Тема урока:
СВЕТ КАК ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА
Цель урока : Обобщить знания по теме «Геометрическая и волновая оптика»; способствовать осознанию волновой природы света; продолжить формирование умения применять теоретические знания для объяснения явлений природы; способствовать формированию интереса к физике; способствовать развитию самостоятельной познавательной активности, обогащению словарного запаса научной терминологией, показать, что наука тесно переплетается с искусством.
Ход урока
Теории возникновения и распространения света начали свое существование в 17 в.Первая теория- корпускулярная. Согласно её положениям свет- это поток частиц (корпускул), которые движутся от источника в разные стороны. Вторая теория- волновая. Свет- это волна.
В качестве доказательства волновой теории света приводились следующие примеры:
1. Пересекающиеся световые лучи не влияют друг на друга.
2. Если свет- это поток частиц, почему масса светящегося объекта (Солнца) не уменьшается?
В качестве доказательства корпускулярной теории света описывалось образование тени: частицы долетают до преграды и не проходят сквозь нее. Образуется тень.
В начале 20 в. было доказано, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц, при распространении как электромагнитная волна.
Световая волна обладает следующими свойствами:
1.Скорость распространения в вакууме
2. В оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Прямолинейностью распространения света объясняются тени и полутени.
3. Угол падения светового луча равен углу его отражения. Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. (Закон отражения света).
4. Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред. Называется относительный показатель преломления. (Закон преломления света).
5. При прохождении луча под некоторым углом через границу раздела двух сред может наблюдаться разложение белого света на цветные компоненты (в спектр). Это явление называется дисперсией.
6. Две световые волны могут сложиться. При этом наблюдается усиление или ослабление результирующего колебания. Явление называется интерференцией. На экране видно чередование светлых и темных полос. Явление интерференции открыто в 1802 г. Волны должны быть когерентными, т.е. иметь одинаковую частоту и фазу
Дифракция
Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. При дифракции световые волны огибают границы непрозрачных тел и могут проникать в область геометрической тени.
Домашнее здание: параграфы 58, 59.
Подготовка к контрольной работе по теме «Электромагнитное поле». Повторить параграфы 42-59
Гимназия 144
Реферат
Скорость света.
Интерференция света.
Стоячие волны.
ученика 11 а класса
Корчагина Сергея
Санкт-Петербург 1997.
Свет – электромагнитная волна.
В XVII веке возникло две теории света: волновая и корпускулярная. Корпускулярную 1 теорию предложил Ньютон, а волновую – Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет – волны, распространяющиеся в особой среде – эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Когда одна из теорий не объясняла какого-то явления, то оно объяснялось другой теорией. Например, прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории. Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция 2 и интерференция 3 , что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет – частный случай электромагнитных волн. Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.
Скорость света.
Существует несколько способов определения скорости света: астрономический и лабораторные методы.
Впервые скорость света измерил датский ученый Ремер в 1676 г., используя астрономический метод. Он засекал время которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты. Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного (по астрономическим понятиям) дальше от Юпитера. В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения. Зная расстояние и время запаздывания Ио он вычислил скорость света, которая оказалась огромной, примерно 300 000 км/с 4 .
Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Физо в 1849 г. Он получил значение скорости света равное 313 000 км/с.
По современным данным, скорость света равна 299 792 458 м/с ±1.2 м/с.
Интерференция света.
Получить картину интерференции световых волн достаточно трудно. Причина этого в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства 5 . Равенства длин волн достичь нетрудно, используя светофильтры. Но осуществить постоянную разность фаз невозможно, из-за того, что атомы разных источников излучают свет независимо друг от друга 6 .
Тем не менее интерференцию света удается наблюдать. Например, радужный перелив цветов на мыльном пузыре или на тонкой пленке керосина или нефти на воде. Английский ученый Т.Юнг первым пришел к гениальной мысли, что цвет объясняется сложением волн, одна из которых отражается от наружней поверхности, а другая ѕ от внутренней. При этом происходит интерференция 7 световых волн. Результат интерференции зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны.
Стоячие волны.
Было замечено, что если раскачивать один конец веревки с правильно подобранной частотой (другой ее конец закреплен), то к закрепленному концу побежит непрерывная волна, которая затем отразится с потерей полуволны. Интерференция падающей и отраженной волны приведет к возникновению стоячей волны, которая будет выглядеть неподвижно. Устойчивость этой волны удовлетворякт условию:
L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,
Где L ѕ длина веревки; n ѕ 1,2,3 и т.д.; u ѕ скорость рапространения волны, которая зависит от натяжения веревки.
Стоячие волны возбуждаются во всех телах способных совершать колебания.
Образование стоячих волн является резонансным явлением, которое происходит на резонансных или собственных частотах тела. Точки, где интерференция гасится, называют узлами, а точки, где интерференция усиливается, ѕ пучностями.
Свет ѕ электромагнитная волна……………………………………..2
Скорость света…………………………………………………………2
Интерференция света………………………………………………….3
Стоячие волны…………………………………………………………3
Физика 11 (Г.Я.Мякишев Б.Б.Ьуховцев)
Физика 10 (Н.М.Шахмаев С.Н.Шахмаев)
Опорные конспекты и тестовые задания (Г.Д.Луппов)
1 Латинское слово “корпускула” в переводе на русский язык означает “частица”.
2 Огибание светом препятствий.
3 Явление усиления или ослабления света при наложении световых пучков.
4 Сам Ремер получил значение 215 000 км/с.
5 Волны, имеющие одинаковые длины и постоянную разность фаз называются когерентными.
6 Исключением являются лишь квантовые источники света ѕ лазеры.
7 Сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства.
1. Законы преломления и отражения света. 2. Интерференция и ее применение. 3. Дифракция. 4. Дисперсия. 5. Поляризация. 6. Корпускулярно-волновой дуализм.
Свет - это электромагнитные волны в интервале частот 63 10 14 - 8 10 14 Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 - 770 нм.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны (рис. 34). Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода I, кратной целому числу длин волн l = 2 k λ/2.
При разности хода, кратной нечетному числу полуволн l = (2 k + 1) λ/2, наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики. При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом в которых является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга. Пусть на решетку (рис. 35) падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении,
но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.
Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода l = d sin φ, где d - постоянная решетки - расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки, (φ - угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При разности хода, равной целому числу длин волн d sin φ = k λ, наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны. Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла φ. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.
Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, например, исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.
Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит. Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости, плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета. Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны. Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.
На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет - это электромагнитная волна. Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет.
Большую часть информации об окружающем мире человек воспринимает через органы зрения. Но сами глаза способны видеть лишь один вид энергии - электромагнитную, да и то в очень узком световом диапазоне. Так что такое свет? Какие известные источники видимого излучения использует человек? В чем заключается двойственная природа света? И каковы его основные свойства? Сейчас выясним ответы на эти вопросы.
Свет как электромагнитная волна
Светом считают электромагнитную волну, которую способен видеть глаз человека. Для этого длина этой волны не должна выходить за границы от 380-400 нм до 760-780 нм. После 780 нм начинается инфракрасный диапазон, который человек может ощущать, как тепло, а перед видимым спектром идет ультрафиолетовое излучение. Его способны видеть некоторые насекомые и птицы, а кожа человека может отреагировать на него загаром. Сам видимый диапазон электромагнитного излучения разделен на отрезки, каждый из которых человек воспринимает как свет определенного цвета. К примеру, фиолетовый соответствует длине волны 380-440 нм, зеленый - 500-565 нм, а красный - 625-740 нм. Всего выделяют 7 основных цветов видимого спектра, их можно наблюдать, глядя на радугу. А вот белый свет - это смешение всех цветов спектра.
Источники света
Источником света является нагретое до определенной температуры или возбужденное вещество. На Землю свет поступает с Солнца, других звезд, некоторых разогретых планет, комет и иных небесных тел. На нашей планете источником света может быть огонь - костер, пламя свечи, факела или масляной лампы, а также разогретое вещество. Человек изобрел и искусственные источники видимого излучения, в частности, лампу накаливания, где свет излучает разогретая электротоком вольфрамовая спираль, люминесцентную лампу, в которой светится слой люминофора, возбужденный электроразрядом в наполняющем колбу газе, галогенную лампу, ртутную и другие.
Свойства света
Отражение
Видимое электромагнитное излучение распространяется в вакууме и однородных прозрачных средах прямолинейно со , равной примерно 300 000 км/с. При этом свет имеет множество иных свойств. Например, свет отражается от непрозрачных поверхностей, причем угол падения равен углу отражения. В результате отраженный от предметов свет воспринимается глазом и позволяет видеть эти предметы. Также заметим, что Луна и некоторые планеты - не источники света, а видим их мы потому, что эти небесные тела отражают излучение Солнца.
Преломление
При переходе между двумя средами с разной оптической плотностью свет способен преломляться. Скажем, когда луч переходит из воздуха в воду, из-за разной оптической плотности этих сред меняется скорость и направление движения в них света. Именно поэтому ложка в стакане воды кажется немного переломанной, а камешки на дне озера представляются ближе, чем на самом деле.
Интерференция и дифракция
Волновая природа света проявляется в таких его свойствах, как интерференция и дифракция. Первое свойство заключается в способности нескольких волн складываться в результирующую волну, параметры которой в разных точках заметно усиливаются или ослабевают. Результат интерференции света можно наблюдать в виде игры радужных разводов на мыльных пузырях, масляных пятнах или крыльях насекомых. А дифракция - это способность волны света огибать препятствие и попадать в область его геометрической тени, например, рассеивание света на капельках воды в виде радужных облаков.
Свет как поток частиц
При этом свет имеет не только волновые свойства, а в некоторых случаях ведет себя как поток частиц - фотонов. В частности, закономерности явления фотоэффекта, когда падающий на вещество свет вырывает из него электроны, можно объяснить лишь с точки зрения корпускулярной теории света, представляющей электромагнитное излучение в виде потока фотонов. Однако волновая и фотонная теории света не только не противоречат друг другу, а взаимно дополняют. В научной среде говорят о корпускулярно-волновой двойственности света, которая объясняет, что такое свет, выявляет его свойства как волны и как потока частиц.
Совсем немного времени с момента открытия электромагнитных колебаний понадобилось на понимание того, что свет также является совокупностью электромаг-нитных колебаний — только очень высокочастотных. Не-случайно скорость света равна скорости распространения электромагнитных волн и характеризуется константой с = 300 ООО км/с.
Глаз — основной орган человека, воспринимающий свет. При этом длина волны световых колебаний воспри-нимается глазом как цвет световых лучей. В школьном курсе физики приводится описание классического опыта по разложению белого света — стоит достаточно узкий луч белого (например, солнечного) света направить на стек-лянную призму с треугольным сечением, как он тут же расслоится на множество плавно переходящих друг в друга световых пучков разного цвета. Это явление обусловлено различной степенью преломления световых волн различ-ной длины.
Помимо длины волны (или частоты), световые коле-бания характеризуются интенсивностью. Из ряда мер интенсивности светового излучения (яркость, световой поток, освещенность и др.) при описании видеоустройств наиболее важной является освещенность. Не вдаваясь в тонкости определения световых характеристик, отметим, что освещенность измеряется в люксах и является привыч-ной для нас мерой визуальной оценки видимости объек-тов. Ниже представлены типовые уровни освещенности:
- Освещенность в 20 см от горящей свечи 10—15 люкс
- Освещенность комнаты при горящих лампах накаливания 100 люкс
- Освещенность офиса с люминесцентными лампами 300-500 люкс
- Освещенность, создаваемая галогенными лампами 750 люкс
- Освещенность при ярком солнечном свете 20000люкс и выше
Свет широко используется в технике связи. Достаточ-но отметить такие применения света, как передача инфор-мации по световолоконным линиям связи, применение в современных электроакустических устройствах оптичес-кого выхода для оцифрованных звуковых сигналов, при-менение пультов дистанционного управления по лучу инфракрасного света и др.
Электромагнитная природа света Свет обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными свойствами. Такое свойство света называет корпускулярно-волновой дуализм. Но ученые и физики древности не знали об этом, и изначально считали свет упругой волной.
Свет - волны в эфире Но так как для распространения упругих волн нужна среда, то возникал правомерный вопрос, в какой же среде распространяется свет? Какая среда находится на пути от Солнца к Земле? Сторонники волновой теории света предположили что всё пространство во вселенной заполнено некоторой невидимой упругой средой. Они даже придумали ей название - светоносный эфир. В то время, ученые еще не знали о существовании каких либо волн, кроме механических. Такие взгляды на природу света высказывались примерно в 17 веке. Считалось, что свет распространяется именно в этом светоносном эфире.
Свет - поперечная волна Но такое предположение вызывало ряд противоречивых вопросов. К концу 18 века было доказано, что свет является поперечной волной. А упругие поперечные волны могут возникать только в твердых телах, следовательно, светоносный эфир является твердым телом. Это вызывало сильную головную боль у ученых того времени. Как небесные тела могут двигаться сквозь твердый светоносный эфир, и при этом не испытывать никакого сопротивления.
Свет - электромагнитная волна Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме. И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. Потом это предположение подтвердилось. Но актуально также было представление о том, что в некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц. Теория Максвелла противоречила некоторым экспериментальным фактам. Но, в 1990 году, физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями - квантами. А в 1905 г. Альберт Эйнштейн выдвинул идею, о том, что электромагнитные волны с некоторой частотой можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=р*ν. В настоящее время квант электромагнитного излучения называют фотоном. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света. То есть при излучении и поглощении свет проявляет корпускулярные свойства, а при перемещении в пространстве волновые.