Длина волны - фундаментальная характеристика любых волновых процессов. Знание о том, как определяется это понятие и в каких единицах оно выражается, крайне важно во многих областях науки и техники.
Определение длины волны
Длина волны - это расстояние между двумя соседними точками среды, колеблющимися с одинаковой фазой. Иными словами, это протяженность одного полного колебания в пространстве.
Различают длину механической и электромагнитной волн. Для первых длина волны определяется как расстояние между двумя ближайшими точками в упругой среде, колеблющимися в одной фазе. Для вторых - как расстояние, на котором фаза волны вдоль направления распространения меняется на 2π.
Длина волны обозначается греческой буквой λ (лямбда) и измеряется в метрах.
На практике длину конкретной волны находят по формулам, связывающим ее с другими характеристиками:
- для механической волны: λ = TV, где T - период колебаний, V - скорость волны; λ = V/v, где v - частота колебаний.
- для электромагнитной волны: в вакууме: λ = c/f, где c - скорость света, f - частота; в веществе: λ = c/(nf), где n - показатель преломления среды.
Таким образом, на длину волны влияют такие параметры, как период и частота колебаний, скорость распространения волны, а также свойства среды.
Единицы измерения длины волны
В СИ длина волны измеряется в метрах. Часто используются производные единицы:
| километр | 103 м |
| сантиметр | 10-2 м |
| миллиметр | 10-3 м |
| микрометр | 10-6 м |
| нанометр | 10-9 м |
В чем измеряется длина волны света? Ответ: в нанометрах. Например, длина волны зеленого света около 500 нм.
Кроме метрической системы длину волны могут выражать в дюймах, микронах, ангстремах (1 ангстрем = 0,1 нм) и некоторых других единицах.
Зависимость свойств волн от их длины
Длина волны, в чем измеряется определяет самые разные характеристики волновых процессов. В частности, от длины волны зависят:
- Механизм распространения волн
- Степень проявления дифракции и интерференции
- Особенности отражения и преломления
- Длина волны влияет на габариты устройств генерации и приема волн
Подробно рассмотрим некоторые из этих аспектов.
Во-первых, для волн разной длины могут быть характерны совершенно разные механизмы распространения. К примеру, радиоволны дециметрового диапазона способны огибать препятствия, тогда как волны миллиметрового диапазона распространяются только по прямой.
Во-вторых, явления дифракции и интерференции тем сильнее проявляются, чем меньше длина волны. Поэтому для волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазона эти эффекты весьма заметны.
В-третьих, длина волны определяет законы отражения и преломления, а также отражательную способность объектов. Для длинноволнового излучения (в радиодиапазоне) многие объекты практически прозрачны.
Наконец, "длина волны в чем измеряется" напрямую связана с габаритами устройств генерации и приема волн. Как правило, их размеры сравнимы с длиной волны или превышают ее.
Так, для сантиметровых волн нужны антенны размером около 10 см, а для дециметровых - порядка 1 дм. При этом антенна метрового диапазона может достигать 1-10 м.
Применение знаний о длине волны
Понимание того, в чем измеряется длина волны, имеет большое практическое значение в различных областях.
Радиотехника и оптика
В радиотехнике диапазоны радиоволн классифицируют именно по длине волн: дециметровые, метровые, километровые и т.д. Это определяет выбор типа антенн, особенности распространения сигналов и многое другое.
В оптике длины волн излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового света также строго регламентированы. От этого зависят свойства линз, интерференционных фильтров, дифракционных решеток.
Спектральный анализ
Методы спектрального анализа основаны на зависимости длины волны испускаемого или поглощаемого света от состава вещества. Так, по спектру поглощения или излучения можно точно определить химический состав образца.
Другие области применения
Ответ на вопрос "В чем измеряется длина звуковой волны?" используется, в частности, в акустике при расчете параметров излучателей и приемников звука, оценке эффектов отражения, реверберации и интерференции звуковых волн в помещении.
Важна длина волны и в таких областях, как радиолокация, гидроакустика, биофизика, сейсмология, не говоря уже о квантовой физике.
Интересные факты о длине волны
Существуют волны с экстремальными значениями длины - как очень большими, так и очень маленькими.
Рекордные волны
Самую большую длину имеют гравитационные волны - колебания пространства-времени. Оценки дают значения порядка 150 млн км!
С другой стороны, рекордно короткие длины волн у рентгеновского и гамма-излучения - порядка 0,01 нм.
Удивительные эффекты
Явление дифракции для волн с очень маленькой длиной приводит к удивительным результатам. Так, электроны и даже относительно крупные молекулы могут проявлять волновые свойства!
Волновая природа элементарных частиц
Согласно квантовой механике, все микрообъекты обладают одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Их длина волны вычисляется по формуле де Бройля:
Где h - постоянная Планка, p - импульс частицы. Оказывается, что длина волны электрона с энергией 20 кэВ составляет всего 0,05 нм! Это приводит к удивительным проявлениям дифракции.
Дифракция электронов
Явление дифракции электронов на кристаллических решетках широко используется в электронной микроскопии для исследования структуры веществ с очень высоким разрешением.
Дифракция молекул и атомов
При определенных условиях дифрагируют даже относительно крупные молекулы, состоящие из сотен атомов! Это позволяет изучать их пространственную структуру.
Кроме того, наблюдалась дифракция пучков атомов инертных газов и даже водорода на специально созданных микроструктурах.
Применение явления дифракции
Уникальные свойства волн микрочастиц с очень малой длиной активно применяются на практике. Например, для создания сверхточных гироскопов, а также в интерферометрии и голографии.
