος της επιφάνειας του κύματος αντιμετωπίζονται ως πηγές κατά μήκος της επιφάνειας του διαθλαστικού μέσου, οπότε το συνολικό κύμα κύματος βασίζεται στο νέο μέσο.

Το αποτέλεσμα τόσο της αντανάκλασης όσο και της διάθλασης είναι η αλλαγή της κατεύθυνσης των ανεξάρτητων κυμάτων που εκπέμπονται από τις σημειακές πηγές. Τα αποτελέσματα των αυστηρών υπολογισμών είναι πανομοιότυπα με αυτά που λαμβάνονται από τη γεωμετρική οπτική του Newton (όπως ο νόμος του Snell διάθλαση), η οποία προέκυψε σύμφωνα με την αρχή του σωματιδίου του φωτός - αν και η μέθοδος του Newton είναι λιγότερο κομψή στην εξήγησή του περίθλαση.

Επεξεργάστηκε από Anne Marie Helmenstine, Ph. D.