Фізіка. 11 клас

З антычных часоў лічылася, што святло практычна імгненна пераадольвае любыя адлегласці. Пытанне аб прыродзе святла доўгі час заставалася адкрытым. Якімі ўласцівасцямі валодае святло? Як была вымерана скорасць яго распаўсюджвання?

Оптыка — раздзел фізікі, у якім вывучаецца фізічная прырода і ўласцівасці святла, а таксама яго ўзаемадзеянне з рэчывам. Адпаведна, светлавыя з’явы часта называюць аптычнымі з’явамі. Слова «оптыка» пайшло ад грэч. οπτικος — бачны, глядзельны, паколькі асноўную частку інфармацыі аб прыродзе і з’явах, што ў ёй адбываюцца, чалавек атрымлівае пасродкам зрокавых адчуванняў, якія ўзнікаюць пад дзеяннем святла. 

Пад святлом у оптыцы разумеюць электрамагнітныя хвалі, даўжыні якіх знаходзяцца ў дыяпазоне ад 2,0 мм да 10 нм. Гэты дыяпазон падзяляецца на інфрачырвоны (2,0 мм—0,75 мкм), бачны (ад 750 нм да 380 нм) і ультрафіялетавы (380 нм—10 нм) дыяпазоны.

Сучасная оптыка заснавана на электрамагнітнай тэорыі святла. Як вам вядома (гл. § 12), у другой палове XIX ст. Дж. Максвел даказаў магчымасць распаўсюджвання электрамагнітных хваль у вакууме. Згодна з вывадам з яго тэорыі святло мае электрамагнітную прыроду, паколькі скорасць яго распаўсюджвання роўна скорасці электрамагнітных хваль у вакууме.

Першыя спробы вымярэння скорасці святла, зробленыя напачатку XVII ст. Г. Галілеем і іншымі вучонымі, не мелі поспеху з прычыны недастатковай дакладнасці вымярэння часу (хронаметравання). У выніку гэтых эксперыментаў Галілей прыйшоў да высновы, што вымераць модуль скорасці святла на малых адлегласцях практычна немагчыма, паколькі святло пераадольвае іх імгненна дзякуючы вялікаму значэнню скорасці распаўсюджвання.

Дэкарт адным з першых прапанаваў выкарыстоўваць для вымярэння модуля скорасці святла велізарныя (астранамічныя) адлегласці, на пераадоленне якіх святлу патрабуецца значны час, які можна вымераць з дастатковай дакладнасцю.

Гістарычна першае эксперыментальнае вызначэнне модуля скорасці святла ў вакууме ў 1672 г. зрабіў дацкі астраном Олаф Ромер, які пра­водзіў сістэматычныя назіранні ў тэлескоп зацьменняў спадарожніка Юпітэра — Іо. Прыкладна праз паўгода пасля пачатку назіранняў ён заўважыў, што момант зацьмення спадарожніка Іо прыпазняецца амаль на 16 мін у параўнанні з вылічаным значэннем. Ромер растлумачыў гэта запазненне канечнасцю скорасці распаўсюджвання святла. Сапраўды, паколькі за паўгода Зямля перамясцілася са становішча I (мал. 82) у становішча II, то святлу неабходна прайсці дадатковую адлегласць, прыкладна роўную дыяметру зямной арбіты. А пры канечнасці скорасці святла для гэтага неабходна больш часу.

На падставе тагачасных даных аб дыяметрах арбіт Зямлі і Юпітэра ён атрымаў для скорасці святла значэнне:

Амерыканскі фізік Альберт Майкельсан у 1926 г. для вымярэння скорасці святла выкарыстаў устаноўку, у якой святло праходзіла паміж дзвюма горнымі вяршынямі. Ён атрымаў значэнне скорасці святла, блізкае да сучасных даных: 

У 1972 г. скорасць святла была вызначана на аснове незалежных вымярэнняў даўжыні хвалі і частаты святла. Гэта дазволіла значна павялічыць дакладнасць вымярэнняў. У якасці крыніцы быў абраны гелій-неонавы лазер. Такім чынам, было атрымана значэнне скорасці святла, якое пераўзышло па дакладнасці ўсе раней вядомыя значэнні больш чым на два парадкі. З прычыны гэтага ў 1983 г. на 17-й Генеральнай канферэнцыі па мерах і вагах значэнне скорасці святла ў вакууме прынята роўным 

Заўважым, што пры рашэнні задач, як правіла, карыстаюцца пры­бліжаным значэннем модуля скорасці святла:

Менавіта гэта значэнне скорасці распаўсюджвання святла с звязвае даўжыню хвалі λ у вакууме з перыядам яе ваганняў Т

λ=cT

і з частатой  ν:

Вынікі вымярэнняў паказалі, што скорасць святла v у розных рэчывах заўсёды меншая за скорасць святла c у вакууме. У 1862 г. французскі фізік Жан Фуко вымераў скорасць распаўсюджвання святла ў вадзе і атрымаў значэнне . Праз некалькі гадоў Майкельсан вызначыў скорасць распаўсюджвання святла ў серавугляродзе —  Значыць, у вадзе скорасць распаўсюджвання святла памяншаецца ў 1,33 раза ў параўненні з вакуумам, а ў серавугляродзе — у 1,64 раза. 

З курса фізікі 8-га класа вам вядома, што чым меншая скорасць распаўсюджвання святла ў асяроддзі, тым асяроддзе лічыцца аптычна больш шчыльным. Мерай аптычнай шчыльнасці рэчыва з’яўляецца яго абсалютны паказчык праламлення, які абазначаецца лацінскай літарай n.

Абсалютны паказчык праламлення n рэчыва характарызуе яго аптычныя ўласцівасці і паказвае, у колькі разоў скорасць распаўсюджвання святла ў дадзеным рэчыве меншая за скорасць распаўсюджвання святла ў вакууме: 

(1)

Паколькі скорасць распаўсюджвання святла ў любым рэчыве заўсёды меншая, чым у вакууме, то абсалютны паказчык праламлення рэчыва заўсёды большы за адзінку (). Абсалютны паказчык праламлення залежыць як ад уласцівасцей рэчыва, г. зн. яго хімічнага складу, агрэгатнага стану, тэмпературы, ціску, так і ад частаты святла.

Зыходзячы з суадносіны (1), можна запісаць формулу для знаходжання модуля скорасці распаўсюджвання святла ў рэчыве:

(2)

Акрамя таго, з суадносіны (1) вынікае, што для любых асяроддзяў

(3)

дзе n₁, n₂ — абсалютныя паказчыкі праламлення асяроддзяў v1 , v2  — скорасці распаўсюджвання святла ў асяроддзях. Падставім у суадносіну (3) выраз v = λν,  які звязвае модуль скорасці распаўсюджвання святла v у рэчыве з даўжынёй хвалі λ і частатой ν. Паколькі пры пераходзе электрамагнітнай хвалі з вакуума ў рэчыва або з аднаго рэчыва ў іншае частата ваганняў напружанасці  электрычнага поля і індукцыі  магнітнага поля не змяняецца (ν = ) то:

дзе  λ₁, λ₂ — даўжыні светлавых хваль у асяроддзях, λ — даўжыня хвалі ў вакууме.

Адсюль вынікае, што даўжыня светлавой хвалі  λ_n пры пераходзе з аднаго рэчыва ў іншае змяняецца. 

Даўжыня светлавой хвалі λ_n у рэчыве, абсалютны паказчык пралам­лення якога n, вызначаецца па формуле:

(4)

Такім чынам, пры пераходзе святла з аднаго рэчыва ў іншае частата застаецца нязменнай, а змяняецца скорасць распаўсюджвання светлавой хвалі і яе даўжыня.

Белае святло ўяўляе сабой сукупнасць электрамагнітных хваль разнастайных частот бачнага дыяпазону. Хваля адной пэўнай частаты называецца монахраматычнай (ад грэч. μονοσ (монас) — адзін і χρoμα (хрома) — колер, г. зн. аднаколерны).

Як паказалі вынікі шматлікіх эксперыментаў, светлавое адчуванне ў чалавека выклікаюць толькі электрамагнітныя хвалі пэўнага дыяпазону  якому адпавядаюць даўжыні хваль ад λ₁ = 0,76 мкм да  λ₂ = 0,40 мкм што ўспрымаюцца вокам чалавека.

Кожнай частаце адпавядае сваё колеравае адчуванне. Так, напрыклад, святло частатой ν₁ = 4,0·10¹⁴ Гц  выклікае адчуванне чырвонага колеру, а ν₂ = 7,5·10¹⁴ Гц — фіялетавага. Паколькі пры пераходзе святла з аднаго асяроддзя ў іншае частата не змяняецца, то пры гэтым не змяняецца і яго колеравае ўспрыманне.