Физика. 11 класс

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?

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.

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

(точно).

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 λ_n  при переходе из одного вещества в другое изменяется. 

Длина световой волны λ_n  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.