ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.11.2023
Просмотров: 19
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
| 27. Световые волны. Скорость света. Принцип Гюйгенса. Закон отражения света |
| Световые волны. Тело, излучающее свет, является источником света. По своей природе источники света могут быть естественными и искусственными. |
| Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Сегодня мы понимаем, что от источника света, например лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, свет вызывает зрительное ощущение - мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику). |
| Действие одного тела на другое может осуществляться двумя способами. Либо посредством переноса вещества от источника к приемнику, либо же посредством изменения состояния среды между телами без переноса вещества. Можно заставить зазвенеть колокольчик, находящийся на некотором расстоянии, если удачно попасть в него шариком. Здесь мы имеем дело с переносом вещества. Но можно поступить иначе. Привязать шнур к языку колокольчика и заставить колокольчик звучать, если посылать по шнуру волны, раскачивающие язык. В этом случае переноса вещества не будет. По веревке распространяется волна, то есть происходит изменение состояния, формы веревки. Таким образам, передача действия от одного тела к другому может происходить посредством волн. |
| В соответствии с двумя способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Это корпускулярная и волновая теории. Одна из них связана с именем Исаака Ньютона, другая – с именем Христиан Гюйгенса. |
| Ньютон придерживался корпускулярной теории света. Согласно этой теории свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны. |
| Гюйгенс придерживался волновой теории света. Согласно этой теории свет – это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел. |
| Во второй половине 19 века Джеймс Максвелл доказал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Генри Герценом, никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. |
| Но и отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. При излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц. Были обнаружены квантовые свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по–прежнему можно было объяснить, если считать свет волной, а явления излучения и поглощения – если считать свет потоком частиц. |
| Тот факт, что свет в одних опытах обнаруживает волновые свойства, а в других – корпускулярные, означает, что свет имеет сложную двойственную природу, которую принято характеризовать термином корпускулярно-волновой дуализм. |
| Скорость света. |
| Скорость света впервые удалось измерить в 1676 году датскому ученому Олафу Ремеру. Ремер наблюдал затмения спутников самой большой планеты Солнечной системы – Юпитера. Объектом наблюдения был выбран ближайший спутник – Ио. Спутник проходил перед планетой, а затем погружался в её тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся. Промежуток времени оказался равным 42 ч 28 мин. Таким образом, эта система представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени, посылавшие свои сигналы на Землю. Вначале измерения проводились в то время, когда Земля при своем движения вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру. Спустя несколько месяцев, когда Земля удалилась от Юпитера, измерения показали, что спутник «опоздал» появиться из тени на целых 22 минуты. Ремер объяснил так: «если бы я не мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время; наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 минуты раньше. Запаздывание в этом случае происходит оттого, что свет употребляет 22 минуты на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения». Зная запаздывания появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 300 000 км/с. |
| Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Ипполиту Физо в 1849 году. В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку. После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстровращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Если колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения свет постепенно исчезал, т.к.пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым. При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Так как за время распространения света до зеркала и обратно колесо успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние было равно 8 км 600 м, для скорости света было получено значение 313 000 км\с. |
| Было разработано много других, более точных лабораторных методов измерения скорости света. Американский физик Альберт Майкельсон разработал метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал. |
| В 1856 г. была измерена скорость света в воде. Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме. По современным данным скорость, света в вакууме равна 299 792 458 м/с. |
| В 1983 года на заседании генеральной конференции по мерам и весам было принято новое определение метра. «Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме в течение временного интервала 1/ 299 792 458 секунды». Из этого определения следует, что скорость света принимается точно равной 299 792 458 м/с. Приближенно скорость света можно считать равной 3*108 м/с. |
| Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Оно в значительной степени способствовало выяснению природы света. Особое значение скорость света имеет потому, что ни одно тело в мире не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. |
| Пьер Ферма сформулировал принцип минимального времени. В пространстве между двумя точками свет распространяется по тому пути, вдоль которого время его прохождения минимально. Для оптики можно сформулировать так: из одной точки в другую свет распространяется по линии с наименьшей оптической длиной пути. |
| Также прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени. При малых размерах источника получается только тень. При больших размерах источника света создаются нерезкие тени (тень и полутень). |
| Во время солнечного затмения тень от Луны попадает на Землю. Во время лунного затмения Луна попадает в тень, отбрасываемую Землей. |
| Луна по своему пути вокруг Земли освещается Солнцем, она сама не светится. |
| По принципу прямолинейного распространения света можно определить высоту недоступного предмета. |
| Решим задачу. Длина тени от Останкинской телевизионной башни, освещенной солнцем, в некоторый момент времени равна 600 м; длина тени от человека, рост которого составляет 180 см, в тот же момент времени была равна 2 м. Определите высоту башни. Рассмотрим два подобных прямоугольных треугольника АВС и А1В1С1. Треугольник АВС образует останкинская башня со своей тенью. Треугольник А1В1С1 – человек со своей тенью. Высоты башни и человека относятся как длины их теней. То есть высота останкинской башни определяется отношением произведения длины тени башни и роста человека к длине тени человека. Произведем вычисления и получим 540 метров. Ответ: высота Останкинской башни равна 540 метров. |
| Принцип Гюйгенса. Законы отражения и преломления света можно вывести из одного общего принципа, описывающего поведение волн. Этот принцип впервые был выдвинут современником Ньютона Христианом Гюйгенсом – голландским физиком и математиком, создателем первой волновой теории света. |
| Согласно принципу Гюйгенса каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет собой волновую поверхность в следующий момент времени. Этот принцип Гюйгенс сформулировал первоначально именно для световых волн. |
| Но он в равной мере пригоден для описания распространения волн любой природы: механических, звуковых и так далее. Для механических волн принцип Гюйгенса имеет наглядное истолкование: частицы среды, до которых доходят колебания, в свою очередь, колеблясь, приводят в движение соседние частицы среды, с которыми они взаимодействуют. |
| Закон отражения света. С помощью принципа Гюйгенса можно вывести закон отражения света. Волну назовем плоской, если поверхности равной фазы, то есть волновые поверхности представляют собой плоскости. Угол  между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения называют углом падения. Угол β между перпендикуляром к отражающей поверхности и отраженным лучом называют углом отражения. |
|
| Закона отражения света нашел свое отражение в природе. Многие жуки обладают радужными, переливчатыми панцирями. Известно, что перламутр состоит в основном из арагонита - хрупких кристаллов карбоната кальция, которые образуют слоистую структуру с толщиной слоев в пятьсот нанометров. Отражение света от этих слоев и заставляет перламутр играть всеми цветами радуги. |