Huygensov princip uklona

Arne Nordmann / Wikimedia Commons / CCJ

Huygenovo načelo analize valov vam pomaga razumeti gibanja valov okoli predmetov. Vedenje valov je včasih lahko protislovno. Preprosto je razmišljati o valovih, kot da se le premikajo v ravni črti, vendar imamo dobre dokaze, da to pogosto preprosto ni res.

Na primer, če nekdo kriči, se zvok razširi v vse smeri od te osebe. Toda če so v kuhinji z enimi vrati in kričijo, gre val, ki se usmeri proti vratom v jedilnico, skozi ta vrata, preostali zvok pa udari ob steno. Če je jedilnica v obliki črke L in je nekdo v dnevni sobi, ki je za vogalom in skozi druga vrata, bo še vedno slišal krik. Če bi se zvok premikal v ravni črti od osebe, ki je kričala, bi bilo to nemogoče, ker ne bi bilo možnosti, da bi se zvok premaknil za vogal.

S tem vprašanjem se je ukvarjal Christiaan Huygens (1629-1695), človek, ki je bil znan tudi po ustvarjanju nekaterih prve mehanske ure in njegovo delo na tem področju je vplivalo na Sir Isaac Newton ko je razvil svojo teorijo svetlobe delcev.

Opredelitev Huygensovega principa

Huygensovo načelo analize valov v bistvu pravi, da:

Vsako točko valovne fronte lahko štejemo za vir sekundarnih valov, ki se širijo v vse smeri s hitrostjo, ki je enaka hitrosti širjenja valov.

To pomeni, da ko imate val, si lahko ogledate 'rob' vala kot dejansko ustvarjanje niza krožnih valov. Ti valovi se v večini primerov združijo, da samo nadaljujejo širjenje, vendar so v nekaterih primerih pomembni opazni učinki. Valovno fronto lahko gledamo kot črto tangenta na vse te krožne valove.

Te rezultate je mogoče dobiti ločeno od Maxwellovih enačb, čeprav je Huygensov princip (ki je bil prvi) uporaben model in je pogosto primeren za izračune valovnih pojavov. Zanimivo je, da je Huygensovo delo pred tem James Clerk Maxwell za približno dve stoletji, pa vendar se je zdelo, da ga je predvideval, brez trdne teoretične osnove, ki jo je zagotovil Maxwell. Amperov zakon in Faradayev zakon napovedujejo, da vsaka točka v elektromagnetnem valovanju deluje kot vir neprekinjenega valovanja, kar je popolnoma v skladu s Huygensovo analizo.

Huygensov princip in uklon

Ko gre svetloba skozi odprtino (odprtina znotraj pregrade), lahko vsako točko svetlobnega vala znotraj odprtine vidimo kot ustvarjanje krožnega valovanja, ki se širi navzven od odprtine.

Zaslonka se torej obravnava kot ustvarjanje novega vira valov, ki se širi v obliki krožne valovne fronte. Središče valovne fronte ima večjo intenzivnost, z bledenjem intenzivnosti, ko se robovi približujejo. Pojasnjuje uklon in zakaj svetloba skozi odprtino ne ustvari popolne slike zaslonke na zaslonu. Po tem principu se robovi 'razširijo'.

Primer tega načela pri delu je pogost v vsakdanjem življenju. Če je nekdo v drugi sobi in kliče proti vam, se zdi, da zvok prihaja od vrat (razen če imate zelo tanke stene).

Huygensov princip in odboj/lom

Zakoni o refleksija in lom lahko oba izpeljemo iz Huygensovega načela. Točke vzdolž valovne fronte se obravnavajo kot viri vzdolž površine lomnega medija, na kateri točki se celotno valovanje upogne glede na nov medij.

Učinek odboja in loma je sprememba smeri neodvisnih valov, ki jih oddajajo točkasti viri. Rezultati strogih izračunov so identični tistim, ki jih dobimo iz Newtonove geometrijske optike (kot je Snellov zakon loma), ki je bil izpeljan na podlagi načela delcev svetlobe - čeprav je Newtonova metoda manj elegantna pri razlagi uklona.

UredilAnne Marie Helmenstine, dr.