Волновые свойства света

Содержание.

1. Введение.                                                                                              Стр. 2-4.
2. Скорость света.                                                                                    Стр. 4-5.
1. В Вакууме (пустоте).                                                                                 Стр. 5.
2. В прозрачной среде.                                                                                 Стр. 5.
3. Волновые свойства света.                                                                  Стр. 5-12.
1. Дисперсия.                                                                                                   Стр. 5-9.
2. Интерференция.                                                                                         Стр. 9-10.
3. Дифракция, Опыт Юнга.                                                                           Стр. 10-12.
4. Дуализм света.                                                                                      Стр. 12-16.
5. Заключение.                                                                                           Стр. 16-17.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Введение

Первые представления  древних ученых о том, что такое  свет, были весьма наивны. Существовало несколько точек зрения. Одни считали, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления  возникают при ощупывании ими  предметов. Эта точка зрения имела  большое число последователей, среди  которых был Эвклид, Птолемей и  многие другие ученые и философы. Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются  светящимся телом и, достигая человеческого  глаза, несут на себе отпечаток светящегося  предмета. Такой точки зрения придерживались Лукреций, Демокрит.

В это же время  Эвклидом был сформулирован закон  прямолинейного распространения света. Он писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”.

Однако позже, уже  в средние века, такое представление  о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих  этим взглядам. И к началу XVII в. эти  точки зрения можно считать уже  забытыми.

В 17 веке почти одновременно возникли и начали развиваться две  совершенно разные теории о том, что  такое свет и какова его природа.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая - с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался  так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет - это  поток частиц, идущих от источника  во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представлениям Гюйгенса, свет - это поток волн, распространяющихся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющем все пространство и  проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял  большинство ученых отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в  то время из опыта законы распространения  света более или менее успешно  объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться.

Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного  влияния.

Однако прямолинейное  распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. При корпускулярной же теории прямолинейное распространение  света является просто следствием закона инерции.

Такое неопределенное положение относительно природы  света сохранялось до начала XIX века, когда были открыты явления дифракции  света (огибания светом препятствий) и  интерференция света (усиление или  ослабление освещенности при наложении  световых пучков друг на друга). Эти  явления присуще исключительно  волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и  полную победу.

Такая уверенность  особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века показал, что  свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что  при распространении свет ведет  себя как волна, не осталось.

Однако в нале XIX века представления о природе  света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая  корпускулярная теория все же имеет  отношение к действительности.

При излучении и  поглощении свет ведет себя подобно  потоку частиц.

Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная  ситуация: явления интерференции  и дифракции по-прежнему можно  объяснить, считая свет волной, а явления  излучения и поглощения - считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света  в 30-х годах XX века удалось непротиворечивым образом объединить в новой выдающейся физической теории - квантовой электродинамике

2. Скорость света.

Скорость света — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

1. В вакууме (пустоте).

 Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Для решения задач, в основном, используют значение 300 000 000 м/с.

2. В прозрачной среде.

Скорость света  в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает  частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно двигается со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча так же способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

3. Волновые свойства света.
1. Дисперсия.

     Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то что, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим и первый «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не »(слова из надписи на могиле Ньютона) Основной опыт Ньютона был гениально прост. Ньютон догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемненную комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов. Следуя многовековой традиции, согласно которой радуга считалась состоящей из семи основных цветов, Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

     Закрывая  отверстие красным стеклом, Ньютон наблюдал на стене только красное  пятно, закрывая синим-синее и т.д. Отсюда следовало, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет цвета, а лишь разлагает  его на составные части. Белый  свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных  цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. В самом деле, если с помощью  второй призмы, повернутой на 180 градусов относительно первой. Собрать все  пучки спектра, то опять получится  белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зеленую, и  заставив свет пройти еще через одну призму, мы уже не получим дальнейшего  изменения окраски.

     Другой  важный вывод, к которому пришел Ньютон, был сформулирован им в трактате по «Оптике» следующим образом: «  Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости»  Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других – красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета носит название дисперсии (от латинского слова Dispergo-разбрасываю).

      В дальнейшем Ньютон  усовершенствовал свои наблюдения  спектра, чтобы получить более  чистые цвета. Ведь круглые  цветные пятна светового пучка,  прошедшего через призму, частично  перекрывали друг друга. Вместо  круглого отверстия использовалась  узкая щель (А), освещенная ярким  источником. За щелью располагалась  линза (B), дающая на экране (D) изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (C), то изображение щели растянется в спектр, окрашенную полоску, переходы цветов, в которой от красного к фиолетовому подобны наблюдаемым в радуге. Опыт Ньютона изображен на рис.1.

Рис.1

Рис.1. 

                                    

Если прикрыть щель цветным стеклом, т.е. если направлять на призму вместо белого света цветной, изображение щели сведется к цветному прямоугольнику, располагающему на соответствующем месте спектра, т.е. в зависимости от цвета свет будет отклоняться на различные углы от первоначального изображения . Описанное наблюдения показывает, что лучи разного цвета различно преломляются призмой.

     Это важное заключение Ньютон проверил многими  опытами. Важнейший из них состоял  в определении и показателя преломления  лучей различного цвета, выделенных из спектра. Для этой цели в экране, на котором получается спектр, прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой способ выделения однородных лучей более совершенен, чем выделение при помощи цветного стекла. Опыты обнаружили, что такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивает полоску. Такому пучку соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка.

     Таким образом, в основных опытах Ньютона  заключались два важных открытия:

     1.Свет  различного цвета характеризуется  различными показателями преломления  в данном веществе (дисперсия).

     2. Белый цвет есть совокупность  простых цветов.