Tema de la lección:
LUZ COMO ONDA ELECTROMAGNÉTICA
El propósito de la lección: Generalizar conocimientos sobre el tema "Óptica geométrica y ondulatoria"; promover la conciencia de la naturaleza ondulatoria de la luz; continuar la formación de la capacidad de aplicar los conocimientos teóricos para explicar los fenómenos de la naturaleza; contribuir a la formación del interés por la física; promover el desarrollo de la autosuficiencia actividad cognitiva, enriquecimiento vocabulario terminología científica, para mostrar que la ciencia está estrechamente entrelazada con el arte.
Durante las clases
Las teorías sobre el origen y propagación de la luz comenzaron a existir en el siglo 17. La primera teoría fue corpuscular. Según sus posiciones, la luz es una corriente de partículas (corpúsculos) que se mueven de una fuente a otra. lados diferentes... La segunda teoría es la onda. La luz es una onda.
Los siguientes ejemplos se citaron como prueba de la teoría ondulatoria de la luz:
1. Los haces de luz cruzados no se afectan entre sí.
2. Si la luz es una corriente de partículas, ¿por qué no disminuye la masa de un objeto luminoso (el Sol)?
Como prueba de la teoría corpuscular de la luz, se describió la formación de una sombra: las partículas vuelan hacia un obstáculo y no lo atraviesan. Se forma una sombra.
A principios del siglo XX. Se comprobó que cuando se emite y se absorbe, la luz se comporta como una corriente de partículas, al propagarse como onda electromagnética.
Una onda de luz tiene las siguientes propiedades:
1.tasa de propagación del vacío
2. En un medio ópticamente homogéneo, la luz se propaga en línea recta. Las sombras y las penumbras se explican por la rectitud de la propagación de la luz.
3. El ángulo de incidencia del haz de luz es igual al ángulo de su reflexión. Los rayos incidente y reflejado, así como la perpendicular reconstruida en el punto de incidencia, se encuentran en el mismo plano. (La ley del reflejo de la luz).
4. Los rayos incidentes y refractados, así como la perpendicular a la interfaz entre los dos medios, reconstruidos en el punto de incidencia del rayo, se encuentran en el mismo plano. La relación entre el seno del ángulo de incidencia α y el seno del ángulo de refracción β es un valor constante para estos dos medios. El índice de refracción relativo se llama. (La ley de refracción de la luz).
5. Cuando el rayo pasa en un cierto ángulo a través de la interfaz entre los dos medios, se puede observar la descomposición de la luz blanca en componentes coloreados (en un espectro). Este fenómeno se llama varianza.
6. Dos ondas de luz puede sumar. En este caso, hay un aumento o una disminución de la oscilación resultante. El fenómeno se llama interferencia. La pantalla muestra una alternancia de franjas claras y oscuras. El fenómeno de la interferencia se descubrió en 1802. Las ondas deben ser coherentes, es decir, tienen la misma frecuencia y fase
Difracción
La difracción de la luz es el fenómeno de la desviación de la luz desde la dirección rectilínea de propagación al pasar cerca de obstáculos. Durante la difracción, las ondas de luz rodean los límites de los cuerpos opacos y pueden penetrar en la región de una sombra geométrica.
Construcción de viviendas: párrafos 58, 59.
Preparando para trabajo de prueba sobre el tema "Campo electromagnético". Repita los párrafos 42 a 59.
Gimnasio 144
abstracto
La velocidad de la luz.
Interferencia de luz.
Ondas estacionarias.
estudiante de grado 11
Korchagin Sergei
San Petersburgo 1997.
La luz es una onda electromagnética.
En el siglo XVII surgieron dos teorías de la luz: ondulatoria y corpuscular. La teoría corpuscular 1 fue propuesta por Newton y la teoría ondulatoria por Huygens. Según las ideas de Huygens, la luz son ondas que se propagan en un medio especial, el éter, que llena todo el espacio. Durante mucho tiempo, las dos teorías existieron en paralelo. Cuando una de las teorías no explicaba un determinado fenómeno, lo explicaba otra teoría. Por ejemplo, la propagación rectilínea de la luz, que conduce a la formación de sombras intensas, no podría explicarse sobre la base de la teoría ondulatoria. Sin embargo, en principios del XIX siglo, se descubrieron fenómenos como la difracción 2 y la interferencia 3, lo que dio lugar a pensamientos de que la teoría ondulatoria finalmente derrotó a la corpuscular. En la segunda mitad del siglo XIX, Maxwell demostró que la luz es un caso especial de ondas electromagnéticas. Estos trabajos sirvieron de base para la teoría electromagnética de la luz. Sin embargo, a principios del siglo XX, se descubrió que cuando se emite y se absorbe, la luz se comporta como una corriente de partículas.
La velocidad de la luz.
Hay varias formas de determinar la velocidad de la luz: métodos astronómicos y de laboratorio.
Por primera vez, el científico danés Roemer midió la velocidad de la luz en 1676 utilizando el método astronómico. Calculó el tiempo en que la mayor de las lunas de Júpiter, Io, estaba a la sombra de este enorme planeta. Roemer tomó medidas en el momento en que nuestro planeta estaba más cerca de Júpiter, y en el momento en que estábamos un poco (en términos astronómicos) más lejos de Júpiter. En el primer caso, el intervalo entre brotes fue de 48 horas y 28 minutos. En el segundo caso, el satélite llegó 22 minutos tarde. De esto se concluyó que la luz necesita 22 minutos para recorrer la distancia desde el lugar de la observación anterior hasta el lugar de la presente observación. Conociendo la distancia y el tiempo de retraso de Io, calculó la velocidad de la luz, que resultó ser enorme, unos 300.000 km / s 4.
Por primera vez la velocidad de la luz por el método de laboratorio fue medida por el físico francés Fizeau en 1849. Obtuvo el valor de la velocidad de la luz igual a 313.000 km / s.
Según datos modernos, la velocidad de la luz es 299,792,458 m / s ± 1,2 m / s.
Interferencia de luz.
Es difícil hacerse una idea de la interferencia de las ondas de luz. La razón de esto es que las ondas de luz emitidas por diferentes fuentes no coinciden entre sí. Deben tener las mismas longitudes de onda y una diferencia de fase constante en cualquier punto del espacio 5. La igualdad de longitudes de onda no es difícil de lograr utilizando filtros de luz. Pero es imposible lograr una diferencia de fase constante, debido al hecho de que los átomos de diferentes fuentes emiten luz independientemente unos de otros 6.
Sin embargo, se puede observar la interferencia de la luz. Por ejemplo, desbordamiento iridiscente de colores sobre una pompa de jabón o sobre una fina película de queroseno o aceite sobre agua. El científico inglés T. Jung fue el primero en tener la ingeniosa idea de que el color se explica por la adición de ondas, una de las cuales se refleja desde la superficie exterior y la otra desde la interior. En este caso, hay una interferencia de 7 ondas de luz. El resultado de la interferencia depende del ángulo de incidencia de la luz sobre la película, su espesor y longitud de onda.
Ondas estacionarias.
Se notó que si balancea un extremo de la cuerda a la frecuencia correcta (el otro extremo es fijo), entonces una onda continua correrá hacia el extremo fijo, que luego se reflejará con la pérdida de una media onda. La interferencia de las ondas incidente y reflejada dará como resultado una onda estacionaria que parecerá inmóvil. La estabilidad de esta ola satisface la condición:
L = nl / 2, l = u / n, L = nu / n,
Donde L es la longitud de la cuerda; n * 1,2,3, etc.; u es la velocidad de propagación de la onda, que depende de la tensión del cable.
Las ondas estacionarias se excitan en todos los cuerpos capaces de vibrar.
La formación de ondas estacionarias es un fenómeno resonante que ocurre en las frecuencias resonantes o naturales del cuerpo. Los puntos donde se suprime la interferencia se denominan nodos y los puntos donde se amplifica la interferencia se denominan antinodos.
Onda electromagnética de luz * …………………………………… ..2
La velocidad de la luz ………………………………………………………… 2
Interferencia de luz ……………………………………………… .3
Ondas estacionarias ……………………………………………………… 3
Física 11 (G.Ya. Myakishev B.B. Lukhovtsev)
Física 10 (N.M.Shakhmaev S.N.Shakhmaev)
Notas de apoyo y tareas de prueba(G.D.Luppov)
1 La palabra latina "corpúsculo" en la traducción al ruso significa "partícula".
2 Flexión ligera alrededor de obstáculos.
3 El fenómeno de amplificación o atenuación de la luz al superponer haces de luz.
4 El propio Remer recibió un valor de 215.000 km / s.
5 Las ondas que tienen la misma longitud y diferencia de fase constante se denominan coherentes.
6 Las únicas excepciones son las fuentes de luz cuántica * láseres.
7 La adición de dos ondas, como resultado de lo cual hay una amplificación o atenuación estable en el tiempo de las vibraciones de luz resultantes en diferentes puntos del espacio.
1. Leyes de refracción y reflexión de la luz. 2. Interferencia y su aplicación. 3. Difracción. 4. Dispersión. 5. Polarización. 6. Dualismo de ondas corpusculares.
Ligero- estas son ondas electromagnéticas en el rango de frecuencia 63 10 14 - 8 10 14 Hz, percibidas por el ojo humano, es decir, longitudes de onda en el rango 380 - 770 nm.
La luz tiene todas las propiedades de las ondas electromagnéticas: reflexión, refracción, interferencia, difracción, polarización. La luz puede ejercer presión sobre una sustancia, ser absorbida por el medio y provocar el fenómeno del efecto fotoeléctrico. Tiene una velocidad final de propagación en un vacío de 300.000 km / s, y en un medio la velocidad disminuye.
Más claramente, las propiedades ondulatorias de la luz se encuentran en los fenómenos de interferencia y difracción. ... Interferencia luz se denomina redistribución espacial del flujo luminoso cuando se superponen dos (o más) ondas de luz coherentes, como resultado de lo cual aparecen máximos en algunos lugares y mínimos de intensidad en otros (patrón de interferencia). La interferencia de la luz explica el color de las burbujas de jabón y las películas delgadas de aceite en el agua, aunque la solución de jabón y el aceite son incoloros. Las ondas de luz se reflejan parcialmente desde la superficie de la película delgada y pasan parcialmente hacia ella. La reflexión parcial de la onda ocurre nuevamente en el segundo límite de la película (Fig. 34). Las ondas de luz reflejadas por las dos superficies de la película delgada viajan en la misma dirección, pero viajan por caminos diferentes. Con una diferencia de trazo I, entero múltiplo de longitudes de onda l = 2 kλ / 2.
Cuando la diferencia de trayectoria es un múltiplo de un número impar de medias ondas l = (2 k+ 1) λ / 2, se observa un mínimo de interferencia. Cuando se satisface la condición máxima para una longitud de onda de luz, no se satisface para otras ondas. Por lo tanto, iluminado por luz blanca, un delgado color transparencias parece estar coloreado. El fenómeno de interferencia en películas delgadas se utiliza para controlar la calidad del tratamiento de superficies ópticas antirreflectantes. Cuando la luz atraviesa un pequeño agujero circular Se observan anillos alternos de luz y oscuridad en la pantalla alrededor del punto de luz central; si la luz pasa a través de una rendija estrecha, se obtiene un patrón de rayas alternas claras y oscuras.
El fenómeno de la desviación de la luz de la dirección rectilínea de propagación cuando pasa cerca del borde del obstáculo se llama difracción de la luz. La difracción se explica por el hecho de que las ondas de luz que llegan como resultado de la desviación de diferentes puntos del agujero a un punto de la pantalla interfieren entre sí. La difracción de luz se utiliza en instrumentos espectrales, en los que el elemento principal es una rejilla de difracción. Rejilla de difracción es una placa transparente con un sistema de franjas opacas paralelas aplicadas a distancias iguales entre sí. Deje que luz monocromática (de cierta longitud de onda) caiga sobre la rejilla (Fig. 35). Como resultado de la difracción en cada rendija, la luz se propaga no solo en la dirección original,
pero también en todas las demás direcciones. Si coloca una lente recolectora detrás de la rejilla, en la pantalla en el plano focal todos los rayos se recolectarán en una tira.
Los rayos paralelos que provienen de los bordes de las ranuras adyacentes tienen una diferencia de trayectoria l= D pecado φ, donde D - constante de celosía - la distancia entre los bordes correspondientes de las ranuras adyacentes, llamada período de celosía,(φ es el ángulo de deflexión de los rayos de luz desde la perpendicular al plano de la rejilla. Con una diferencia de trayectoria igual a un número entero de longitudes de onda D pecado φ = kλ, se observa un máximo de interferencia para una longitud de onda determinada. La condición del máximo de interferencia se cumple para cada longitud de onda en su propio valor del ángulo de difracción φ. Como resultado, al pasar a través de la rejilla de difracción, un haz de luz blanca se descompone en un espectro. El ángulo de difracción es más importante para la luz roja, ya que la longitud de onda de la luz roja es más larga que todas las demás en la región de luz visible. El ángulo de difracción más pequeño para la luz violeta.
La experiencia muestra que la intensidad del haz de luz que atraviesa algunos cristales, por ejemplo, el larguero islandés, depende de la orientación mutua de los dos cristales. Con la misma orientación del cristal, la luz pasa a través del segundo cristal sin atenuación.
Si el segundo cristal se gira 90 °, la luz no lo atraviesa. Ocurre el fenómeno polarización, es decir, el cristal transmite solo aquellas ondas en las que las oscilaciones del vector de intensidad campo eléctrico ocurren en un plano, el plano de polarización. El fenómeno de polarización prueba la naturaleza ondulatoria de la luz y la naturaleza transversal de las ondas luminosas.
Un estrecho rayo paralelo de luz blanca, al atravesar un prisma de vidrio, se descompone en rayos de luz de diferentes colores, mientras que los rayos violetas tienen la mayor desviación hacia la base del prisma. La descomposición de la luz blanca se explica por el hecho de que la luz blanca consiste en ondas electromagnéticas con diferentes longitudes de onda, y el índice de refracción de la luz depende de su longitud de onda. El índice de refracción está relacionado con la velocidad de la luz en el medio, por lo tanto, la velocidad de la luz en el medio depende de la longitud de onda. Este fenómeno se llama dispersión de la luz.
Basado en la coincidencia del valor medido experimentalmente de la velocidad de las ondas electromagnéticas, Maxwell sugirió que la luz - es una onda electromagnética. Esta hipótesis se ve confirmada por las propiedades que tiene la luz.
Una persona percibe la mayor parte de la información sobre el mundo que la rodea a través de los órganos de la visión. Pero los ojos mismos pueden ver solo un tipo de energía: electromagnética, e incluso en un rango de luz muy estrecho. Entonces, ¿qué es la luz? Cuales son las fuentes famosas radiación visible que usa una persona? ¿Cuál es la naturaleza dual de la luz? ¿Y cuáles son sus principales propiedades? Ahora averigüemos las respuestas a estas preguntas.
Luz como onda electromagnética
Se considera que la luz es una onda electromagnética que el ojo humano puede ver. Para ello, la longitud de esta onda no debe ir más allá de los límites de 380-400 nm a 760-780 nm. Después de 780 nm, comienza el rango infrarrojo, que una persona puede sentir como calor, y frente al espectro visible pasa Radiación ultravioleta... Algunos insectos y pájaros pueden verlo, y la piel humana puede reaccionar con un bronceado. Rango visible en sí radiación electromagnética dividido en segmentos, cada uno de los cuales es percibido por una persona como luz un cierto color... Por ejemplo, el violeta corresponde a una longitud de onda de 380-440 nm, el verde corresponde a 500-565 nm y el rojo corresponde a 625-740 nm. En total, se distinguen 7 colores primarios del espectro visible, se pueden observar mirando el arco iris. Pero la luz blanca es una mezcla de todos los colores del espectro.
Fuentes de luz
La fuente de luz es una sustancia calentada a cierta temperatura o excitada. La luz llega a la Tierra desde el Sol, otras estrellas, algunos planetas calientes, cometas y otros cuerpos celestes. En nuestro planeta, una fuente de luz puede ser un fuego: un fuego, la llama de una vela, una antorcha o lampara de aceite así como una sustancia calentada. El hombre también ha inventado fuentes artificiales de radiación visible, en particular, una lámpara incandescente, donde la luz es emitida por una bobina de tungsteno calentada por una corriente eléctrica, una lámpara luminiscente en la que se excita una capa de fósforo por una descarga eléctrica en un gas que llena un matraz. , una lámpara halógena, una lámpara de mercurio y otras se encienden.
Propiedades de luz
Reflexión
La radiación electromagnética visible se propaga en vacío y en medios transparentes homogéneos de manera rectilínea con un equivalente a unos 300.000 km / s. Además, la luz tiene muchas otras propiedades. Por ejemplo, la luz se refleja en superficies opacas, con un ángulo de incidencia igual al ángulo de reflexión. Como resultado, la luz reflejada por los objetos es percibida por el ojo y le permite ver estos objetos. También notamos que la Luna y algunos planetas no son fuentes de luz, pero los vemos porque estos cuerpos celestes reflejan la radiación del Sol.
Refracción
Al pasar entre dos medios con diferente densidad óptica, la luz puede refractarse. Por ejemplo, cuando un rayo pasa del aire al agua, debido a la diferente densidad óptica de estos medios, la velocidad y dirección del movimiento de la luz en ellos cambia. Por eso una cuchara en un vaso de agua parece un poco rota, y los guijarros en el fondo del lago parecen más cerca de lo que realmente están.
Interferencia y difracción
La naturaleza ondulatoria de la luz se manifiesta en propiedades como la interferencia y la difracción. La primera propiedad es la capacidad de varias ondas de sumarse a una onda resultante, cuyos parámetros en diferentes puntos aumentan o disminuyen notablemente. El resultado de la interferencia de la luz puede verse como un juego de rayas iridiscentes en pompas de jabón, manchas de aceite o alas de insectos. Y la difracción es la capacidad de una onda de luz para doblarse alrededor de un obstáculo y caer en el área de su sombra geométrica, por ejemplo, la dispersión de la luz en las gotas de agua en forma de nubes arcoíris.
Luz como una corriente de partículas
En este caso, la luz no solo tiene propiedades de onda, sino que en algunos casos se comporta como una corriente de partículas: fotones. En particular, las regularidades del fenómeno del efecto fotoeléctrico, cuando la luz que incide en una sustancia, extrae electrones de ella, solo se pueden explicar desde el punto de vista de la teoría corpuscular de la luz, que representa la radiación electromagnética en forma de una corriente de fotones. Sin embargo, la teoría de las ondas y los fotones de la luz no solo no se contradicen, sino que se complementan. En la comunidad científica se habla de la dualidad onda-partícula de la luz, que explica qué es la luz, revela sus propiedades como onda y como flujo de partículas.
Pasó bastante tiempo desde el descubrimiento de las oscilaciones electromagnéticas para comprender que la luz también es un conjunto de oscilaciones electromagnéticas, solo de muy alta frecuencia. No es casualidad que la velocidad de la luz sea igual a la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas y se caracterice por una constante c = 300.000 km / s.
El ojo es el principal órgano humano que percibe la luz. En este caso, el ojo percibe la longitud de onda de las vibraciones de luz como el color de los rayos de luz. En el curso de física de la escuela, se da una descripción del experimento clásico sobre la descomposición de la luz blanca: vale la pena dirigir un haz bastante estrecho de luz blanca (por ejemplo, luz solar) a un prisma de vidrio con una sección transversal triangular, ya que inmediatamente se estratifica en muchos rayos de luz que se cruzan suavemente entre sí color diferente... Este fenómeno se debe a grados variables refracción de ondas de luz de varias longitudes.
Además de la longitud de onda (o frecuencia), las vibraciones de la luz se caracterizan por su intensidad. De una serie de medidas de la intensidad de la radiación de la luz (brillo, flujo luminoso, iluminación, etc.) al describir los dispositivos de video, la más importante es la iluminación. Sin entrar en los entresijos de determinar las características de la luz, notamos que la iluminación se mide en lux y es una medida habitual para que podamos evaluar visualmente la visibilidad de los objetos. A continuación se muestran los niveles de luz típicos:
- Iluminación a 20 cm de una vela encendida 10-15 lux
- Iluminación de la habitación con lámparas incandescentes encendidas 100 lux
- Iluminación de oficinas con lámparas fluorescentes 300-500 lux
- Iluminación de lámparas halógenas de 750 lux
- Iluminación en brillante luz de sol 20000lux y superior
La luz se usa ampliamente en la tecnología de las comunicaciones. Baste señalar aplicaciones de la luz como la transmisión de información a través de líneas de comunicación de fibra óptica, el uso de salida óptica para señales de sonido digitalizadas en dispositivos electroacústicos modernos, el uso de consolas control remoto por un haz de luz infrarroja, etc.
La naturaleza electromagnética de la luz. La luz tiene propiedades ondulatorias y corpusculares. Esta propiedad de la luz se llama dualismo partícula-onda. Pero los científicos y físicos de la antigüedad no lo sabían e inicialmente consideraron que la luz era una onda elástica.
Luz - ondas en el aire Pero dado que se necesita un medio para la propagación de ondas elásticas, surgió una pregunta legítima, ¿en qué medio se propaga la luz? ¿Qué tipo de entorno hay en el camino del Sol a la Tierra? Los partidarios de la teoría ondulatoria de la luz han sugerido que todo el espacio del universo está lleno de algo invisible. medio elástico... Incluso se les ocurrió un nombre: éter luminífero. En ese momento, los científicos aún no sabían sobre la existencia de ondas que no fueran mecánicas. Tales opiniones sobre la naturaleza de la luz se expresaron alrededor del siglo XVII. Se creía que la luz se esparce precisamente en este éter luminífero.
Luz - onda cortante Pero esta suposición planteó una serie de cuestiones controvertidas. A finales del siglo XVIII, se demostró que la luz era una onda cortante. Y elástico ondas de corte puede surgir sólo en sólidos, por lo tanto, el éter luminífero es cuerpo solido... Esto provocó un fuerte dolor de cabeza a los científicos de la época. Cómo los cuerpos celestes pueden moverse a través del éter luminífero sólido sin experimentar ninguna resistencia.
La luz es una onda electromagnética. En la segunda mitad del siglo XIX, Maxwell demostró teóricamente la existencia de ondas electromagnéticas que pueden propagarse incluso en el vacío. Y sugirió que la luz también es una onda electromagnética. Entonces se confirmó esta suposición. Pero también era relevante la idea de que en algunos casos la luz se comporta como una corriente de partículas. La teoría de Maxwell contradecía algunos hechos experimentales. Pero, en 1990, el físico Max Planck planteó la hipótesis de que los átomos emiten energía electromagnética en porciones separadas - cuantos. Y en 1905, Albert Einstein propuso la idea de que las ondas electromagnéticas con cierta frecuencia pueden considerarse como un flujo de cuantos de radiación con energía E = p * ν. Actualmente, un cuanto de radiación electromagnética se llama fotón. El fotón no tiene masa ni carga y siempre se propaga a la velocidad de la luz. Es decir, cuando se emite y absorbe, la luz exhibe propiedades corpusculares, y cuando se mueve en el espacio, exhibe propiedades ondulatorias.