Können zwei Wellen frontal interferieren?

Können zwei Wellen (wie Schall oder elektromagnetische Wellen) frontal interferieren? Wenn ja, und angenommen, sie sind zueinander phasenverschoben und interferieren somit destruktiv, wohin geht die Energie der Wellen?

Ja, aber es ist nur vorübergehend, Wellen tauchen nach der Kollision wieder auf, als ob sie gerade durcheinander gegangen wären. 2 Wasserwellen (eine nach oben und eine nach unten) zeigen beim Aufeinandertreffen eine ebene Linienoberfläche, die Energie wird vorübergehend in der Elastizität des Wassers gespeichert.
@PhysicsDave Ist Wasser so elastisch?
Wasser ist etwa 80 Mal komprimierbarer als Stahl, Wasserschläge sind ein weiteres Phänomen der Wasserelastizität.
@PhysicsDave Stimmt ... aber ich verstehe nicht, wie das bedeutet, wenn Wellen destruktiv interferieren, bedeutet dies, dass die Energie in der Elastizität des Wassers gespeichert wird.
Wellenbewegung ist ein sehr komplexes Thema und die Elastizität des Mediums ist eine grundlegende Voraussetzung für Wellen in Materie. Bei voller Interferenz ist die kinetische Energie null und wird vollständig in potentielle Energie umgewandelt, deren einzige Form im elastischen Potential möglich ist.
@PhysicsDave Hast du Referenzen? Ich bin mir nur nicht sicher, ob ich es kaufe.
Ein anderer Ansatz; Im LucasVB-GIF unten haben wir eine Welle, die sich von der auf der rechten Seite erzeugten Energie nach rechts bewegt, und wir haben eine Welle, die sich von der auf der linken Seite erzeugten Energie nach links bewegt, aber wir haben Punkte mit Nullgeschwindigkeit im Muster (rote Punkte). Wie wandert die Energie durch diese Punkte, wenn die Geschwindigkeit Null ist, muss potentiell sein. Das heißt, wenn Sie ein Beobachter in der Mitte eines Teiches an einem Nullpunkt (mit Scheuklappen) wären, würden Sie für sagen wir 10 Wellenimpulse, die sich von 2 Seiten nähern, nichts beobachten, aber die Energie ist in beide Richtungen durch den Punkt gegangen, an dem Sie nichts beobachtet haben !
Es gibt viele Hinweise auf Wellenbewegungen aufgrund von Elastizität in Google oder Wikipedia: "Mechanische Wellen können nur in Medien erzeugt werden, die Elastizität und Trägheit besitzen."
@PhysicsDave Ich sage nicht, dass Elastizität für Wellen nicht wichtig ist. Ich verstehe einfach nicht, wie destruktive Interferenz eine potenzielle Energiespeicherung erfordert. Das gif gibt es überhaupt keine Nettoenergieübertragung in irgendeine Richtung. Was die Referenzen betrifft, meinte ich eine Referenz, die zeigt, wie diese Energie vorübergehend in der Elastizität des Mediums gespeichert wird, wenn Wellen destruktiv interferieren. Wenn Sie möchten, dass ich Ihre Kommentare sehe, markieren Sie mich bitte.
@AaronStevens Bei Lichtwellen (EM) wissen wir, dass diese Wellen wie Wasserwellen durcheinander gehen, und wir haben nie eine Verletzung der Energieeinsparung. Wir könnten jedoch sagen, dass ein Elektron in einem Atom nicht angeregt wird, wenn es von 2 Photonen entgegengesetzter Phase geschnitten wird. Bei Materiewellen können wir für kurze Zeit eine vollständige Interferenz haben, alle kinetische Energie ist Null, obwohl ich zustimme, dass es bei den stehenden Wellen eine ständige Bewegung gibt, aber bei Wanderwellen ist dies nicht der Fall.
@PhysicsDave Ich glaube nicht, dass dies bei Materiewellen der Fall ist. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, dass das GIF Wellen an einer Schnur zeigt. Zu den Zeiten, an denen die schwarze Linie völlig flach ist, bedeutet dies nicht, dass keine kinetische Energie vorhanden ist. Jeder Teil der Saite, der sich nicht an einem Knoten befindet, hat immer noch eine kinetische Energie.
@AaronStevens Guter Punkt, aber wenn ich darüber nachdenke, gibt es selbst im GIF einen Punkt ohne kinetische Energie bei maximaler Amplitude. An diesem Punkt (z. B. Gitarrensaite) kehrt sich die Geschwindigkeit der Saite um, dh sie geht durch die Geschwindigkeit 0 und an diesem Punkt wird die gesamte Energie als Spannung in der Saite gespeichert. Für stehende Wasserwellen haben wir auch Potential in der Höhe.
@PhysicsDave Also sagst du das Gegenteil von dem, was du vorher gesagt hast
@AaronStevens Ich glaube, ich sage auch das Gegenteil von dem, was du vorher gesagt hast. Wanderwellen zeigen also Trägheit und Elastizität anders als stehende Wellen, aber beide können 100% der Energie elastisch speichern, wenn die kinetische Energie Null ist. (und bei Wasser haben wir neben der elastischen auch noch eine potentielle Energiekomponente).

Antworten (5)

Können zwei Wellen (wie Schall oder elektromagnetische Wellen) frontal interferieren?

Ja. Wenn sich Wellen in einer Überlagerung addieren, spricht man von Interferenz. Zwei aufeinander zulaufende Wellen haben Interferenz.

Angenommen, sie sind zueinander phasenverschoben und interferieren daher destruktiv, wohin geht die Energie der Wellen?

Es hängt davon ab, was Sie unter "destruktiv eingreifen" verstehen. Wenn Sie meinen, irgendwann ist die Amplitude 0 für alle Punkte im Raum, dann gibt es kein Problem. Die Wellengleichung ist eine Gleichung zweiter Ordnung , die Welle wird also nicht nur durch ihre Amplitude bestimmt. Ein einfaches Beispiel ist mit Wellen an einer Schnur zu sehen. Senden Sie einen Impuls nach rechts und einen weiteren entgegengesetzten Impuls nach links auf die Saite. Wenn sie sich treffen, ist die Amplitude der Überlagerung 0 an allen Punkten auf der Saite für diesen Zeitpunkt. Aber die verschiedenen Teile der Saite haben immer noch eine Geschwindigkeit , und daher bewegen sich die beiden Impulse dann aneinander vorbei. Es geht keine Energie verloren.

Wenn Sie stattdessen meinen, können wir zwei Wellen haben, die sich so annähern, dass für alle Zeiten größer als eine endliche Zeit die Überlagerung ist 0 , dann ist dies unmöglich? Dies setzt voraus, dass wir zwei Nicht-Null-Wellen mit einer Art Lokalisierung im Raum haben. Diese Wellen werden sich schließlich aneinander vorbeibewegen. Selbst wenn Sie eine kontinuierlich oszillierende Quelle hätten, könnten Sie nicht alles auslöschen. Natürlich ist Ihr Energiesparargument meiner Meinung nach auch ausreichend.

Betreff. "haben immer noch eine Geschwindigkeit, und daher bewegen sich die beiden Impulse dann aneinander vorbei. Es geht keine Energie verloren", während die Saitenverschiebung Null ist, wo ist die Energie gespeichert - im Impuls?
@ user45664 Es sind noch Teile der Saite in Bewegung. Dort ist die Energie. Sehen Sie sich Pieters Animation an.
@Aaron Stevens Ich dachte an zwei Impulse mit entgegengesetzter Polarität in zwei verschiedenen Richtungen, die sich einander nähern. Wo ist die Energie, wenn sie einander passieren und die Nettoverschiebung für einen Moment Null ist?
@ user45664 Teile der Zeichenfolge haben immer noch vertikale Geschwindigkeiten ... 0 Verschiebung bedeutet nicht, dass sich alle Teile der Saite nicht bewegen. Bitte schauen Sie sich die schwarze Linie in Pieters Animation an. Er ist für eine stehende Welle, aber Sie können immer noch sehen, wie dies geschieht.
Was passiert, wenn sich die beiden phasenverschobenen Wellen nicht in entgegengesetzte Richtungen, sondern in dieselbe Richtung mit derselben Geschwindigkeit ausbreiten? Ist das überhaupt möglich? Ist es möglich, zwei kontinuierliche Wellen zu erzeugen, die sich mit gleicher Geschwindigkeit, aber phasenverschoben in dieselbe Richtung bewegen und sich vollständig überlappen?
@Visal Wenn es sich um dieselbe exakte periodische Wellenform handelt, können Sie sie nur dann genau überlappen lassen, wenn sie in Phase sind.
@AaronStevens Richtig. Eigentlich meinte ich mit "vollständig überlappen", dass der Winkel zwischen den Achsen (heißen sie das bei 1-D-Wellen?) der beiden Wellen Null ist (das heißt, sie haben dieselbe Achse).
Ist es dann möglich, dass zwei solche Wellen phasenverschoben interferieren?
@ Visal Ja. Jedes „Überlappen“ von Zeitwellen wird als Interferenz bezeichnet. Das sagt der erste Teil meiner Antwort
Ich glaube nicht, dass ich die Frage klar stellen kann. Wenn sich die beiden Wellen in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, interferieren die beiden Wellen, um eine stehende Welle zu erzeugen. Was passiert, wenn die beiden Wellen (mit der gleichen exakten periodischen Wellenform), die sich mit der gleichen Geschwindigkeit in die gleiche Richtung bewegen, destruktiv interferieren? Wird die Amplitude der resultierenden Welle immer Null sein?
@ Visal Ja. Stellen Sie sich vor, Sie hätten zwei normale Kämme. Das Bewegen der Kämme nach rechts ist wie eine Welle, die nach rechts wandert. Richten Sie nun die Kämme so aus, dass die Zähne des einen Kamms mit dem Abstand zwischen den Zähnen des anderen Kamms übereinstimmen. Auf diese Weise können Sie nicht mehr durch die Kämme sehen (destruktive Interferenz). Bewegen Sie nun die Kämme mit der gleichen Geschwindigkeit nach rechts. Du kannst immer noch nicht durch die Kämme sehen. Sie übersetzen nur die 0 Amplitude, die Sie noch gibt 0 Amplitude.
Ja richtig. Es bedeutet also im Wesentlichen, dass durch eine solche Kombination von Wellen keine Energie übertragen wird. Rechts?
@Visal Ja, das ist richtig, obwohl ich nicht glaube, dass die Energieeinsparung hier verletzt werden könnte, wenn ich sehen kann, wohin Sie damit wollen. Ich bin mir nicht sicher, wie Sie mit einer Quelle, die eine Nettoenergieübertragung liefert, tatsächlich zwei Wellen wie diese erzeugen können.
Ja @AaronStevens. Deshalb habe ich gefragt, ob es überhaupt möglich ist, solche Wellen zu erzeugen.
@AaronStevens Wie wäre es mit einer Platte aus transparentem Material, die eine Welle aussendet, während eine andere identische Welle durch sie hindurchgeht, sodass die beiden Wellen, die sich in dieselbe Richtung bewegen, wie die beiden Kämme schwalbenschwanzartig sind?

Zwei Wellen gleicher Frequenz und entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung erzeugen eine stehende Welle.

Wie diese Figur von LucasVB :Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bearbeiten: In einer stehenden Welle schwingt die Energie zwischen verschiedenen Formen hin und her. Für eine mechanische Welle (z. B. Querwelle an einer Saite) sind das elastische potentielle Energie und kinetische Energie. In Fällen, in denen die Saite gerade ist (minimale potentielle Energie), ist die kinetische Energie maximal.

... in diesem Fall ist es wichtig zu bemerken, dass die Energie nirgendwo "hingeht". Die Details hängen jedoch vom Medium ab: (i) für Schall ist die Energie nicht das Quadrat der aufgetragenen Funktion, während (ii) für Licht die elektrische Energiedichte das Quadrat der schwarzen Linie ist, die schwankt - - von der magnetischen Energiedichte räumlich und zeitlich nicht synchron, so dass die Gesamtenergiedichte konstant bleibt.

Warum nicht? Superposition ist Superposition. Stehende Wellen entstehen durch Interferenz von Wellen mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung.

Bei Schallwellen und anderen Wellen, die von der Bewegung von Atomen und Molekülen abhängen, wird destruktive Interferenz die Energie schließlich auf die Atome und Moleküle verteilen, die schließlich in Wärme enden (Bewegung der Materie).

Bei Licht, das zur Ausbreitung nicht auf ein Medium angewiesen ist, ist es komplizierter. Licht überlagert nur, interagiert nicht. Dieses MIT-Video zeigt, was bei der Überlagerungsinterferenz eines zweigeteilten und zur Interferenz gebrachten Laserstrahls passiert. Die nicht im Muster erscheinende Energie geht auf den Lazing-Mechanismus zurück!

Im Allgemeinen geht bei elektromagnetischen Wellen, wenn Interferenzlichtmuster gesehen werden, die Energie von den dunklen Regionen zu den hellen Regionen, dh sie ist eine Funktion von mindestens zwei räumlichen Dimensionen, nicht der eindimensionalen Diagramme, die normalerweise interferierende Amplituden zeigen. In meiner Antwort hier auf eine fast doppelte Frage gehe ich näher darauf ein. Beachten Sie, dass Licht, um es zu sehen , mit Materie interagieren muss, sodass die Energie am Ende in die Erwärmung des Bildschirmmaterials fließt.

Destruktive Interferenz ist keine Energiezerstreuung.
@AaronStevens total destruktive Interferenz wirft das Problem der Energieeinsparung auf. Bei Licht, das aus Photonen besteht, ja, totale Interferenz, wie das Video zeigt, braucht und erklärt, wohin die Energie geht.
Ja, dem stimme ich zu
Das von Ihnen verlinkte Video vom MIT ist so offensichtlich: „Dieses MIT-Video ist lehrreich und ein echtes Experiment, das zeigt, dass es bei der mit Interferometern eingerichteten destruktiven Interferenz einen Rückstrahl gibt, zurück zur Quelle, soweit es um klassische elektromagnetische Wellen geht. Die Energie wird also ausgeglichen, indem man zur Quelle zurückkehrt.“ Wie ignorant jemand sein und die Antwort ablehnen könnte, als dies ohne Erklärung zu tun.
Das MIT-Video erklärt nicht, wohin die Energie geht, denn durch das Einrichten der starken Interferenz lasert der Laserhohlraum tatsächlich weniger, dh ein Strommesser an der Stromversorgung würde eine Abnahme anzeigen. Es ist einfach, diese Art von Interferenz beispielsweise mit einer Laserdiode nachzubilden, externe Spiegel können die Wellenfunktion des Resonators leicht stören und das Lasern reduzieren.
@AaronStevens Das MIT-Video erklärt nicht, wohin die Energie fließt, da durch die Einrichtung der starken Interferenz der Laserhohlraum tatsächlich weniger lasert, dh ein Strommesser am Netzteil würde eine Abnahme anzeigen. Es ist einfach, diese Art von Interferenz beispielsweise mit einer Laserdiode nachzubilden, externe Spiegel können die Wellenfunktion des Resonators leicht stören und das Lasern reduzieren.
@PhysicsDave Entschuldigung, mein Kommentar bezog sich nicht auf Licht oder das Video
@PhysicsDave Ihre Erklärung ist nur eine andere Art zu beschreiben, dass ein Lasersystem eine quantenmechanische Einheit ist. Und die Quantenmechanik hat eine inhärente Energieerhaltung. Ich denke, die Erklärung des Professors ist richtig.

Natürlich ist Annavs Antwort richtig. Lassen Sie mich ein paar Dinge hinzufügen, denn es gibt zwei grundlegende Theorien:

  1. Wenn wir im Doppelspalt-Experiment interpretieren, dass das Photon (eins nach dem anderen geschossen) beide Spalte als Teilwellen passiert, interferieren diese Wellen. Sie können konstruktiv (gleichphasig, erzeugen einen Punkt auf dem Bildschirm) oder destruktiv (phasenverschoben und kein Punkt auf dem Bildschirm) interferieren. Die Erklärung hier ist natürlich, dass die Photonen und die Schlitze verschränkt sind, und so wird die Energie der Photonen, die destruktiv interferieren, ihre Energie an die Schlitze abgeben, wenn sie unelastisch streuen oder von den Schlitzen absorbiert werden. Energie wird eingespart. Wenn sie konstruktiv eingreifen, steckt die Energie im Punkt auf dem Bildschirm. Es bleibt Energie erhalten.

  2. Virtuelle Teilchen und Antiteilchen, diese sind natürlich ein Duo zur Welle-Teilchen-Dualität, die auch als Wellen wirken, und wenn sie in Ihrem Fall frontal interferieren, heben sie sich auf, und die Energie geht dorthin, wo sie herkam. Zurück zur Vakuumenergiedichte. Ja, Photonen sind ihre eigenen Antiteilchen. Wenn Sie im SM von Elementarteilchen sprechen, können Teilchen mit ihren eigenen Antiteilchen annihilieren. Das ist es, wonach Sie fragen, denn in diesem Fall, wenn das Teilchen-Antiteilchen erzeugt wird, taucht es auf und verschwindet wieder. Wovon? Aus der Vakuumenergiedichte (virtuelle Teilchen).

Die Paarbildung ist die Erzeugung eines subatomaren Teilchens und seines Antiteilchens aus einem neutralen Boson. Beispiele sind die Erzeugung eines Elektrons und eines Positrons, eines Myons und eines Antimyons oder eines Protons und eines Antiprotons. Paarproduktion bezieht sich oft speziell auf ein Photon, das ein Elektron-Positron-Paar in der Nähe eines Kerns erzeugt. Damit eine Paarbildung auftritt, muss die einfallende Energie der Wechselwirkung über einem Schwellenwert von mindestens der gesamten Ruhemassenenergie der beiden Teilchen liegen, und die Situation muss sowohl Energie als auch Impuls erhalten.

https://en.wikipedia.org/wiki/Pair_production

In der Teilchenphysik ist Annihilation der Prozess, der auftritt, wenn ein subatomares Teilchen mit seinem entsprechenden Antiteilchen kollidiert, um andere Teilchen zu erzeugen, wie zum Beispiel ein Elektron, das mit einem Positron kollidiert, um zwei Photonen zu erzeugen.[1] Die Gesamtenergie und der Impuls des Anfangspaares bleiben dabei erhalten und werden im Endzustand auf eine Menge anderer Teilchen verteilt.

https://en.wikipedia.org/wiki/Annihilation

Nun ist es sehr wichtig zu verstehen, dass virtuelle Teilchen keine realen Teilchen sind, und sie können aus der Energiedichte des Quantenvakuums entstehen und wieder verschwinden. Virtuelle Teilchen sind ein mathematisches Modell zur Beschreibung der Wechselwirkung von Quantenfeldern, in diesem Fall das Ein- und Austreten virtueller Teilchen.

Bei Paarbildung und Vernichtung ist dies nicht der Fall. Das sind echte Teilchen. Bei der Paarerzeugung und -vernichtung, und danach fragen Sie, werden zwei Teilchen (Teilchen-Antiteilchen-Paar) erzeugt oder vernichtet. Wenn das Teilchen und das Antiteilchen, wie ein Elektron und ein Positron, die sich als Wellen bewegen, frontal zusammenstoßen, hören beide auf, als Fermionen zu existieren (oder wenn das Photon aufhört zu existieren und ein Elektron und ein Positron erzeugt), und die Energie (Impuls) verwandelt sich in ein Photon. Energie bleibt also erhalten.

Ich stimme der Doppelspaltinterpretation nicht zu, dass ein Photon "sich selbst" aufhebt. Alle Photonen, die in die Schlitze eintreten, treten aus und erscheinen auf dem Schirm, es geht keine Energie verloren. Siehe Feynman-Pfadinterpretation zum "Muster", das Wort Interferenz ist historisch.
Können zwei Wellen frontal interferieren?
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