Какие факты свидетельствуют о наличии у света волновых свойства

Естествознание, 11 класс

Урок 16. Волновые свойства света. Приборы, использующие волновые свойства света

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• какова роль знаний о волновых свойствах света для объяснения принципа действия световых приборов
• где применяется интерференция и поляризация
• какие устройства делают свет поляризованным

Глоссарий по теме:

Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.

Дифракция света – огибание электромагнитной волной препятствий соизмеримых с длиной волны.

Дифракционная решётка – оптический прибор, применяющийся для разложения светового излучения в спектр.

Поляризация света – выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией вектора напряженности электрического поля.

Полное внутреннее отражение – явление возврата светового луча в исходную среду после попадания на границу раздела двух сред при падении его из более оптически плотной среды в менее плотную.

Поляризатор – прибор, превращающий естественный свет в линейно-поляризованный.

Оптоволокно (оптические световоды) – нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Спектральный анализ – совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения.

Естественный свет – оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряженности электромагнитного поля.

Линейно—поляризованный свет – это электромагнитная волна, поляризованная таким образом, что направление вектора напряженности электрического поля остается неизменным

Основная и дополнительная литература по теме урока:

• Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 90-93.
• Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Какова роль знаний о световых явлениях и волновых свойствах света для объяснения принципов функционирования и применения световых приборов?

Начнём с интерференции света.

Интерференция света принципиально не отличается от интерференции других волн. Однако наблюдение и исследование интерференции световых волн затруднено, так как свет не является строго монохроматическим. Впервые эту проблему решил английский физик Томас Юнг.

Опыт Юнга заключался в следующем: свет падает на экран, в котором имеется узкая щель. проходя через щель, волна попадает на второй экран с двумя щелями. Каждая из этих щелей создает свою волну с одинаковыми свойствами. Эти волны могут интерферировать. Результатом интерференции является появление светлых и темных полос на третьем экране. Светлая полоса свидетельствует о том, что волны на экран пришли в одной фазе и усиливают друг друга, а темная полоса является результатом ослабления двух волн. Для усиления волн необходима одинаковая фаза. Следовательно, разность расстояний (разность хода) должна быть кратной четному числу длин полуволн.

Для ослабления волн они должны приходить в точку в противофазе. То есть для этого разность расстояний должна быть кратной нечетному числу длин полуволн.

Если интерференционной картине сопоставить график интенсивности света I, то он будет иметь вид синусоиды.

Положение максимумов и минимумов синусоиды будет зависеть от длины волны света, падающего на щель.

Как мы уже говорили ранее, белый свет полихроматический, т.е. включает спектр цветов от красного до фиолетового. Поэтому при интерференции мы наблюдаем максимумы не белого цвета, а всего спектра. Положение цветной полоски зависит от длины волны каждого света, входящего в белый.

Таким образом, не только с помощью призмы, но и с помощью интерференции можно разложить свет на спектр.

Наиболее эффективно для разложения света использовать не одну, а несколько щелей. Устройство, состоящее из многих равноотстоящих щелей, стали называть дифракционной решёткой. И чем больше щелей и чем они плотнее, тем больше эффективность дифракционной решетки как спектрального прибора. С помощью дифракционной решётки можно определить длину световой волны.

k·λ=d·sinφ,

k – номер рассматриваемого максимума

λ – длина световой волны

d – период дифракционной решётки

Следующее волновое свойство света, которое мы рассмотрим – это поляризация

Свет представляет собой электромагнитную волну, свойства которой таковы, что вектор напряженности электрического поля всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля и оба этих вектора перпендикулярны скорости распространения волны.

В то же время в разных точках пространства и в разные моменты времени векторы E и B, оставаясь перпендикулярными друг другу и вектору скорости, могут изменять направления. Такой свет называется естественным.

При помощи специальных приборов, называемых поляризаторами, из такого естественно поляризованного света можно выделить волну, в которой направления векторов E и В будут оставаться неизменными. Такая волна называется линейно поляризованной.

Обычно поляризаторы представляют собой пластины, сделанные из прозрачного материала, например, из турмалина, герапатита, исландского шпата.

Через поляризатор проходят только те волны, вектор напряженности которых параллелен оси кристалла. В результате прохождения через поляризатор свет из естественного превращается в линейно-поляризованный.

Если же на пластину направить линейно-поляризованный свет, то интенсивность света на выходе будет зависеть от положения оси кристалла относительно направления вектора напряженности. В частности, если ось кристалла перпендикулярна вектору напряженности, то свет не пройдет через эту пластину.

Линейно-поляризованный свет можно получить также при помощи лазерных источников

Давайте вспомним из курса физики еще одно свойство света, которое широко используется человеком. Это явление полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения наблюдается, когда свет переходит из более плотной оптической среды в менее плотную.

Явление полного внутреннего отражения нашло применение в современных устройствах.

Допустим, нам нужно передать луч света на некоторое расстояние вдоль некоторого извилистого пути (подобно тому, как по проводу передается ток). Создают двойную стеклянную трубку из материалов с различной оптической плотностью.

Сердцевину делают из оптически более плотного вещества, а внешнюю трубку из вещества с меньшим показателем преломления. Подобная трубка называется оптическим световодом. Ее также называют оптическим волокном.

Оптические световоды применяются в настоящее время для передачи информации с очень высокой плотностью.

Компьютеры, к которым подключена оптоволоконная связь, работают гораздо эффективнее, чем, например, компьютеры, подключенные к сети при помощи телефонной линии.

Сегодня на уроке мы изучили волновые свойства света и рассмотрели приборы, использующие их свойства. Это дифракционная решётка, поляризатор, оптический световод.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Текст задания 1:

Используя конспект урока, найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали понятия.

1. Огибание волнами препятствий
2. С помощью этого оптического прибора можно естественный свет превратить в плоско-поляризованный
3. Волновое свойство света, применяемое в дифракционных решётках
4. В этом приспособлении для передачи информации используется явление полного внутреннего отражения

Правильный вариант: дифракция, поляризатор, интерференция, оптоволокно.

Текст задания 2:

Вставьте пропущенные слова.

Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие __________ __________ ___________.

Правильный вариант: полного внутреннего отражения.

2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

5. Волновая и квантовая оптика

УРОК 15/73

Тема. Фотоэффект

Цель урока: разъяснить ученикам явление фотоэффекта и содержание его законов.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Законы фотоэффекта

Фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем, однако первые экспериментальные исследования были выполнены русским ученым А. Г. Столєтовим.

Ø Явление взаимодействия света с веществом, сопровождающееся испусканием электронов, называют фотоэффектом.

Различают внешний фотоэффект, при котором фотоелектрони вылетают за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, вырванные светом из атомов, остаются внутри вещества.

Многочисленные эксперименты и наблюдения позволили сделать вывод: явление фотоэффекта практически безінерційне; интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла, величины светового потока и спектрального состава излучения.

Законы фотоэффекта были экспериментально установлены профессором Московского университета А. Г. Столєтовим:

1). Число фотоэлектронов, ежесекундно вырываются с поверхности металла, прямо пропорционально интенсивности света.

2). Максимальная начальная скорость фотоэлектронов увеличивается в случае увеличения частоты света, что падает, и не зависит от интенсивности света.

3). Для каждого вещества существует максимальная длина световой волны (красная граница фотоэффекта), при которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффекта не вызывает.

Если первый закон фотоэффект еще можно было объяснить, используя классическую электромагнитную теорию света, то следующие два закона прямо противоречили представлениям, которые существовали в то время. Понадобилось более 20 лет, чтобы разгадать эту загадку.

2. Объяснение фотоэффекта с помощью волновой теории света

Полученные опытным путем законы фотоэффекта не удалось объяснить на основе электромагнитной волновой теории света. С точки зрения этой теории электромагнитная волна, достигнув поверхности металла, вызывает вынужденные колебания электронов, отрывая их от металла. Но тогда нужно время для «раскачки» электронов, и при малой освещенности металла должно возникнуть заметное запаздывание между началом освещения и моментом вылета электронов, а фотоэффект практически безынерционный.

Кроме того, кинетическая энергия электронов, покидающих металл, должна зависеть от амплитуды змушувальнои силы, а значит, и от напряженности электрического поля в электромагнитной волне.

3. Квантовое объяснение фотоэффекта

В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил теорию, что давала объяснения сразу всей совокупности экспериментальных фактов о фотоэффект. Развив и углубив идеи Планка, Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен не только излучаться и поглощаться, но также и распространяться в виде отдельных порций энергии — квантов электромагнитного поля. Эти кванты иначе называют фотонами.

Эйнштейн считал, что при взаимодействии с веществом фотон ведет себя подобно частице и передает свою энергию не веществу в целом и даже не атома, а только отдельным электронам. Только металл поглотит фотон, энергия последнего E = hv передается свободному электрону. Она расходуется на освобождение электрона из металла — на работу выхода и на передачи ему кинетической энергии. При этом энергия фотона передается электрону в металле только полностью, а сам фотон перестает существовать.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта: где hv — энергия поглощенного фотона; A — работа выхода электрона из металла; — кинетическая энергия, с которой электрон покидает поверхность металла.

Уравнения Эйнштейна можно рассматривать как выражение закона сохранения энергии для единичного акта взаимодействия фотона с электроном. Оно позволяет объяснить все законы фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотона может быть выражена так:

а его скорость:

Отсюда следует, что максимальная кинетическая энергия фотоелектрона, а, следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света и не зависят от интенсивности света.

При равенстве hv = A скорость фотоелектрона и кинетическая энергия равны нулю. В этом случае электрон как бы «выпадает» из металла с нулевой скоростью. Наблюдаем порог фотоэффекта:

Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов nф и энергии каждого из них hv. Каждого фотона целиком поглощает только один электрон. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а следовательно, и фототок насыщения пропорциональны nф , т. е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта).

4. Применение фотоэффекта

Явление фотоэффекта широко применяют в науке и технике: оно позволяет осуществить непосредственное преобразование энергии света в электрическую энергию. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. В фотоэлементах энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее.

Фотоэлементы используют для считывания информации (изображения, звука или данных с оптических дисков (cd-дисков), которые являются сегодня одной из самых распространенных форм записи и хранения информации.

Важным применением фотоэлементов является использование их для изготовления солнечных батарей на космических кораблях. Солнечные батареи используют сегодня и как источник электрического тока в жарких местностях: такую батарею размещают на крыше дома, а электроэнергия, которую она дает, питает кондиционеры, охлаждающие помещения. Таким образом, солнечная энергия, когда ее оказывается в избытке, сама же помогает ослабить нежелательные последствия этого избытка.

Применение фотоэффекта в технике: кино (воспроизведение звука); фототелеграф; фотометрия (для измерения силы света, яркости, освещенности); управления производственными процессами.

ВОПРОСЫ К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Чем отличается внешний фотоэффект от внутреннего фотоэффекта?

2. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускулярных свойств?

3. Какие факты свидетельствуют о наличии у света волновых свойств?

Второй уровень

1. Какие законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света?

2. Почему, согласно классической электродинамике, волны должны были бы отобрать у частиц всю энергию теплового движения?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему за частот, меньших красной границы фотоэффект не наблюдается?

2. Почему для разных веществ красная граница фотоэффекта имеет разные значения?

3. В чем разногласия фотоэффекта в полупроводниках и в металлах?

2). Учимся решать задачи

1. Работа выхода электронов из калия равна 3,55 · 10-19 Дж. Определите длину волны красной границы фотоэффекта.

2. Цинковая пластинка освещается монохроматическим светом длиной волны 300 нм. Какого максимального потенциала приобретает пластина? Красная граница фотоэффекта для цинка равна 332 нм.

3. Работа выхода электронов из калия равна 2,25 эв. С какой скоростью вылетают электроны из калия, если его осветили монохроматическим светом длиной волны 365 нм?

4. Каким наименьшим напряжением полностью удерживаются электроны, вырванные ультрафиолетовыми лучами длиной волны 0,1 мкм из вольфрамовой пластинки? Работа выхода для вольфрама 4,5 эв.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Явление взаимодействия света с веществом, сопровождающееся испусканием электронов, называют фотоэффектом.

• Законы фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, ежесекундно вырываются с поверхности металла, прямо пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов увеличивается при увеличении частоты падающего света и не зависит от интенсивности света.

3. Для каждого вещества существует максимальная длина световой волны (красная граница фотоэффекта), при которой начинается фотоэффект. Облучение вещества световыми волнами большей длины фотоэффекта не вызывает.

• Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Домашнее задание

1. Подр-1: § 48; подр-2: § 23 (п. 1, 2).

2. Сб.:

Рів1 № 15.3; 15.5; 15.11; 15.13.

Рів2 № 15.16; 15.18; 15.19; 15.20.

Рів3 № 15.32, 15.33; 15.34; 15.35.