Predstavitev na temo "svetloba kot elektromagnetno valovanje." Svetloba je kot elektromagnetno valovanje. Hitrost svetlobe. Interferenca svetlobe: Jungova izkušnja; tankoslojne barve

Konec 17. stoletja sta se pojavili dve znanstveni hipotezi o naravi svetlobe – korpuskularni in val.

Po korpuskularni teoriji je svetloba tok drobnih svetlobnih delcev (korpuskul), ki letijo z ogromno hitrostjo. Newton je verjel, da je gibanje svetlobnih korpusk podrejeno zakonom mehanike. Tako je bil odboj svetlobe razumljen kot podoben odboju elastične žoge od ravnine. Lom svetlobe so razložili s spremembo hitrosti delcev pri premikanju iz enega medija v drugega.

Valovna teorija je na svetlobo gledala kot na valovni proces, podoben mehanskim valovanjem.

Po sodobnih predstavah ima svetloba dvojno naravo, tj. hkrati je značilna tako korpuskularna kot valovne lastnosti. Pri pojavih, kot sta interferenca in uklon, pridejo do izraza valovne lastnosti svetlobe, pri pojavu fotoelektričnega učinka pa korpuskularne.

Svetloba kot elektromagnetno valovanje

V optiki svetloba pomeni elektromagnetni valovi dokaj ozek razpon. Pogosto svetloba ni razumljena samo kot vidna svetloba, ampak tudi v območjih širokega spektra, ki mejijo nanjo. V zgodovini se je pojavil izraz "nevidna svetloba" - ultravijolična svetloba, infrardeča svetloba, radijski valovi. Valovne dolžine vidne svetlobe segajo od 380 do 760 nanometrov.

Ena od značilnosti svetlobe je njena barva, ki je določena s frekvenco svetlobnega valovanja. Bela svetloba je mešanica valov različnih frekvenc. Razčlenimo ga lahko na barvne valove, od katerih je za vsakega značilna določena frekvenca. Takšni valovi se imenujejo enobarvni.

Hitrost svetlobe

Po zadnjih meritvah hitrost svetlobe v vakuumu

Meritve svetlobne hitrosti v različnih prozornih snoveh so pokazale, da je vedno manjša kot v vakuumu. Na primer, v vodi se hitrost svetlobe zmanjša za 4/3-krat.

Gimnazija 144

Esej

Hitrost svetlobe.

Interferenca svetlobe.

Stoječi valovi.

Učenka 11. razreda

Korčagin Sergej

Sankt Peterburg 1997.

Svetloba je elektromagnetno valovanje.

V 17. stoletju sta nastali dve teoriji svetlobe: valovna in korpuskularna. Korpuskularno 1 teorijo je predlagal Newton, valovno teorijo pa Huygens. Po Huygensovih idejah je svetloba valovanje, ki se širi v posebnem mediju - etru, ki zapolnjuje ves prostor. Obe teoriji sta dolgo obstajali vzporedno. Ko ena od teorij ni pojasnila pojava, ga je pojasnila druga teorija. Na primer, premočrtnega širjenja svetlobe, ki povzroči nastanek ostrih senc, ni bilo mogoče razložiti na podlagi teorije valov. Vendar pa v začetku XIX stoletju so odkrili pojava, kot sta uklon 2 in interferenca 3, kar je spodbudilo idejo, da je valovna teorija dokončno premagala korpuskularno teorijo. V drugi polovici 19. stoletja je Maxwell pokazal, da je svetloba poseben primer elektromagnetnega valovanja. Ta dela so služila kot temelj za elektromagnetno teorijo svetlobe. Vendar pa je bilo na začetku 20. stoletja odkrito, da se svetloba, ko se oddaja in absorbira, obnaša kot tok delcev.

Hitrost svetlobe.

Obstaja več načinov za določanje hitrosti svetlobe: astronomske in laboratorijske metode.

Hitrost svetlobe je prvi izmeril danski znanstvenik Roemer leta 1676 z astronomsko metodo. Meril je čas, ko je bila največja Jupitrova luna, Io, v senci tega ogromnega planeta. Roemer je meritve opravljal v trenutku, ko je bil naš planet Jupitru najbližje, in v trenutku, ko smo bili mi (astronomsko) nekoliko dlje od Jupitra. V prvem primeru je bil interval med izbruhi 48 ur 28 minut. V drugem primeru je satelit zamujal 22 minut. Iz tega je bilo ugotovljeno, da svetloba potrebuje 22 minut, da prepotuje razdaljo od prejšnjega do sedanjega opazovanja. Ker je poznal razdaljo in zakasnitveni čas Io, je izračunal svetlobno hitrost, ki se je izkazala za ogromno, približno 300.000 km/s 4 .

Prvič je z laboratorijsko metodo izmeril svetlobno hitrost francoski fizik Fizeau leta 1849. Dobil je vrednost za svetlobno hitrost 313.000 km/s.

Po sodobnih podatkih je hitrost svetlobe 299.792.458 m/s ±1,2 m/s.

Interferenca svetlobe.

Precej težko je dobiti sliko interference svetlobnih valov. Razlog za to je, da svetlobni valovi, ki jih oddajajo različni viri, niso skladni med seboj. Imeti morajo enake valovne dolžine in konstantno fazno razliko na kateri koli točki v prostoru 5. Enakost valovnih dolžin je enostavno doseči s svetlobnimi filtri. Nemogoče pa je doseči konstantno fazno razliko, ker atomi iz različnih virov oddajajo svetlobo neodvisno drug od drugega 6 .

Kljub temu je mogoče opaziti interferenco svetlobe. Na primer mavrica barv na milnem mehurčku ali na tankem sloju kerozina ali olja na vodi. Angleški znanstvenik T. Jung je prvi prišel na sijajno idejo, da je barva razložena z dodajanjem valov, od katerih se eden odbija od zunanjo površino, drugi pa je iz notranjega. V tem primeru pride do interference 7 svetlobnih valov. Rezultat interference je odvisen od vpadnega kota svetlobe na film, njegove debeline in valovne dolžine.

Stoječi valovi.

Ugotovljeno je bilo, da če zanihate en konec vrvi s pravilno izbrano frekvenco (njen drugi konec je fiksen), bo neprekinjen val tekel proti fiksnemu koncu, kar se bo nato odrazilo z izgubo pol vala. Interferenca med vpadnimi in odbitimi valovi povzroči stoječe valove, ki se zdijo mirujoči. Stabilnost tega vala izpolnjuje pogoj:

L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,

kjer je L dolžina vrvi; n * 1,2,3 itd.; u je hitrost širjenja valov, ki je odvisna od napetosti vrvi.

Stoječe valovanje se vzbuja v vseh telesih, ki lahko nihajo.

Nastajanje stoječih valov je resonančni pojav, ki nastane pri resonančnih ali lastnih frekvencah telesa. Točke, kjer je interferenca izničena, se imenujejo vozlišča, točke, kjer je motnja povečana, pa antinode.

Svetloba je elektromagnetno valovanje……………………………………..2

Hitrost svetlobe………………………………………………………2

Interferenca svetlobe……………………………………………………………….3

Stoječi valovi…………………………………………………………3

Fizika 11 (G.Ya.Myakishev B.B.Bukhovtsev)

Fizika 10 (N.M.Shakhmaev S.N.Shakhmaev)

Podporne opombe in testne naloge(G.D. Luppov)

1 Latinska beseda "corpuscle", prevedena v ruščino, pomeni "delec".

2 Svetloba se ukrivi okoli ovir.

3 Pojav krepitve ali oslabitve svetlobe pri superponiranju svetlobnih žarkov.

4 Roemer sam je dobil vrednost 215.000 km/s.

5 Valovanje z enakimi dolžinami in konstantno fazno razliko imenujemo koherentno.

6 Izjema so le kvantni viri svetlobe – laserji.

7 Seštevanje dveh valov, zaradi česar se na različnih točkah v prostoru opazi časovno vztrajno krepitev ali oslabitev nastalih svetlobnih vibracij.

Svetloba je elektromagnetno valovanje. Konec 17. stoletja sta se pojavili dve znanstveni hipotezi o naravi svetlobe – korpuskularni in val. Po korpuskularni teoriji je svetloba tok drobnih svetlobnih delcev (korpuskul), ki letijo z ogromno hitrostjo. Newton je verjel, da je gibanje svetlobnih korpusk podrejeno zakonom mehanike. Tako je bil odboj svetlobe razumljen kot podoben odboju elastične žoge od ravnine. Lom svetlobe so razložili s spremembo hitrosti delcev pri premikanju iz enega medija v drugega. Valovna teorija je na svetlobo gledala kot na valovni proces, podoben mehanskim valovanjem. Po sodobnih predstavah ima svetloba dvojno naravo, tj. hkrati ga odlikujejo tako korpuskularne kot valovne lastnosti. Pri pojavih, kot sta interferenca in uklon, pridejo do izraza valovne lastnosti svetlobe, pri pojavu fotoelektričnega učinka pa korpuskularne. V optiki se svetloba nanaša na elektromagnetno valovanje dokaj ozkega razpona. Pogosto svetloba ni razumljena samo kot vidna svetloba, ampak tudi v območjih širokega spektra, ki mejijo nanjo. V zgodovini se je pojavil izraz "nevidna svetloba" - ultravijolična svetloba, infrardeča svetloba, radijski valovi. Valovne dolžine vidne svetlobe segajo od 380 do 760 nanometrov. Ena od značilnosti svetlobe je njena barva, ki je določena s frekvenco svetlobnega valovanja. Bela svetloba je mešanica valov različnih frekvenc. Razčlenimo ga lahko na barvne valove, od katerih je za vsakega značilna določena frekvenca. Takšni valovi se imenujejo enobarvni. Po najnovejših meritvah se hitrost svetlobe v vakuumu Razmerje med hitrostjo svetlobe v vakuumu in hitrostjo svetlobe v snovi imenuje absolutni lomni količnik snovi.

Ko svetlobni val preide iz vakuuma v snov, ostane frekvenca konstantna (barva se ne spremeni). Valovna dolžina v mediju z lomnim količnikom n spremembe:

Interferenca svetlobe- Jungova izkušnja. Svetloba žarnice s svetlobnim filtrom, ki ustvarja skoraj monokromatsko svetlobo, prehaja skozi dve ozki, sosednji reži, za katerima je nameščen zaslon. Na zaslonu bo opazen sistem svetlih in temnih trakov - interferenčnih trakov. V tem primeru se en sam svetlobni val razdeli na dva, ki prihajata iz različnih rež. Ta dva vala sta med seboj koherentna in, ko se naneseta drug na drugega, dajeta sistem maksimumov in minimumov jakosti svetlobe v obliki temnih in svetlih trakov ustrezne barve.

Interferenca svetlobe- max in min pogoji. Maksimalni pogoj: Če optična razlika v valovni poti vsebuje sodo število polvalov ali celo število valov, potem je na dani točki na zaslonu opazno povečanje jakosti svetlobe (max). , kjer je fazna razlika dodanih valov. Minimalni pogoj:Če optična razlika v valovni poti vsebuje liho število polvalov, potem je v točki minimum.

V primeru konstantnih tokov ali porazdelitev naboja, ki se počasi spreminjajo s časom, se zaključki iz Maxwellovih enačb praktično ne razlikujejo od zaključkov iz tistih enačb elektrike in magnetizma, ki so obstajale, preden je Maxwell uvedel tok odmika. Če pa se tokovi ali naboji spreminjajo s časom, zlasti če se spreminjajo zelo hitro, kot na primer v primeru dveh kroglic, kjer naboj drvi od kroglice do kroglice (slika 351), Maxwellove enačbe omogočajo rešitve, ki niso obstajati prej.

Razmislite o magnetnem polju, ki ga ustvarja tok (recimo, ki teče skozi žico). Zdaj pa si predstavljajte, da je veriga pretrgana. Z zmanjšanjem toka se zmanjša tudi magnetno polje, ki obdaja žico, zato se vzbuja električno polje (po Faradayevem zakonu izmenično magnetno polje vzbuja električno polje). Ko se stopnja spremembe magnetno polje zmanjša, se začne električno polje zmanjševati. V skladu s predmaxwellovskimi idejami se ne zgodi nič drugega: električno in magnetno polje izgineta, ko gre tok na nič, saj je veljalo, da izmenično električno polje ne povzroča nobenega učinka.

Vendar pa iz Maxwellove teorije sledi, da padajoče električno polje vzbuja magnetno polje na enak način kot padajoče magnetno polje vzbuja električno polje in da se ta polja kombinirajo tako, da ko se eno od njiju zmanjša, se pojavi drugo

nekoliko dlje od vira in posledično se celoten impulz giblje skozi prostor kot celota. Če je vrednost B enaka vrednosti E in sta ta dva vektorja medsebojno pravokotna, potem se mora impulz, kot izhaja iz Maxwellovih enačb, širiti v prostoru z določeno hitrostjo.

Ta impulz ima vse lastnosti, ki smo jih prej označili za valovno gibanje. Če nimamo enega, ampak veliko impulzov, ki na primer nastanejo zaradi nihanja električnih nabojev med dvema kroglicama, potem lahko s takšnim nizom impulzov povežemo določeno valovno dolžino, to je razdaljo med sosednjima grebenoma. Impulzi se širijo od točke do točke tako kot val. In kar je še posebej pomembno, izpolnjeno je glavno načelo, namreč načelo superpozicije, saj imata električno in magnetno polje aditivne lastnosti. Tako so za gibanje električnih in magnetnih impulzov značilne valovne lastnosti.

Ponovno razmislimo o planetarnem sistemu nabitih delcev (slika 352). Po Maxwellovi teoriji nabit delec (zlasti elektron), ki se giblje po krožni orbiti (kot vsak delec, ki ima pospešek), vzbuja elektromagnetno valovanje.

Frekvenca tega valovanja je enaka frekvenci orbitalne rotacije elektrona. Z uporabo številčnih vrednosti, pridobljenih v pogl. 19, ugotovimo

Iz razmerja med frekvenco in valovno dolžino imamo

Kot rezultat

Recimo, da je hitrost širjenja valov cm/s. Potem

To je valovna dolžina ultravijoličnega sevanja, ki je sevanje s krajšo valovno dolžino kot vijolična svetloba. (Najmanjša valovna dolžina vidne svetlobe je reda velikosti cm.)

Planetarni sistem nabitih delcev oddaja elektromagnetno valovanje, torej izgublja energijo (valovi s seboj nosijo energijo, saj lahko opravljajo delo na naboje, ki se nahajajo daleč od vira), zato je za njegov stabilen obstoj potrebna dodatna energija. črpati od zunaj.

Ko je Maxwell spoznal, da njegove enačbe omogočajo takšno rešitev, je izračunal hitrost, s katero mora val potovati skozi vesolje. On piše:

»Hitrost transverzalnih nihanj valov v našem hipotetičnem okolju, izračunana iz elektromagnetni poskusi Kohlrausch in Weber, tako natančno sovpada s hitrostjo svetlobe, izračunano iz Fizeaujevih optičnih poskusov, da skoraj ne moremo zavrniti sklepa, da je svetloba sestavljena iz transverzalnih vibracij istega medija, ki je vzrok za električne in magnetne pojave.

"Svoje enačbe sem dobil, ko sem živel v provinci in nisem slutil bližine hitrosti širjenja magnetnih učinkov, ki sem jih ugotovil, s svetlobno hitrostjo, zato menim, da imam vse razloge, da magnetna in svetlobna medija obravnavam kot isti medij ...”.

[Maxwellu je bilo veliko težje doseči svoj slavni rezultat, kot si morda mislimo. Za udobje smo uvedli črko c, ki označuje hitrost svetlobe, da bi povezali spremembe magnetnega polja z električnim poljem, ki ga vzbuja, in nadomestili precej poljubno število s količino. Nato smo isto količino c uporabili za opis razmerje med magnetnim poljem ter tokovi in spremenljivkami, ki ga vzbujajo električna polja. Po Amperovem zakonu mora biti izmerjeno kroženje magnetnega polja sorazmerno z izmerjeno vrednostjo toka, ki teče skozi površino. Izkazalo se je npr

kjer je število v sistemu CGS vzeto iz dejanskih meritev magnetnega polja in toka, ki teče skozi površino. Ko je Maxwell obravnaval te enačbe skupaj in našel rešitev, ki ustreza širjenju gibalne količine elektromagnetno sevanje,

je iz teh izmerjenih števil dobil drugo število, ki je dalo hitrost širjenja tega impulza. In izkazalo se je, da je ta številka približno cm/s. Toda število cm/s je izmerjena vrednost hitrosti svetlobe. Zato je Maxwell identificiral sevalni impulz s svetlobo samo. On je pisal:

"...imamo dober razlog za sklep, da je sama svetloba (vključno s sevalno toploto in drugimi sevanji) elektromagnetna motnja v obliki valov, ki se širijo skozi elektromagnetno polje v skladu z zakoni elektromagnetizma."

sl. 353. Slika prikazuje rešitev Maxwellovih enačb, ki ustreza valovanju, ki se v vakuumu širi s svetlobno hitrostjo. Vektorja E in B sta medsebojno pravokotna in enaka po velikosti. Možni so tako impulzi kot periodične rešitve, ki ustrezajo valovom določene dolžine. Vakuum je medij brez disperzije, to pomeni, da se v njem vsi periodični valovi širijo z enakimi hitrostmi.

Bilo je splošno presenečenje, a bili so tudi dvomljivci. Tako je v enem od pisem Maxwellu pisalo:

»Zdi se, da je skladnost med opazovano hitrostjo svetlobe in hitrostjo prečnih vibracij v vašem mediju, ki ste jo izračunali, odličen rezultat. Vendar se mi zdi, da takšni rezultati niso zaželeni, dokler ljudi ne prepričaš, da kadarkoli elektrika, se majhna vrsta delcev stisne med dvema vrstama vrtečih se koles."

Potem ko je bila svetloba identificirana z elektromagnetnim valovanjem [ različne barve ustrezajo različnim frekvencam (sl. 354) ali valovnih dolžinah sevanja, pri čemer vidna svetloba predstavlja le majhen del celotnega spektra elektromagnetnega sevanja] in ker so bile znane interakcije električnega in magnetnega polja z nabitimi delci (Lorentzova formula) , je bilo prvič mogoče ustvariti teorijo interakcije svetlobe s snovjo (če predpostavimo, da so mediji sestavljeni iz nabitih delcev). Na primer, po objavi Maxwellovega dela sta Lorentz in Fitzgerald, ki sta poskušala pokazati podobnost med obnašanjem elektromagnetnega valovanja in obnašanjem svetlobe med njenim odbojem in lomom, izračunala primer prenosa

elektromagnetno valovanje čez mejo dveh medijev; Izkazalo se je, da obnašanje tega valovanja sovpada z opazovanim obnašanjem svetlobe.

Tudi če Maxwell ne bi identificiral elektromagnetnega sevanja s svetlobo, bi njegovo odkritje še vedno uspelo dobra vrednost. Če želite to videti, se spomnite, da lahko električno polje opravi delo na naboj. Posledično naboj, ki niha na eni točki v prostoru, ustvari elektromagnetni impulz, ki se lahko razširi na poljubno želeno razdaljo od premikajočega se naboja in katerega električno polje lahko tam opravi delo na drugem naboju.

sl. 354. Spekter elektromagnetne vibracije. rentgenski žarki, vidna svetloba, radijski valovi itd. so vsi elektromagnetni valovi različnih valovnih dolžin. Vidna svetloba se od »nevidnega« razlikuje le po tem, da ga človeško oko ne zazna.

Pod mostom ni preteklo veliko vode, odkar je bilo prvič možno prenašati električno energijo po žicah, da bi se delo opravljalo stran od generatorjev, ki proizvajajo tok. Zdaj je Maxwell predlagal prenos energije na velike razdalje brez pomoči kakršnih koli žic, ki bi lahko opravljale delo na oddaljenih nabitih telesih. Poleg tega je z nadzorovanimi spremembami v takšnem elektromagnetnem valovanju mogoče prenašati informacije, ki jih je mogoče zlahka dešifrirati na kateri koli oddaljeni točki. Ta ugotovitev je imela pomembne praktične posledice.

Od odkritja elektromagnetnih nihanj je minilo zelo malo časa, da smo razumeli, da je tudi svetloba skupek elektromagnetnih nihanj – le zelo visokofrekvenčnih. Ni naključje, da je hitrost svetlobe enaka hitrosti širjenja elektromagnetnega valovanja in je značilna konstanta c = 300.000 km/s.

Oko je glavni človeški organ, ki zaznava svetlobo. V tem primeru oko zazna valovno dolžino svetlobnih vibracij kot barvo svetlobnih žarkov. IN šolski tečaj fizika podaja opis klasičnega poskusa razgradnje bele svetlobe - takoj ko dokaj ozek snop bele (na primer sončne) svetlobe usmerimo na stekleno prizmo s trikotnim prerezom, se takoj razsloji v veliko svetlobe. žarki gladko prehajajo drug v drugega drugačna barva. Ta pojav je posledica različne stopnje lom svetlobnih valov različnih dolžin.

Poleg valovne dolžine (ali frekvence) je za svetlobne vibracije značilna tudi intenzivnost. Od številnih meril jakosti svetlobnega sevanja (svetlost, svetlobni tok, osvetljenost itd.) je pri opisu video naprav najpomembnejša osvetljenost. Ne da bi se spuščali v zapletenost določanja svetlobnih značilnosti, ugotavljamo, da se osvetlitev meri v luksih in je znana mera za vizualno oceno vidnosti predmetov. Spodaj so tipične ravni svetlobe:

Osvetlitev 20 cm od goreče sveče 10-15 luksov
Osvetlitev prostora z žarnicami z žarilno nitko, ki gorijo 100 luksov
Osvetlitev pisarn s fluorescentnimi sijalkami 300-500 luksov
Osvetlitev, ki jo ustvarjajo halogenske žarnice 750 luksov
Osvetlitev pri močni sončni svetlobi 20000 lux in več

Svetloba se pogosto uporablja v komunikacijski tehnologiji. Dovolj je omeniti uporabo svetlobe, kot je prenos informacij prek optičnih komunikacijskih linij, uporaba optičnega izhoda za digitalizirane zvočne signale v sodobnih elektroakustičnih napravah, uporaba daljinskih upravljalnikov s pomočjo žarka infrardeče svetlobe, itd.

Elektromagnetna narava svetlobe Svetloba ima lastnosti valovanja in lastnosti delcev. Ta lastnost svetlobe se imenuje dualnost val-delec. Toda antični znanstveniki in fiziki tega niso vedeli in so sprva menili, da je svetloba elastično valovanje.

Svetloba - valovanje v etru Ker pa je za širjenje elastičnih valov potreben medij, se je postavilo upravičeno vprašanje: v katerem mediju se svetloba širi? Kateri medij je na poti od Sonca do Zemlje? Zagovorniki valovne teorije svetlobe so predlagali, da je ves prostor v vesolju napolnjen z nekim nevidnim elastičnim medijem. Izmislili so mu celo ime - svetilni eter. Takrat znanstveniki še niso vedeli za obstoj drugih valov razen mehanskih. Takšni pogledi na naravo svetlobe so bili izraženi okoli 17. stoletja. Veljalo je, da se svetloba širi prav v tem svetlobnem etru.

Svetloba je transverzalno valovanje Toda takšna predpostavka je sprožila številna sporna vprašanja. Do konca 18. stoletja je bilo dokazano, da je svetloba prečno valovanje. In elastični prečni valovi se lahko pojavijo samo v trdnih telesih, zato je svetlobni eter trdno telo. To je povzročilo močno glavobol med znanstveniki tistega časa. Kako se lahko nebesna telesa gibljejo skozi trdni svetlobni eter in hkrati ne doživljajo nobenega upora.

Svetloba je elektromagnetno valovanje Maxwell je v drugi polovici 19. stoletja teoretično dokazal obstoj elektromagnetnega valovanja, ki se lahko širi tudi v vakuumu. In predlagal je, da je svetloba tudi elektromagnetno valovanje. Potem se je ta domneva potrdila. Pomembna pa je bila tudi ideja, da se svetloba v nekaterih primerih obnaša kot tok delcev. Maxwellova teorija je bila v nasprotju z nekaterimi eksperimentalnimi dejstvi. Toda leta 1990 je fizik Max Planck postavil hipotezo, da atomi oddajajo elektromagnetna energija v ločenih delih - kvanti. In leta 1905 je Albert Einstein predstavil idejo, da je mogoče elektromagnetne valove z določeno frekvenco obravnavati kot tok sevalnih kvantov z energijo E=p*ν. Trenutno se kvant elektromagnetnega sevanja imenuje foton. Foton nima niti mase niti naboja in vedno potuje s svetlobno hitrostjo. To pomeni, da ima svetloba pri oddajanju in absorbciji korpuskularne lastnosti, pri gibanju v prostoru pa valovne lastnosti.