IPhO 1981 · Theory problem 3
Radio interferometer on the sea shore
A detector of radiowaves in a radioastronomical observatory is placed on the sea beach at height \(h = 2\) m above the sea level. After the rise of a star, radiating electromagnetic waves of wavelength \(\lambda = 21\) cm, above the horizont the detector registers series of alternating maxima and minima. The registered signal is proportional to the intensity of the detected waves. The detector registers waves with electric vector, vibrating in a direction parallel to the sea surface.
-
Determine the angle between the star and the horizont in the moment when the detector registers maxima and minima (in general form).
-
Does the signal decrease or increase just after the rise of the star?
-
Determine the signal ratio of the first maximum to the next minimum. At reflection of the electromagnetic wave on the water surface, the ratio of the intensities of the electric field of the reflected (\(E_r\)) and incident (\(E_i\)) wave follows the low:
\[ \frac{E_r}{E_i}=\frac{n-\cos\varphi}{n+\cos\varphi}, \]
where \(n\) is the refraction index and \(\varphi\) is the incident angle of the wave. For the surface “air-water” for \(\lambda = 21\) cm, the refraction index \(n = 9\).
- Does the ratio of the intensities of consecutive maxima and minima increase or decrease with rising of the star?
Assume that the sea surface is flat.
Official English text of the problem.
Answers
- Writing \(\alpha\) for the star’s elevation above the horizon, the usual interference-fringe positions are
\[ \boxed{\alpha_m^{\max}\simeq \arcsin\!\left(\frac{(2m+1)\lambda}{4h}\right)},\qquad \boxed{\alpha_m^{\min}\simeq \arcsin\!\left(\frac{m\lambda}{2h}\right)}. \]
Here \(m=0,1,2,\ldots\), restricted to arguments not exceeding \(1\). The first maximum is at approximately \(1.50^\circ\), and the following minimum at \(3.01^\circ\). The small correction from angle-dependent reflection is quantified below.
-
The signal increases immediately after the star rises, starting from a minimum at the horizon.
-
The signal ratio is
\[ \boxed{\frac{S_{\text{first maximum}}}{S_{\text{next minimum}}} \simeq 2.96\times10^4}. \]
- The ratio of successive maximum signals to minimum signals decreases as the star rises.
Solution
1. Treat the distant star as a steady source of plane waves, and the flat sea as a coherent specular reflector. Let \(\alpha\) be the elevation of the star and \(I_0\) the intensity of the direct wave alone.
The reflected path can be calculated by replacing the detector, at height \(h\), with its mirror image at depth \(h\). The separation between detector and image is \(2h\); its projection along the direction toward the star gives the path difference
\[ \Delta=2h\sin\alpha. \]
The detected electric field is parallel to the sea and perpendicular to the plane of incidence. Reflection from air into the optically denser water reverses this electric field, introducing a phase change of \(\pi\).
Let \(r\) denote the positive reflected-to-incident field-amplitude ratio, and define the propagation phase difference
\[ \delta=\frac{2\pi\Delta}{\lambda} =\frac{4\pi h}{\lambda}\sin\alpha. \]
Including the reflection phase reversal, the resultant intensity is
\[ \boxed{\frac{I}{I_0} =1+r^2-2r\cos\delta =(1-r)^2+4r\sin^2\!\left(\frac{\delta}{2}\right)}. \]
Treating \(r\) as locally constant across a fringe, maxima occur when \(\cos\delta=-1\), whereas minima occur when \(\cos\delta=1\). Thus
\[ 2h\sin\alpha_m^{\max} =\left(m+\frac12\right)\lambda, \qquad 2h\sin\alpha_m^{\min}=m\lambda, \]
which gives the formulas in the Answers section. Numerically,
\[ \sin\alpha_m^{\max}=0.02625(2m+1), \qquad \sin\alpha_m^{\min}=0.05250m. \]
The horizon, \(m=0\), is a minimum.
For completeness, the supplied angle-dependent reflection coefficient causes small shifts from these phase-alignment positions. Since the incidence angle is measured from the surface normal,
\[ \varphi=\frac{\pi}{2}-\alpha, \qquad \cos\varphi=\sin\alpha. \]
Set \(s=\sin\alpha\) and \(K=4\pi h/\lambda\). Then
\[ r(s)=\frac{n-s}{n+s}, \qquad r'(s)=-\frac{2n}{(n+s)^2}. \]
Differentiating the full intensity gives the exact condition for interior extrema:
\[ \boxed{ r'(s)\bigl[r(s)-\cos(Ks)\bigr] +Kr(s)\sin(Ks)=0. } \]
The phase-alignment formulas give \(1.50419^\circ\) and \(3.00941^\circ\) for the first maximum and following minimum. Keeping the variation of \(r\) gives \(1.50241^\circ\) and \(3.00940^\circ\), respectively. Thus the simple formulas give both angles correctly at the precision reported above.
2. At the horizon,
\[ \alpha=0,\qquad \delta=0,\qquad r=1. \]
The direct and reflected fields therefore cancel:
\[ I(0)=0. \]
As the star rises, the propagation phase difference becomes nonzero and the cancellation is lost. More explicitly, for small positive \(\alpha\), measured in radians,
\[ r=1-\frac{2\alpha}{n}+O(\alpha^2), \qquad \delta=K\alpha+O(\alpha^3). \]
Consequently,
\[ \frac{I}{I_0} =\left(K^2+\frac{4}{n^2}\right)\alpha^2+O(\alpha^3). \]
The leading coefficient is positive, so the signal initially increases quadratically with elevation.
3. The given ratio \(E_r/E_i\) is a ratio of electric-field amplitudes. The measured signal is proportional to the square of the resultant field.
At the first maximum and following minimum, respectively,
\[ s_1=\frac{\lambda}{4h}=0.02625, \qquad s_2=\frac{\lambda}{2h}=0.05250. \]
Their reflection coefficients are different:
\[ r_1=\frac{9-0.02625}{9+0.02625} \simeq0.994184, \]
\[ r_2=\frac{9-0.05250}{9+0.05250} \simeq0.988401. \]
At a maximum the field amplitudes add, while at a minimum they subtract. Hence
\[ I_{\max,1}=I_0(1+r_1)^2, \qquad I_{\min,1}=I_0(1-r_2)^2. \]
Using
\[ 1+r_1=\frac{2n}{n+s_1}, \qquad 1-r_2=\frac{2s_2}{n+s_2}, \]
the requested ratio becomes
\[ \begin{aligned} R &=\left[\frac{n(n+s_2)}{s_2(n+s_1)}\right]^2\\ &=\left[ \frac{9(9+0.05250)} {0.05250(9+0.02625)} \right]^2\\ &\simeq 29558.9. \end{aligned} \]
Therefore,
\[ \boxed{R\simeq2.96\times10^4}. \]
Using the strict extrema from part 1 changes this ratio by less than \(10^{-5}\) relatively, leaving the reported result unchanged.
4. As the star rises, \(\sin\alpha\) increases and the reflection amplitude decreases:
\[ \frac{dr}{d\alpha} =-\frac{2n\cos\alpha}{(n+\sin\alpha)^2}<0 \qquad \left(0<\alpha<\frac{\pi}{2}\right). \]
The constructive-interference envelope is
\[ I_{\mathrm{upper}}=I_0(1+r)^2, \]
which decreases as \(r\) decreases. The destructive-interference envelope is
\[ I_{\mathrm{lower}}=I_0(1-r)^2, \]
which increases. Thus later maxima become weaker while later minima become stronger, so the maximum-to-minimum signal ratio decreases.
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1981 · Theorieaufgabe 3
Radiointerferometer am Meeresufer
Ein Detektor für Radiowellen in einem radioastronomischen Observatorium befindet sich am Meeresstrand in einer Höhe von \(h = 2\) m über dem Meeresspiegel. Nachdem ein Stern, der elektromagnetische Wellen der Wellenlänge \(\lambda = 21\) cm aussendet, über dem Horizont aufgegangen ist, registriert der Detektor eine Folge abwechselnder Maxima und Minima. Das registrierte Signal ist proportional zur Intensität der empfangenen Wellen. Der Detektor registriert Wellen, deren elektrischer Feldvektor parallel zur Meeresoberfläche schwingt.
-
Bestimmen Sie den Winkel zwischen dem Stern und dem Horizont zu den Zeitpunkten, zu denen der Detektor Maxima und Minima registriert (in allgemeiner Form).
-
Nimmt das Signal unmittelbar nach dem Aufgang des Sterns ab oder zu?
-
Bestimmen Sie das Verhältnis des Signals beim ersten Maximum zum Signal beim darauffolgenden Minimum. Bei der Reflexion der elektromagnetischen Welle an der Wasseroberfläche folgt das Verhältnis der elektrischen Feldstärken der reflektierten (\(E_r\)) und der einfallenden (\(E_i\)) Welle dem Gesetz:
\[ \frac{E_r}{E_i}=\frac{n-\cos\varphi}{n+\cos\varphi}, \]
wobei \(n\) der Brechungsindex und \(\varphi\) der Einfallswinkel der Welle ist. Für die Grenzfläche „Luft–Wasser“ beträgt der Brechungsindex bei \(\lambda = 21\) cm \(n = 9\).
- Nimmt das Verhältnis der Intensitäten aufeinanderfolgender Maxima und Minima mit zunehmender Höhe des Sterns zu oder ab?
Nehmen Sie an, dass die Meeresoberfläche eben ist.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- Bezeichnet \(\alpha\) die Höhe des Sterns über dem Horizont, so lauten die üblichen Winkelpositionen der Interferenzmaxima und -minima
\[ \boxed{\alpha_m^{\max}\simeq \arcsin\!\left(\frac{(2m+1)\lambda}{4h}\right)},\qquad \boxed{\alpha_m^{\min}\simeq \arcsin\!\left(\frac{m\lambda}{2h}\right)}. \]
Dabei gilt \(m=0,1,2,\ldots\), beschränkt auf Werte, für die die Argumente nicht größer als \(1\) sind. Das erste Maximum liegt bei ungefähr \(1.50^\circ\), das darauffolgende Minimum bei \(3.01^\circ\). Die kleine Korrektur aufgrund der winkelabhängigen Reflexion wird weiter unten quantifiziert.
-
Das Signal nimmt zu, unmittelbar nachdem der Stern aufgegangen ist, ausgehend von einem Minimum am Horizont.
-
Das Signalverhältnis beträgt
\[ \boxed{\frac{S_{\text{erstes Maximum}}}{S_{\text{nächstes Minimum}}} \simeq 2.96\times10^4}. \]
- Das Verhältnis aufeinanderfolgender Maximalsignale zu Minimalsignalen nimmt ab, während der Stern höher steigt.
Lösung
1. Wir betrachten den weit entfernten Stern als zeitlich konstante Quelle ebener Wellen und das ebene Meer als kohärenten, spiegelnd reflektierenden Reflektor. Es sei \(\alpha\) die Höhe des Sterns und \(I_0\) die Intensität der direkten Welle allein.
Der reflektierte Strahlengang lässt sich berechnen, indem man den Detektor in der Höhe \(h\) durch sein Spiegelbild in der Tiefe \(h\) ersetzt. Der Abstand zwischen Detektor und Spiegelbild beträgt \(2h\); seine Projektion auf die Richtung zum Stern ergibt den Gangunterschied
\[ \Delta=2h\sin\alpha. \]
Das empfangene elektrische Feld ist parallel zum Meer und senkrecht zur Einfallsebene. Bei der Reflexion aus der Luft am optisch dichteren Wasser kehrt sich dieses elektrische Feld um, wodurch ein Phasensprung von \(\pi\) entsteht.
Es bezeichne \(r\) das positive Verhältnis der reflektierten zur einfallenden Feldamplitude. Wir definieren die durch die Ausbreitung bedingte Phasendifferenz als
\[ \delta=\frac{2\pi\Delta}{\lambda} =\frac{4\pi h}{\lambda}\sin\alpha. \]
Unter Berücksichtigung des Phasensprungs bei der Reflexion ergibt sich die resultierende Intensität zu
\[ \boxed{\frac{I}{I_0} =1+r^2-2r\cos\delta =(1-r)^2+4r\sin^2\!\left(\frac{\delta}{2}\right)}. \]
Betrachtet man \(r\) innerhalb eines Interferenzstreifens als lokal konstant, so treten Maxima bei \(\cos\delta=-1\) und Minima bei \(\cos\delta=1\) auf. Somit gilt
\[ 2h\sin\alpha_m^{\max} =\left(m+\frac12\right)\lambda, \qquad 2h\sin\alpha_m^{\min}=m\lambda, \]
woraus sich die Formeln im Abschnitt Antworten ergeben. Numerisch gilt
\[ \sin\alpha_m^{\max}=0.02625(2m+1), \qquad \sin\alpha_m^{\min}=0.05250m. \]
Am Horizont, \(m=0\), liegt ein Minimum.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass der angegebene winkelabhängige Reflexionskoeffizient kleine Verschiebungen gegenüber diesen durch die Phasenbedingungen bestimmten Positionen verursacht. Da der Einfallswinkel gegenüber der Flächennormalen gemessen wird, gilt
\[ \varphi=\frac{\pi}{2}-\alpha, \qquad \cos\varphi=\sin\alpha. \]
Wir setzen \(s=\sin\alpha\) und \(K=4\pi h/\lambda\). Dann gilt
\[ r(s)=\frac{n-s}{n+s}, \qquad r'(s)=-\frac{2n}{(n+s)^2}. \]
Die Ableitung des vollständigen Intensitätsausdrucks liefert die exakte Bedingung für Extrema im Inneren des Definitionsbereichs:
\[ \boxed{ r'(s)\bigl[r(s)-\cos(Ks)\bigr] +Kr(s)\sin(Ks)=0. } \]
Die aus den Phasenbedingungen gewonnenen Formeln ergeben \(1.50419^\circ\) und \(3.00941^\circ\) für das erste Maximum beziehungsweise das darauffolgende Minimum. Berücksichtigt man die Änderung von \(r\), erhält man \(1.50241^\circ\) beziehungsweise \(3.00940^\circ\). Die einfachen Formeln liefern somit beide Winkel mit der oben angegebenen Genauigkeit korrekt.
2. Am Horizont gilt
\[ \alpha=0,\qquad \delta=0,\qquad r=1. \]
Das direkte und das reflektierte Feld löschen sich daher aus:
\[ I(0)=0. \]
Wenn der Stern höher steigt, wird die durch die Ausbreitung bedingte Phasendifferenz ungleich null, und die Auslöschung ist nicht mehr vollständig. Genauer gilt für kleine positive \(\alpha\), im Bogenmaß gemessen,
\[ r=1-\frac{2\alpha}{n}+O(\alpha^2), \qquad \delta=K\alpha+O(\alpha^3). \]
Folglich ist
\[ \frac{I}{I_0} =\left(K^2+\frac{4}{n^2}\right)\alpha^2+O(\alpha^3). \]
Der Koeffizient des führenden Terms ist positiv, sodass das Signal anfangs quadratisch mit der Höhe über dem Horizont zunimmt.
3. Das angegebene Verhältnis \(E_r/E_i\) ist ein Verhältnis elektrischer Feldamplituden. Das gemessene Signal ist proportional zum Quadrat des resultierenden Feldes.
Beim ersten Maximum beziehungsweise beim darauffolgenden Minimum gilt
\[ s_1=\frac{\lambda}{4h}=0.02625, \qquad s_2=\frac{\lambda}{2h}=0.05250. \]
Die zugehörigen Reflexionskoeffizienten sind verschieden:
\[ r_1=\frac{9-0.02625}{9+0.02625} \simeq0.994184, \]
\[ r_2=\frac{9-0.05250}{9+0.05250} \simeq0.988401. \]
Bei einem Maximum addieren sich die Feldamplituden, während sie bei einem Minimum voneinander subtrahiert werden. Daher gilt
\[ I_{\max,1}=I_0(1+r_1)^2, \qquad I_{\min,1}=I_0(1-r_2)^2. \]
Mit
\[ 1+r_1=\frac{2n}{n+s_1}, \qquad 1-r_2=\frac{2s_2}{n+s_2}, \]
ergibt sich das gesuchte Verhältnis zu
\[ \begin{aligned} R &=\left[\frac{n(n+s_2)}{s_2(n+s_1)}\right]^2\\ &=\left[ \frac{9(9+0.05250)} {0.05250(9+0.02625)} \right]^2\\ &\simeq 29558.9. \end{aligned} \]
Somit gilt
\[ \boxed{R\simeq2.96\times10^4}. \]
Verwendet man die exakten Extrema aus Teil 1, so ändert sich dieses Verhältnis relativ um weniger als \(10^{-5}\); das angegebene Ergebnis bleibt daher unverändert.
4. Wenn der Stern höher steigt, nimmt \(\sin\alpha\) zu und die Reflexionsamplitude ab:
\[ \frac{dr}{d\alpha} =-\frac{2n\cos\alpha}{(n+\sin\alpha)^2}<0 \qquad \left(0<\alpha<\frac{\pi}{2}\right). \]
Die Einhüllende für konstruktive Interferenz lautet
\[ I_{\mathrm{upper}}=I_0(1+r)^2, \]
und nimmt mit abnehmendem \(r\) ab. Die Einhüllende für destruktive Interferenz lautet
\[ I_{\mathrm{lower}}=I_0(1-r)^2, \]
und nimmt zu. Spätere Maxima werden somit schwächer, während spätere Minima stärker werden, sodass das Verhältnis des Maximalsignals zum Minimalsignal abnimmt.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1981 · Teori sorusu 3
Deniz kıyısında radyo interferometresi
Bir radyoastronomi gözlemevindeki radyo dalgası dedektörü, deniz kıyısında deniz seviyesinden \(h = 2\) m yükseğe yerleştirilmiştir. Dalga boyu \(\lambda = 21\) cm olan elektromanyetik dalgalar yayan bir yıldız ufkun üzerine çıktıktan sonra dedektör, art arda gelen maksimum ve minimumlardan oluşan bir dizi kaydeder. Kaydedilen sinyal, algılanan dalgaların şiddetiyle orantılıdır. Dedektör, elektrik alan vektörü deniz yüzeyine paralel bir doğrultuda titreşen dalgaları algılar.
-
Dedektörün maksimum ve minimumları kaydettiği anlarda yıldız ile ufuk arasındaki açıyı (genel biçimde) belirleyiniz.
-
Yıldız doğduktan hemen sonra sinyal azalır mı, artar mı?
-
İlk maksimumdaki sinyalin bir sonraki minimumdaki sinyale oranını belirleyiniz. Elektromanyetik dalganın su yüzeyinden yansıması sırasında, yansıyan (\(E_r\)) ve gelen (\(E_i\)) dalgaların elektrik alan şiddetlerinin oranı şu yasaya uyar:
\[ \frac{E_r}{E_i}=\frac{n-\cos\varphi}{n+\cos\varphi}, \]
burada \(n\) kırılma indisi, \(\varphi\) ise dalganın gelme açısıdır. “Hava-su” ara yüzeyi için \(\lambda = 21\) cm dalga boyunda kırılma indisi \(n = 9\)'dur.
- Yıldız yükseldikçe ardışık maksimum ve minimumların şiddetlerinin oranı artar mı, azalır mı?
Deniz yüzeyinin düz olduğunu varsayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- Yıldızın ufuk üzerindeki yükseklik açısı \(\alpha\) ile gösterilirse, girişim saçaklarının alışılmış konumları
\[ \boxed{\alpha_m^{\max}\simeq \arcsin\!\left(\frac{(2m+1)\lambda}{4h}\right)},\qquad \boxed{\alpha_m^{\min}\simeq \arcsin\!\left(\frac{m\lambda}{2h}\right)}. \]
Burada \(m=0,1,2,\ldots\) olup yalnızca ters sinüs fonksiyonlarının argümanlarının \(1\)'i aşmadığı değerler alınır. İlk maksimum yaklaşık \(1.50^\circ\)'de, onu izleyen minimum ise \(3.01^\circ\)'dedir. Açıya bağlı yansımadan kaynaklanan küçük düzeltme aşağıda nicel olarak verilmektedir.
-
Yıldız doğduktan hemen sonra sinyal, ufuktaki bir minimumdan başlayarak artar.
-
Sinyal oranı
\[ \boxed{\frac{S_{\text{ilk maksimum}}}{S_{\text{sonraki minimum}}} \simeq 2.96\times10^4}. \]
- Ardışık maksimum sinyallerin minimum sinyallere oranı, yıldız yükseldikçe azalır.
Çözüm
1. Uzaktaki yıldızı, düzlem dalgalar yayan kararlı bir kaynak; düz denizi ise eşevreli, düzgün yansıma yapan bir yansıtıcı olarak ele alalım. Yıldızın yükseklik açısı \(\alpha\), yalnızca doğrudan gelen dalganın şiddeti ise \(I_0\) olsun.
Yansıyan dalganın izlediği yol, \(h\) yüksekliğindeki dedektörün yerine \(h\) derinliğindeki ayna görüntüsü konularak hesaplanabilir. Dedektör ile görüntüsü arasındaki uzaklık \(2h\)'dir; bu uzaklığın yıldıza doğru olan doğrultudaki izdüşümü yol farkını verir:
\[ \Delta=2h\sin\alpha. \]
Algılanan elektrik alan denize paralel ve gelme düzlemine diktir. Havadan optikçe daha yoğun olan suya geçişteki yansıma, bu elektrik alanın yönünü tersine çevirerek \(\pi\) kadar bir faz değişimine yol açar.
Yansıyan alan genliğinin gelen alan genliğine pozitif oranını \(r\) ile gösterelim ve yayılmadan kaynaklanan faz farkını şöyle tanımlayalım:
\[ \delta=\frac{2\pi\Delta}{\lambda} =\frac{4\pi h}{\lambda}\sin\alpha. \]
Yansımadaki faz terslenmesi de hesaba katıldığında, bileşke şiddet
\[ \boxed{\frac{I}{I_0} =1+r^2-2r\cos\delta =(1-r)^2+4r\sin^2\!\left(\frac{\delta}{2}\right)}. \]
Bir saçak boyunca \(r\) yerel olarak sabit kabul edildiğinde, maksimumlar \(\cos\delta=-1\) iken, minimumlar ise \(\cos\delta=1\) iken oluşur. Dolayısıyla
\[ 2h\sin\alpha_m^{\max} =\left(m+\frac12\right)\lambda, \qquad 2h\sin\alpha_m^{\min}=m\lambda, \]
bağıntıları elde edilir; bunlar Cevaplar bölümündeki formülleri verir. Sayısal olarak,
\[ \sin\alpha_m^{\max}=0.02625(2m+1), \qquad \sin\alpha_m^{\min}=0.05250m. \]
Ufuk, yani \(m=0\), bir minimumdur.
Eksiksiz olması için, verilen açıya bağlı yansıma katsayısının bu faz uyumu konumlarına göre küçük kaymalara yol açtığını da belirtelim. Gelme açısı yüzey normalinden ölçüldüğünden,
\[ \varphi=\frac{\pi}{2}-\alpha, \qquad \cos\varphi=\sin\alpha. \]
\(s=\sin\alpha\) ve \(K=4\pi h/\lambda\) alalım. O hâlde
\[ r(s)=\frac{n-s}{n+s}, \qquad r'(s)=-\frac{2n}{(n+s)^2}. \]
Şiddetin tam ifadesinin türevi alındığında, iç noktalardaki ekstremumlar için kesin koşul elde edilir:
\[ \boxed{ r'(s)\bigl[r(s)-\cos(Ks)\bigr] +Kr(s)\sin(Ks)=0. } \]
Faz uyumu formülleri, ilk maksimum ve onu izleyen minimum için \(1.50419^\circ\) ve \(3.00941^\circ\) değerlerini verir. \(r\)'nin değişimi hesaba katıldığında ise sırasıyla \(1.50241^\circ\) ve \(3.00940^\circ\) elde edilir. Dolayısıyla basit formüller, her iki açıyı da yukarıda verilen duyarlıkta doğru olarak verir.
2. Ufukta,
\[ \alpha=0,\qquad \delta=0,\qquad r=1. \]
Bu nedenle doğrudan gelen ve yansıyan alanlar birbirini yok eder:
\[ I(0)=0. \]
Yıldız yükseldikçe, yayılmadan kaynaklanan faz farkı sıfırdan farklı hâle gelir ve alanlar artık birbirini yok etmez. Daha açık olarak, radyan cinsinden ölçülen küçük pozitif \(\alpha\) için,
\[ r=1-\frac{2\alpha}{n}+O(\alpha^2), \qquad \delta=K\alpha+O(\alpha^3). \]
Bunun sonucunda,
\[ \frac{I}{I_0} =\left(K^2+\frac{4}{n^2}\right)\alpha^2+O(\alpha^3). \]
Başat terimin katsayısı pozitiftir; dolayısıyla sinyal başlangıçta yükseklik açısının karesiyle orantılı olarak artar.
3. Verilen \(E_r/E_i\) oranı, elektrik alan genliklerinin oranıdır. Ölçülen sinyal, bileşke alanın karesiyle orantılıdır.
İlk maksimumda ve onu izleyen minimumda sırasıyla,
\[ s_1=\frac{\lambda}{4h}=0.02625, \qquad s_2=\frac{\lambda}{2h}=0.05250. \]
Bunların yansıma katsayıları farklıdır:
\[ r_1=\frac{9-0.02625}{9+0.02625} \simeq0.994184, \]
\[ r_2=\frac{9-0.05250}{9+0.05250} \simeq0.988401. \]
Bir maksimumda alan genlikleri toplanırken, bir minimumda birbirinden çıkarılır. Bu nedenle
\[ I_{\max,1}=I_0(1+r_1)^2, \qquad I_{\min,1}=I_0(1-r_2)^2. \]
Şu bağıntılar kullanıldığında,
\[ 1+r_1=\frac{2n}{n+s_1}, \qquad 1-r_2=\frac{2s_2}{n+s_2}, \]
istenen oran şu hâli alır:
\[ \begin{aligned} R &=\left[\frac{n(n+s_2)}{s_2(n+s_1)}\right]^2\\ &=\left[ \frac{9(9+0.05250)} {0.05250(9+0.02625)} \right]^2\\ &\simeq 29558.9. \end{aligned} \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{R\simeq2.96\times10^4}. \]
- kısımdaki kesin ekstremumlar kullanıldığında bu oran, bağıl olarak \(10^{-5}\)'ten daha az değişir ve verilen sonuç değişmeden kalır.
4. Yıldız yükseldikçe \(\sin\alpha\) artar ve yansıma genliği azalır:
\[ \frac{dr}{d\alpha} =-\frac{2n\cos\alpha}{(n+\sin\alpha)^2}<0 \qquad \left(0<\alpha<\frac{\pi}{2}\right). \]
Yapıcı girişim zarfı
\[ I_{\mathrm{upper}}=I_0(1+r)^2, \]
olup \(r\) azaldıkça azalır. Yıkıcı girişim zarfı ise
\[ I_{\mathrm{lower}}=I_0(1-r)^2, \]
olup artar. Böylece sonraki maksimumlar zayıflarken sonraki minimumlar güçlenir; dolayısıyla maksimum sinyalin minimum sinyale oranı azalır.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1981 · Problema teórico 3
Radiointerferómetro en la orilla del mar
Un detector de ondas de radio de un observatorio radioastronómico está situado en una playa a una altura de \(h = 2\) m sobre el nivel del mar. Tras la aparición sobre el horizonte de una estrella que emite ondas electromagnéticas de longitud de onda \(\lambda = 21\) cm, el detector registra una serie de máximos y mínimos alternos. La señal registrada es proporcional a la intensidad de las ondas detectadas. El detector registra ondas cuyo vector eléctrico oscila en una dirección paralela a la superficie del mar.
-
Determine el ángulo entre la estrella y el horizonte en el momento en que el detector registra máximos y mínimos (en forma general).
-
¿Disminuye o aumenta la señal inmediatamente después de la aparición de la estrella sobre el horizonte?
-
Determine el cociente entre la señal del primer máximo y la del mínimo siguiente. Cuando la onda electromagnética se refleja en la superficie del agua, el cociente entre las intensidades del campo eléctrico de la onda reflejada (\(E_r\)) y de la onda incidente (\(E_i\)) obedece a la ley:
\[ \frac{E_r}{E_i}=\frac{n-\cos\varphi}{n+\cos\varphi}, \]
donde \(n\) es el índice de refracción y \(\varphi\) es el ángulo de incidencia de la onda. Para la interfaz «aire-agua», con \(\lambda = 21\) cm, el índice de refracción es \(n = 9\).
- ¿Aumenta o disminuye el cociente entre las intensidades de máximos y mínimos consecutivos a medida que asciende la estrella?
Suponga que la superficie del mar es plana.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- Si se denota por \(\alpha\) la elevación de la estrella sobre el horizonte, las posiciones habituales de las franjas de interferencia son
\[ \boxed{\alpha_m^{\max}\simeq \arcsin\!\left(\frac{(2m+1)\lambda}{4h}\right)},\qquad \boxed{\alpha_m^{\min}\simeq \arcsin\!\left(\frac{m\lambda}{2h}\right)}. \]
Aquí \(m=0,1,2,\ldots\), restringido a los valores para los que los argumentos no superan \(1\). El primer máximo se encuentra aproximadamente a \(1.50^\circ\), y el mínimo siguiente, a \(3.01^\circ\). La pequeña corrección debida a la dependencia angular de la reflexión se cuantifica más adelante.
-
La señal aumenta inmediatamente después de que la estrella aparezca sobre el horizonte, partiendo de un mínimo en el horizonte.
-
El cociente entre las señales es
\[ \boxed{\frac{S_{\text{primer máximo}}}{S_{\text{mínimo siguiente}}} \simeq 2.96\times10^4}. \]
- El cociente entre las señales de máximos y mínimos sucesivos disminuye a medida que asciende la estrella.
Solución
1. Consideremos la estrella distante como una fuente constante de ondas planas y el mar plano como un reflector especular coherente. Sean \(\alpha\) la elevación de la estrella e \(I_0\) la intensidad de la onda directa por sí sola.
La trayectoria reflejada puede calcularse sustituyendo el detector, situado a una altura \(h\), por su imagen especular a una profundidad \(h\). La separación entre el detector y su imagen es \(2h\); su proyección sobre la dirección hacia la estrella da la diferencia de caminos
\[ \Delta=2h\sin\alpha. \]
El campo eléctrico detectado es paralelo al mar y perpendicular al plano de incidencia. La reflexión desde el aire hacia el agua, ópticamente más densa, invierte este campo eléctrico e introduce un cambio de fase de \(\pi\).
Sea \(r\) el cociente positivo entre las amplitudes de los campos reflejado e incidente, y definamos la diferencia de fase debida a la propagación
\[ \delta=\frac{2\pi\Delta}{\lambda} =\frac{4\pi h}{\lambda}\sin\alpha. \]
Incluyendo la inversión de fase por reflexión, la intensidad resultante es
\[ \boxed{\frac{I}{I_0} =1+r^2-2r\cos\delta =(1-r)^2+4r\sin^2\!\left(\frac{\delta}{2}\right)}. \]
Si se considera \(r\) localmente constante a lo largo de una franja, los máximos se producen cuando \(\cos\delta=-1\), mientras que los mínimos se producen cuando \(\cos\delta=1\). Por tanto,
\[ 2h\sin\alpha_m^{\max} =\left(m+\frac12\right)\lambda, \qquad 2h\sin\alpha_m^{\min}=m\lambda, \]
lo que da las fórmulas de la sección Respuestas. Numéricamente,
\[ \sin\alpha_m^{\max}=0.02625(2m+1), \qquad \sin\alpha_m^{\min}=0.05250m. \]
El horizonte, \(m=0\), es un mínimo.
Para completar el análisis, el coeficiente de reflexión proporcionado, que depende del ángulo, provoca pequeños desplazamientos respecto a estas posiciones de alineación de fases. Puesto que el ángulo de incidencia se mide desde la normal a la superficie,
\[ \varphi=\frac{\pi}{2}-\alpha, \qquad \cos\varphi=\sin\alpha. \]
Definamos \(s=\sin\alpha\) y \(K=4\pi h/\lambda\). Entonces
\[ r(s)=\frac{n-s}{n+s}, \qquad r'(s)=-\frac{2n}{(n+s)^2}. \]
Al derivar la expresión completa de la intensidad se obtiene la condición exacta para los extremos interiores:
\[ \boxed{ r'(s)\bigl[r(s)-\cos(Ks)\bigr] +Kr(s)\sin(Ks)=0. } \]
Las fórmulas de alineación de fases dan \(1.50419^\circ\) y \(3.00941^\circ\) para el primer máximo y el mínimo siguiente. Si se tiene en cuenta la variación de \(r\), se obtienen \(1.50241^\circ\) y \(3.00940^\circ\), respectivamente. Por tanto, las fórmulas sencillas dan ambos ángulos correctamente con la precisión indicada anteriormente.
2. En el horizonte,
\[ \alpha=0,\qquad \delta=0,\qquad r=1. \]
Por consiguiente, los campos directo y reflejado se anulan entre sí:
\[ I(0)=0. \]
A medida que asciende la estrella, la diferencia de fase debida a la propagación deja de ser nula y los campos dejan de cancelarse. Más explícitamente, para valores positivos pequeños de \(\alpha\), medidos en radianes,
\[ r=1-\frac{2\alpha}{n}+O(\alpha^2), \qquad \delta=K\alpha+O(\alpha^3). \]
En consecuencia,
\[ \frac{I}{I_0} =\left(K^2+\frac{4}{n^2}\right)\alpha^2+O(\alpha^3). \]
El coeficiente del término dominante es positivo, de modo que la señal inicialmente aumenta cuadráticamente con la elevación.
3. El cociente dado \(E_r/E_i\) es un cociente entre amplitudes del campo eléctrico. La señal medida es proporcional al cuadrado del campo resultante.
En el primer máximo y en el mínimo siguiente, respectivamente,
\[ s_1=\frac{\lambda}{4h}=0.02625, \qquad s_2=\frac{\lambda}{2h}=0.05250. \]
Sus coeficientes de reflexión son distintos:
\[ r_1=\frac{9-0.02625}{9+0.02625} \simeq0.994184, \]
\[ r_2=\frac{9-0.05250}{9+0.05250} \simeq0.988401. \]
En un máximo, las amplitudes de los campos se suman, mientras que en un mínimo se restan. Por tanto,
\[ I_{\max,1}=I_0(1+r_1)^2, \qquad I_{\min,1}=I_0(1-r_2)^2. \]
Utilizando
\[ 1+r_1=\frac{2n}{n+s_1}, \qquad 1-r_2=\frac{2s_2}{n+s_2}, \]
el cociente solicitado queda
\[ \begin{aligned} R &=\left[\frac{n(n+s_2)}{s_2(n+s_1)}\right]^2\\ &=\left[ \frac{9(9+0.05250)} {0.05250(9+0.02625)} \right]^2\\ &\simeq 29558.9. \end{aligned} \]
Por lo tanto,
\[ \boxed{R\simeq2.96\times10^4}. \]
El uso de los extremos estrictos del apartado 1 modifica este cociente en menos de \(10^{-5}\) en términos relativos, por lo que el resultado indicado no cambia.
4. A medida que asciende la estrella, \(\sin\alpha\) aumenta y la amplitud de reflexión disminuye:
\[ \frac{dr}{d\alpha} =-\frac{2n\cos\alpha}{(n+\sin\alpha)^2}<0 \qquad \left(0<\alpha<\frac{\pi}{2}\right). \]
La envolvente de interferencia constructiva es
\[ I_{\mathrm{upper}}=I_0(1+r)^2, \]
que disminuye a medida que disminuye \(r\). La envolvente de interferencia destructiva es
\[ I_{\mathrm{lower}}=I_0(1-r)^2, \]
que aumenta. Así, los máximos posteriores se debilitan mientras que los mínimos posteriores se intensifican, de modo que el cociente entre la señal máxima y la mínima disminuye.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1981 · 理论题 3
海岸上的射电干涉仪
一座射电天文台的无线电波探测器置于海滩上,距海平面的高度为 \(h = 2\) m。一颗辐射波长为 \(\lambda = 21\) cm 的电磁波的恒星升出地平线后,探测器记录到一系列交替出现的极大值和极小值。记录到的信号与探测到的波的强度成正比。探测器接收的波,其电场矢量沿平行于海面的方向振动。
-
求探测器记录到极大值和极小值时,恒星与地平线之间的夹角(给出一般表达式)。
-
恒星刚升出地平线后,信号是减小还是增大?
-
求第一个极大值与紧随其后的极小值的信号之比。电磁波在水面反射时,反射波的电场强度(\(E_r\))与入射波的电场强度(\(E_i\))之比遵循下列规律:
\[ \frac{E_r}{E_i}=\frac{n-\cos\varphi}{n+\cos\varphi}, \]
其中,\(n\) 为折射率,\(\varphi\) 为波的入射角。对于“空气—水”界面,当 \(\lambda = 21\) cm 时,折射率为 \(n = 9\)。
- 随着恒星升高,相邻极大值与极小值的强度之比是增大还是减小?
假设海面是平的。
题目译自官方英文原文。
答案
- 用 \(\alpha\) 表示恒星相对于地平线的仰角,通常的干涉条纹位置为
\[ \boxed{\alpha_m^{\max}\simeq \arcsin\!\left(\frac{(2m+1)\lambda}{4h}\right)},\qquad \boxed{\alpha_m^{\min}\simeq \arcsin\!\left(\frac{m\lambda}{2h}\right)}. \]
这里 \(m=0,1,2,\ldots\),取值须使反正弦函数的自变量不超过 \(1\)。第一个极大值对应的仰角约为 \(1.50^\circ\),紧随其后的极小值对应的仰角为 \(3.01^\circ\)。反射随角度变化所引起的微小修正将在下文定量给出。
-
恒星刚升出地平线后,信号从地平线处的极小值开始增大。
-
信号之比为
\[ \boxed{\frac{S_{\text{第一个极大值}}}{S_{\text{紧随其后的极小值}}} \simeq 2.96\times10^4}. \]
- 随着恒星升高,相邻极大值信号与极小值信号之比减小。
解答
1. 将遥远的恒星视为稳定的平面波源,将平坦的海面视为相干的镜面反射面。设 \(\alpha\) 为恒星的仰角,\(I_0\) 为仅有直达波时的强度。
计算反射路径时,可以用位于海面下深度 \(h\) 处的镜像代替位于高度 \(h\) 处的探测器。探测器与其镜像之间的距离为 \(2h\);这段距离在指向恒星的方向上的投影给出光程差
\[ \Delta=2h\sin\alpha. \]
探测到的电场平行于海面,并垂直于入射面。波从空气射向光密介质水并发生反射时,该电场反向,从而引入 \(\pi\) 的相位变化。
用 \(r\) 表示反射波与入射波电场振幅之比的正值,并定义传播引起的相位差为
\[ \delta=\frac{2\pi\Delta}{\lambda} =\frac{4\pi h}{\lambda}\sin\alpha. \]
计入反射引起的相位反转,合成波的强度为
\[ \boxed{\frac{I}{I_0} =1+r^2-2r\cos\delta =(1-r)^2+4r\sin^2\!\left(\frac{\delta}{2}\right)}. \]
在一个条纹的范围内,将 \(r\) 视为局部常量,则当 \(\cos\delta=-1\) 时出现极大值,而当 \(\cos\delta=1\) 时出现极小值。因此
\[ 2h\sin\alpha_m^{\max} =\left(m+\frac12\right)\lambda, \qquad 2h\sin\alpha_m^{\min}=m\lambda, \]
由此得到“答案”部分中的公式。代入数值得
\[ \sin\alpha_m^{\max}=0.02625(2m+1), \qquad \sin\alpha_m^{\min}=0.05250m. \]
地平线处对应 \(m=0\),为极小值。
为使讨论完整,题给的随角度变化的反射系数会使极值位置相对于上述由相位关系确定的位置发生微小偏移。由于入射角是相对于表面法线测量的,
\[ \varphi=\frac{\pi}{2}-\alpha, \qquad \cos\varphi=\sin\alpha. \]
令 \(s=\sin\alpha\),\(K=4\pi h/\lambda\)。则
\[ r(s)=\frac{n-s}{n+s}, \qquad r'(s)=-\frac{2n}{(n+s)^2}. \]
对完整的强度表达式求导,得到区间内部极值的精确条件:
\[ \boxed{ r'(s)\bigl[r(s)-\cos(Ks)\bigr] +Kr(s)\sin(Ks)=0. } \]
由相位关系确定的公式给出,第一个极大值和紧随其后的极小值分别位于 \(1.50419^\circ\) 和 \(3.00941^\circ\)。保留 \(r\) 的变化后,二者分别为 \(1.50241^\circ\) 和 \(3.00940^\circ\)。因此,在上文所报告的精度下,简单公式给出的两个角度均正确。
2. 在地平线处,
\[ \alpha=0,\qquad \delta=0,\qquad r=1. \]
因此,直达波与反射波的电场相互抵消:
\[ I(0)=0. \]
随着恒星升高,传播引起的相位差变为非零,电场不再完全抵消。更具体地说,对于以弧度为单位的小正值 \(\alpha\),
\[ r=1-\frac{2\alpha}{n}+O(\alpha^2), \qquad \delta=K\alpha+O(\alpha^3). \]
因此,
\[ \frac{I}{I_0} =\left(K^2+\frac{4}{n^2}\right)\alpha^2+O(\alpha^3). \]
最低阶项的系数为正,因此信号最初随仰角按二次规律增大。
3. 题给的比值 \(E_r/E_i\) 是电场振幅之比。测得的信号与合成电场的平方成正比。
在第一个极大值和紧随其后的极小值处,分别有
\[ s_1=\frac{\lambda}{4h}=0.02625, \qquad s_2=\frac{\lambda}{2h}=0.05250. \]
这两处的反射系数不同:
\[ r_1=\frac{9-0.02625}{9+0.02625} \simeq0.994184, \]
\[ r_2=\frac{9-0.05250}{9+0.05250} \simeq0.988401. \]
在极大值处,电场振幅相加;在极小值处,电场振幅相减。因此
\[ I_{\max,1}=I_0(1+r_1)^2, \qquad I_{\min,1}=I_0(1-r_2)^2. \]
利用
\[ 1+r_1=\frac{2n}{n+s_1}, \qquad 1-r_2=\frac{2s_2}{n+s_2}, \]
所求比值为
\[ \begin{aligned} R &=\left[\frac{n(n+s_2)}{s_2(n+s_1)}\right]^2\\ &=\left[ \frac{9(9+0.05250)} {0.05250(9+0.02625)} \right]^2\\ &\simeq 29558.9. \end{aligned} \]
因此,
\[ \boxed{R\simeq2.96\times10^4}. \]
采用第 1 问中的严格极值时,该比值的相对变化小于 \(10^{-5}\),不影响所报告的结果。
4. 随着恒星升高,\(\sin\alpha\) 增大,反射振幅系数减小:
\[ \frac{dr}{d\alpha} =-\frac{2n\cos\alpha}{(n+\sin\alpha)^2}<0 \qquad \left(0<\alpha<\frac{\pi}{2}\right). \]
相长干涉的包络线为
\[ I_{\mathrm{upper}}=I_0(1+r)^2, \]
它随 \(r\) 减小而降低。相消干涉的包络线为
\[ I_{\mathrm{lower}}=I_0(1-r)^2, \]
它则升高。因此,后续极大值越来越弱,而后续极小值越来越强,所以极大值与极小值的信号之比减小。
解答已与官方解答核对。
IPhO 1981 · Теоретическая задача 3
Радиоинтерферометр на морском берегу
Детектор радиоволн радиоастрономической обсерватории расположен на морском берегу на высоте \(h = 2\) м над уровнем моря. После восхода над горизонтом звезды, излучающей электромагнитные волны с длиной волны \(\lambda = 21\) см, детектор регистрирует последовательность чередующихся максимумов и минимумов. Регистрируемый сигнал пропорционален интенсивности принимаемых волн. Детектор регистрирует волны, вектор электрического поля которых колеблется в направлении, параллельном поверхности моря.
-
Определите угол между направлением на звезду и горизонтом в моменты, когда детектор регистрирует максимумы и минимумы (в общем виде).
-
Уменьшается или увеличивается сигнал сразу после восхода звезды?
-
Определите отношение сигнала в первом максимуме к сигналу в следующем за ним минимуме. При отражении электромагнитной волны от поверхности воды отношение напряжённостей электрического поля отражённой (\(E_r\)) и падающей (\(E_i\)) волн подчиняется закону:
\[ \frac{E_r}{E_i}=\frac{n-\cos\varphi}{n+\cos\varphi}, \]
где \(n\) — показатель преломления, а \(\varphi\) — угол падения волны. Для границы раздела «воздух — вода» при \(\lambda = 21\) см показатель преломления \(n = 9\).
- Увеличивается или уменьшается отношение интенсивностей в последовательных максимумах и минимумах по мере подъёма звезды над горизонтом?
Считайте поверхность моря плоской.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- Обозначая через \(\alpha\) угловую высоту звезды над горизонтом, получаем обычные положения интерференционных полос:
\[ \boxed{\alpha_m^{\max}\simeq \arcsin\!\left(\frac{(2m+1)\lambda}{4h}\right)},\qquad \boxed{\alpha_m^{\min}\simeq \arcsin\!\left(\frac{m\lambda}{2h}\right)}. \]
Здесь \(m=0,1,2,\ldots\), причём допустимы только значения, при которых аргументы не превышают \(1\). Первый максимум наблюдается приблизительно при \(1.50^\circ\), а следующий за ним минимум — при \(3.01^\circ\). Ниже дана количественная оценка малой поправки, обусловленной зависимостью отражения от угла.
-
Сразу после восхода звезды сигнал увеличивается, начиная с минимума на горизонте.
-
Отношение сигналов равно
\[ \boxed{\frac{S_{\text{первый максимум}}}{S_{\text{следующий минимум}}} \simeq 2.96\times10^4}. \]
- Отношение сигналов в последовательных максимумах к сигналам в минимумах уменьшается по мере подъёма звезды над горизонтом.
Решение
1. Будем считать далёкую звезду стационарным источником плоских волн, а плоскую поверхность моря — зеркальным отражателем, сохраняющим когерентность волн. Пусть \(\alpha\) — угловая высота звезды, а \(I_0\) — интенсивность одной лишь прямой волны.
Длину пути отражённой волны можно вычислить, заменив детектор, расположенный на высоте \(h\), его зеркальным изображением на глубине \(h\). Расстояние между детектором и его изображением равно \(2h\); проекция этого отрезка на направление к звезде даёт разность хода
\[ \Delta=2h\sin\alpha. \]
Электрическое поле принимаемой волны параллельно поверхности моря и перпендикулярно плоскости падения. При отражении волны, падающей из воздуха на оптически более плотную воду, направление этого электрического поля меняется на противоположное, что соответствует изменению фазы на \(\pi\).
Обозначим через \(r\) положительное отношение амплитуды поля отражённой волны к амплитуде поля падающей волны и определим разность фаз, обусловленную распространением:
\[ \delta=\frac{2\pi\Delta}{\lambda} =\frac{4\pi h}{\lambda}\sin\alpha. \]
С учётом изменения фазы при отражении результирующая интенсивность равна
\[ \boxed{\frac{I}{I_0} =1+r^2-2r\cos\delta =(1-r)^2+4r\sin^2\!\left(\frac{\delta}{2}\right)}. \]
Считая \(r\) локально постоянным в пределах одной интерференционной полосы, получаем, что максимумы возникают при \(\cos\delta=-1\), а минимумы — при \(\cos\delta=1\). Следовательно,
\[ 2h\sin\alpha_m^{\max} =\left(m+\frac12\right)\lambda, \qquad 2h\sin\alpha_m^{\min}=m\lambda, \]
откуда получаются формулы, приведённые в разделе «Ответы». Численно,
\[ \sin\alpha_m^{\max}=0.02625(2m+1), \qquad \sin\alpha_m^{\min}=0.05250m. \]
Горизонту, \(m=0\), соответствует минимум.
Для полноты отметим, что заданная зависимость коэффициента отражения от угла вызывает небольшие смещения относительно положений, определяемых этими фазовыми условиями. Поскольку угол падения отсчитывается от нормали к поверхности,
\[ \varphi=\frac{\pi}{2}-\alpha, \qquad \cos\varphi=\sin\alpha. \]
Положим \(s=\sin\alpha\) и \(K=4\pi h/\lambda\). Тогда
\[ r(s)=\frac{n-s}{n+s}, \qquad r'(s)=-\frac{2n}{(n+s)^2}. \]
Дифференцирование полного выражения для интенсивности даёт точное условие экстремумов во внутренних точках:
\[ \boxed{ r'(s)\bigl[r(s)-\cos(Ks)\bigr] +Kr(s)\sin(Ks)=0. } \]
Формулы, основанные на фазовых условиях, дают для первого максимума и следующего за ним минимума значения \(1.50419^\circ\) и \(3.00941^\circ\). Учёт изменения \(r\) даёт соответственно \(1.50241^\circ\) и \(3.00940^\circ\). Таким образом, простые формулы правильно определяют оба угла с указанной выше точностью.
2. На горизонте
\[ \alpha=0,\qquad \delta=0,\qquad r=1. \]
Поэтому поля прямой и отражённой волн взаимно компенсируются:
\[ I(0)=0. \]
По мере подъёма звезды разность фаз, обусловленная распространением, становится ненулевой, и компенсация нарушается. Более явно, при малых положительных \(\alpha\), выраженных в радианах,
\[ r=1-\frac{2\alpha}{n}+O(\alpha^2), \qquad \delta=K\alpha+O(\alpha^3). \]
Следовательно,
\[ \frac{I}{I_0} =\left(K^2+\frac{4}{n^2}\right)\alpha^2+O(\alpha^3). \]
Коэффициент при главном члене положителен, поэтому вначале сигнал возрастает квадратично с угловой высотой.
3. Заданное отношение \(E_r/E_i\) представляет собой отношение амплитуд электрического поля. Измеряемый сигнал пропорционален квадрату результирующего поля.
В первом максимуме и следующем за ним минимуме соответственно
\[ s_1=\frac{\lambda}{4h}=0.02625, \qquad s_2=\frac{\lambda}{2h}=0.05250. \]
Соответствующие коэффициенты отражения различны:
\[ r_1=\frac{9-0.02625}{9+0.02625} \simeq0.994184, \]
\[ r_2=\frac{9-0.05250}{9+0.05250} \simeq0.988401. \]
В максимуме амплитуды полей складываются, а в минимуме — вычитаются. Поэтому
\[ I_{\max,1}=I_0(1+r_1)^2, \qquad I_{\min,1}=I_0(1-r_2)^2. \]
Используя соотношения
\[ 1+r_1=\frac{2n}{n+s_1}, \qquad 1-r_2=\frac{2s_2}{n+s_2}, \]
получаем искомое отношение:
\[ \begin{aligned} R &=\left[\frac{n(n+s_2)}{s_2(n+s_1)}\right]^2\\ &=\left[ \frac{9(9+0.05250)} {0.05250(9+0.02625)} \right]^2\\ &\simeq 29558.9. \end{aligned} \]
Следовательно,
\[ \boxed{R\simeq2.96\times10^4}. \]
Использование точных экстремумов из пункта 1 изменяет это отношение менее чем на \(10^{-5}\) в относительных единицах, так что приведённый результат остаётся неизменным.
4. По мере подъёма звезды \(\sin\alpha\) увеличивается, а амплитудный коэффициент отражения уменьшается:
\[ \frac{dr}{d\alpha} =-\frac{2n\cos\alpha}{(n+\sin\alpha)^2}<0 \qquad \left(0<\alpha<\frac{\pi}{2}\right). \]
Огибающая, соответствующая конструктивной интерференции, имеет вид
\[ I_{\mathrm{upper}}=I_0(1+r)^2, \]
и убывает при уменьшении \(r\). Огибающая, соответствующая деструктивной интерференции, имеет вид
\[ I_{\mathrm{lower}}=I_0(1-r)^2, \]
и возрастает. Таким образом, последующие максимумы становятся слабее, а последующие минимумы — сильнее, поэтому отношение сигнала в максимуме к сигналу в минимуме уменьшается.
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1981 · مسألة نظرية 3
مقياس تداخل راديوي على شاطئ البحر
وُضع كاشف للموجات الراديوية في مرصد فلكي راديوي على شاطئ البحر على ارتفاع \(h = 2\ \mathrm{m}\) فوق مستوى سطح البحر. بعد طلوع نجم يشع موجات كهرومغناطيسية طولها الموجي \(\lambda = 21\ \mathrm{cm}\) فوق الأفق، يسجل الكاشف سلسلة من القيم العظمى والصغرى المتناوبة. تتناسب الإشارة المسجلة طرديًا مع شدة الموجات المكتشفة. يسجل الكاشف الموجات التي يهتز متجه مجالها الكهربائي في اتجاه موازٍ لسطح البحر.
-
حدد الزاوية بين اتجاه النجم والأفق في اللحظات التي يسجل فيها الكاشف القيم العظمى والصغرى (بصيغة عامة).
-
هل تنخفض الإشارة أم تزداد مباشرة بعد طلوع النجم؟
-
حدد نسبة الإشارة عند القيمة العظمى الأولى إلى الإشارة عند القيمة الصغرى التالية. عند انعكاس الموجة الكهرومغناطيسية على سطح الماء، تخضع نسبة شدتي المجال الكهربائي للموجة المنعكسة (\(E_r\)) والموجة الساقطة (\(E_i\)) للقانون:
\[ \frac{E_r}{E_i}=\frac{n-\cos\varphi}{n+\cos\varphi}, \]
حيث \(n\) هو معامل الانكسار و\(\varphi\) هي زاوية سقوط الموجة. بالنسبة إلى السطح الفاصل «هواء–ماء» عند \(\lambda = 21\ \mathrm{cm}\)، فإن معامل الانكسار هو \(n = 9\).
- هل تزداد نسبة الشدتين عند القيم العظمى والصغرى المتتالية أم تنخفض مع ارتفاع النجم؟
افترض أن سطح البحر مستوٍ.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- إذا رمزنا إلى زاوية ارتفاع النجم فوق الأفق بـ \(\alpha\)، فإن المواضع المعتادة لأهداب التداخل هي
\[ \boxed{\alpha_m^{\max}\simeq \arcsin\!\left(\frac{(2m+1)\lambda}{4h}\right)},\qquad \boxed{\alpha_m^{\min}\simeq \arcsin\!\left(\frac{m\lambda}{2h}\right)}. \]
هنا \(m=0,1,2,\ldots\)، على أن تقتصر قيمه على تلك التي لا تتجاوز عندها حجج الدالة \(1\). تقع القيمة العظمى الأولى عند نحو \(1.50^\circ\)، والقيمة الصغرى التالية عند \(3.01^\circ\). ويُحسب أدناه مقدار التصحيح الصغير الناجم عن اعتماد الانعكاس على الزاوية.
-
تزداد الإشارة مباشرة بعد طلوع النجم، انطلاقًا من قيمة صغرى عند الأفق.
-
نسبة الإشارتين هي
\[ \boxed{\frac{S_{\text{القيمة العظمى الأولى}}}{S_{\text{القيمة الصغرى التالية}}} \simeq 2.96\times10^4}. \]
- تنخفض نسبة الإشارات العظمى إلى الإشارات الصغرى المتتالية مع ارتفاع النجم.
الحل
1. نعامل النجم البعيد بوصفه مصدرًا ثابتًا لموجات مستوية، والبحر المستوي بوصفه عاكسًا مرآويًا يحافظ على الترابط. لتكن \(\alpha\) زاوية ارتفاع النجم و\(I_0\) شدة الموجة المباشرة وحدها.
يمكن حساب المسار المنعكس باستبدال الكاشف، الواقع على ارتفاع \(h\)، بصورته المرآوية الواقعة على عمق \(h\). تبلغ المسافة بين الكاشف وصورته \(2h\)؛ ويعطي إسقاطها على الاتجاه نحو النجم فرق المسار
\[ \Delta=2h\sin\alpha. \]
المجال الكهربائي المكتشف موازٍ لسطح البحر وعمودي على مستوى السقوط. ويعكس الانعكاس من الهواء إلى الماء، الأعلى كثافة ضوئية، اتجاه هذا المجال الكهربائي، مُحدِثًا تغيرًا في الطور مقداره \(\pi\).
لنرمز بـ \(r\) إلى النسبة الموجبة لسعة المجال المنعكس إلى سعة المجال الساقط، ولنعرّف فرق الطور الناتج عن الانتشار كما يلي
\[ \delta=\frac{2\pi\Delta}{\lambda} =\frac{4\pi h}{\lambda}\sin\alpha. \]
بأخذ انقلاب الطور عند الانعكاس في الحسبان، تكون الشدة المحصلة
\[ \boxed{\frac{I}{I_0} =1+r^2-2r\cos\delta =(1-r)^2+4r\sin^2\!\left(\frac{\delta}{2}\right)}. \]
باعتبار \(r\) ثابتًا محليًا على امتداد هدب واحد، تحدث القيم العظمى عندما \(\cos\delta=-1\)، بينما تحدث القيم الصغرى عندما \(\cos\delta=1\). ومن ثم
\[ 2h\sin\alpha_m^{\max} =\left(m+\frac12\right)\lambda, \qquad 2h\sin\alpha_m^{\min}=m\lambda, \]
وهو ما يعطي الصيغ الواردة في قسم الإجابات. وعدديًا،
\[ \sin\alpha_m^{\max}=0.02625(2m+1), \qquad \sin\alpha_m^{\min}=0.05250m. \]
يمثل الأفق، حيث \(m=0\)، موضع قيمة صغرى.
استكمالًا للحل، يسبب معامل الانعكاس المعطى، المعتمد على الزاوية، انزياحات صغيرة عن هذه المواضع المحددة بعلاقة الطور. وبما أن زاوية السقوط تُقاس من العمود على السطح، فإن
\[ \varphi=\frac{\pi}{2}-\alpha, \qquad \cos\varphi=\sin\alpha. \]
نضع \(s=\sin\alpha\) و\(K=4\pi h/\lambda\). عندئذٍ
\[ r(s)=\frac{n-s}{n+s}, \qquad r'(s)=-\frac{2n}{(n+s)^2}. \]
يعطي اشتقاق التعبير الكامل للشدة الشرط الدقيق للقيم القصوى داخل المجال:
\[ \boxed{ r'(s)\bigl[r(s)-\cos(Ks)\bigr] +Kr(s)\sin(Ks)=0. } \]
تعطي الصيغ المحددة بعلاقة الطور \(1.50419^\circ\) و\(3.00941^\circ\) للقيمة العظمى الأولى والقيمة الصغرى التالية. ويعطي أخذ تغير \(r\) في الحسبان \(1.50241^\circ\) و\(3.00940^\circ\)، على الترتيب. لذا تعطي الصيغ البسيطة كلتا الزاويتين على نحو صحيح ضمن الدقة المذكورة أعلاه.
2. عند الأفق،
\[ \alpha=0,\qquad \delta=0,\qquad r=1. \]
لذلك يلغي المجالان المباشر والمنعكس أحدهما الآخر:
\[ I(0)=0. \]
مع ارتفاع النجم، يصبح فرق الطور الناتج عن الانتشار غير صفري، ويزول الإلغاء. وبصورة أكثر صراحة، عند قيم \(\alpha\) الموجبة الصغيرة، مقيسة بالراديان،
\[ r=1-\frac{2\alpha}{n}+O(\alpha^2), \qquad \delta=K\alpha+O(\alpha^3). \]
وبالتالي،
\[ \frac{I}{I_0} =\left(K^2+\frac{4}{n^2}\right)\alpha^2+O(\alpha^3). \]
معامل الحد الرئيس موجب، لذا فإن الإشارة في البداية تزداد تناسبًا مع مربع زاوية الارتفاع.
3. النسبة المعطاة \(E_r/E_i\) هي نسبة سعتي المجال الكهربائي. وتتناسب الإشارة المقيسة طرديًا مع مربع المجال المحصل.
عند القيمة العظمى الأولى والقيمة الصغرى التالية، على الترتيب،
\[ s_1=\frac{\lambda}{4h}=0.02625, \qquad s_2=\frac{\lambda}{2h}=0.05250. \]
يختلف معاملا الانعكاس عندهما:
\[ r_1=\frac{9-0.02625}{9+0.02625} \simeq0.994184, \]
\[ r_2=\frac{9-0.05250}{9+0.05250} \simeq0.988401. \]
عند القيمة العظمى تُجمع سعتا المجال، بينما تُطرح إحداهما من الأخرى عند القيمة الصغرى. ومن ثم
\[ I_{\max,1}=I_0(1+r_1)^2, \qquad I_{\min,1}=I_0(1-r_2)^2. \]
وباستخدام
\[ 1+r_1=\frac{2n}{n+s_1}, \qquad 1-r_2=\frac{2s_2}{n+s_2}, \]
تصبح النسبة المطلوبة
\[ \begin{aligned} R &=\left[\frac{n(n+s_2)}{s_2(n+s_1)}\right]^2\\ &=\left[ \frac{9(9+0.05250)} {0.05250(9+0.02625)} \right]^2\\ &\simeq 29558.9. \end{aligned} \]
وعليه،
\[ \boxed{R\simeq2.96\times10^4}. \]
يؤدي استخدام القيم القصوى الدقيقة من الجزء 1 إلى تغير نسبي في هذه النسبة يقل عن \(10^{-5}\)، فتظل النتيجة المذكورة دون تغيير.
4. مع ارتفاع النجم، تزداد \(\sin\alpha\) وتتناقص سعة الانعكاس:
\[ \frac{dr}{d\alpha} =-\frac{2n\cos\alpha}{(n+\sin\alpha)^2}<0 \qquad \left(0<\alpha<\frac{\pi}{2}\right). \]
غلاف التداخل البنّاء هو
\[ I_{\mathrm{upper}}=I_0(1+r)^2, \]
وهو يتناقص مع تناقص \(r\). أما غلاف التداخل الهدّام فهو
\[ I_{\mathrm{lower}}=I_0(1-r)^2, \]
وهو يتزايد. وهكذا تصبح القيم العظمى اللاحقة أضعف، بينما تصبح القيم الصغرى اللاحقة أقوى، لذا فإن نسبة الإشارة العظمى إلى الإشارة الصغرى تنخفض.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.