ГЛАВА 6. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРИРОДЕ СВЕТА
Первые представления о природе света появились у старых греков и египтян. По мере изобретения и совершенствования разных оптических устройств (параболических зеркал, микроскопа, зрительной трубы) эти представления развивались и трансформировались.
В конце XVII века появились две теории света: корпускулярная(И. Ньютон) и волновая (Р. Гук и Х. Гюйгенс). Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами.Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света разъяснялось конфигурацией скорости корпускул при переходе из одной среды в другую. Для варианта преломления света на границе вакуум–среда корпускулярная теория приводила к последующему виду закона преломления:
(65)
где c – скорость света в вакууме, υ – скорость распространения света в среде.
Потому что n > 1, из корпускулярной теории следовало, что скорость света в средах должна быть больше скорости света в вакууме. Ньютон пробовал также разъяснить возникновение интерференционных полос, допуская определенную периодичность световых процессов. Таким макаром, корпускулярная теория Ньютона содержала внутри себя элементы волновых представлений.
Волновая теория, в отличие от корпускулярной, рассматривала свет как волновой процесс, схожий механическим волнам. В базу волновой теории был положен принцип Гюйгенса, согласно которому любая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в последующий момент времени. При помощи принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления.
Закон преломления, приобретенный из волновой теории, оказался в противоречии с формулой Ньютона.
Волновая теория приводит к выводу: υ < c, тогда как согласно корпускулярной теории υ > c. Таким макаром, к началу XVIII века было два обратных подхода к разъяснению природы света: корпускулярная теория Ньютона и волновая теория Гюйгенса. Обе теории разъясняли прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления. Весь XVIII век стал веком борьбы этих теорий. Но сначала XIX столетия ситуация коренным образом поменялась. Корпускулярная теория была отвергнута и восторжествовала волновая теория.Большая награда в этом принадлежит британскому физику Т. Юнгу и французскому физику О. Френелю, исследовавшим явления интерференции и дифракции. Исчерпающее разъяснение этих явлений могло быть дано лишь на базе волновой теории. Принципиальное экспериментальное доказательство справедливости волновой теории было получено в 1851 году, когда Ж. Фуко (и независимо от него А. Физо) измерил скорость распространения света в воде и получил значение υ < c. Хотя к середине XIX века волновая теория была общепризнана, вопрос о природе световых волн оставался нерешенным. В 60-е годы XIX века Максвеллом были установлены общие законы электрического поля, которые привели его к заключению, что свет – это электрические волны. Принципиальным доказательством таковой точки зрения послужило совпадение скорости света в вакууме с электродинамической неизменной
Электрическая природа света получила признание после опытов Г. Герца (1887–1888 гг.) по исследованию электрических волн. Сначала XX века после опытов П. Н. Лебедева по измерению светового давления (1901 г.) электрическая теория света перевоплотился в твердо установленный факт. Самую важную роль в выяснении природы света сыграло опытнейшее определение его скорости. Начиная с конца XVII века предпринимались многократные пробы измерения скорости света разными способами (астрономический способ А. Физо, способ А. Майкельсона). Современная лазерная техника позволяет определять скорость света с очень высочайшей точностью на базе независящих измерений длины волны λ и частоты света ν (c = λ · ν).
Таким методом было найдено значение превосходящее по точности все ранее приобретенные значения более чем на два порядка. Свет играет очень важную роль в нашей жизни. Подавляющее количество информации об внешнем мире человек получает при помощи света. Но, в оптике как разделе физике под светом понимают не только лишь видимый свет, да и примыкающие к нему широкие спектры диапазона электрического излучения – инфракрасный ИК и ультрафиолетовый УФ. По своим физическим свойством свет принципно неотличим от электрического излучения других диапазонов – разные участки диапазона отличаются друг от друга только длиной волны λ и частотой ν.Рис. 14 дает представление о развитии представлений о природе света.
РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ПРИРОДЕ СВЕТА
ПРИРОДА света
Научные Представления
Корпускулярная теория Волновая теория
Представления о свете Представлениях о свете
как о потоке корпускул как о волне
(частиц)
Автор: Основная идея представлений о свете Авторы
(И.Ньютон XVII в.) (Х. Гюйгенс, Р. Гук XVII)
Свет – поток корпускул Свет – волна
Экспериментальное и теоретическое подтверждение
Квантовая теория Электромагнитная теория
(М. Планк, А. Эйнштейн XX в.) корпускулярно-волновой (Д. Максвелл, конец XIX в.)
Фотоэффект (Г. Герц 1887 г.) дуализм света (начало XX в.) Интерференция света
Давление света (П.Н. Лебедев, 1900 г.) Дифракция света
Рис. 14 Развитие представлений о природе света
Контрольные вопросы и задания по теме «Колебания и волны»
1. Какой физический процесс называется колебаниями?
2.
Какие колебания называются гармоническими?3. Назовите основные характеристики, описывающие колебательный процесс.
4. Какие колебания называются свободными?
5. Какие колебания называются вынужденными?
6. Какие колебания являются затухающими, незатухающими?
7. Какие колебания называются гармоническими?
8. Какое условие необходимо для того, чтобы колебания в системе были незатухающими?
9. Какие колебания происходят в системе маятниковых часов-ходиков? Являются ли они свободными, вынужденными, затихающими или нет. Ответ обоснуйте. За счёт чего происходят эти колебания?
10. Что собой представляет пружинный, физический и математический маятники?
11. Под действием каких сил происходят колебания пружинного, физического и математического маятников?
12. Какие волны называются механическими?
13. Какие виды механических волн существуют?
14. В каких средах происходит распространение механических волн (продольных и поперечных)?
15. От каких параметров среды зависит скорость распространения механических волн?
16. Могут ли механические волны распространяться в вакууме? Ответ пояснить.
17. Назовите основные характеристики механической волны.
18. Что называют фронтом волны?
19. К каким волнам относятся звуковые волны? Назовите основные характеристики звуковой волны.
20. От чего зависит скорость распространения механических волн в среде?
21. Что переносится при волновом процессе перенос вещества или энергии? Ответ обоснуйте.
22. Каков диапазон частот слышимого звука (Гц)?
23. Что такое инфразвук? Что такое ультразвук?
24. Могут ли живые организмы воспринимать ультразвуковые и инфразвуковые волны? Приведите примеры.
25. Что такое колебательный контур?
26. Какой контур необходим для получения электромагнитных колебаний?
27. Где в каких средах происходит распространение электромагнитных волн? Могут ли электромагнитные волны распространяться в вакууме и почему?
28. С какой скоростью происходит распространение электромагнитных волн в различных средах?
29.Что называется электромагнитным полем? Основные характеристики электромагнитного поля.
30. Шкала электромагнитных волн.
31. Какие длины волн определяют видимый свет?
32. Какое явление называется интерференцией? Поясните опыт по изучению этого явления.
33. Какое явление называется дифракцией? Поясните опыт по изучению этого явления.
34. Какое явление называется дисперсией? Поясните опыт по изучению этого явления.
35. Какое явление называется дифракцией? Поясните опыт по изучению этого явления.
36. Какое явление называется фотоэффектом? Поясните опыт по изучению этого явления.
37. Сформулируйте законы преломления и отражения света. При каком условии происходит полное отражение
38. Дайте разъяснение о принципе радиосвязи. Каким образом происходит передача телесигнала, сигналов сотовой связи?
39. Поясните принцип работы микроволновой печи.
40. Что такое фотометрия, её основные величины.
41. Сформулируйте законы освещённости.
42. Что такое линза?
43. Почему линзы увеличивают предмет, помещённый под неё?
44. Что такое фокусное расстояние линзы, оптическая сила линзы?
45. Какое тело называется источником света? Что такое точечный источник света?
46. Что такое световой луч? Что показывает световой луч?
47. Что называется квантом?
48. Что такое фотон?
49. Как происходит распространение света в однородной среде?
50. Что называют потоком излучения, силой света, освещённостью?
51. Какая линза является собирающей, а какая рассеивающей? Где применяются собирающие и рассеивающие линзы?
52. Что такое оптическая сила линзы?