Демонстрация особенностей излучения от нескольких точечных источников с помощью муаровых структур

Демонстрация особенностей излучения от нескольких точечных источников с помощью муаровых структур

, ,

Нижегородский государственный университет им. ,
Нижний Новгород

Изучение явления интерференции, которое в школе рассматривается в основном применительно к оптике, играет важную роль для понимания более сложных разделов волновой физики, например, связанных с дифракцией волн, формированием направленного излучения сложными излучателями и т. д.

Известно, что формирование физических понятий, полезно начинать с демонстрации опытов. Для наглядного представления интерференции сферических волн можно использовать так называемые муаровые структуры, получающиеся при наложении круговых концентрических решеток, имитирующих процесс распространения волны от точечного источника [1]. В литературе описаны муаровые картины, изображающие  суперпозицию волн от двух источников, расположенных друг от друга на значительном по сравнению с длинной волны расстоянии [1, 2], что представляется совершенно естественным, поскольку в оптике, как правило, такая ситуация с источниками когерентного света и реализовывается. С другой стороны, широкое распространение радиосвязи (в частности мобильной), использование в радиолокации фазированных антенных решеток, ставит вопрос о более раннем знакомстве учащихся с физическими основами антенной техники. В частности, оставаясь в рамках школьной программы, и, пользуясь понятием интерференции волн от нескольких точечных источников, расположенных друг от друга на малых (относительно длины волны) расстояниях, можно пояснить, почему решетка из нескольких ненаправленных источников волн в некоторых направлениях излучает, а в некоторых нет. Другими словами, при изучении явления интерференции, учащийся может получить начальные сведения о диаграмме направленности антенн.

Предлагается несложное устройство, позволяющее демонстрировать процесс интерференции волн от четырёх синфазных источников с помощью вышеупомянутых муаровых структур (рис. 1). На планшете из оргстекла закреплён прозрачный транспарант с изображением круговой решётки, на который наложены три транспаранта с идентичными изображениями, перемещающиеся вдоль направляющих стержневыми толкателями. Толкатели закреплены на вращающейся линейке на разных расстояниях от оси её вращения. При повороте линейки транспаранты с круговыми решетками смещаются на расстояния, пропорциональные расстоянию толкателя до оси вращения линейки. Вследствие этого мы можем смоделировать картину поля излучения, получаемую при интерференции волн от четырех точечных источников, расположенных вдоль одной прямой на равных расстояниях друг от друга, которые можно менять, поворачивая линейку с толкателями. В качестве иллюстрации на рис. 2 показана муаровая картина, соответствующая расположению излучателей на расстоянии половины длины волны. Конструкция устройства позволяет оперативно демонстрировать «волновое поле» от суперпозиции двух и более источников. Картину муаровой

	а)	б)
Рис.1 Внешний вид устройства для демонстрации муаровых картин	Рис.2 Муаровая структура от наложения двух (а) и четырёх (б) решёток при сдвиге на Ѕ пространственного периода

структуры возможно наблюдать как в диапроекции, так и индивидуально учащимся, что полезно при проведении факультативных занятий.

Литература

Поль, , акустика, и учение о теплоте / . – М.: ГИТТЛ, 1957. – 484 с. Резников, оптика в средней школе / . - М.: Просвещение, 1971. – 263 с.