1 слайд

Тема: Развитие взглядов на природу света. Скорость света. (Физика.11 класс) Выполнила: учитель физики МОУ «СОШ №6» г. Кирова Калужской области Кочергина В.Э. 2010 год

2 слайд

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).

3 слайд

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. 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

4 слайд

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.

5 слайд

Два великих противостояния в науке. Этапы развития представлений о природе света. 2,5 тысячелетий назад. Пифагор. XVII век Исаак Ньютон Христиан Гюйгенс XIX век. Джеймс Максвелл. XX век. Примиряющая теория. Корпускулярно-волновой дуализм.

6 слайд

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.

7 слайд

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.

8 слайд

С Опыт Рёмера 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. Орбита Земли Земля Орбита спутника Ио Орбита Юпитера S2

9 слайд

Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, было получено значение скорости света: с = 3*1011м / 1320с с=2,27*108м/с Полученный результат имел большую погрешность.

10 слайд

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.

11 слайд

12 слайд

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

13 слайд

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. с = 3,14 10 8 м/с

14 слайд

Американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал.

15 слайд

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

1 Отпика 7

1.1 Развитие взглядов на природу света. Световые волны 7

1.2. Отражение и преломление плоской волны на гранях двух диэлектриков 10

1.3. Полное внутренне отражение 11

1.4. Соотношение между амплитудой и фазой 11

2 Интерференция 14

2.1 Явление интерференции. Сложение колебаний 14

2.2 Ширина интерференционных полос 15

2.3 Способы наблюдения интенсивности делением волнового фронта волны 17

2.4 Способы получения когерентных пучков делением амплитуды 17

2.5 Применение интерференции 20

3 Дифракция 23

3.1 Принцип Гюйгенса-Френеля 23

3.2 Прямолинейность распространения света. Зоны Френеля 25

3.3 Дифракция от среднего отверстия 27

3.4. Дифракционная решетка 29

4 Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 29

4.1 Дисперсия света 29

4.2 Электронная теория дисперсии света 31

4.3 Поглощение (абсорбция света) 32

4.4 Рассеяние света 33

5 Квантовые свойства света 35

5.1 Виды фотоэлектрического эффекта 35

5.2 Законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова) 37

5.3 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта 38

5.4 Применение фотоэффекта 39

Заключение 40

Список использованных источников 41

1 Отпика

1.1 Развитие взглядов на природу света. Световые волны

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следствие четырех основных закона оптических явлений:

Закон прямолинейного рассеивания света.

Закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике).

Закон отражения.

Закон преломления света на границах двух сред.

Первый: Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Второй: Эффект, производимым отдельным пучком, от того действует ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол падения равен углуотражения.

Четвертый: Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла преломления есть величина постоянна для данных сред:

где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Абсолютным показателем преломления среды называют величину , равную отношению скорости с электромагнитными волнами в вакууме к их фазовой скоростив среде

(1.1)

Основные законы были установлены давно, но точка зрения на них менялась на протяжении многих веков.

Так Ньютон придерживал теории истечения световых частиц, которые подчиняются законам механики. Гюйгенс выступал с другой (корпускулярной теорией света) теорией света. Он полагал, что световые возбуждения следует рассматривать как упругие импульсы, распространяется в особой среде – эфир (волновая теория света).

В течении XVIII века корпускулярная теория занимала господствующее положение, хотя борьба обоих теорий не прекращалась.

Затем труды Юнга и Френеля в XIX веке внесли большой вклад и дополнение в волновую оптику. Максвелл на основе своих теоретических исследованиях сформулировал заключение, что свет – это электромагнитная волна. Скорость электромагнитной волны в среде

(1.2)

где - скорость света в вакууме,- скорость в среде, имеющую диэлектрическую проницаемостьи магнитную проницаемость.

Так как
, то

(1.3)

(1.3) дает связь между оптическими, электрическими и магнитными константами вещества. Длина волны оптического диапазона . Модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной носит название интенсивность света.

,
.

Линии, вдоль которого распространяется световая энергия, называется лучами.
направлен по касательной к лучу. В изотропной среде
. Следствием теории Максвелла является поперчнность световых волн: векторы напряженностей электрическогои магнитныхполей взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скоростираспространяющегося луча, т.е. перпендикулярно лучу.

Обычно в оптике все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора интенсивности электрического поля. Так как при действии света на вещество, основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают свет волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом характеризуется всевозможным равновероятным колебаниями светового вектора (см. рис. луч перпендикулярный плоскости рисунка).

Свет, со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Если есть упорядоченность, то свет называется поляризованным. Если колебание происходят только в одной, проходящей через луч плоскости, свет называется плоско (линейно) поляризованным.

Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света – т.е. конец вектора во времени описывает эллипс.

; где - эллиптичность.

Слайд 2

Слайд 3

Неодинаково видим днём

Слайд 4

Слайд 5

Естественные

Источники света Искусственные

Слайд 6

Глаз человекавоспринимает

свет от 400 нм до 800 нм

Слайд 7

Взгляды на природу света в античные времена

Пифагорейцы впервые выдвинули гипотезу об особом флюиде, который испускается глазами и «ощупывает» как бы щупальцами предметы, давая их ощущение.

Слайд 8

Взгляды на природу света в XVII-XIX вв.

Ньютон придерживался корпускулярной теории, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны. Гюйгенс утверждал, что свет – это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющим пространство и проникающим во внутрь всех тел.

Слайд 9

Современные представления о природе света

Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света.

Слайд 10

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Таким образом, свет имеет корпускулярно-волновые свойства. Квантовые и волновые свойства не исключают друг друга, а дополняют. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко при больших. Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением двух форм существования материи - вещества и поля.

Слайд 11

Световые лучи

Световой луч– это линия, указывающая направление распространения энергии в пучке света.

Слайд 12

С З Опыт Рёмера Орбита Земли Земля Орбита спутника Юпитера Орбита Юпитера I II S1 S2

Слайд 13

Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, можно получить значение скорости света:

с=3 1011м: 1320с ≈2,27 108м/с

Слайд 14

Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало т1располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало т2- 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. Времядвижения света t=2ℓ/c, поэтомудает с = 3,14 10 8 м/с

Повторение изученного материала.

Что такое оптика?

Что такое геометрическая оптика?

Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

Что такое луч?

Закон прямолинейного распространения света.

Что такое тень?

Что такое полутень?

Закон отражения света.

Изучение нового материала.

Развитие оптики и технический прогресс. Создание оптических приборов.

Жизнь на Земле возникла и существует благодаря солнечному свету. Благодаря нему мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете. Свет, усиленный оптическими приборами, открывает человеку два полярных по масштабам мира: космический мир с его огромными протяженностями и микроскопический, населенный неразличимыми простым глазом мельчайшими организмами.

Основы оптики были заложены еще в глубокой древности. Варка прозрачного стекла была известна древним египтянам и жителям Мессопотамии за 1600 лет до нашей эры, а в древнем Риме из стекла с высоким совершенством изготовляли посуду и украшения. В XIII веке человечество получило первые оптические приборы - очки и увеличительные стекла. Значительно позднее, в начале XVII века, были изобретены зрительная труба и микроскоп.

В 1609 году итальянский ученый Галилей изобрел подзорную трубу с отрицательной линзой в качестве окуляра и широко использовал ее для наблюдений. В России очки и зрительные трубы появились в начале XVII веке.

Создание теории оптических приборов началось в конце XVII века благодаря трудам выдающихся ученых: Р. Декарта, П. Ферма, И. Ньютона, К. Гаусса и других. Большой вклад в развитие мировой науки и техники в области оптики внесли русские ученые М. В. Ломоносов, Л. Эйлер, В. Н. Чиколев, механики И. П. Кулибин, О. Н. Малофеев.

В России при Петре 1 оптика получила свое дальнейшее развитие. В 1725 году при Академии Наук была организована кафедра оптики и оптическая мастерская. Одним из руководителей кафедры оптики был Л. Эйлер, который написал книгу “Диоптрика”, где изложил основы геометрической оптики.

М. В. Ломоносов был первым русским ученым, который применил микроскоп для научных исследований, он создал целый ряд принципиально новых оптических приборов, разработал способы изготовления цветного стекла, цветной мозаики. Трудами выдающихся русских М.В.Ломоносова и Л.Эйлера в XVIII веке были заложены главнейшие основы для развития оптического производства в России. После революции 1917 года в Петрограде в 1918 году был организован Государственный Оптический Институт, его возглавил академик Д.С.Рождественский. ГОИ явился центром, определяющим научную политику в области создания отечественной оптическо-механической промышленности. В ГОИ работали выдающиеся ученые: С.И.Вавилов, А.А.Лебедев, И.В.Гребенщиков, Н.Качалов и другие.

В послевоенные годы наша оптическая промышленность с успехом осваивала производство уникальных высокоточных приборов, электронных микроскопов, интерферометров, приборов для космических исследований.

На базе явлений фотоэлектрического эффекта, открытого русским ученым А.Г.Столетовым, успешно развивается фотоэлектрическая область оптики, нашедшая применение в автоматике, телевидении, управлении космическими кораблями.

К числу крупных достижений отечественной оптики относятся работы профессора М.М.Русинова. Созданные им широкоугольные аэрофотообъективы выдвинули советскую аэрофотсъемку на ведущее место в мире.

Создание аппаратуры для фотографирования невидимой с Земли обратной стороны Луны явилось началом развития нового направления оптического приборостроения – космически оптических приборов.

Исследования советских физиков Н.Г.Басова и А.М.Прохорова в середине 50-х года XX века стали тем зерном, из которого выросла новая область науки – квантовая электроника. В 1971 году Денис Габор получил Нобелевскую премию за открытие голографии.

Еще в 1930 году в Германии Ламм передал по оптическим волокнам не только свет, но и изображение. Но технология изготовления стеклянных волокон была очень сложной, поэтому идеи Ламма на долгие годы остались забытыми.

Современная наука подняла на гребень волны волоконную оптику.

История развития взглядов на природу света

Первые представления о природе света были заложены в глубокой древности. Греческий философ Платон (427–327 гг до н.э.) создал одну из первых теорий света.

Евклид и Аристотель (300–250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Аристотель впервые объяснил сущность зрения.

Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века.

В XVII веке датский астроном Ремер (1644–1710) измерил скорость распространения света, итальянский физик Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции, гениальный английский ученый И.Ньютон (1642–1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции, Э.Бартолин (1625–1698) обнаружил двойное лучепреломление в исландском шпате, заложив тем самым основы кристаллооптики. Гюйгенс (1629–1695) положил начало волновой теории света.

В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений. Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно.

С точки зрения волновой теории света, основоположником которой является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде – эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства.

Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831–1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн.

Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет.

Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалась полностью раскрывала проблему природы света.

Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 километров в секунду. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний – электромагнитный эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие.

Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.

В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться. Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную.

Скорость света

Одна из характерных черт физика – количественный характер ее законов. Во многие соотношения, выражающие законы физики входят некоторые постоянные – так называемые физические константы. Это, например, гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения, удельная теплоемкость в уравнении теплового баланса, скорость света в законе Эйнштейна, связывающем массу тела и его полную энергию. Многие физические постоянные названы так весьма условно. Действительно, нагревается вместо воды спирт и в соответствующих уравнениях приходится использовать иную величину теплоемкости. Такими “относительными” постоянными являются коэффициент трения, удельное сопротивление, плотность и т.д. Но есть и константы, которые не меняют своего значения. Гравитационная постоянная не зависит от того, взаимодействуют ли тела из свинца или из стали. Электроны в меди и золоте имеют одинаковый заряд. Так же универсальна и постоянная с – скорость света в вакууме.

Именно вследствие своей универсальности, такие константы названы мировыми или фундаментальными постоянными. Величины фундаментальных постоянных определяют важнейшие особенности всего физического мира – от элементарных частиц до крупнейших астрономических объектов.

Принадлежность скорости света к весьма небольшой группе мировых постоянных объясняет интерес к этой величине. Однако надо признать, что даже в этой группе она занимает выдающееся место. Скорость света связана с физическими законами, относящимися к самым, казалось бы, далеким разделам физики. Постоянная с входит в преобразования Лоренца в специальной теории относительности, она связывает электрическую и магнитную постоянные. Формула Эйнштейна Е=mc 2 позволяет рассчитать количество энергии, выделяющейся при ядерных превращениях. И везде мы сталкиваемся со скоростью света.

Такая распространенность константы с служит для современной физики ярким проявлением единства физического мира и правильности пути, по которому развивается наука о природе.

Понимание этого единства прошло не сразу. Со времени первого определения значения скорости света прошло более 300 лет. Постепенно константа с раскрывала перед учеными свои тайны. Иногда за измерениями этой величины стояли годы целенаправленных поисков, работы по усовершенствованию методов измерения и научных приборов. Иногда скорость света возникала в экспериментах возникала неожиданно, ставя перед учеными вопросы, касавшиеся самых глубин физической науки. Измерение константы опровергали и подтверждали физические теории и способствовали прогрессу техники.

Существуют прямые и косвенные методы измерения скорости света. К прямым методам относятся опыты О.Ремера, А.Физо, Л.Фуко, А.Майкельсона. К косвенным методам относятся опыты Д.Брадлея, Ф.Кольрауша, В.Вебера.

Прямой способ основан на измерении пути, пройденного светом и времени прохождения этого пути c=l/t . В 1676 году Ремер наблюдал за затмением спутника Юпитера – Ио. Спутник проходил пeред планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Через 42 часа 28 минут Ио появлялся опять. Ремер проводил измерения, когда Земля ближе всего подходила к Юпитеру. Когда через несколько месяцев он повторил наблюдения, то оказалось, что спутник появился из тени на 22 минуты позже. Ученый объяснил, 22 минуты свет затрачивает на прохождение из предыдущей точки наблюдения до нынешней точки. Зная время запаздывания и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость света. Вследствие неточности измерений и неточного значения радиуса Земли Ремер получил значение скорости света равное 215000 километров в секунду.

В лабораторных условиях скорость света впервые удалось измерять в 1849 году французскому физику Физо. В его опыте свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную стеклянную пластинку. Отразившись от пластинки узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося колеса. Пройдя между зубцами свет достигал зеркала, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет проходил между зубцами колеса и затем попадал в глаз наблюдателя. Когда скорость вращения была маленькой, свет отраженный от зеркала был виден, при увеличении скорости вращения он исчезал. При дальнейшем увеличении скорости вращения, свет опять становился виден. То есть, за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало повернуться на столько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 километров, а скорость света получилась равной 313000 километров в секунду.

В основе косвенного способа измерения скорости света лежит представление о свете как об электромагнитной волне и ее скорость находится путем умножения длины волны на частоту колебаний волны.

Развивая теорию электродинамики Ампера, в 1846 году Вебер и Кальрауш получили значение скорости света 310000 километров в секунду, но полученный результат объяснить они не могли, так как не существовало ясного понимания механизма передачи взаимодействия электрических зарядов. Формально теория дальнодействующих электромагнитных сил Вебера не сталкивалась со сколь-нибудь серьезной оппозицией, но уже зрели идеи близкодействия, важнейшим следствием которых является конечность скорости распространения взаимодействий.

Современная физика решительно утверждает, что история скорости света на закончена. Свидетельством тому служат работы по измерению скорости света, выполненные в последние годы.

Резкое повышение точности измерения скорости электромагнитных волн произошло после Второй мировой войны. Исследования, проведенные в военных целях, кроме угрозы существованию человечеству принесли множество важнейших, чисто научных результатов. Один из них – развитие техники сверхвысоких частот. Были созданы генераторы и приемники излучения, работающие в диапазоне длин волн от 1 метра до нескольких миллиметров. В СВЧ-диапазоне волн удалось провести очень точные и, что самое важное, независимые измерения частоты излучения и его длины волны. Такой метод определения скорости света очень удобен, так как длины волн порядка одного сантиметра можно определить с очень высокой точностью.

Конечно, не следует думать, что измерить величину с , используя новую технику, было очень просто. Каждый ученый, работавший в этой области, ставил перед собой задачу-максимум: провести предельно точные измерения длины волны и частоты для получения возможно более точного значения скорости света, а работа на пределе точности всегда сложна.

Определенным итогом измерения скорости света в СВЧ-диапазоне стала работа американского ученого К.Фрума, результаты которой были опубликованы в 1958 году. Ученый получил результат 299792,50 километров в секунду. В течение длительного периода эта величина считалась наиболее точной.

Для того, чтобы повысить точность определения скорости света требовалось создание принципиально новых методов, которые позволили бы проводить измерения в области больших частот и соответственно, меньших длин волн. Возможность разработки таких методов появилась после создания оптических квантовых генераторов – лазеров. Точность определения скорости света возросла по отношению к опытам Фрума практически в 100 раз. Способ определения частот с помощью использования лазерного излучения дает величину скорости света, равную 299792,462 километра в секунду.

Физики продолжают исследовать вопрос о постоянстве скорости света во времени. Исследования скорости света могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии. 300-летняя история фундаментальной постоянной с отчетливо демонстрируют ее связи с важнейшими проблемами физики.

Решение задач

1. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Не далее полета стрелы было чудовище, когда Персей взлетел высоко в воздух. Тень его упала в море, и с яростью ринулось чудовище на тень героя. Персей смело бросился с высоты на чудовище и глубоко вонзил ему в спину изогнутый меч…”

Вопрос: что такое тень и благодаря какому физическому явлению она образуется? Нарисуйте ход лучей.

2. Из африканской сказки “Выборы вождя”:

“Собратья, – молвил Аист, степенно выйдя в середину круга. – Мы спорим с самого утра. Смотрите, наши тени уже укоротились и скоро совсем исчезнут, ибо близится полдень. Так давайте еще до того, как солнце минует зенит, придем к какому-то решению…”

Вопрос: почему длины теней, которые отбрасывали люди стали укорачиваться? Ответ поясните рисунком. Есть ли на Земле такое место, где изменение длины тени минимально?

3. Из итальянской сказки “Человек, который искал бессмертие”:

“И тут Грантэста увидел что-то, что показалось ему страшнее бури. К долине приближалось чудовище, летевшее быстрее, чем луч света. У него были кожистые крылья, бородавчатый мягкий живот и огромная пасть с торчащими зубами…”

Вопрос: что неверно с точки зрения физики в этом отрывке?

4. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Скорей отвернулся Персей от горгон. Боится увидеть он их грозные лица: ведь один взгляд и в камень обратится он. Взял Персей щит Афины-Паллады – как в зеркале отразились в нем горгоны. Которая же из них Медуза?

Как падает с неба орел на намеченную жертву, так ринулся Персей к спящей Медузе. Он глядит в ясный щит, чтоб верней нанести удар…”

Вопрос: какое физическое явление использовал Персей, чтобы обезглавить Медузу? Нарисуйте возможный ход лучей.

Домашнее задание

Введение, п. 40 (Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев “Физика. 11”)