Ведение

А.В. ПЕТРОВ, А.А. ПЕТРОВ

ВЕДЕНИЕ

Оптика. Оптика - раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, зако­номерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.

В течение последних двух с половиной столетий представление о природе света претерпело весьма существенные изменения. В кон­це XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньюто­ном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно кор­пускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (кор­пускул), летящих с большой скоростью от источника света. Соглас­но волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в так называемом «мировом эфире» — неподвижной упругой среде, не­прерывно заполняющей всю Вселенную. Обе теории удовлетвори­тельно объясняли закономерности, присущие некоторым световым явлениям, например законы отражения и преломления света. Од­нако такие явления, как интерференция, дифракция и поляриза­ция света, не укладывались в рамки этих теорий.

До конца XVIII столетия подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В нача­ле XIX в. благодаря исследованиям Юнга (1801 г.) и Френеля (1815 г.) волновая теория была в значительной мере развита и усо­вершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса — Френеля. Волновая теория Гюйгенса — Юнга — Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.

Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «ми­ровой эфир», реальность существования которого оставалась весь­ма сомнительной. Однако в 60-х годах прошедшего столетия, ког­да Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля, необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и их носителем является электромагнитное поле. Видимому свету соответствуют электро­магнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мк, создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволю­ционировала в электромагнитную теорию света.

Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX столетия. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не сог­ласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему. Изучение данных о спектрах, свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение, распростра­нение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. что свет испускается, распространя­ется и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами). Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию элект­ромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал кванто­вую теорию света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц — фотонов. Таким образом, в начале текущего сто­летия возникла новая теория о природе света — квантовая тео­рия. По современным воззрениям, свет есть сложный электромагнит­ный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией. Таким образом, волновая (элект­ромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером ди­алектического единства противоположностей: свет является и вол­ной и частицей.

Современная физика стремится создать единую теорию о приро­де света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой ха­рактер света; разработка такой единой теории пока еще не завер­шена.

Предлагаемое читателю издание предназначено для введения в курс общей физики студентов первого курса ФМФ, для активизации их школьных знаний по физике и является, таким образом, пропедевтическим курсом.

Он предполагает соответствующий итоговый экзамен. На экзамене студенты имеют право пользоваться краткими планами ответов, которые представлены в пособии.

Для читателей, умеющих самостоятельно работать с учебником и заинтересованных в более глубоком освоении элементарной физи­ки, в пособии предлагается дополнительная литература, без которой нельзя стать специалистами в области физики.

Данное методическое пособие мы снабдили специальными таблицами и схемами по всем разделам физики, которые позволяют систематизировать учебный материал, выступать в роли своеобразных методических опор при конструировании ответов по различным темам, а также в качестве проверочного материала, позволяющего самостоятельно оценивать свои знания. Предусмотрели материал и для любознательных, который в той или иной степени расширяет и углубляет знания в области физики и приучает «заглядывать за угол», без чего не может состояться будущий ученый.