파동 간섭: 건설적 및 파괴적 (예제 포함)

때때로 파동이 매체를 통과 할 때 다른 파동을 만나고 동일한 매체를 통과합니다. 이 파도가 충돌하면 어떻게됩니까? 파도는 비교적 직관적이고 계산하기 쉬운 방식으로 결합됩니다. 뿐만 아니라 유용한 응용 프로그램도 많이 있습니다.파동 간섭실험실과 일상 생활 모두에서.

파동의 조합이 주어진 시점에서 매체의 주어진 지점에 대해 무엇을 할 것인지 알기 위해, 단순히 그들이 독립적으로 할 일을 추가하면됩니다. 이것은중첩 원리​.

예를 들어 동일한 그래프에 두 파동을 플로팅하는 경우 각 지점에서 개별 진폭을 추가하여 결과 파동을 결정합니다. 때로는 결과 진폭이 그 지점에서 더 큰 결합 크기를 가지며 때로는 파도의 효과가 부분적으로 또는 완전히 서로 상쇄됩니다.

파도 A가 오른쪽으로 이동하고 파도 B가 왼쪽으로 이동한다고 상상해보십시오. 파동 A의 상향 변위가 2 단위 인 반면 파동 B의 공간에서 특정 지점을 보면 1 단위의 하향 변위, 결과 파동은 1 단위의 상향 변위를 갖습니다. 2-1 = 1.

에건설적인 간섭, 매체의 변위는 두 파동에 대해 동일한 방향이어야합니다. 그들은 함께 결합하여 두 파동보다 진폭이 큰 단일 파동을 개별적으로 만듭니다. 완벽하게 건설적인 간섭을 받으려면 파동이 위상이 같아야합니다. 즉, 피크와 밸리가 완벽하게 정렬되고주기가 동일해야합니다.

에 대한파괴적인 간섭, 한 파동에 대한 매체의 변위는 다른 파동과 반대 방향입니다. 결과 파동의 진폭은 더 큰 진폭을 가진 파동의 진폭보다 작습니다.

완벽한 파괴 간섭 (파동이 서로 상쇄되어 진폭이 0이되도록하는 경우)의 경우 파동은 정확히 위상이 맞지 않음 – 한 쪽의 정점이 다른 쪽의 계곡과 완벽하게 일치 함을 의미하며 동일한 기간을 가짐과진폭. (진폭이 동일하지 않으면 파동이 정확히 0으로 상쇄되지 않습니다.)

파괴적인 간섭은 파동을 멈추지 않습니다. 특정 위치의 진폭을 0으로 만듭니다. 간섭은 파동이 서로 통과 할 때 발생하는 현상입니다. 파동이 더 이상 상호 작용하지 않으면 원래 진폭으로 돌아갑니다.

웨이브는 이동하는 매체가 다른 매체로 변경 될 때마다 표면과 고정 된 지점에서 반사 될 수 있습니다.

현이 한쪽에 고정되어있는 경우 해당 고정 점에 도달하는 현을 따라 이동하는 모든 파동은 "거꾸로"반사되거나 원래 파동의 반대 버전으로 반사됩니다. 현이 한쪽에서 자유롭다면, 현을 따라 이동하는 파동이 끝을 치면 오른쪽 위로 반사됩니다. 끈이 다른 밀도의 다른 끈에 묶인 경우 파도가 해당 연결 부분에 닿으면 반영되고 (줄 끝이 고정 된 것처럼) 일부가 계속됩니다.

물이나 공기의 파도가 표면에 부딪히면 그 표면에서 부딪친 것과 같은 각도로 반사됩니다. 이것을 입사각이라고합니다.

반사파는 종종 자신을 간섭 할 수 있으며, 특수한 상황에서는 정상파라고하는 특별한 종류의 파동을 생성 할 수 있습니다.

한쪽 또는 양쪽 끝이 고정 된 문자열을 상상해보십시오. 고정 된 끝을 치는이 줄을 따라 이동하는 파동은 그 끝에서 반사되어 반대 방향으로 이동하여 그것을 생성 한 원래 파동을 방해합니다.

이 간섭은 스트링의 길이가 파동 파장의 절반의 배수가 아니라면 반드시 완벽하게 구성 적이거나 파괴적인 것은 아닙니다.

[기본 / 고조파 정상 주파수 이미지]

이것은 정재파 패턴을 만듭니다. 즉, 원래의 나가는 파동이 반대 방향으로 이동할 때 반사파를 방해합니다. 반대 방향으로가는 파도는 더 이상 움직이는 것처럼 보이지 않도록 서로 간섭합니다. 대신 문자열의 섹션이 단순히 위아래로 이동하는 것처럼 보입니다. 예를 들어 기타 현이 뽑힐 때 발생합니다.

고정 된 것처럼 보이는 문자열의 포인트를 호출합니다.노드. 각 노드 쌍 사이의 중간 지점은 최대 진폭에 도달하는 스트링의 한 지점입니다. 이 포인트는안티 노드​.

그만큼기본 주파수, 또는1 차 고조파, 스트링의 길이가 웨이브 파장의 절반 일 때 발생합니다. 그러면 정상파는 위아래로 진동하는 단일 파동 피크처럼 보입니다. 하나의 안티 노드와 문자열의 각 끝에 하나의 노드가 있습니다.

파동의 파장과 동일한 스트링 길이를 가진 정상파를 2 차 고조파라고합니다. 두 개의 안티 노드와 세 개의 노드가 있으며, 두 개의 노드가 끝에 있고 하나의 노드가 중앙에 있습니다. 고조파는 악기가 음악을 만드는 방법에 매우 중요합니다.

소음 제거 헤드폰은 음파의 파괴적인 간섭 원리로 작동합니다. 헤드폰의 마이크는 주변의 낮은 수준의 소음을 감지하고 헤드폰은 주변 소음을 파괴적으로 방해하는 음파를 귀로 방출합니다. 이렇게하면 주변 소음이 완전히 제거되어 시끄러운 환경에서 음악과 팟 캐스트를 훨씬 더 명확하게들을 수 있습니다.

자동차의 머플러는 더 기계적인 방식이지만 비슷하게 작동합니다. 머플러의 챔버 크기는 엔진 소음이 머플러에 들어가면 자체 반사 소음을 파괴적으로 방해하여 차량을 더 조용하게 만들도록 정밀하게 설계되었습니다.

전자 레인지에서 방출되는 전자 레인지 빛도 간섭을받습니다. 전자 레인지 내부에는 오븐 내부로 방출 된 광파가 건설적이고 파괴적으로 간섭하여 음식을 어느 정도 가열하는 위치가 있습니다. 그렇기 때문에 대부분의 전자 레인지에는 내부에 회전판이 있습니다. 음식이 어떤 곳에서는 완전히 얼고 다른 곳에서는 끓는 것을 막기 위해. (완벽한 해결책은 아니지만 가만히있는 음식보다 낫습니다!)

파동 간섭은 콘서트 홀과 강당을 설계 할 때 매우 중요한 고려 사항입니다. 이 방에는 무대에서 나오는 소리가 방의 표면에서 반사되어 청중의 특정 위치에서 파괴적으로 간섭하는 "데드 스팟"이있을 수 있습니다. 이것은 벽과 천장에 흡음 및 흡음 재료를주의 깊게 배치하여 방지 할 수 있습니다. 일부 콘서트 홀에는이 지점을 겨냥한 스피커가있어 거기에 앉아있는 청중이 제대로들을 수 있습니다.

다른 파동과 마찬가지로 광파는 서로 간섭 할 수 있으며 장벽이나 개구부 주위에서 회절하거나 구부릴 수 있습니다. 파동은 개구부의 크기가 파동의 파장에 가까울 때 더 많이 회절합니다. 이 회절은 간섭 패턴을 유발합니다. 즉 파동이 더해지는 영역과 파동이 서로 상쇄되는 영역입니다.

단일 수평 슬릿을 통과하는 빛의 예를 들어 보겠습니다. 슬릿의 중심에서 벽까지 직선을 상상한다면, 그 선이 벽에 닿는 곳은 건설적인 간섭의 밝은 지점이어야합니다.

슬릿을 통과하는 빛을 모두 바깥쪽으로 방사하는 여러 점 광원의 선으로 모델링 할 수 있습니다. 슬릿의 왼쪽과 오른쪽에있는 광원에서 나오는 빛은 벽의이 특정 지점에 도달하기 위해 동일한 거리를 이동하므로 위상이 같고 건설적으로 간섭합니다. 왼쪽에있는 다음 지점과 오른쪽에있는 다음 지점도 건설적으로 간섭하는 식으로 중앙에 밝은 최대 값을 만듭니다.

파괴적인 간섭이 발생하는 첫 번째 지점은 다음과 같이 결정할 수 있습니다. 슬릿의 왼쪽 끝 지점 (A 지점)과 중간 지점 (B 지점)에서 오는 지점입니다. 각 소스에서 벽까지의 경로 차이가 1 / 2λ, 3 / 2λ 등으로 다르면 파괴적으로 간섭합니다.

왼쪽에있는 다음 지점과 가운데 오른쪽에있는 다음 지점을 선택하면 경로 길이 차이가 이 두 소스 지점과 처음 두 지점 사이는 거의 동일하므로 파괴적으로 방해합니다.

이 패턴은 나머지 모든 점 쌍에 대해 반복됩니다. 즉, A 지점과 B 지점에서 빛이 들어오는 경우 벽의 특정 지점에서 간섭이 발생하면 슬릿을 통해 들어오는 모든 빛이 해당 지점에서 간섭을 경험합니다. 같은 자리.

이중 슬릿 실험에서 거리 a로 분리 된 두 개의 작은 슬릿을 통해 빛을 통과시켜 약간 다른 회절 패턴을 얻을 수도 있습니다. 여기서 우리는 두 슬릿에서 나오는 빛의 경로 길이 차이가 파장 λ의 배수 일 때마다 벽에 생성 간섭 (밝은 점)을 볼 수 있습니다.

과학자들은 간섭계를 사용하여 매일 파동 간섭을 사용하여 흥미로운 발견을합니다. 간섭계는 광파의 간섭을 사용하여 측정하고 실험을 수행하는 과학적 도구입니다.

기본 간섭계는 레이저 빔을 가져와 두 개의 빔으로 분할합니다. 하나의 빔은 과학자들이 대답하려는 질문에 따라 매우 다른 일을하거나 다른 일을합니다. 그런 다음 광선이 재결합되지만 그들이 겪었던 다른 경험이 그들을 변화 시켰을 것입니다. 과학자들은 중력파의 본질과 같은 과학적 질문을 조사하기 위해 현재 다른 두 레이저 빔의 간섭을 조사 할 수 있습니다.

레이저 간섭계 중력파 관측소 (LIGO)는 분할 된 레이저 빔을 4km (2.5 마일) 떨어진 곳에서 뒤로 보내는 거대한 간섭계입니다.

분할 빔은 직각이므로 중력파가 간섭계를 통과하면 각 빔에 다르게 영향을 미칩니다. 이것은 그들이 재결합 될 때 서로 간섭 할 것이라는 것을 의미하며 간섭 패턴은 물리학 자들에게 중력파의 원인에 대해 알려줍니다. 이것이 LIGO가 함께 충돌하는 블랙홀의 중력파를 감지 한 방법으로 2017 년 노벨상을 수상했습니다.