Как обьясняют природу света современные ученые. Презентация на тему "развитие взглядов на природу света"
Первые представления о природе света , возникшие у древних греков и египтян, в дальнейшем, по мере изобретения и усовершенствования различных оптических приборов, развивались и трансформировались.
В средние века стали известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами. В 1590 г. З. Янсен построил первый микроскоп, в 1609 г. Г. Галилей изобрел телескоп. Количественный закон преломления света при прохождении границы раздела двух сред установил в 1620 г. В. Снеллиус. Математическая запись этого закона в виде , принадлежит Р. Декарту (1637 г.) Он же попытался объяснить этот закон исходя из корпускулярной теории . Впоследствии формулировкой принципа Ферма (1660 г.) был завершен фундамент построения геометрической оптики.
Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди, 1665 г.), двойного лучепреломления (Э. Бартолин, 1669 г.) и с работами И. Ньютона, Р. Гука, Х. Гюйгенса.
В конце XVII века на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две мощные теории света – корпускулярная (Ньютон – Декарт) и волновая (Гук – Гюйгенс).
Корпускулярные воззрения на природу света И. Ньютон развил в стройную теорию истечения. Свет – корпускулы , испускаемые телами и летящие с огромной скоростью. К анализу движения световых корпускул Ньютон, естественно, применил сформулированные им законы механики. Из этих представлений он легко вывел законы отражения и преломления света (рис. 7.11):
Рис. 7.11 - 7.13
Однако из рассуждений Ньютона следовало, что скорость света в веществе больше скорости света в вакууме : .
Кроме того, в 1666 г. Ньютон показал, что белый свет является составным и содержит «чистые цвета», каждый из которых характеризуется своей преломляемостью (рис. 7.12), т.е. дал понятие дисперсии света. Эта особенность была объяснена различием масс корпускул.
В то же время в XVII в. (наряду с концепцией Декарта – Ньютона) развивалась противоположная, волновая теория Гука – Гюйгенса о том, что свет есть процесс распространения продольных деформаций в некоторой среде , пронизывающей все тело , – в мировом эфире .
К концу XVII в. в оптике сложилось весьма своеобразное положение. И та и другая теории объясняли основные оптические закономерности: прямолинейность распространения, законы отражения и преломления. Дальнейшие попытки более полного объяснения наблюдаемых фактов приводили к затруднению в обеих теориях.
Гюйгенс не смог объяснить физической причины наличия различных цветов и механизм изменения скорости распространения света в эфире, пронизывающем различные среды.
Ньютону трудно было объяснить, почему при падении на границу двух сред происходит частичное и отражение, и преломление, а также интерференцию и дисперсию света. Однако огромный авторитет Ньютона и незавершенность волновой теории привели к тому, что весь XVIII в. прошел под знаком корпускулярной теории.
Начало XIX в. характеризуется интенсивным развитием математической теории колебаний и волн и ее приложением к объяснению ряда оптических явлений. В связи с работами Т. Юнга и О. Френеля победа временно перешла к волновой оптике .
· 1801 г. Т. Юнг формулирует принцип интерференции и объяснет цвета тонких пленок.
· 1818 г. О. Френель объясняет явление дифракции.
· 1840 г. О. Френель и Д. Арго исследуют интерференцию поляризованного света и доказывают поперечность световых колебаний.
· 1841 г. О. Френель строит теорию кристаллооптических колебаний.
· 1849 г. А. Физо измерил скорость света и рассчитал по волновой теории коэффициент преломления воды , что совпало с экспериментом.
· 1848 г. М. Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).
· 1860 г. Дж. Максвелл, основываясь на открытии Фарадея, пришел к выводу, что свет есть электромагнитные волны, а не упругие.
· 1888 г. Г. Герц экспериментально подтвердил, что электромагнитное поле распространяется со скоростью света с .
· 1899 г. П.Н. Лебедев измерил давление света.
Казалось, что спор полностью решен в пользу волновой теории света, так как в середине XIX в. были обнаружены факты, указывающие на связь и аналогию оптических и электрических явлений. Фарадеем, Максвеллом и другими учеными было показано, что свет – частный случай электромагнитной волны с 
. Только этот интервал длин волн оказывает воздействие на наш глаз и является собственно светом. Но и более длинные и более короткие волны имеют одну и ту же природу, что и свет.
Однако, несмотря на огромные успехи в электромагнитной теории света, к концу XIX в. начали накапливаться новые факты, противоречащие волновой теории света. Волновая теория не смогла объяснить распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела и явление фотоэффекта, которое в 1890 г. исследовал А.Г. Столетов.
В 1900 г. Макс Планк показал, что излучение абсолютно черного тела можно объяснить, если предложить, что свет излучается не непрерывно, а порциями, квантами с энергией , где ν – частота, h – постоянная Планка.
 | Макс Планк (1858–1947). С 1874 г. он изучал физику у Густава Кирхгофа и Германа Гельмгольца в Мюнхенском университете. В 1930 г. Макс Планк возглавил Институт физики Кайзера Вильгельма (теперь Институт Макса Планка) и занимал этот пост до конца жизни. В 1900 г. в работе, посвященной равновесному тепловому излучению, Планк впервые ввел предположение о том, что энергия осциллятора принимает дискретные значения, пропорциональные частоте колебаний, чем положил начало квантовой физики. Также Макс Планк внес большой вклад в развитие термодинамики. |
В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта на основе представления о световых частицах – «квантах » света, «фотонах », масса которых
.
Это соотношение связывает корпускулярные характеристики излучения , массу и энергию кванта , с волновыми – частотой и длиной волны .
Работы Планка и Эйнштейна явились началом развития квантовой физики .
Итак, обе теории – и волновая, и квантовая – одновременно развивались, имея свои несомненные достоинства и недостатки, и как бы дополняли друг друга. Ученые уже начали приходить к мнению, что свет является одновременно и волнами, и корпускулами. И вот в 1922 г. А. Комптон окончательно доказал, что рентгеновские электромагнитные волны – одновременно и корпускулы (фотоны, кванты), и волны.
Таким образом, длительный путь исследований привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света.
Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 80 % информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие как интерференция, дифракция, поляризация и др., в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики, благодаря их предметной наглядности и точности теоретических представлений.
Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика, как наука, закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях.
Наиболее важное событие в современной оптике – экспериментальное обнаружение методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул – создание оптического квантового генератора (лазера) (А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и Ч. Таунс, 1954 г.).
В современной физической оптике квантовые представления не противоречат волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики.
Слайд 2
Первые представления о свете
Первые представления о том, что такое свет, относятся также к древности. В древности представления о природе света были весьма примитивными, фантастическими и к тому же весьма разнообразными. Однако, несмотря на разнообразие взглядов древних на природу света, уже в то время наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории – корпускулярную и волновую теории света. Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом выделялось три основных взгляда на природу света. Глаз->предмет Предмет->глаз Движение
Слайд 3
Первая теория
Одни из древних ученых полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела сначала большое число последователей. Такие крупнейшие ученые и философы, как Евклид, Птолемей и многие другие придерживались ее. Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой. Евклид Птоломей
Слайд 4
Вторая теория
Другие философы, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения держались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций. Эта точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом. Демокрит Эпикур Лукреций
Слайд 5
Третья теория
Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет, а как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света. Аристотель
Слайд 6
Средневековье
Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей до нас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занимался изучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света в линзах. Ученый придерживался теории Демокрита и впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным шагом в понимании природы света. Альгазен
Слайд 7
XVII век
На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений: Корпускулярная теория Ньютона, которая предполагала, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами. Волновая теория Гюйгенса, которая утверждала, что свет представляет собой продольные колебательные движения особой светоносной среды (эфира), возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.
Слайд 8
Основные положения корпускулярной теории
Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник. Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие – фиолетового. Белый цвет – смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара.
Слайд 9
Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения. Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. «Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет – смесь разнообразных корпускул – испытывает преломление, пройдя через призму». Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" – особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.
Слайд 10
Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и в скоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. Крупнейшие ученые придерживающиесяэтой теории: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак. На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться (волны же проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимноговлияния) Ньютон Араго Гей-Люссак
Слайд 11
Основные положения волновой теории
Свет – это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе. Эфир – гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью. Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность – фронт волны (принцип Гюйгенса). Чем дальше волновой фронт от источника, тем более плоским он становится. Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения. Очень важным пунктом теории Гюйгенса явилось допущение конечности скорости распространения света.
Слайд 12
Волновая теория
С помощью теории объясняются многие явления геометрической оптики: – явление отражения света и его законы; – явление преломления света и его законы; – явление полного внутреннего отражения; – явление двойного лучепреломления; – принцип независимости световых лучей. Теория Гюйгенса давала такое выражение для показателя преломления среды: Из формулы видно, что скорость света должна зависеть обратно пропорционально от абсолютного показателя среды. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающему из теории Ньютона.
Слайд 13
Многие сомневались в волновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонников волновых взглядов на природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследований этих ученых теория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не просто апериодических колебаний, распространяющихся в эфире. Трудно было объяснить прямолинейное распростронение света, приводящее к образованию за предметами резких теней (по корпускулярной теории прямолинейное движение света является следствием закона инерции) Явление дифракции (огибания светом препятствий) и интерференции (услиление или ослабление света при наложении световых пучков друг на друга) можно объяснить только с точки зрения волновой теории. Гюйгенс Ломоносов Эйлер
Слайд 14
XI-XX столетия
Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Нет их и сейчас. Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Максвелл Герц
Слайд 15
Были обнаружены прерывистые (квантовые) войства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, считая свет волной, а я вления излучения и поглощения – считая свет потоком частиц. Поэтому ученые сошлись на мнении о корпускулярно-волновом дуализме (двойственности) свойст света. В наши дни теория света продолжает развиваться.
Посмотреть все слайды
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.
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.
В природе существует только два способа передачи взаимодействий между телами: 1-ый - путем переноса вещества и 2-ой - путем изменения состояния физической среды.
В физике долгое время существовали две теории о природе света: 1-ая - корпускулярная (основоположник-И. Ньютон); 2-ая - волновая (основоположник - Х. Гюйгенс).
По Ньютону свет - это поток частиц, летящих в пространстве от источника света во все стороны по инерции и подчиняющихся законам классической механики. Свет - это перенос частиц (корпускул) от источника к приемнику.
По Гюйгенсу свет - это волны, распространяющиеся от источника во все стороны в особой среде - эфире. Эфир пронизывает все мировое пространство, он невидим, никак не ощущается, в нем отсутствует трение. Свет - это волна, изменяющая состояние некой среды - мирового эфира.
Обе теории появились почти одновременно в XVII в. и существовали параллельно. Большинство физиков отдавали предпочтение корпускулярной теории, в основном, благодаря непререкаемому научному авторитету Ньютона. Его теория очень просто объясняла прямолинейное распространение света и образование теней на основе инерции, которой обладают все материальные тела. Волновая теория Гюйгенса объяснить этого не могла. Однако, теория Ньютона также никак не могла объяснить тот факт, что световые лучи, пересекаясь, никак не влияют друг на друга. Они должны рассеиваться. По волновой теории это объяснялось просто - именно так ведут себя волны на поверхности воды.
Такое положение в физике просуществовало до середины XIX в., пока не были открыты дифракция и интерференция света. Эти явления присущи только волновым процессам, и объяснить их корпускулярная теория не могла никак. Казалось, что полностью восторжествовала волновая теория. Уверенность в ее правоте тем более окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX в. теоретически показал, что свет - это обычная ЭМВ определенной частоты и длины. Работы Максвелла заложили основы электромагнитной теории света, а после опытов Герца, которые доказали существование ЭМВ, уже не возникало никаких сомнений в том, что свет при распространении ведет себя как волна.
Однако, к концу XIX в. накопилось достаточно экспериментальных данных о том, что свет излучается и поглощается прерывисто (дискретно) и происходит это микроскопическими порциями энергии - квантами. Исходя из этого предположения, немецкий физик Макс Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Альберт Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света.
Согласно этой теории, свет представляет собой поток световых частиц - фотонов.
Фотоны существенно отличаются от обычных частиц: они существуют только в движении (со скоростью света) и имеют конечную массу. Фотон не может существовать в состоянии покоя. Фотоны поглощаются атомами, отдавая им свою энергию, и могут излучаться атомами.
В соответствии с современными представлениями, свет - это совокупность ЭМВ в диапазоне от 400 нм
(фиолетовый) до 800 нм (красный) или, соответственно, от 750 ТГц до 375 ТГц. Волновая
(электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теории не исключают друг друга, а взаимно дополняют.
Свет обладает дуализмом - двойственностью свойств. Фотон - это одновременно и частица, и волна.
Опыт Герца
Призмы
Закон преломления
Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде.
Особый интерес представляет ход луча в призме:
Поскольку угол преломления зависит от скорости света в среде, а скорость света связана с длиной световой волны (частотой), то свет разного цвета (разной длинны волны или частоты) должен преломляться по-разному. Впервые это эффект обнаружил Ньютон, пропуская тонкий солнечный луч через трехгранную призму: белый свет, проходя через призму, распадался на радужную полоску, которую принято называть спектром. В спектре выделяют семь основных цветов, однако границы между ними размыты, поэтому полутонов там очень много. Если под одним и тем же углом направить на призму красный и синий лучи, то невооруженным глазом легко заметить, что красный луч преломляется в призме значительно меньше, чем синий. Скорость красного света в веществе больше, чем синего, поэтому таков результат преломления. И именно поэтому призма разлагает белый свет на составляющие.
Дисперсией называется зависимость показателя преломления света от длины волны (частоты). Дисперсионная картина, которая возникает на экране при прохождении белого света через призму, называется спектром. Спектр солнечного света, да и вообще любого источника, который излучает свет в результате нагревания, сплошной.
На границе раздела двух сред происходит также частичное отражение падающего луча.
Большое практическое значение имеет эффект полного отражения, когда угол преломления равен 90, и преломленный луч скользит по границе раздела двух сред. Это возможно, если луч падающий попадает на границу раздела двух срез из более плотной среды, например, из воды в воздух.
В геометрической оптике скорость света не имеет значения. Тем не менее, первые способы измерения скорости света были основаны именно на методах геометрической оптики.
Датский астроном Рёмер в 1676 году сделал попытку измерить скорость света по задержке времени выхода спутника Ио из тени планеты - Юпитера. Естественно, точного значения он не получил, но смог оценить порядок: примерно 215 000 км/с. Это колоссальная скорость!
В 1849 году французский физик Физо с помощью лабораторной установки, которая имела специальный источник света, вращающийся диск с прорезями, полупрозрачное зеркало и обычное зеркало, находящееся на расстоянии 8,6 км, более точно определил величину скорости света: примерно 313 000 км/с.
В 1926 году американский физик Майкельсон измерил скорость света с помощью установки, расположенной на двух горных вершинах на расстоянии 35,4 км и содержащей вращающееся зеркало. Значение скорости света, полученное в этом эксперименте, составило 299 796 км/с.
Наиболее точное значение скорости света было получено в 1972 году: 299 792 456,2 м/с.
В настоящее время принято, что скорость света в вакууме составляет 299 792 458 м/с
