Почему свет является уникальным явлением природы

Понятие и определение света с точки зрения физики

В XXI веке науке известно почти все об окружающих нас явлениях. По крайней мере, она может достаточно точно ответить на вопрос, что такое свет, какие у него свойства и каким законам он подчиняется.

Что такое свет с точки зрения физики

Первую научную теорию о природе света предложил в XVIII веке Христиан Гюйгенс, утверждавший, что световое излучение распространяется в пространстве волнами. Исаак Ньютон выдвинул свою концепцию о природе этого явления, согласно которой свет — это поток мельчайших частиц.

В середине XIX-го века наука сформировала новые представления о физической природе света. Прорывом стал закон электромагнитного поля Джеймса Максвелла, который смог гармонично соединить идеи Гюйгенса и Ньютона. Ученый доказал, что световое излучение одновременно является и частицей, и волной.

Эти же представления о явлении света актуальны и для современного научного сообщества. Единицей измерения светового потока принято считать фотон — квант электромагнитного излучения.

Световое излучение — это поперечная волна. Однако в падающем от источника пучке световых волн присутствуют колебания всех возможных направлений, в том числе, и продольных.

Природа явления, какие законы его описывают

За 200 лет активных изучений световых явлений, ученые накопили достаточно информации и сформулировали основные законы распространения светового потока в пространстве.

К ним относятся:

1. Прямолинейное распространение светового луча в однородной среде.
2. Отражение светового луча от непрозрачной поверхности.
3. Преломление светового луча на границе двух разных сред.

Закон прямолинейного распространения утверждает, что видимый свет в однородной среде (воздух, вода) распространяется строго по прямой линии. Если на этой линии разместить предмет, то от него образуется тень.

В неоднородной же среде направление светового луча меняется. Одну часть фотонов поглощает среда, другая — меняет свой вектор движения.

Закон отражения одним из первых сформулирован учеными древности. Из этого закона следуют следующие свойства света:

1. Падающий световой поток и отраженный луч находятся в одной плоскости.
2. Угол падения светового луча всегда равен углу отражения.

Как действует закон преломления, каждый из нас мог наблюдать в жизни неоднократно. Мы видели как преломляется чайная ложка в прозрачном стакане воды, но не знали, что это объясняется изменением длины световых волн. Попадая в более плотную среду, скорость распространения светового потока уменьшается, и, наоборот, она увеличивается, переходя из воды в воздух. Другим примером, иллюстрирующим закон преломления света в атмосфере является радуга.

Общие определения

В физике существует специальный раздел, который занимается изучением света, его распространения в пространстве и взаимодействия с другим веществом. Этот раздел называется оптикой.

Другие важные определения, которые необходимо знать при изучении оптических явлений, это:

1. Световой поток. Это величина, равная количеству энергии, излучаемой источником света за единицу времени.
2. Сила света. Так называют плотность светового потока, распространяемого в данном направлении пространства.
3. Яркость. Это характеристика, которая показывает отношение силы света, который излучает поверхность, к площади ее проекции на перпендикулярную оси наблюдения плоскость.
4. Освещенность. Этим термином называют количество света, который падает на единицу поверхности.

Характеристики и основные свойства света

Основной характеристикой света является корпускулярно-волновой дуализм, то есть его двойственная природа, присущие ему свойства и волны, и частицы.

К основным волновым свойствам данного явления относятся:

1. Интерференция — пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или более световых волн.
2. Дифракция. Этим термином называется свойство световой волны огибать препятствия на своем пути.
3. Поляризация — свойство световых лучей распространяться в определенном направлении (лазеры).

Квантовыми свойствами света считаются:

1. Фотоэффект — выделение веществом электронов под воздействием электромагнитного излучения.
2. Излучение черного тела. Абсолютно черным телом в физике называют тело, поглощающее все то излучение, которое на него падает.
3. Эффект Комптона. Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения получил название эффект Комптона.

Спектральный состав света

Еще Ньютон в своих экспериментах доказал, что обычный белый свет является набором многих цветов или волн, имеющих различную длину, которые при взаимодействии складываются в белый. Видимый свет находится в диапазоне от 380 до 780 нанометров.

Если излучение обладает волнами, короче 380 нм, то оно относится к ультрафиолетовому свету, если излучение имеет длину волн более 780 нм — оно называется инфракрасным.

За пределами ультрафиолетового и инфракрасного излучения находятся и другие, известные науке виды:

• гамма-лучи;
• рентгеновские волны;
• микроволновой диапазон и др.

Как свет воспринимается глазом

Свет воспринимается глазами человека в диапазоне 370-790 нм. Ультрафиолетовое излучение наше зрение зафиксировать не может, зато его воздействие испытывает на себе наша кожа, на которую оно оседает в виде загара. Инфракрасное же излучение ощущается человеком как тепло. Разработки последних лет подтвердили преимущество инфракрасных обогревателей перед другими видами.

Сетчатка глаз обладает уникальной способностью улавливать фотоны и передавать эту информацию в мозг для последующей обработки. Это подтвержденный факт, который свидетельствует о том, что человек является гармоничной частью природы.

Как видите, физика и ее отдельные аспекты кажутся простыми только на первый взгляд. Для того, чтобы разобраться в сути некоторых явлений, придется потратить не один час. Если физика — это не для вас и не про вас, обязательно обращайтесь за помощью к экспертам Феникс.Хелп.

Теории электромагнитной природы света

Свет является электромагнитными волнами с определенным спектром частоты, который различает человеческий глаз, представленный длиной волны в интервале от 0,4 до 0,76 мкм.

Каждый цвет световой волны обладает конкретным значением длины. Когда длина волны изменяется, свет меняет свой окрас. При увеличении длины волны изменение цветов происходит в следующем порядке:

• фиолетовый;
• синий;
• голубой;
• зеленый;
• желтый;
• оранжевый;
• красный.

При минимальной длине видимого спектра электромагнитной волны свет приобретает фиолетовый цвет и является фиолетовой границей спектра. Красный цвет определен максимальной длиной видимой волны и представляет собой красную границу. Естественный свет не обладает цветом и является совокупностью электромагнитных волн всего видимого спектра.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Источник естественного света – атомы. При переходе в возбужденное состояние атомы испускают электромагнитные волны. Причинами такого явления может являться воздействие разного характера, к примеру:

• электромагнитное;
• тепловое;
• химическое.

В результате подобного воздействия атомы, пребывая в активном состоянии, испускают волны около 8-10 секунд. В связи с тем, что излучаемый диапазон электромагнитных волн достаточно широк, они испускают полный спектр видимых волн. При этом случайно определяются параметры:

• начальная фаза;
• поляризация;
• направление.

Исходя из вышесказанного, естественный свет не является поляризованным. Так как свет обладает природой электромагнитной волны, в основе оптической физики лежат уравнения Максвелла и выражения, которые являются следствиями данной теории. По теории Максвелла:

где C и V – определяют скорость света соответственно в условиях магнитной и электрической среды;

\(\varepsilon\) и \(\mu\) – являются диэлектрической и магнитной проницаемостью вакуума.

Таким образом можно определить, как магнитные, электрические и оптические постоянные среды зависят друг от друга. По теории Максвелла диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума не связаны с параметром длины световых волн. Исходя из этого, теория электромагнитных волн не может объяснить дисперсию, то есть, каким образом связаны преломление и длина световой волны.

Величина показателя преломления определяет оптическую плотность вещества. Для описания связи между длиной волны и показателем n используют следующее выражение:

где \(\lambda _0\) представляет собой длину волны в вакуумной среде.

Понятие о когерентности и сложение колебаний

Определение

Когерентность – является коррелированностью двух и более волновых процессов во времени, что возможно в случае их суммирования.

Определение

Когерентные колебания представляют собой такие колебания, у которых разность фаз постоянна, а результат суммирования является колебанием с аналогичной частотой.

Классическая волновая оптика исследует линейные среды, то есть среды с независимыми от интенсивности света диэлектрической и магнитной проницаемостью. В связи с этим, для волновой оптики характерен принцип суперпозиции. Исследования поведения волн света в нелинейных средах являются областью изучения нелинейной оптики.

В случае нелинейных оптических явлений можно отметить их значительную выраженность в условиях высокой интенсивности света, который, например, испускают лазеры. При рассмотрении пары волн с одинаковой частотой, наложенных одна на другую и возбуждающих колебания в одном направлении, можно наблюдать, что амплитуда суммарного колебания будет определяться таким выражением:

\(A^2=A_1^2+A_2^2+2A_1 A_2 cos\sigma\)

где \(\sigma =\alpha _2-\alpha _1\) – является разностью фаз колебаний волн;

\(A_1 cos \omega t+\alpha _1\) – определяют характеристики первой волны;

\(A_2 cos \omega t+\alpha _2\) – определяют характеристики второй волны.

Когерентными называют волны, разность фаз колебаний которых \(\sigma\) является постоянной величиной.

Волновые и квантовые свойства света

С давних времен люди искали ответ на вопрос о природе света. В XVII веке практически в одно время получили распространение совершенно разные, на первый взгляд, теории о том, чем является свет. Основатель первой – корпускулярной теории – Исаак Ньютон. Вторая теория, волновая, была представлена голландским ученым Христианом Гюйгенсом.

Во второй половине XIX столетия Джеймс Клерк Максвелл в своих трудах открыл электромагнитную теорию света. Основу его научных исследований составлял тот факт, что скорость света и скорость, с которой распространяются электромагнитные волны, совпадают. Следствие теории Максвелла заключается в том, что электромагнитные волны, как и световые волны, являются поперечными.

Теоретические утверждения нашли экспериментальное подтверждение. Таким образом, по теории Д. Максвелла, видимый свет является электромагнитными волнами с определенным диапазоном длины волны. Для видимого света он соответствует интервалу от \(3,8*10^\) до \(7,6*10^\) м.

Начало ХХ столетия отмечено формированием квантовой теории света. Данное утверждение сформулировал в 1900 году немецкий физик Макс Планк. Обоснование теория получила в 1905 году, благодаря исследованиям немецкого физика Альберта Эйнштейна.

Теория гласит, что частицы вещества испускают и поглощают световое излучение не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями в виде квантов света. Энергия каждого такого кванта рассчитывается по формуле:

где h – является постоянной Планка.

Альбертом Эйнштейном было выдвинуто предположение о том, что электромагнитные волны, обладающие частотой v, допустимо рассматривать в качестве потока квантов с энергией Е.

Примечание

Свет обладает не только волновыми свойствами. Для него характерны также корпускулярные свойства.

При увеличении частоты электромагнитного излучения повышается интенсивность, с которой проявляются корпускулярные свойства излучения, а волновые свойства в этом случае теряют свою силу. Квант электромагнитного поля является фотоном.

Определение

Фотон представляет собой элементарную частицу.

В случае фотона отсутствует масса покоя. Фотон не обладает зарядом, а его скорость в любом случае соответствует скорости света.

Таким образом, волновые и квантовые свойства света связаны со свойствами его излучателей в виде электронов атомов. Образование кванта или фотона связано с переходом электрона на более низкий энергетический уровень, что в результате приводит к генерации электромагнитных импульсов.

Наблюдать квантовые свойства, которыми обладает свет, можно на примере явления, называемого фотоэффектом. Каждый из фотонов, сталкиваясь с электроном, проникает внутрь его. Квант и электрон образуют единой целое. При этом общая энергия трансформируется в кинетическую, что является необходимым условием для возникновения фотоэффекта.

При фотоэффекте волновые колебания способны увеличивать производимую фотоном энергию до момента достижения определенного значения. Фотоэффект является незаменимым в современной электротехнике. Применение данного явления лежит в основе разработок космических лайнеров и спутников, солнечных батарей.

Фотоэффект используют в качестве источника вспомогательной энергии. Световые волны влияют на химические и биологические процессы, протекающие на нашей планете. С помощью простых солнечных лучей растения приобретают зеленый окрас, атмосфера Земли окрашивается в разные оттенки синего, человек может наблюдать мир таким, каков он есть.

Явление интерференции света

Определение

Интерференция света заключается в том, что в процессе совмещения одной световой волны с другой отсутствует суммирование их интенсивности.

Обязательное условие для интерференции состоит в когерентности световых волн. Такое состояние характерно для монохроматических волн, обладающих одинаковой частотой и распространяющихся в закрытом объеме.

Исходя из того, что в реальных условиях источники света не испускают монохроматические волны, все волны в природе являются некогерентными. В связи с тем, что электромагнитные волны поперечные, их недостаточно для формирования когерентных волн, чтобы получить интерферентную картину.

Длительность излучения волны атомом, который пребывает в возбужденном состоянии, равна 8-10 секунд. В течение этого времени атом расходует излишки энергии на излучение. После этого излучение заканчивается, так как атом принимает нормальное состояние. Спустя некоторое время атом вновь активизируется.

Причинами такого поведения могут являться воздействия разного характера. В результате атом снова излучает волны. Все источники света испускают свет с периодическим прерыванием, независимо от характеристик источников и возбудителей атомов.

Предположим, что свет разделился на две когерентные волны в некоторой точке О. В точке М можно наблюдать интерференцию. К данной точке волна преодолела расстояние \(S_1\) в среде \(n_1\) , а другая волна – путь \(S_2 \) в среде \(n_2\) . Фаза колебаний в начальной точке O составляет \(\omega t\) , а в точке M одна волна возбудит колебание, которое можно определить по формуле:

Другая волна образует колебание, равное:

где \(V_1= и V_2= \) – является фазовой скоростью, которой обладают волны.

Оптическая длина волны L является произведением геометрического расстояния пути световой волны S и величины преломления среды. Оптическая разность хода представляет собой разность оптических длин:

При соответствии оптической разности хода целому числу волн в вакууме \(\delta =m \lambda_0(m=0,1,2…):\)

В данном случае колебания в точке M осуществляются в одной фазе, что является максимумом.

При оптической разности хода, равной:

В данной ситуации колебания осуществляются в противофазе.

Важным является тот факт, что электромагнитная природа света подтверждена экспериментальным путем и является доказанной. В 2009 году ученые разработали способы для высокоточного определения колебаний магнитной части волны света.

Впервые электромагнитная природа света была доказана Максвеллом. Исследователь представил волновое уравнение и определил скорость волн, соответствующую величине скорости света. Данное заключение подтвердило то, что свет является электромагнитной волной, частота которой определяет ее параметры – такие, как цвет.

Электромагнитные волны в виде рентгеновского излучения или радиоволн представляют собой сумму магнитного и электрического полей, которые трансформируются одно в другое, распространяясь во времени и пространстве. При этом магнитные и электрические векторы перпендикулярны друг к другу и к направлению распространения данной волны.

Насколько полезной была для вас статья?

Световые явления в живой и неживой природе

Что такое свет, откуда он появляется, искусственные и естественные источники света — всё это вы сможете узнать, посмотрев презентацию.

Скачать:

Вложение	Размер
chebotaryov.pptx	1.08 МБ

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Световые явления в живой и неживой природе.

Что такое свет? Свет – это поток электромагнитных волн. Источниками света являются тела, испускающие световые волны.

Световые волны появляются во время химической реакции горения, в этом случае мы имеем дело с теплым светом или могут выделяться в результате других химических реакций, которые идут без выделения тепла, и тогда мы наблюдаем холодный (люминесцентный) свет.

Источники природного теплого света Солнце http://www.sonnik.sawin.com.ua/index.php?p=articles&area=1&catid=2&page=71&limit=25&print=1 Звезды

Люминесцентный свет может выделяться особыми светящимися органами животных, например глубоководных рыб, медуз, осьминогов и кальмаров. Есть светящиеся животные и среди обитателей суши: это почти сплошь жуки . В Европе шесть видов таких жуков . В тропических странах их значительно больше. Все они составляют одно семейство лампирид , то есть светляков. «Иллюминация», устраиваемая иногда этими жучками, представляет очень эффектное зрелище.

Кальмара с уникальными отражающими пластинками, образующими настоящий встроенный фонарик, обнаружили ученые на Гавайях . Сам свет дают колонии люминесцентных бактерий, живущих на кальмаре .

Глубоководный удильщик Удильщик – это хищная морская рыба. Самки гораздо крупнее самцов и первый луч спинного плавника у них превращён в «удочку» со светящейся «приманкой» на конце.

Светящиеся грибы http://weblinks.ru/blog/interest/2470.html

Искусственные источники света http://prom.ua/tags/Уф_лампы http://www.svet-consulting.ru/Technology/Lum.php Лампа накаливания Люминесцентная лампа

Свойства света Прямолинейное распространение света Свет отражается от поверхности предметов.

Федор Иванович Тютчев Как неожиданно и ярко, На влажной неба синеве, Воздушная воздвиглась арка В своем минутном торжестве! Один конец в леса вонзила, Другим за облака ушла – Она полнеба обхватила И в высоте изнемогла.

Опыт И. Ньютона В 1672г И. Ньютон провел опыт по разложению белого света. В спектре он выделил 7 основных цветов: красный , оранжевый , желтый , зеленый , голубой , синий , фиолетовый . ( К аждый О хотник Ж елает З нать Г де С идит Ф азан)

Свойства света Разложение белого света на основные цвета.

Природа света

Согласно современным представлениям, свет имеет не только волновую природу. Свет – это ещё и поток частиц, называемых фотонами. Являясь одновременно и волной, и потоком частиц, свет – в прямом смысле слова – яркий пример парадоксального явления, именуемого физиками «квантово-волновой дуализм».

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Природа света

В физике свет рассматривается как совокупность направленных частиц, называемых фотонами. Скорость распределения волн в вакууме постоянна. Фотоны обладают определенным импульсом, энергией, нулевой массой. В более широком смысле слова, свет – это видимое ультрафиолетовое излучение.

Краткая история развития представлений о природе света

Часть физики, рассматривающую световые явления, называют оптикой (от греческого «оптикос» — зрительный), а сами световые явления называют оптическими.

Падающий на предметы свет позволяет нам видеть их и ориентироваться в пространстве. Однако этим действие света не ограничивается. Вспомните, например, как сильно нагреваются тела, на которые попадает солнечный свет. Следовательно, свет обладает энергией и переносит ее в пространстве. Поскольку энергию могут переносить либо тела, либо волны, можно выдвинуть две гипотезы о природе света. Световое излучение должно состоять либо из потока мельчайших частиц, которые Ньютон назвал корпускулами, либо из волн, распространяющихся в какой-либо среде.

На основе первой гипотезы Ньютон создал корпускулярную теорию света, с помощью которой объяснялись очень многие оптические явления. Например, различные цвета излучения объяснялись различной формой составляющих его корпускул. На основе второй гипотезы в XVII в. голландский ученый X. Гюйгенс создал волновую теорию света. С помощью теории Гюйгенса хорошо объяснялись такие явления, как интерференция и дифракция света и др.

Поскольку ни одна из этих теорий в отдельности не могла полностью объяснить все оптические явления, вопрос об истинной природе светового излучения оставался нерешенным. В начале XIX в. после исследований О. Френеля, Ж. Фуко и многих других ученых выяснилось преимущество волновой теории света перед корпускулярной. Однако у волновой теории был один крупный недостаток. В ней предполагалось, что световое излучение представляет собой поперечные механические волны. Следовательно, между Солнцем и Землей должно быть вещество, так как свет свободно проходит от Солнца до Земли. Поэтому был создана гипотеза о мировом эфире, заполняющем все пространство между телами и молекулами. Если вспомнить, что поперечные волны возможны только в твердых телах (§24.15), то придется допустить, что эфир должен обладать свойствами упругого твердого тела. Однако присутствие эфира никак не отражается на движении Земли в мировом пространстве. Значит, эфир ничем себя не проявляет, кроме того, что в нем распространяется свет, хотя и обладает свойствами твердого тела. Такие противоречивые свойства эфира ставили под сомнение гипотезу о его существовании.

Это противоречие в волновой теории света в основном было устранено Д. Максвеллом. Максвелл обратил внимание на то, что скорость распространения света в вакууме совпадает с вычисленной им скоростью распространения электромагнитных волн. На этом основании он выдвинул гипотезу об электромагнитной природе света, которая затем была подтверждена многими опытами. Таким образом, к концу XIX в. была создана электромагнитная теория света, которой пользуются и в настоящее время.

Понятие об электромагнитной теории света. Диапазон световых волн

Согласно электромагнитной теории света всякое световое излучение является электромагнитными волнами. Однако далеко не все электромагнитные волны являются световыми, а только те, что вызывают у человека зрительное ощущение. К световому излучению относятся только волны с частотой колебаний от 4•10 14 до 7,5•10 14 Гц. В этом интервале каждой частоте соответствует свой цвет излучения. Например, частоте 5,4•10 14 Гц соответствует зеленый цвет. По частоте излучения из формулы (27.12) всегда можно найти длину его волны в вакууме:

Расчет показывает, что световое излучение в вакууме имеет длины волн от 400 нм (фиолетовый цвет) до 760 нм (красный цвет). Заметим, что при переходе светового излучения из одной среды в другую его цвет сохраняется, так как сохраняется его частота, а длина волны изменяется вследствие изменения скорости распространения света. Когда на практике цвет излучения характеризуют длиной волны, то длины волн указывают для вакуума.

Максвелл теоретически показал, что световое излучение (как и другие электромагнитные волны) должно осуществлять давление на тела, что подтвердилось опытами П. Н. Лебедева (§ 35.2).

Понятие о квантовой теории света. Постоянная Планка

Анализ состава излучения светящихся тел показал, что его распределение по частотам колебаний не согласуется с законами излучения, выведенными из волновой теории света. Стремясь найти объяснение этому факту, немецкий физик М. Планк (1858—1947 гг.) предположил, что свет излучается не в виде волн, а в виде определенных и неделимых порций энергии, которые он назвал квантами (от латинского «квантум» — количество, масса). В настоящее время кванты света называют фотонами.

На основе анализа оптических явлений было установлено, что те из них, которые связаны с распространением света в какой-либо среде, можно объяснить только с помощью волновой теории, а те, которые связаны с испусканием и поглощением света, объяснялись только с помощью представления о квантовом составе светового излучения. Все это означало, что для объяснения оптических явлений необходима новая теория, объединяющая волновые и корпускулярные свойства света. Эта новая теория получила название квантовой теории света ив своем первоначальном виде была создана трудами Планка, Эйнштейна, Бора и других ученых.

В настоящее время квантовая теория объясняет не только оптические явления, но и множество других явлений из всех разделов физики. Эта теория раскрыла новые свойства вещества и поля, предсказала много новых явлений, которые впоследствии были обнаружены опытным путем.

Связь между волновыми и корпускулярными свойствами света по этой теории выражается формулой Планка:

(28.1)

где — энергия кванта, — частота колебаний электромагнитного излучения и — постоянный коэффициент, одинаковый для всех волн и квантов, который называют постоянной Планка. В СИ числовое значение следующее:

Итак, согласно квантовой теории световое излучение заданной частоты v состоит из фотонов (квантов) с определенной энергией выражаемой формулой (28.1). Следовательно, энергия кванта прямо пропорциональна частоте колебаний электромагнитного излучения. Поскольку то из формулы (28.1) получим

(28.2)

т. е. энергия кванта обратно пропорциональна длине волны излучения в вакууме.

Опыт показал, что, пока фотон существует, он движется со скоростью (в вакууме) и ни при каких условиях не может замедлить свое движение или остановиться. При встрече с веществом он может быть поглощен частицей вещества. Тогда сам фотон исчезает, а его энергия целиком переходит к поглотившей его частице. Фотон не имеет массы покоя. Эта замечательная особенность фотонов отличает их от частиц вещества, например от протонов или электронов.

Заметим, что до сих пор не ясно, почему в одних явлениях свет обнаруживает ярко выраженные волновые свойства, а в других — корпускулярные свойства и каким образом такие противоречивые свойства могут объединяться в излучении. По квантовой теории объединение корпускулярных и волновых свойств является природным качеством всей материи вообще, т. е. каждая частица вещества обладает волновыми свойствами и каждая волна обладает корпускулярными свойствами.

Источники света

Все тела; молекулы и атомы которых создают видимое излучение, называют источниками света. Можно привести множество примеров различных источников света: лампа накаливания, горящая спичка, газосветные трубки.

Условно их можно разделить на группы по способу возбуждения частиц, испускающих свет.

К первой группе относятся температурные источники света, в которых свечение возникает за счет возбуждения атомов и молекул хаотическим движением частиц в теле при достаточно высокой температуре. Энергия излучения таких источников света получается за счет их внутренней энергии.

Ко второй группе относятся люминесцентные источники света, возбуждение атомов и молекул которых обусловлено не высокой температурой, а потоком летящих частиц вещества, например электронов, воздействием внешнего электромагнитного излучения или химической реакцией. В этом случае энергия излучения получается за счет электрической, химической или механической. энергии, т. е. за счет энергии каких-либо внешних источников. Примерами люминесцентного излучения служат свечение экрана электронно-лучевой трубки, свечение газосветных трубок в рекламах, свечение красок и т. п. Подробнее явление люминесценции будет рассмотрено в § 35.17. К этой же группе относится свечение в веществе, обусловленное эффектом Вавилова — Черенкова. Это свечение возникает при движении электронов в веществе со скоростью, превышающей скорость распространения света в нем (§ 37.5).

Принцип Гюйгенса. Световые лучи

Выясним, как волновая теория объясняет перемещение фронта волны в пространстве.

Допустим, что в какой-то момент времени фронт сферической волны, распространяющейся из точки О, занимает положение I (рис. 28.1). Через некоторый промежуток времени он займет положение II. Перемещение фронта волны в пространстве объясняют с помощью принципа Гюйгенса: все точки фронта волны являются вибраторами, от которых распространяются элементарные волны (1,2,3 и т. д. на рис. 28.1); огибающая всех этих элементарных волн дает новое положение фронта волны (поверхность II). (Огибающая представляет собой поверхность, касательную ко всем элементарным волнам.) Здесь следует учесть, что при наложении волн, идущих в сторону точки О, происходит взаимное ослабление колебаний, и в этом направлении волны гасят друг друга.

Направление перемещения фронта волны на рис. 28.1 показано стрелкой ВА. Напомним, что линию, вдоль которой перемещается фронт волны, называют лучом (§24.16). В изотропной среде свет распространяется прямолинейно, т. е. световые лучи в такой среде являются прямыми линиями. Это подтверждается многими явлениями, например появлением тени от непрозрачных тел, помещенных на пути световых лучей. (Приведите еще примеры, подтверждающие прямолинейность распространения света.)

Чем дальше от точки О (рис. 28.1) уходит фронт волны, тем меньше становится кривизна его поверхности. Поэтому на большом расстоянии от источника света маленький участок сферического фронта волны на практике можно считать плоским, а световые лучи можно считать параллельными. Например, солнечные лучи на поверхности Земли считают параллельными.

Для упрощения дальше мы условно будем говорить об энергии и цвете луча, подразумевая под этим энергию и цвет излучения, переносимого по направлению луча.

Скорость распространения света в вакууме. Опыт Майкельсона

Поскольку скорость распространения света очень велика, свет затрачивает заметное время лишь на прохождение очень больших расстояний, например от Солнца до Земли свет идет около 8 мин.

Первое измерение скорости света в вакууме было выполнено датским астрономом О. Ремером в 1675 г. при изучении затмений одного из спутников Юпитера. Он заметил, что по мере увеличения расстояния между Юпитером и Землей затмение спутника запаздывает все больше по сравнению с расчетным временем. Ремер объяснил это тем, что при увеличении расстояния от Юпитера до Земли на l свет должен затратить время t, чтобы пройти это расстояние со скоростью с. Зная l и t, он вычислил скорость света, которая оказалась близкой к 3•10 8 м/с.

В дальнейшем скорость света измеряли много раз и в разных условиях. Наиболее точный результат измерения скорости света в воздухе удалось получить американскому физику А. Майкельсону. Рассмотрим один из его наиболее удачных опытов.

На центробежной машине он укрепил барабан с зеркальными боковыми гранями, число которых обозначим k (рис. 28.2). На одну из этих граней направлялся луч света от фонаря Ф. Затем после отражения от нее и от зеркал З₁, 3₂ и 3₃ он попадал на другую грань барабана и, отразившись от нее, шел в глаз наблюдателя. Расстояние l от барабана до зеркал З₁ и 3₂ составляло около 35 км и было тщательно измерено. Наблюдатель настраивал трубу Т так, чтобы отчетливо видеть изображение источника света Ф, а затем барабан приводили во вращение. При этом изображение источника Ф в трубе исчезало. (Почему?) Когда скорость вращения барабана постепенно увеличивали, то при некотором числе n оборотов в минуту наблюдатель снова отчетливо видел изображение источника Ф. Это означало, что, пока свет шел между зеркалами, барабан успевал повернуться ровно на одну грань.

Так как время этого поворота можно выразить формулой то для скорости света получаем формулу

Поскольку является наибольшей возможной скоростью распространения сигналов в природе и встречается во многих формулах, ее значение является одной из важнейших физических констант. После многих проверок было установлено, что

Скорость распространения света в различных средах. Оптическая плотность среды

Скорость распространения электромагнитных волн зависит от рода среды и определяется выражением

где — абсолютный показатель преломления среды.

У всех веществ, в которых может распространяться световое излучение, т. е. прозрачных для света, относительная магнитная проницаемость очень мало отличается от единицы; следовательно, скорость распространения света в веществе определяется его диэлектрической проницаемостью (Заметим, что е зависит от частоты колебаний вектора Е, поэтому и скорость распространения света в диэлектриках тоже зависит от частоты колебаний в световом излучении.)

Величину, характеризующую зависимость скорости распространения света от рода среды, называют оптической плотностью среды. Она измеряется числовым значением абсолютного показателя преломления среды (§ 27.7).

Ясно, что оптическая плотность вакуума равна единице. Поскольку показатель преломления n для воздуха равен 1,003, то скорость света в воздухе очень часто принимают за c. Скорость распространения света в воде впервые измерил Ж. Фуко. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в воздухе, т. е. у воды

Изменение скорости распространения света является причиной преломления света, т. е. изменения направления его распространения при переходе из одной прозрачной среды в другую.

Услуги по физике:

1. Заказать физику
2. Заказать контрольную работу по физике
3. Помощь по физике

Лекции по физике:

1. Физические величины и их измерение
2. Основные законы механики
3. Прямолинейное равномерное движение
4. Прямолинейное равнопеременное движение
5. Сила
6. Масса
7. Взаимодействия тел
8. Механическая энергия
9. Импульс
10. Вращение твердого тела
11. Криволинейное движение тел
12. Колебания
13. Колебания и волны
14. Механические колебания и волны
15. Бегущая волна
16. Стоячие волны
17. Акустика
18. Звук
19. Звук и ультразвук
20. Движение жидкости и газа
21. Молекулярно-кинетическая теория
22. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
23. Молекулярно — кинетическая теория газообразного состояния вещества
24. Теплота и работа
25. Температура и теплота
26. Термодинамические процессы
27. Идеальный газ
28. Уравнение состояния идеального газа
29. Изменение внутренней энергии
30. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно
31. Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества
32. Водяной пар в атмосфере
33. Плавление и кристаллизация
34. Тепловое расширение тел
35. Энтропия
36. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое
37. Тепловое расширение твердых и жидких тел
38. Свойства газов
39. Свойства жидкостей
40. Свойства твёрдых тел
41. Изменение агрегатного состояния вещества
42. Тепловые двигатели
43. Электрическое поле
44. Постоянный ток
45. Переменный ток
46. Магнитное поле
47. Электромагнитное поле
48. Электромагнитное излучение
49. Электрический заряд (Закон Кулона)
50. Электрический ток в металлах
51. Электрический ток в электролитах
52. Электрический ток в газах и в вакууме
53. Электрический ток в полупроводниках
54. Электромагнитная индукция
55. Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
56. Термоэлектрические явления
57. Распространение электромагнитных волн
58. Интерференционные явления
59. Рассеяние
60. Дифракция рентгеновских лучей на кристалле
61. Двойное лучепреломление
62. Магнитное поле и электромагнитная индукция
63. Электромагнитные колебания и волны
64. Распространение света
65. Отражение и преломление света
66. Оптические приборы и зрение
67. Волновые свойства света
68. Действия света
69. Линзы и получение изображений с помощью линз
70. Оптические приборы и глаз
71. Фотометрия
72. Излучение и спектры
73. Квантовые свойства излучения
74. Специальная теория относительности в физике
75. Теория относительности
76. Квантовая теория и природа поля
77. Строение и свойства вещества
78. Физика атомного ядра
79. Строение атома

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

В случае копирования материалов, указание web-ссылки на сайт natalibrilenova.ru обязательно.

© «Брильёнова Наталья Валерьевна»