Заняття № 50 ____2011р

Стр 1 из 18Следующая ⇒

Тема: Природа світла. Поширення світла.. Геометрична оптика Коротка історія розвитку уявлень про природу світла.. Електромагнітна теорія світла. Залежність між довжиною хвилі і частотою електромагнітного випромінювання. Діапазон світлових хвиль. Квантова теорія світла. Залежність між величиною енергії кванта (фотона) І частотою електромагнітного випромінювання. Постійна Планка. Джерела світла. Принцип Гюйгенса. Світловий промінь. Швидкість поширення світла у вакуумі. Визначення швидкості світла. Досліди Майкельсона. Швидкість поширення світла в різноманітних середовищах. Оптична густина середовища.

Світлові явища на межі розділу двох прозорих середовищ. Закони відбивання світла. Дзеркальне і дифузійне відбивання. Плоскі і сферичні дзеркала, побудова зображення в них. Закони заломлення світла. Повне відбивання. Граничний кут; його визначення. Проходження світла через пластину з паралельними гранями і тригранну призму.

Основні положення та означення.

1. Око людини здатне сприймати і розрізняти електромагнітні хвилі, довжина яких лежить в околі 10^-6м. Хвилі такої довжини називають світловими або просто світлом.

Розділ фізики, який розглядає рух і взаємодію світла, називають оптикою (від грецьк. «оптикос» - зоровий), а самі світлові явища оптичними.

2. В основі розуміння природи світла лежить дві гіпотези.. На основі першої гіпотези Ньютон створив корпускулярну теорію світла, за якою пояснювалось дуже багато оптичних явищ. Наприклад, різні кольори випромінювання пояснювались різною формою корпускул, з яких воно складається. На основі другої гіпотези в XVII ст. голландський учений X. Гюйгенс створив хвильову теорію світла. За теорією Гюйгенса добре пояснювати такі явища, як інтерференція і дифракція світла тощо.

Оскільки жодна з цих теорій окремо не могла цілком пояснити всі оптичні явища, питання про справжню природу світлового випромінювання залишалось нерозв'язаним. На початку XIX ст. після досліджень О. Френеля, Ж. Фукота багатьох інших учених було з'ясовано, що хвильова теорія світла має переваги перед корпускулярною. Проте хвильова теорія мала значний недолік. Вона припускала, що світлове випромінювання є поперечними механічними хвилями. Отже, між Сонцем і Землею повинна бути речовина, бо світло вільно проходить від Сонця до Землі. Тому було створено гіпотезу про світовий ефір, який заповнює весь простір між тілами і молекулами. Коли згадати. що поперечні хвилі можливі тільки в твердих тілах, то доведеться допустити, що ефір повинен мати властивості пружного твердого тіла. Проте наявність ефіру ніяк не позначається на русі Землі в світовому просторі. Отже, ефір нічим себе не виявляє, крім того, що в ньому поширюється світло, хоч і має властивості твердого тіла. Такі суперечливі властивості ефіру ставили під сумнів гіпотезу про його існування.

Цю суперечність у хвильовій теорії світла в основному усунув Д. Максвелл. Максвелл звернув увагу на те, що швидкість поширення світла у вакуумі збігається з обчисленою ним швидкістю поширення

електромагнітних хвиль. На цій основі він висунув гіпотезу про електромагнітну природу світла, яку потім було підтверджено багатьма дослідами. Отже, наприкінці XIX ст. було створено електромагнітну теорію світла, якою користуються і тепер.

3 Згідно з електромагнітною теорією світла всяке світлове випромінювання є електромагнітними хвилями. Проте далеко не всі електромагнітні хвилі є світловими, а тільки ті, що спричинюють у людини зорове відчуття. До світлового випромінювання належать тільки хвилі з частотою коливань від 4·10¹⁴ до 7,5·10¹⁴ Гц. У цьому інтервалі кожній частоті відповідає свій колір випромінювання. Наприклад, частоті 5,4·10¹⁴ Гц відповідає зелений колір. Розрахунок показує, що світлове випромінювання у вакуумі має довжини хвиль від 400 нм (фіолетовий колір) до 760 нм (червоний колір). Зазначимо, що при переході світлового випромінювання з одного середовища в інше його колір зберігається, бо зберігається його частота, а довжина хвилі змінюється внаслідок зміни швидкості поширення світла. Коли на практиці колір випромінювання характеризують довжиною хвилі, то довжини хвиль зазначають для вакууму.

Теоретичними дослідженнями Максвелл встановив, що світлове випромінювання (як і інші електромагнітні хвилі) повинно чинити тиск на тіла, що було підтверджено дослідами П. М. Лебедєва.

4.. Аналіз складу випромінювання світних тіл показав, що його розподіл за частотами коливань не відповідає законам випромінювання, виведеним із хвильової теорії світла. Намагаючись пояснити цей факт, німецький фізик М. Планк (1858—1947 рр.) припустив, що світло випромінюється не у вигляді хвиль, а у вигляді певних і неподільних порцій енергії, які він назвав квантами (від лат. «квантум» — кількість, маса). Тепер кванти світла називають фотонами.

На основі аналізу оптичних явищ було встановлено, що ті з них, які пов'язані з поширенням світла в якому-небудь середовищі, можна пояснити тільки за хвильовою теорією, а ті, які пов'язані з випромінюванням і поглинанням світла, пояснювались тільки за допомогою уявлення про квантовий склад світлового випромінювання. Усе це означало, що для пояснення оптичних явищ необхідна нова теорія, яка об'єднує хвильові і корпускулярні властивості світла. Цю нову теорію назвали квантовою теорією світла, і в своєму початковому вигляді вона була створена працями Планка, Ейнштейна, Бора та інших учених.

Нині квантова теорія пояснює не тільки оптичні явища, а й безліч інших явищ з усіх розділів фізики. Ця теорія розкрила нові властивості речовини і поля, передбачила багато нових явищ, які було пізніше відкрито на дослідах.

Зв'язок між хвильовими і корпускулярними властивостями світла за цією теорією визначається формулою Планка: , де Е - енергія кванта, - частота коливань електромагнітного випромінювання і h - сталий коефіцієнт, однаковий для всіх хвиль і квантів, який називають сталою Планка. У СІ h має таке числове значення: h = 6,62·10^-34Дж·с.

Таким чином, енергія кванта прямо пропорційна частоті коливань електромагнітного випромінювання. Оскільки то

тобто енергія кванта обернено пропорційна довжині хвилі випромінювання у вакуумі.

5. Дослід показав, що, поки фотон існує, він рухається з швидкістю с (у вакуумі) і ні за яких умов не може сповільнити свій рух або зупинитись. У момент зустрічі з речовиною він може поглинутись частинкою речовини. Тоді сам фотон зникає, а його енергія цілком переходить до частинки, яка його поглинула. Фотон не має маси спокою. Ця цікава особливість фотонів відрізняє їх від частинок речовини, наприклад від протонів або електронів.

6. Зауважимо, що досі незрозуміло, чому в одних явищах світло виявляє чітко виражені хвильові властивості, а в інших — корпускулярні і як такі суперечливі властивості можуть об'єднуватись у випромінюванні. Згідно з квантовою теорією поєднання корпускулярних і хвильових властивостей є природною якістю всієї матерії взагалі, тобто кожна частина речовини має хвильові властивості і кожна хвиля має корпускулярні властивості.

7.. Усі тіла, молекули і атоми яких створюють видиме випромінювання, називають джерелами світла. Умовно їх можна поділити на групи за способом збудження частинок, які випромінюють світло.

- До першої групи належать температурні джерела світла, в яких свічення виникає за рахунок збудження атомів і молекул хаотичним рухом частинок у тілі при досить високій температурі. Енергія випромінювання таких джерел світла утворюється за рахунок їх внутрішньої енергії.

- До другої групи належать люмінесцентні джерела світла, збудження атомів і молекул яких зумовлено не високою температурою, а потоком рухомих частинок речовини, наприклад електронів, дією зовнішнього електромагнітного випромінювання або хімічною реакцією. У цьому випадку енергія випромінювання утворюється за рахунок електричної, хімічної або механічної енергії, тобто за рахунок енергії яких-небудь зовнішніх джерел. Прикладами люмінесцентних випромінювачів є свічення екрана електронно-променевої трубки, газосвітних трубок у рекламах, фарб тощо.

13.. Принцип Гюйґенса:: усі точки фронту хвилі є вібраторами, від яких поширюються елементарні хвилі, обвідна всіх цих елементарних хвиль дає нове положення фронту хвилі.

(Напрям переміщення фронту хвилі показано стрілкою ВА).

Лінію, уздовж якої переміщується фронт хвилі, називають променем. В ізотропному середовищі світло поширюється прямолінійно, тобто світлові промені в такому середовищі — прямі лінії.

14. Швидкість поширення світла дуже велика, воно затрачає помітний час лише на проходження дуже великих відстаней, наприклад від Сонця до Землі світло йде близько 8 хв.

Перше вимірювання швидкості світла у вакуумі виконав датський астроном О. Р є м є р у 1675 р., вивчаючи затемнення одного із супутників Юпітера. Він помітив, що із збільшенням відстані між Юпітером і Землею затемнення супутника запізнюється дедалі більше порівняно з розрахунковим часом. Ремер пояснив це тим, що із збільшенням відстані від Юпітера до Землі світло має затратити час і, щоб пройти цю відстань із швидкістю с. Він обчислив швидкість світла, яка була близькою до 3 • 10⁸ м/с.

Швидкість світла вимірювали багато разів і в різних умовах. Найточніший результат вимірювання швидкості світла в повітрі вдалося дістати американському фізикові А. Майкельсону.

На відцентровій машині він закріпив барабан з дзеркальними бічними гранями. На одну з цих граней спрямовували промінь світла від ліхтаря Ф. Потім після відбивання від неї і від дзеркал він потрапляв на іншу грань барабана, і, відбившись від неї, йшов в око спостерігача. Відстань від барабана до дзеркал становила близько 35 км, і її було точно виміряно. Спостерігач настроював трубу Т так, щоб чітко бачити зображення джерела світла Ф, а потім барабан приводили в обертання. При цьому зображення джерела Ф в трубці зникало. Коли швидкість обертання барабана поступово збільшували, то при деякому числі п обертів за хвилину спостерігач знову чітко побачив зображення джерела Ф. Це означало, що поки світло йшло між дзеркалами, барабан встигав повернутися на одну грань.

Оскільки с — найбільша можлива швидкість поширення сигналів у природі і вона входить до багатьох формул, її значення є однією з найважливіших констант. Після багатьох перевірок було встановлено, що

15. Швидкість поширення електромагнітних хвиль залежить від роду середовища і визначається формулою , де — абсолютний показник заломлення середовища.

У всіх речовинах, в яких може поширюватись світлове випромінювання, тобто прозорих для світла, відносна магнітна проникність дуже мало відрізняється від одиниці; отже, швидкість поширення світла в речовині визначається її діелектричною проникністю є..

Величину, яка характеризує залежність швидкості поширення світла від роду середовища, називають оптичною густиною середовища. Вона вимірюється числовим значенням абсолютного показника заломлення середовища п -

Оптична густина вакууму дорівнює одиниці. Оскільки показник заломлення п для повітря дорівнює 1,003, дуже часто вважають, що швидкість світла в повітрі дорівнює с.

Швидкість поширення світла у воді вперше виміряв Ж- Фуко. Вона в 4/3 раза менша, ніж у повітрі, тобто у води п = 1,33.

Зміна швидкості поширення світла є причиною заломлення світла, тобто зміни напряму його поширення при переході з одного прозорого середовища в друге.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Date: 2015-08-06; view: 703; Нарушение авторских прав

mydocx.ru - 2015-2025 year. (0.01 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию