§ 14. Электромагнитная природа света
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Физика. 11 класс |
| Книга: | § 14. Электромагнитная природа света |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Пятница, 22 Ноябрь 2024, 00:10 |
 |
С античных времен считалось, что свет практически мгновенно преодолевает любые расстояния. Вопрос о природе света долгое время также оставался открытым. Какими свойствами обладает свет? Как была измерена скорость его распространения? |
Чем меньше скорость распространения света в среде, тем среда является оптически более плотной.
Оптика — раздел физики, в котором изучается физическая природа и свойства света, а также его взаимодействие с веществом. Соответственно световые явления часто называют оптическими явлениями. Слово оптика произошло от греч. οπτικος (оптикос) — видимый, зрительный, поскольку основную часть информации о природе и происходящих в ней явлениях человек получает посредством зрительных ощущений, возникающих под действием света.
По количеству и качеству информации, получаемой человеком об окружающем мире, зрение намного превосходит слух. Этот факт обусловлен существенным различием длин волн видимого света (λ < 10-6 м) и слышимого звука (λ > 10-2 м).
Известно, что минимальные размеры изображения, создаваемого посредством волнового процесса, сравнимы с соответствующей длиной волны. Следовательно, оптические изображения, создаваемые на сетчатке глаза человека, могут содержать до 107 - 108 независимых элементов изображения с различной интенсивностью световых сигналов, передающих большое количество информации об окружающих нас объектах.
Под светом в оптике понимают электромагнитные волны, длины волн которых находятся в диапазоне от 2,0 мм до 10 нм. Этот диапазон делится на инфракрасный (2,0 мм—0,75 мкм), видимый (от 750 нм до 380 нм) и ультрафиолетовый (380 нм—10 нм) диапазоны.
Современная оптика основана на электромагнитной теории света. Как вам известно (см. § 12), во второй половине XIX в. Дж. Максвелл доказал возможность распространения электромагнитных волн в вакууме. Согласно выводам из его теории свет имеет электромагнитную природу, поскольку скорость его распространения равна скорости электромагнитных волн в вакууме.
Первые попытки измерения скорости света, предпринятые в начале XVII в. Г. Галилеем и другими учеными, не увенчались успехом в силу недостаточной точности измерения времени (хронометрирования). Из результатов этих экспериментов Галилей сделал вывод, что измерить модуль скорости света на малых расстояниях практически невозможно, поскольку свет преодолевает их мгновенно в силу большого значения скорости распространения.
Декарт одним из первых предложил использовать для измерения модуля скорости света огромные (астрономические) расстояния, на преодоление которых свету потребуется значительное время, которое можно измерять с достаточной точностью.
Исторически первое экспериментальное определение модуля скорости света в вакууме в 1672 г. сделал датский астроном Олаф Рёмер, который проводил систематические наблюдения в телескоп затмений спутника Юпитера — Ио. Примерно через полгода после начала наблюдений он заметил, что момент затмения спутника Ио запаздывает почти на 16 мин по сравнению с вычисленным значением. Рёмер объяснил это запаздывание конечностью скорости распространения света. Действительно, поскольку за полгода Земля переместилась из положения I (рис. 82) в положение II, то свету необходимо пройти добавочное расстояние, примерно равное диаметру земной орбиты. А при конечности скорости света для этого необходимо больше времени.
На основании имевшихся в то время данных о диаметрах орбит Земли и Юпитера он получил для скорости света значение:
Американский физик Альберт Майкельсон в 1926 г. для измерения скорости света использовал установку, в которой свет проходил между двумя горными вершинами. Он получил значение скорости света, близкое к современным данным:
В 1972 г. скорость света была определена на основе независимых измерений длины волны и частоты света. Это позволило значительно повысить точность измерений. В качестве источника был выбран гелий-неоновый лазер. Таким образом, было получено значение скорости света, превосходящее по точности все ранее известные значения более чем на два порядка. Ввиду этого в 1983 г. на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам значение скорости света в вакууме принято равным
|
|
Заметим, что при решении задач, как правило, используют приближенное значение модуля скорости света:
|
|
Именно это значение скорости распространения света с связывает длину волны λ в вакууме с периодом ее колебаний Т:
| λ=cT |
и с частотой ν:
 . |
Результаты измерений показали, что скорость света v в различных веществах всегда меньше, чем скорость света c в вакууме. В 1862 г. французский физик Жан Фуко измерил скорость распространения света в воде и получил значение . Через несколько лет Майкельсон определил скорость распространения света в сероуглероде —
. Следовательно, в воде скорость распространения света уменьшается в 1,33 раза по сравнению с вакуумом, а в сероуглероде — в 1,64 раза.
Из курса физики 8-го класса вам известно, что чем меньше скорость распространения света в среде, тем среда считается оптически более плотной. Мерой оптической плотности вещества является его абсолютный показатель преломления, который обозначается латинской буквой n.
Абсолютный показатель преломления n вещества характеризует его оптические свойства и показывает, во сколько раз скорость распространения света в данном веществе меньше скорости распространения света в вакууме:
|
|
(1) |
Так как скорость распространения света в любом веществе всегда меньше, чем в вакууме, то абсолютный показатель преломления вещества всегда больше единицы (). Абсолютный показатель преломления зависит как от свойств вещества, т. е. его химического состава, агрегатного состояния, температуры, давления, так и от частоты света.
Исходя из соотношения (1), можно записать формулу для нахождения модуля скорости распространения света в веществе:
| (2) |
Кроме того, из соотношения (1) следует, что для любых сред:
| (3) |
где n1, n2 — абсолютные показатели преломления сред, v1 , v2— скорости распространения света в средах.
Подставим в соотношение (3) выражение v = λν, связывающее модуль скорости распространения света v в веществе с длиной волны λ и частотой ν. Так как при переходе электромагнитной волны из вакуума в вещество или из одного вещества в другое частота колебаний напряженности электрического поля и индукции
магнитного поля не изменяется (ν =
) то:
 |
где λ1, λ2— длины световых волн в средах, λ— длина волны в вакууме.
Отсюда следует, что длина световой волны λn при переходе из одного вещества в другое изменяется.
Длина световой волны λn в веществе, абсолютный показатель преломления которого n, определяется по формуле
|
(4) |
Таким образом, при переходе света из одного вещества в другое частота остается неизменной, а изменяется скорость распространения световой волны и ее длина волны.
Белый свет представляет собой совокупность электромагнитных волн всевозможных частот видимого диапазона. Волна одной определенной частоты называется монохроматической (от греч. μονοσ (монос) — свет и χρoμα (хрома) — цвет, т. е. одноцветный).
Как показали результаты многочисленных экспериментов, световое ощущение у человека вызывают лишь электромагнитные волны определенного диапазона , которому соответствуют длины волн от λ1 = 0,76 мкм до λ2 = 0,40 мкм, воспринимаемые глазом человека.
Каждой частоте соответствует свое цветовое ощущение. Так, например, свет частотой ν1 = 4,0·1014 Гц вызывает ощущение красного цвета, а ν2 = 7,5·1014 Гц — фиолетового. Поскольку при переходе света из одной среды в другую частота не изменяется, то при этом не изменяется и его цветовое восприятие.
Скорость распространения света в вакууме обозначается латинской буквой с (от лат. сeleritas — скорость).
В соответствии с резолюцией на 17-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1983 г. принято новое определение метра как расстояния, проходимого светом в вакууме за 1/(299 792 458) долю секунды.
Результаты измерений показывают, что 47 % своей энергии Солнце посылает в виде инфракрасных лучей, 44 % энергии приходится на видимую часть спектра, а оставшиеся 9 % энергии солнечного излучения — на ультрафиолетовый диапазон.
Вопросы к параграфу
1. Что изучает оптика?
2. Что такое свет? Чему равна скорость распространения света в вакууме?
3. Что характеризует абсолютный показатель преломления вещества?
4. Как изменяются частота, скорость распространения и длина волны света при переходе света из одной среды в другую?
5. Электромагнитные волны какого частотного диапазона вызывают зрительное цветовое ощущение у человека?
6. Какое излучение называется монохроматическим?
Пример решения задачи
Монохроматический свет с длиной волны λ0 = 550 нм переходит из стекла в воздух. Определите, на сколько Δλ при этом увеличивается длина волны света, если абсолютный показатель преломления стекла равен n = 1,40. Найдите скорость v распространения света в стекле, если скорость распространения света в воздухе
λ0=550 нм=5,50·10-7 м ,
n = 1,40,
Решение:
Учитывая, что частота света не изменяется при переходе из одной среды в другую, запишем
где v — скорость света в стекле, λ — длина волны света в воздухе.
Из соотношений (1) и (2) следует
 |
Учитывая, что 
, находим:
|
|
Ответ: Δλ = 0,220 мкм, v =
Упражнение 10
1. Какой промежуток времени τ необходим свету, чтобы дойти от Солнца до Земли, расстояние между которыми l=1,48·108 км?
2. Определите скорость распространения света v в кварце, абсолютный показатель преломления которого n=1,54.
3. Скорость распространения света в воде а в стекле —
Определите отношение k показателей преломления стекла и воды.
4. Определите промежуток времени τ, за который свет проходит расстояние l=450 км в воде, показатель преломления которой n=1,33.
5. Наблюдатель услышал гром через промежуток времени τ=5,0 c после вспышки молнии. Найдите, на каком расстоянии l от наблюдателя произошел грозовой разряд. Скорость распространения звука в воздухе
6. При переходе света из вакуума в некоторое вещество длина волны уменьшилась на 20 %. Определите показатель преломления n данного вещества.