1 Отпика 7

1.1 Развитие взглядов на природу света. Световые волны 7

1.2. Отражение и преломление плоской волны на гранях двух диэлектриков 10

1.3. Полное внутренне отражение 11

1.4. Соотношение между амплитудой и фазой 11

2 Интерференция 14

2.1 Явление интерференции. Сложение колебаний 14

2.2 Ширина интерференционных полос 15

2.3 Способы наблюдения интенсивности делением волнового фронта волны 17

2.4 Способы получения когерентных пучков делением амплитуды 17

2.5 Применение интерференции 20

3 Дифракция 23

3.1 Принцип Гюйгенса-Френеля 23

3.2 Прямолинейность распространения света. Зоны Френеля 25

3.3 Дифракция от среднего отверстия 27

3.4. Дифракционная решетка 29

4 Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 29

4.1 Дисперсия света 29

4.2 Электронная теория дисперсии света 31

4.3 Поглощение (абсорбция света) 32

4.4 Рассеяние света 33

5 Квантовые свойства света 35

5.1 Виды фотоэлектрического эффекта 35

5.2 Законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова) 37

5.3 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта 38

5.4 Применение фотоэффекта 39

Заключение 40

Список использованных источников 41

1 Отпика

1.1 Развитие взглядов на природу света. Световые волны

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следствие четырех основных закона оптических явлений:

Закон прямолинейного рассеивания света.

Закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике).

Закон отражения.

Закон преломления света на границах двух сред.

Первый: Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Второй: Эффект, производимым отдельным пучком, от того действует ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол падения равен углуотражения.

Четвертый: Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла преломления есть величина постоянна для данных сред:

где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Абсолютным показателем преломления среды называют величину , равную отношению скорости с электромагнитными волнами в вакууме к их фазовой скоростив среде

(1.1)

Основные законы были установлены давно, но точка зрения на них менялась на протяжении многих веков.

Так Ньютон придерживал теории истечения световых частиц, которые подчиняются законам механики. Гюйгенс выступал с другой (корпускулярной теорией света) теорией света. Он полагал, что световые возбуждения следует рассматривать как упругие импульсы, распространяется в особой среде – эфир (волновая теория света).

В течении XVIII века корпускулярная теория занимала господствующее положение, хотя борьба обоих теорий не прекращалась.

Затем труды Юнга и Френеля в XIX веке внесли большой вклад и дополнение в волновую оптику. Максвелл на основе своих теоретических исследованиях сформулировал заключение, что свет – это электромагнитная волна. Скорость электромагнитной волны в среде

(1.2)

где - скорость света в вакууме,- скорость в среде, имеющую диэлектрическую проницаемостьи магнитную проницаемость.

Так как
, то

(1.3)

(1.3) дает связь между оптическими, электрическими и магнитными константами вещества. Длина волны оптического диапазона . Модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной носит название интенсивность света.

,
.

,
.

Линии, вдоль которого распространяется световая энергия, называется лучами.
направлен по касательной к лучу. В изотропной среде
. Следствием теории Максвелла является поперчнность световых волн: векторы напряженностей электрическогои магнитныхполей взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скоростираспространяющегося луча, т.е. перпендикулярно лучу.

Обычно в оптике все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора интенсивности электрического поля. Так как при действии света на вещество, основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают свет волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом характеризуется всевозможным равновероятным колебаниями светового вектора (см. рис. луч перпендикулярный плоскости рисунка).

Свет, со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Если есть упорядоченность, то свет называется поляризованным. Если колебание происходят только в одной, проходящей через луч плоскости, свет называется плоско (линейно) поляризованным.

Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света – т.е. конец вектора во времени описывает эллипс.

; где - эллиптичность.

Повторение изученного материала.

Что такое оптика?

Что такое геометрическая оптика?

Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

Что такое луч?

Закон прямолинейного распространения света.

Что такое тень?

Что такое полутень?

Закон отражения света.

Изучение нового материала.

Развитие оптики и технический прогресс. Создание оптических приборов.

Жизнь на Земле возникла и существует благодаря солнечному свету. Благодаря нему мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете. Свет, усиленный оптическими приборами, открывает человеку два полярных по масштабам мира: космический мир с его огромными протяженностями и микроскопический, населенный неразличимыми простым глазом мельчайшими организмами.

Основы оптики были заложены еще в глубокой древности. Варка прозрачного стекла была известна древним египтянам и жителям Мессопотамии за 1600 лет до нашей эры, а в древнем Риме из стекла с высоким совершенством изготовляли посуду и украшения. В XIII веке человечество получило первые оптические приборы - очки и увеличительные стекла. Значительно позднее, в начале XVII века, были изобретены зрительная труба и микроскоп.

В 1609 году итальянский ученый Галилей изобрел подзорную трубу с отрицательной линзой в качестве окуляра и широко использовал ее для наблюдений. В России очки и зрительные трубы появились в начале XVII веке.

Создание теории оптических приборов началось в конце XVII века благодаря трудам выдающихся ученых: Р. Декарта, П. Ферма, И. Ньютона, К. Гаусса и других. Большой вклад в развитие мировой науки и техники в области оптики внесли русские ученые М. В. Ломоносов, Л. Эйлер, В. Н. Чиколев, механики И. П. Кулибин, О. Н. Малофеев.

В России при Петре 1 оптика получила свое дальнейшее развитие. В 1725 году при Академии Наук была организована кафедра оптики и оптическая мастерская. Одним из руководителей кафедры оптики был Л. Эйлер, который написал книгу “Диоптрика”, где изложил основы геометрической оптики.

М. В. Ломоносов был первым русским ученым, который применил микроскоп для научных исследований, он создал целый ряд принципиально новых оптических приборов, разработал способы изготовления цветного стекла, цветной мозаики. Трудами выдающихся русских М.В.Ломоносова и Л.Эйлера в XVIII веке были заложены главнейшие основы для развития оптического производства в России. После революции 1917 года в Петрограде в 1918 году был организован Государственный Оптический Институт, его возглавил академик Д.С.Рождественский. ГОИ явился центром, определяющим научную политику в области создания отечественной оптическо-механической промышленности. В ГОИ работали выдающиеся ученые: С.И.Вавилов, А.А.Лебедев, И.В.Гребенщиков, Н.Качалов и другие.

В послевоенные годы наша оптическая промышленность с успехом осваивала производство уникальных высокоточных приборов, электронных микроскопов, интерферометров, приборов для космических исследований.

На базе явлений фотоэлектрического эффекта, открытого русским ученым А.Г.Столетовым, успешно развивается фотоэлектрическая область оптики, нашедшая применение в автоматике, телевидении, управлении космическими кораблями.

К числу крупных достижений отечественной оптики относятся работы профессора М.М.Русинова. Созданные им широкоугольные аэрофотообъективы выдвинули советскую аэрофотсъемку на ведущее место в мире.

Создание аппаратуры для фотографирования невидимой с Земли обратной стороны Луны явилось началом развития нового направления оптического приборостроения – космически оптических приборов.

Исследования советских физиков Н.Г.Басова и А.М.Прохорова в середине 50-х года XX века стали тем зерном, из которого выросла новая область науки – квантовая электроника. В 1971 году Денис Габор получил Нобелевскую премию за открытие голографии.

Еще в 1930 году в Германии Ламм передал по оптическим волокнам не только свет, но и изображение. Но технология изготовления стеклянных волокон была очень сложной, поэтому идеи Ламма на долгие годы остались забытыми.

Современная наука подняла на гребень волны волоконную оптику.

История развития взглядов на природу света

Первые представления о природе света были заложены в глубокой древности. Греческий философ Платон (427–327 гг до н.э.) создал одну из первых теорий света.

Евклид и Аристотель (300–250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Аристотель впервые объяснил сущность зрения.

Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века.

В XVII веке датский астроном Ремер (1644–1710) измерил скорость распространения света, итальянский физик Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции, гениальный английский ученый И.Ньютон (1642–1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции, Э.Бартолин (1625–1698) обнаружил двойное лучепреломление в исландском шпате, заложив тем самым основы кристаллооптики. Гюйгенс (1629–1695) положил начало волновой теории света.

В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений. Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно.

С точки зрения волновой теории света, основоположником которой является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде – эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства.

Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831–1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн.

Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет.

Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалась полностью раскрывала проблему природы света.

Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 километров в секунду. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний – электромагнитный эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие.

Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света.

Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.

В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться. Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную.

Скорость света

Одна из характерных черт физика – количественный характер ее законов. Во многие соотношения, выражающие законы физики входят некоторые постоянные – так называемые физические константы. Это, например, гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения, удельная теплоемкость в уравнении теплового баланса, скорость света в законе Эйнштейна, связывающем массу тела и его полную энергию. Многие физические постоянные названы так весьма условно. Действительно, нагревается вместо воды спирт и в соответствующих уравнениях приходится использовать иную величину теплоемкости. Такими “относительными” постоянными являются коэффициент трения, удельное сопротивление, плотность и т.д. Но есть и константы, которые не меняют своего значения. Гравитационная постоянная не зависит от того, взаимодействуют ли тела из свинца или из стали. Электроны в меди и золоте имеют одинаковый заряд. Так же универсальна и постоянная с – скорость света в вакууме.

Именно вследствие своей универсальности, такие константы названы мировыми или фундаментальными постоянными. Величины фундаментальных постоянных определяют важнейшие особенности всего физического мира – от элементарных частиц до крупнейших астрономических объектов.

Принадлежность скорости света к весьма небольшой группе мировых постоянных объясняет интерес к этой величине. Однако надо признать, что даже в этой группе она занимает выдающееся место. Скорость света связана с физическими законами, относящимися к самым, казалось бы, далеким разделам физики. Постоянная с входит в преобразования Лоренца в специальной теории относительности, она связывает электрическую и магнитную постоянные. Формула Эйнштейна Е=mc 2 позволяет рассчитать количество энергии, выделяющейся при ядерных превращениях. И везде мы сталкиваемся со скоростью света.

Такая распространенность константы с служит для современной физики ярким проявлением единства физического мира и правильности пути, по которому развивается наука о природе.

Понимание этого единства прошло не сразу. Со времени первого определения значения скорости света прошло более 300 лет. Постепенно константа с раскрывала перед учеными свои тайны. Иногда за измерениями этой величины стояли годы целенаправленных поисков, работы по усовершенствованию методов измерения и научных приборов. Иногда скорость света возникала в экспериментах возникала неожиданно, ставя перед учеными вопросы, касавшиеся самых глубин физической науки. Измерение константы опровергали и подтверждали физические теории и способствовали прогрессу техники.

Существуют прямые и косвенные методы измерения скорости света. К прямым методам относятся опыты О.Ремера, А.Физо, Л.Фуко, А.Майкельсона. К косвенным методам относятся опыты Д.Брадлея, Ф.Кольрауша, В.Вебера.

Прямой способ основан на измерении пути, пройденного светом и времени прохождения этого пути c=l/t . В 1676 году Ремер наблюдал за затмением спутника Юпитера – Ио. Спутник проходил пeред планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Через 42 часа 28 минут Ио появлялся опять. Ремер проводил измерения, когда Земля ближе всего подходила к Юпитеру. Когда через несколько месяцев он повторил наблюдения, то оказалось, что спутник появился из тени на 22 минуты позже. Ученый объяснил, 22 минуты свет затрачивает на прохождение из предыдущей точки наблюдения до нынешней точки. Зная время запаздывания и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость света. Вследствие неточности измерений и неточного значения радиуса Земли Ремер получил значение скорости света равное 215000 километров в секунду.

В лабораторных условиях скорость света впервые удалось измерять в 1849 году французскому физику Физо. В его опыте свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную стеклянную пластинку. Отразившись от пластинки узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося колеса. Пройдя между зубцами свет достигал зеркала, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет проходил между зубцами колеса и затем попадал в глаз наблюдателя. Когда скорость вращения была маленькой, свет отраженный от зеркала был виден, при увеличении скорости вращения он исчезал. При дальнейшем увеличении скорости вращения, свет опять становился виден. То есть, за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало повернуться на столько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 километров, а скорость света получилась равной 313000 километров в секунду.

В основе косвенного способа измерения скорости света лежит представление о свете как об электромагнитной волне и ее скорость находится путем умножения длины волны на частоту колебаний волны.

Развивая теорию электродинамики Ампера, в 1846 году Вебер и Кальрауш получили значение скорости света 310000 километров в секунду, но полученный результат объяснить они не могли, так как не существовало ясного понимания механизма передачи взаимодействия электрических зарядов. Формально теория дальнодействующих электромагнитных сил Вебера не сталкивалась со сколь-нибудь серьезной оппозицией, но уже зрели идеи близкодействия, важнейшим следствием которых является конечность скорости распространения взаимодействий.

Современная физика решительно утверждает, что история скорости света на закончена. Свидетельством тому служат работы по измерению скорости света, выполненные в последние годы.

Резкое повышение точности измерения скорости электромагнитных волн произошло после Второй мировой войны. Исследования, проведенные в военных целях, кроме угрозы существованию человечеству принесли множество важнейших, чисто научных результатов. Один из них – развитие техники сверхвысоких частот. Были созданы генераторы и приемники излучения, работающие в диапазоне длин волн от 1 метра до нескольких миллиметров. В СВЧ-диапазоне волн удалось провести очень точные и, что самое важное, независимые измерения частоты излучения и его длины волны. Такой метод определения скорости света очень удобен, так как длины волн порядка одного сантиметра можно определить с очень высокой точностью.

Конечно, не следует думать, что измерить величину с , используя новую технику, было очень просто. Каждый ученый, работавший в этой области, ставил перед собой задачу-максимум: провести предельно точные измерения длины волны и частоты для получения возможно более точного значения скорости света, а работа на пределе точности всегда сложна.

Определенным итогом измерения скорости света в СВЧ-диапазоне стала работа американского ученого К.Фрума, результаты которой были опубликованы в 1958 году. Ученый получил результат 299792,50 километров в секунду. В течение длительного периода эта величина считалась наиболее точной.

Для того, чтобы повысить точность определения скорости света требовалось создание принципиально новых методов, которые позволили бы проводить измерения в области больших частот и соответственно, меньших длин волн. Возможность разработки таких методов появилась после создания оптических квантовых генераторов – лазеров. Точность определения скорости света возросла по отношению к опытам Фрума практически в 100 раз. Способ определения частот с помощью использования лазерного излучения дает величину скорости света, равную 299792,462 километра в секунду.

Физики продолжают исследовать вопрос о постоянстве скорости света во времени. Исследования скорости света могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии. 300-летняя история фундаментальной постоянной с отчетливо демонстрируют ее связи с важнейшими проблемами физики.

Решение задач

1. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Не далее полета стрелы было чудовище, когда Персей взлетел высоко в воздух. Тень его упала в море, и с яростью ринулось чудовище на тень героя. Персей смело бросился с высоты на чудовище и глубоко вонзил ему в спину изогнутый меч…”

Вопрос: что такое тень и благодаря какому физическому явлению она образуется? Нарисуйте ход лучей.

2. Из африканской сказки “Выборы вождя”:

“Собратья, – молвил Аист, степенно выйдя в середину круга. – Мы спорим с самого утра. Смотрите, наши тени уже укоротились и скоро совсем исчезнут, ибо близится полдень. Так давайте еще до того, как солнце минует зенит, придем к какому-то решению…”

Вопрос: почему длины теней, которые отбрасывали люди стали укорачиваться? Ответ поясните рисунком. Есть ли на Земле такое место, где изменение длины тени минимально?

3. Из итальянской сказки “Человек, который искал бессмертие”:

“И тут Грантэста увидел что-то, что показалось ему страшнее бури. К долине приближалось чудовище, летевшее быстрее, чем луч света. У него были кожистые крылья, бородавчатый мягкий живот и огромная пасть с торчащими зубами…”

Вопрос: что неверно с точки зрения физики в этом отрывке?

4. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Скорей отвернулся Персей от горгон. Боится увидеть он их грозные лица: ведь один взгляд и в камень обратится он. Взял Персей щит Афины-Паллады – как в зеркале отразились в нем горгоны. Которая же из них Медуза?

Как падает с неба орел на намеченную жертву, так ринулся Персей к спящей Медузе. Он глядит в ясный щит, чтоб верней нанести удар…”

Вопрос: какое физическое явление использовал Персей, чтобы обезглавить Медузу? Нарисуйте возможный ход лучей.

Домашнее задание

Введение, п. 40 (Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев “Физика. 11”)

Взгляды на природу света в XVII-XIX вв. Ньютон придерживался корпускулярной теории, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны. Гюйгенс утверждал, что свет – это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющим пространство и проникающим во внутрь всех тел.

Голландия: ГЮЙГЕНС ХРИСТИАН «Теория о природе света» Вывод: Волновая теория света: Свет – это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел

Скорость света в вакууме В физике скорость света является одной из фундаментальных констант. Её определение связано с целыми эпохами в развитии физики: волновой оптикой (Т. Юнг, О. Френель), электродинамикой (Дж. К. Максвелл, Г. Герц, П. Н. Лебедев), квантовой теорией (М. Планк, А. Эйнштейн, Н. Бор), специальной теорией относительности (А. Эйнштейн).

Дания: РЁМЕР ОЛЕ КРИСТЕНСЕН г. «Астрономический метод измерения скорости света» Вывод: Скорость света С = км/с (С = км/с)

Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, можно получить значение скорости света: с = м: 1320 с 2,27108 м/с

Франция: ФИЗО АРМАН ИППОЛИТ ЛУИ 1819 – г. «Лабораторный метод измерения скорости света»

Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало т 1 располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало т 2 на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло ~ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса v = 12,6 об/с. Время движения света t=2 /c, поэтому дает с = 3, м/с

Англия: ЮНГ ТОМАС Франция: ФРЕНЕЛЬ ОГЮСТЕН ЖАН 1788–1827Вывод: Объяснили явления интерференции и дифракции, пользуясь представлениями о волновой теории света

В соответствии с прямыми методами измерений скорость света в вакууме теперь принимают равной с= ,2 м/c

XVI век – Г.Галилей 1676 год – О. Рёмер 1849 год – И. Физо Современные данные о скорости света с 1960 года Поставил вопрос о конечности скорости света. С 3*10 8 м/с Природа света И. Ньютон Х. Гюйгенс Т. Юнг О. Френель Свет - это поток частиц. Свет – это эл/м волна. Открыли явления интерференции и дифракции света. Методы определения скорости света Астрономический метод определения скорости света: км/с Лабораторный метод определения скорости света: км/с? Какова природа света? Развитие взглядов на природу света

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ Таким образом, свет имеет корпускулярно-волновые свойства. Квантовые и волновые свойства не исключают друг друга, а дополняют. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко при больших. Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением двух форм существования материи - вещества и поля.

С помощью каких методов измерили скорость света? Задача 1. На рисунке показана схема опыта, с помощью которого Галилей предлагал измерить скорость света. Открывая заслонку фонаря, нужно было определить, через сколько времени вернется свет, отразившись от зеркала. Покажите расчетами, приняв s= 1,5 км, в чем главная техническая трудность такого эксперимента.

Решение: Свет проходит путь, равный 2s, за время t = 2s/с =3 км/(310 5 км/с) = = с. Ответ: Обнаружить столь малый промежуток времени при таком опыте невозможно.

Задача* 2. В 1862 г. французский физик Фуко поставил следующий опыт Свет от источника S отражался вращающимся зеркалом А к неподвижному сферическому зеркалу В, центр которого совпадал с зеркалом А. На пути света ставили трубу с водой. За время t, в течение которого свет проходил в воде двойное расстояние АВ = 4 м, зеркало А поворачивалось на угол α и отраженный свет давал блик в точке S ; SAS = 72,8". Скорость вращения зеркала n = 800 об/с. Рассчитайте по этим данным скорость света с в воде. Скорость распространения электромагнитных волн зависит от среды и выражается формулой v =1/ ε с μ с с =1/ ε с μ с = м/с п = с/ v оптическая плотность среды

Решить дома: Задача. Допустим, что в опыте используют фотоаппарат с лампой- вспышкой, имеющий выдержку 1/500 с. На каком минимальном расстоянии s должно было бы находиться зеркало, чтобы отраженный им луч не засветил фотопленку? Принять условие: лампа посылает свет в тот же момент, как открывается затвор фотоаппарата.

Оптическое излучение (или свет в широком смысле слова) – это электромагнитные волны, длины которых находятся в диапазоне от 10 -11 до 10 -2 м (от единиц до десятых долей мм) или диапазон частот которых примерно равен 3*10 11 …3*10 17 Гц.

Как и для любого другого излучения, имеется источник оптического излучения и приёмник оптического излучения . Приёмником оптического излучения, может быть, например, человеческий глаз. Человеческий глаз способен воспринимать оптическое излучение с длиной волны от 400 до 760 нм. Это видимое излучение . Кроме видимого излучения, к оптическому излучению также относятся инфракрасное излучение (с длиной волны от 0,75 до 2000 мкм) и ультрафиолетовое излучение (с длиной волны от 10 до 400 нм). Световые волны изучают с помощью оптических методов, которые исторически сложились при анализе законов видимого света.

В 17-м веке были высказаны первые научные гипотезы о природе света. Свет обладает энергией и переносит её в пространстве. Переносить энергию могут либо тела, либо волны, поэтому о природе света вдвинуты две теории.

Корпускулярная теория света (от латинского corpusculum – частица) была предложена в 1672 году английским учёным Исааком Ньютоном (1643 – 1727). Согласно этой теории, свет – это поток частиц, которые во все стороны испускает источник света . С помощью этой теории объяснялись такие оптические явления, как, например, различные цвета излучения.

Голландским учёным Христианом Гюйгенсом (1629 – 1695) также в 17-м веке была создана волновая теория света , согласно которой свет имеет волновую природу. С помощью этой теории хорошо объясняются такие явления, как интерференция , дифракция света и т.д.

Обе эти теории длительное время существовали параллельно, так как ни одна из них в отдельности не могла полностью объяснить все оптические явления. К началу 19-го века после исследований французского физика Огюстена Жана Френеля (1788 – 1827), английского физика Роберта Гука (1635 – 1703) и других учёных выяснилось, что волновая теория света имеет преимущество перед корпускулярной. В 1801 году английский физик Томас Юнг (1773 – 1829) сформулировал принцип интерференции (усиление или ослабление освещённости при наложении световых волн друг на друга), что позволило ему объяснить цвета тонких плёнок. Френель объяснил, что такое дифракция света (огибание светом препятствий) и прямолинейность распространения света.

И всё же волновая теория света имела один существенный недостаток. В ней предполагалось, что световое излучение представляет собой поперечные механические волны, которые могут возникать только в упругой среде. Поэтому была создана гипотеза о невидимом мировом эфире, который представляет собой гипотетическую среду, заполняющую всю Вселенную (всё пространство между телами и молекулами). Мировой эфир должен был обладать целым рядом противоречивых свойств: должен обладать упругими свойствами твёрдых тел и быть одновременно невесомым. Эти трудности были разрешены во 2-й половине 19-го века при последовательном развитии учения английским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831 – 1879) об электромагнитном поле. Максвелл пришёл к вводу, что свет есть частный случай электромагнитных волн.

Однако в начале 20-го века были обнаружены прерывистые, или квантовые свойства света . Этим свойствам давала объяснение корпускулярная теория. Таким образом, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью свойств). В процессе распространения свет обнаруживает волновые свойства (то есть ведёт себя как волна), а при излучении и поглощении – корпускулярные свойства (то есть ведёт себя как поток частиц).

Законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о световом луче рассматриваются в разделе оптики, который называется . Подразумевается, сто световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия световых электромагнитных волн.

Закон прямолинейного распространения света

На практике свет распространяется прямолинейно внутри ограниченного конуса, который представляет собой световой пучок. Диаметр этого светового пучка превосходит длину световой волны.

Если показатель преломления среды везде одинаков, то такая среда называется оптически однородная среда .

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. В этом состоит закон прямолинейного распространения света .

Прямолинейность распространения света подтверждается многими явлениями, например, появлением тени от непрозрачных тел. Если S – очень маленький по размеру источник света, а М – непрозрачное тело, преграждающее путь падающему на него свету S, то за телом М образуется конус тени. Свет, идущий от источника, задерживается телом М, и на экране, который помещён под прямым углом к оси конуса, получается хорошо очерченная тень тела М (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1. Прямолинейность распространения света.

Источники света больших размеров (по сравнению с расстоянием от источников света до препятствия) образуют полутень. Образование полутени можно рассмотреть с помощью двух источников малых размеров, которые находятся друг от друга на расстоянии, равном размеру большого источника света. На рис. 1.2 показано сечение конусов тени, которые образуются светом за телом М. Полная тень образуется позади непрозрачного тела М в той области, куда не попадает свет ни от одного источника света.

Полутень (частично освещённое пространство) образуется в области, где проходят лучи только от одного из источников света. Например, в области, где проходят лучи только источника S1, а другой источник света S2 заслонён телом М. Если источник света большой, то каждая его точка может рассматриваться как точечный источник света. В этом случае будет происходить сложение излучения от отдельных частей излучающей поверхности. Также образуются области тени и полутени.

Рис. 1.2. Полутень, образованная большим источником света.

Образование тени при падении лучей от источника света на непрозрачный предмет объясняет такие явления, как солнечные и лунные затмения.

Такое свойство, как прямолинейность распространения света , используется при определении расстояний на земле, на море и в воздухе, а также в производстве при контроле по лучу зрения прямолинейности изделий и инструментов.

Прямолинейность распространения света объясняет возможность получения изображений с помощью малого отверстия. Простейшее устройство, позволяющее наблюдать перевёрнутое изображение предметов, называется камера-обскура и представляет собой ящик с небольшим отверстием в передней стенке. Луч света, который распространяется прямолинейно, попадает на заднюю стенку камеры-обскура, где появляется световое пятно с соответствующей интенсивностью. Совокупность световых пятен от всех точек предмета и создаёт изображение этого предмета на задней стенке камеры-обскура.

ТЕМА: Развитие взглядов на природу света. Скорость света. ГР. 161 Выполнили: Лопухов Евгений Гвоздицких Иван Кондратьев Дмитрий

В КОНЦЕ XVII ВЕКА ПОЧТИ ОДНОВРЕМЕННО ВОЗНИКЛИ ДВЕ, КАЗАЛОСЬ БЫ ВЗАИМОИСКЛЮЧАЮЩИЕ ТЕОРИИ СВЕТА. Они опирались на два возможных способа передачи действия от источника к приёмнику. И. Ньютон предложил корпускулярную теорию света, согласно которой свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). Х. Гюйгенс разработал волновую теорию, в которой свет рассматривался как волны, распространяющиеся в особой среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел (изменение состояния среды).

НЬЮТОН ГЮЙГЕНС 1. Трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве не действуют друг на друга (частицы должны сталкиваться и рассеиваться). 1. Волны свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. 2. Прямолинейное распространение света является следствием закона инерции. 2. Не объясняет. 3. Легко объяснить дифракцию и интерференцию. 4. При излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц. 4. Свет есть частный случай электромагнитных волн

ЧТО ЖЕ ТАКОЕ СВЕТ? Согласно представлениям современной физики, свет обладает одновременно свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных частиц, которые называют фотонами или квантами света. Двойственность свойств света называется корпускулярно – волновым дуализмом.

С ПОМОЩЬЮ КАКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРИЛИ СКОРОСТЬ СВЕТА? На рисунке показана схема опыта, с помощью которого Галилей предлагал измерить скорость света. Открывая заслонку фонаря, нужно было определить, через сколько времени вернется свет, отразившись от зеркала.

ЭТО БЫЛА ПЕРВАЯ ИЗВЕСТНАЯ ПОПЫТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА, ПРЕДПРИНЯТАЯ ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЕМ. ОДНАКО ОБНАРУЖИТЬ ЗАПАЗДЫВАНИЕ СИГНАЛА НЕ УДАЛОСЬ ИЗ-ЗА БОЛЬШОЙ СКОРОСТИ СВЕТА. Первое экспериментальное определение скорости света выполнил датский астроном Олаф Рёмер в 1675 году.

Орбита спутника Ио Ио совершает один оборот вокруг Юпитера за 42, 5 ч. При удалении Земли от Юпитера каждое следующее затмение Ио наступает позднее ожидаемого момента. Суммарное запаздывание начала затмения при удалении Земли от Юпитера на диаметр земной орбиты позднее ожидаемого момента времени составляло 22 мин. Земля З Орбита Земли I С S 2 II Опыт Рёмера Орбита Юпитера S 1

Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, было получено значение скорости света: с = 3*1011 м / 1320 с с=2, 27*10 8 м/с Полученный результат имел большую погрешность.

ПЕРВОЕ ЛАБОРАТОРНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА БЫЛО ВЫПОЛНЕНО В 1849 Г. ФРАНЦУЗСКИМ ФИЗИКОМ АРМАНОМ ФИЗО. В его опыте свет от источника S проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала З, возвращался опять к зубчатому колесу.

ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИ ФИЗО ТАКОВЫ. ИСТОЧНИК СВЕТА И ЗЕРКАЛО РАСПОЛАГАЛИСЬ В ДОМЕ ОТЦА ФИЗО БЛИЗ ПАРИЖА, А ЗЕРКАЛО - НА МОНМАРТРЕ. РАССТОЯНИЕ МЕЖДУ ЗЕРКАЛАМИ СОСТАВЛЯЛО ℓ ~ 8, 66 КМ, КОЛЕСО ИМЕЛО 720 ЗУБЦОВ. ОНО ВРАЩАЛОСЬ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЧАСОВОГО МЕХАНИЗМА, ПРИВОДИМОГО В ДВИЖЕНИЕ ОПУСКАЮЩИМСЯ ГРУЗОМ. ИСПОЛЬЗУЯ СЧЕТЧИК ОБОРОТОВ И ХРОНОМЕТР, ФИЗО ОБНАРУЖИЛ, ЧТО ПЕРВОЕ ЗАТЕМНЕНИЕ НАБЛЮДАЕТСЯ ПРИ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ КОЛЕСА V = 12, 6 ОБ/С. ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ СВЕТА T=2ℓ/C, ПОЭТОМУ ДАЕТ С = 3, 14 10 8 М/С

с = 3, 14 10 8 м/с Величина, больше полученной из астрономических наблюдений, но близкая к ней. НЕСМОТРЯ НА ЗНАЧИТЕЛЬНУЮ ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ, ОПЫТ ФИЗО ИМЕЛ ОГРОМНОЕ ЗНАЧЕНИЕ - ВОЗМОЖНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА «ЗЕМНЫМИ» СРЕДСТВАМИ БЫЛА ДОКАЗАНА.

КОНЕЧНОСТЬ СКОРОСТИ СВЕТА ДОКАЗЫВАЕТСЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ПРЯМЫМ И КОСВЕННЫМ МЕТОДАМИ. В настоящее время с помощью лазерной техники скорость света определяется по измерениям длины волны и частоты радиоизлучения независимыми друг от друга способами и вычисляется по формуле: c = λv Вычисления дают с=299792456, 2 ± 1, 1 м/с

«СКОЛЬКО У СВЕТА СКОРОСТЕЙ? » с Пока указаний на изменение с течением времени нет, но физика не может безоговорочно отбросить такую возможность. Что ж, остается ждать сообщений о новых измерениях скорости света. Эти измерения могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии.

ВЫВОДЫ: 1. Природа света обладает корпускулярноволновым дуализмом (двойственностью). 2. Следует признать научным фактом, установленным экспериментально – конечность и абсолютность (инвариантность) скорости света в вакууме. 3. Подтверждением любой физической теории являются экспериментальные факты.