Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ
РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА

Уже в XVII веке возникли две, казалось бы, взаимоисключающие теории света: корпускулярная и волновая.

Корпускулярная теория, в которой свет моделируется потоком частиц, хорошо объясняет прямолинейное распространение, отражение, преломление, но не в состоянии объяснить явления интерференции и дифракции света.

Волновая теория объясняет интерференционные и дифракционные явления, но встречает трудности при объяснении прямолинейного распространения света.

В XIX веке Максвеллом, Герцем и другими исследователями доказано, что свет - это электромагнитная волна. Однако, в начале XX века было установлено, что при взаимодействии с веществом свет проявляет себя как поток частиц.

Таким образом, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: при интерференции и дифракции проявляются, главным образом, волновые свойства света, а при излучении и поглощении - корпускулярные.

ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА.

Опыт показывает, что при падении света на границу раздела двух прозрачных сред свет частично отражается и частично преломляется.

Закон отражения

Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; угол отражения равен углу падения.

ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА

Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой:

Если свет переходит в прозрачную среду из вакуума, то относительный показатель преломления называется абсолютным.

Абсолютный показатель преломления вакуума, очевидно, равен n вак = 1. Измерения показали, что n воз = 1,00029, то есть почти такой же, как вакуума.

Физический смысл относительного показателя преломления заключается в том, что он равен отношению скоростей света в граничащих средах (экспериментальный факт):

Отсюда следует, что

ЛИНЗЫ

1. Линза прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.

Главная оптическая ось линзы - прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей.

Оптический центр линзы - точка, проходя через которую лучи не преломляются.

Фокус линзы - точка, в которой пересекаются вышедшие из линзы лучи светового пучка, падающего на линзу параллельно главной оптической оси.

В фокусе собирающей линзы пересекаются реальные лучи, поэтому он называется действительным, в фокусе рассеивающей линзы пересекаются не сами лучи, а их мнимые продолжения, поэтому он называется мнимым.

2.Формула тонкой линзы

где D - оптическая сила (измеряется в диоптриях), F - фокусное расстояние линзы, d и f - расстояния от оптического центра линзы до предмета и изображения соответственно.

Правила знаков:

Фокусное расстояние F собирающей линзы положительно, рассеивающей - отрицательно.

Если предмет действительный, то расстояние до него d положительно, если мнимый - отрицательно.

Если изображение действительное, то расстояние до него f положительно, если мнимое - отрицательно.

ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА

Дифракционная решетка - экран с параллельными щелями равной ширины, разделенными одинаковыми непрозрачными промежутками. Период решетки d - расстояние между серединами соседних щелей.

Если дифракционную решетку осветить пучком монохроматического света, то на расположенном в фокальной плоскости линзы экране возникает дифракционная картина: центральный максимум нулевого порядка и симметричные относительно него максимумы ±1, ±2,... порядков.

Направления на максимумы дифракционной картины от решетки даются условием:

Так как при любом k , за исключением k = 0, угол зависит от длины волны, то при освещении дифракционной решетки белым светом наблюдается белый центральный максимум и спектры ±1, ±2,... порядков.

Дифракционные спектры тем шире, чем меньше период решетки, и тем качественнее, чем больше щелей содержит решетка.

Пример. Определите положение изображения предмета, находящегося на расстоянии 15 см от собирающей линзы с оптической силой 5 дптр.

Фокусное расстояние линзы F = 1/D = 1/5 = 0,2 м больше, чем расстояние d от предмета до линзы, поэтому линза дает мнимое, увеличенное и прямое изображение действительного предмета. Из формулы тонкой линзы:

Знак "-" перед обусловлен тем, что изображение мнимое. Отсюда

Ответ: предмет расположен на расстоянии 8,6 см от линзы.

Задачи и тесты по теме "Тема 11. "Оптика. Световые волны"."

• Поперечные и продольные волны. Длина волны

  Уроков: 3 Заданий: 9 Тестов: 1

• Звуковые волны. Скорость звука - Механические колебания и волны. Звук 9 класс

  Уроков: 2 Заданий: 10 Тестов: 1

• - Световые явления 8 класс

  При выполнении задач обратите внимание на тему Алгебры "Тригонометрические функции и их преобразования" и "Производная".

  Повторите тему "Движение тела по окружности" (Повторить понятия "период", "частота", "угловая скорость").

  Вспомните, пожалуйста, доказательства равенства и подобия треугольников из курса Геометрии для решения задач по геометрической оптики.

  Для решения задач по оптике необходим рисунок. Пожалуйста, при построении пользуйтесь линейкой, потому что неточный чертеж может исказить саму задачу. Точность и аккуратность построения поможет Вам найти правильный ход решения задачи.

Одно из развлечений наших ученых, о которых я упомянул в прошлой колонке про плоский мир , это игры в копускулярно-волновой дуализм. А говоря по-русски, в попытку определить, чем является свет — потоком частиц или электромагнитной волной.

В отличие от населения плоского мира наши ученые уж точно знают, что наш мир — объемный, трехмерный. А вот чем является свет — не знают. До сих пор не знают.

Когда то, несколько сот лет назад, ученые поставили эксперименты которые убедительно доказали, что свет является волной. Потом ученые также убедительно доказали, что свет является потоком частиц. Потом, когда и то и другое было доказано, ученые решили, что свет является и потоком частиц и волной одновременно, то есть, как они говорят «обладает корпускулярно-волновы дуализмом».

Странно! Но куда деваться если доказано и то и другое.

Но, между нами, ученые до сих пор сами не могут понять, что такое этот корпускулярно волновой дуализм, и потому тайком продолжают ставить опыты и дальше, чтобы разобраться, чем же все-таки на самом деле является свет, волной или частицами. И чем больше эксперментов ставится, тем больше странностей возникает, и выясняется, что свет помимо двойственной природы обладает еще кучей чудесных качеств: интеллектом, органами чувств, способностью помнить прошлое и предвидеть будущее…

Впрочем по порядку.

В начале 19 века ученый Юнг придумал гениальный эксперимент, который сейчас проходят в школе. Если на пути водной волны поставить преграду и сделать в ней две щели, то каждая щель сама станет источником волны. Волны, исходящие из этих двух щелей, будут взаимодействовать между собой и дадут интрерференцию — причудливую картину из пиков и провалов, как на рисунке.

Если на пути светового пучка поставить две щели рассуждал Юнг, то сразу станет ясно, волна свет или частицы. Если частицы, то они просто пролетят через щели, и на противоположной стене дадут две полоски. Если же волна, то щели сами станут источниками световых волн, то на противоположной стене будет много полосок — результат интерференции.

Опыт был поставлен — получилась интерференция. Волновая природа света была доказана. А потом в другом опыте так же убедительно было доказано, что свет — это поток частиц фотонов.

В наши дни ученые решили повторить опыт Юнга, но на новом научном уровне. Появилась техническая возможность направить на щели не сплошной поток, а выпускать только по одной частице.

Вытустим одну частичку, потом еще одну, потом еще, — рассуждали ученые. Поскольу частички одиночные то они не смогут друг с другом взаимодействовать и дать интерференцию. А значит, мы увидим на противоположной стене не интерференционную картину, а только две полоски.

Не фига! После эксперимента ученые зафиксировали все ту же интерференцию. Оказалось, что каждая частица пролетая через щели взаимодействовала и теми частицами, что уже пролетели через щель раньше и с теми, которым еще предстяло пролететь.

То есть каждая частица каким-то образом знала о прошлом и предвидела будущее.

Но самое веселое получилось, когда ученые решили сделать совсем точный замер, чтобы проверить, каким образом возникает этот феномен. Они решили посмотреть, через какую конкретно из щелей будет пролетать каждая частичка, направили на каждую щель индикатор и повторили эксперимент.

Интерференционная картина пропала. На противоположной стене просто появиились две полоски. Одного факта подсматривания оказалось достаточно, чтобы свет из волны превратился в поток частиц. Каким то, непостижимым образом он узнал, что за ним подсматривают, застеснялся и сменил свою природу.

Международная команда физиков из Университета Гуанчжоу в Китае и Института Вейцмана в Израиле, работающая во главе с Ульфом Леонхардтом (Ulf Leonhardt) впервые продемонстрировала толкающее давление света на жидкость. Результаты исследования и выводы из своей работы учёные изложили в статье , опубликованной в издании New Journal of Physics.

Дискуссия о природе давления или, как его ещё называют физики, импульса света, восходит к 1908 году. Тогда знаменитый немецкий учёный Герман Минковский выдвинул гипотезу о том, что свет воздействует на жидкости, такие как масло или вода, притягивая их на себя. Однако в 1909 году физик Макс Абрахам (Max Abraham) опроверг эту гипотезу и теоретически доказал, что свет оказывает толкающее давление на жидкости.

"Учёные спорили на протяжении столетия о природе импульса света и его воздействия на среду. Мы обнаружили, что импульс света не является основной физической величиной, но она проявляется во взаимодействии между светом и материей и зависит от способности света деформировать материю.

Если среда движется под воздействием пучка излучения, то прав Минковский, и свет оказывает тянущее давление. Если же среда неподвижна, то прав Абрахам, и свет оказывает толкающее давление на жидкости", — рассказывает Леонхардт.

Два различных типа давления могут быть идентифицированы экспериментально, путём освещения поверхности жидкости световым лучом. Необходимо только проследить за тем, как ведёт себя жидкость — поднимается или опускается. В первом случае окажется, что свет тянет жидкую среду на себя, а во втором — наоборот. Добавим, что обе теории согласуются в пустом пространстве (когда показатель преломления среды эквивалентен единице), но расходятся в том случае, если показатель преломления больше 1.

В своём эксперименте Леонхардт и его коллеги продемонстрировали, что поверхность жидкости можно заставить изогнуться внутрь, что будет соответствовать толкающему давлению света, и сделать это при помощи относительно широкого пучка излучения в относительно крупном контейнере. Эти два фактора заставляют свет формировать структуру потока в жидкости.

Исследователи показали, что толкающее давление света проявляется как в воде, так и в масле, которые имеют различные показатели преломления. Таким образом им удалось подтвердить теорию Абрахама.

Авторы нового исследования отмечают, что в предыдущих экспериментах их коллеги доказывали лишь правоту Минковского, демонстрируя тянущее давление света. Однако, по их словам, прежде учёные использовали более узкие световые лучи и небольшие контейнеры с жидкостью.

Леонхардт и его команда решили повторить свой эксперимент и, как только они использовали узкий луч и малый контейнер, проявилось тянущее давление света. Это означает, что характер давления зависит не только от света, но и от самой жидкости, поясняют исследователи.

Чтобы понять природу импульса света, Леонхардт предлагает провести аналогию с игрой в бильярд. По его словам, импульс света несколько отличается от него по энергии, и это различие имеет важные аспекты.

"Представьте себе игру в бильярд. Игрок берёт кий и ударяет по белому шару, который, в свою очередь, должен толкнуть шар цветной, а он может толкнуть ещё несколько шаров. Во всей этой цепочке толкающих движений передаётся импульс, изначально сообщённый игроком кию.

Свет также может толкать материю, хотя эти толчки будут микроскопическими, почти незаметными. В некоторых случаях, впрочем, толчки света могут быть очень значительными для среды. К примеру, вспомним хвосты комет.

Великий астроном Иоганн Кеплер предположил сотни лет назад, что хвост кометы — это материя, вытолкнутая с поверхности её ядра светом, поскольку он смотрит всегда в противоположную сторону от Солнца. Сегодня мы знаем, что Кеплер был отчасти прав, так как материя сталкивается солнечным ветром с ядра кометы и формируется хвост.

Так вот, импульсом мы называем способность света приводить материю в движение, и это понятие действительно тесно связано с энергией света, хотя и отличается от него", — поясняет Леонхардт.

Результаты данного исследования имеют как фундаментальное, так и практическое значение для науки. С точки зрения фундаментальных теорий, физики теперь лучше будут понимать природу света. Леонхардт и его коллеги ответили на вопрос о том, увеличивается или уменьшается импульс света с увеличением показателя преломления среды: результат зависит от способности свет привести в механическое движение жидкость, и если пучок света на это способен, то импульс уменьшается, а если нет — то увеличивается.

Что же касается практического значения нового исследования, то оно может пригодиться в развитии инновационной технологии инерциально удерживаемого термоядерного синтеза, которая подразумевает использование силы светового импульса для инициации ядерного синтеза.

Последняя работа также повлияет на оптические технологии в целом, в том числе и на развитие и .

На протяжении всей жизни нас окружают удивительные вещи, предметы, места. Мы видим их, но вовсе не потому, что они существуют, а благодаря свету.


Если бы не свет, то у живых существ не было бы зрения как инструмента, и нам пришлось бы довольствоваться другими органами чувств. Как кроты, проживающие под землей, довольствуются слухом. Что же представляет собой свет? Что это за понятие с точки зрения физики и какое значение он имеет для жизни на Земле?

Что такое свет?

Тайну света люди пытались раскрыть в течение многих столетий, однако приблизиться к разгадке удалось только в XVIII веке. Сначала датский физик Ганс Эрстеда выяснил, что электроток способен оказывать влияние на стрелку в магнитном компасе, а затем британский математик Джеймс Максвелл сумел доказать, что магнитные и электрические поля существуют в виде волн, распространяющихся со скоростью света.

Из этого ученые дали определение света как формы электромагнитного излучения, которое воспринимается глазом человека.

Какова природа света?

Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами.


По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн, при этом возникающие в природе оптические эффекты становятся результатом сложения данных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.

Какие характеристики имеет свет?

Как и любое природное явление, свет обладает множеством уникальных характеристик, среди которых одной из важнейших является цвет. Электромагнитное излучение, воспринимаемое нашим глазом, различается по диапазону длин и частоте волны, что, в свою очередь, влияет на световой спектральный состав. К примеру, фиолетовый цвет видится при длине волн 380–440 нм и частоте 790–680 ТГц, а желтый – при показателях 565–590 нм и 530–510 ТГц.

Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляться и отражаться. Преломление света представляет собой изменение направления электромагнитных волн. В нашей обыденной жизни такое явление встречается повсеместно. Например, если посмотреть на стакан чая, в котором находится ложка, можно заметить, что на границе воздуха и жидкости она будто «преломлена».


Аналогично привычным явлением для нас является отражение света, позволяющее увидеть себя в водной глади, зеркале или на блестящих предметах. К другим характеристикам можно отнести способность света к поляризации и изменению интенсивности.

Какова скорость света?

Скорость света рассчитывается в двух субстанциях – в вакууме и прозрачной среде. В первом случае ее показатели неизменны. В космическом пространстве является фундаментальной постоянной единицей и составляет 299 792 458 метров в секунду.

Считается, что помимо света, с аналогичной скоростью в природе распространяются электромагнитные излучения (например, рентгеновские лучи или радиоволны) и, возможно, гравитационные волны. Скорость света, находящегося в прозрачной среде, может меняться в зависимости от фазы колебательных движений.

В связи с этим различают фазовую скорость, которая обычно (но необязательно) меньше скорости в вакууме, и групповую – всегда меньше скорости в вакууме.

Как свет воспринимается глазом?

Как говорилось выше, способность человека видеть окружающие предметы существует только благодаря свету. При этом мы не смогли бы воспринимать электромагнитные излучения, если бы в наших глазах не было специальных рецепторов, которые реагируют на данное излучение. Глазная сетчатка человека состоит из двух типов клеток – палочек и колбочек. Первые высоко чувствительны к освещению, поэтому могут работать только при низкой освещенности, то есть отвечают за ночное зрение. При этом они демонстрируют мир исключительно в черно-белых цветах.


Колбочки обладают пониженной чувствительностью к свету и обеспечивают дневное зрение, позволяющее видеть цветное изображение. Спектральный состав света хорошо воспринимается благодаря тому, что в наших глазах существуют 3 вида колбочек, которые различаются между собой распределением чувствительности.