Какие явления подтверждают волновые свойства света
Свет — это электромагнитные волны в интервале частот , воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 — 770 нм.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны (рис. 46). Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода I, кратной целому числу длин волн,
При разности хода, кратной нечетному числу полуволн, , наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная
белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики.
При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом которых является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.
Пусть на решетку (рис. 47) падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в
фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.
Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода I = d sin ф, где d — постоянная решетки — расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки, ср — угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При разности хода, равной целому числу длин волн , наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны. Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла ф. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.
Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, например исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.
Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит. Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости — плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета. Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны. Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.
На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет — это электромагнитная волна. Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет.
Билет №15
- Механические колебания: основные характеристики гармонических колебаний: частота, период, амплитуда; уравнение гармонических колебаний; свободные и вынужденные колебания; резонанс; превращение энергии при колебательном движении.
- Дифракция света: явление дифракции света; явления, наблюдаемые при пропускании света через отверстия малых размеров; дифракция на малом отверстии и от круглого экрана. Дифракционная решетка.
- Экспериментальное задание: «Измерение влажности воздуха».
Вопрос 1. Колебательное движение. Гармонические колебания. Амплитуда, период, частота и фаза колебаний.
Колебаниями называются любые повторяющиеся движения.
Примеры: ветка дерева на ветру, маятник в часах, поршень в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, струна гитары, волны на поверхности моря и т.д.
Свободными называются колебания, возникающие после выведения системы из положения равновесия при последующем отсутствиии внешних воздействий. Эти колебания затухающие.
Например, колебания груза на нити.
Основными характеристиками механических колебаний являются амплитуда, период, частота и фаза колебаний.
Амплитуда – это модуль максимального отклонения тела от положения равновесия.
Период – это время одного полного колебания. (Т, секунды)
Частота – число полных колебаний, совершаемых за единицу времени.(ν, Герцы)
Период и частота связаны формулой:
Простейший вид колебательного движения – гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса.
Уравнение гармонических колебаний: ,
где амплитуда,
Величина, стоящая под знаком косинуса (угол), называется фазой.
Фаза равна: .
Вынужденные колебания. Резонанс. Зависимость амплитуды колебаний от частоты вынуждающей силы.
Вынужденными называются колебания, происходящие под действием внешней постоянной периодической силы. Они незатухающие.
Примеры: поршень в цилиндре двигателя автомобиля, игла в швейной машине, качели, если их постоянно раскачивают.
При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Такое явление называется резонансом.
Если плавно увеличивать частоту внешней силы, то амплитуда колебаний тела растёт. Она достигает максимума, когда внешняя сила действует в такт со свободными колебаниями тела. При дальнейшем увеличении амплитуда установившихся колебаний опять уменьшается. При очень больших частотах внешней силы амплитуда стремится к нулю, т.к. тело вследствие своей инертности не успевает заметно смещаться за малые промежутки времени и «дрожит на месте».
Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зданий, мостов. Поэтому двигатели в машинах устанавливают на специальных амортизаторах, а воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».
Резонанс – это явление резкого увеличения амплитуды колебания при совпадении собственной частоты колеблющегося тела и внешней периодической силы. (Например: можно с помощью резонанса вытащить машину из ямы. Несколько человек сначала раскачивают её, а потом в нужный момент по команде выталкивают). Явление резонанса учитывается в технике. При строительстве мостов и других сооружений, которые подвержены механическим колебаниям и действию вешней силы. Например: при переходе подвесного моста солдатам дается команда –«Вольно!» Существует несколько колебательных систем – математический маятник (шарик на тонкой длинной нити) и пружинный маятник (тело на пружине).
Вопрос 2. Волновые свойства света.
Свет – это электромагнитные волны с длиной волны от 4٠10-7 м до 8٠10-7 м.
Скорость света в вакууме равна 3٠108 м/с.
Основные волновые свойства света: интерференция и дифракция.
Интерференция – это сложение двух световых волн, в результате которого в одних точках пространства происходит усиление амплитуды результирующей волны, а в других – гашение волн.
Усиление света произойдёт в том случае, если одна световая волна отстанет от другой на целое число длин волн (условие максимумов). или ,
где ,
Если же вторая волна отстанет от первой на половину длины волны или на нечётное число полуволн, то произойдёт ослабление света (условие минимумов).
где
Для наблюдения интерференции необходимо, чтобы волны были когерентными, т.е. имели одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
Когерентные волны образуются при прохождении света через тонкие плёнки или стеклянные пластинки. Этим объясняется окраска мыльных пузырей и масляных плёнок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны.
Дифракция – это отклонение света от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий.
Дифракция проявляется особенно отчётливо, если размеры препятствий меньше длины волны или сравнимы с ней. Т.к. длина световой волны очень мала (~10-7 м), то размеры препятствий тоже должны быть маленькими.
Поэтому для наблюдения дифракции света используют дифракционную решётку.
Дифракционная решётка – прозрачная пластинка с нанесёнными на неё непрозрачными полосками. На 1 мм может быть нанесено сотни и даже тысячи штрихов.
С помощью дифракционной решётки проводят очень точные измерения длины волны.
Билет №16
- Механические волны: распространение колебаний в упругих средах; поперечные или продольные волны; длина волны; связь длины волны со скоростью ее распространения и периодом (частотой); свойства волн; звуковые волны.
- Гипотеза Планка о квантах; фотоэффект; опыты А. Г. Столетова; уравнение Эйнштейна для фотоэффекта; фотон.
- Задача на применение графиков изопроцесов.
Вопрос 1. Механические волны. Продольные и поперечные волны. Длина волны, её связь со скоростью распространения волны и частотой колебаний.
Волной называют колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени.
Например, волны на поверхности воды, звуковые волны, волны, волны землетрясений, пробегающие по резиновому шнуру и т. д.
Волны переносят энергию из одной точки пространства в другую. Энергия поступает от источника, возбуждающего колебания.
Если колебания происходят вдоль направления распространения волны, то волна называется продольной. Пример: звуковые волны.
Если колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны, то волна называется поперечной. Пример: волны на поверхности воды.
Длина волны – это расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах.
Длина волны обозначается буквой λ, измеряется в метрах.
Связь между длиной волны λ, скоростью волны υ и периодом колебаний T определяется формулой: .
Т.к. , то скорость волны связана с частотой колебаний уравнением: .
Вопрос 2. Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Кванты света. Применение фотоэффекта в технике.
Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.
Фотоэффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Герцем и изучался экспериментально русским учёным Столетовым.
Столетов в опытах использовал стеклянный вакуумный баллон с впаянными в него двумя электродами. На электроды подавалось напряжение, а отрицательный электрод освещался светом. Под действием света из электрода вырывались электроны, которые двигались ко второму электроду. Т.е. создавался электрический ток.
В результате опытов Столетов получил следующие законы:
1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном.
Он использовал гипотезу немецкого физика Планка: свет излучается и поглощается отдельными порциями – квантами.
Уравнение Эйнштейна: энергия порции света идёт на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии .
Приборы, в основе действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами.
Они используются в кино для воспроизведения звука, в фотометрии для измерения освещённости, в калькуляторах, в солнечных батареях и т.д.
Билет №17
- Атомистическая гипотеза строение вещества и ее экспериментальные доказательства. Модель идеального газа. Абсолютная температура. Температура как мера средней кинетической энергии теплого движения частиц.
- Законы отражения и преломления света; полное внутреннее отражение; линзы; формула тонкой линзы; оптические приборы.
- Задача на определение работы газа с помощью графика зависимости давления газа от его объема.
Вопрос 1. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Использование свойств газов в технике.
Идеальный газ – это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало, т.к. молекулы находятся далеко друг от друга.
В реальности к идеальному газу приближены разреженные газы.
Основными параметрами идеального газа являются давление, объём и температура.
Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда и растёт с увеличением температуры.
Для расчёта давления было получено следующее уравнение:
основное уравнение МКТ идеального газа.
Данное уравнение можно переписать в виде: где .
Свойства газов легко сжиматься и расширяться используются во многих технических устройствах: двигателе внутреннего сгорания, паровой турбине, насосах, при проектировании судов и др.
17.Температура и её физический смысл. Измерение температуры.
Температура – это макроскопический параметр, характеризующий состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
Если температуры тел различны, то при их соприкосновении будет происходить обмен энергией. Тело с большей температурой будет отдавать энергию телу с меньшей температурой. Разность температур тел указывает направление теплообмена между ними.
Для измерения температуры используют термометры. В термометрах используется зависимость объёма жидкости (ртути или спирта) от температуры.
При градуировке термометра обычно за начало отсчёта (0) принимают температуру тающего льда; второй постоянной точкой (100) считают температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Отрезок между 0 и 100 делят на 100 равных частей, называемых градусами. На этом основана шкала Цельсия.
Температура, измеряемая в 0С, обозначается буквой t.
Существует также другая шкала – шкала Кельвина (абсолютная шкала температур).
Нулевая температура по этой шкале соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры равна градусу по шкале Цельсия.
Абсолютный нуль – это предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении.
Абсолютному нулю соответствует температура
Температура, измеряемая в Кельвинах (К), обозначается буквой T.
Вопрос 2. Природа света. Законы отражения и преломления света.
Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в XVII в.
Ньютон в 1672 г. высказывал предположение о корпускулярной природе света (свет – поток частиц).
Против корпускулярной теории света выступали современники Ньютона Гук и Гюйгенс, разработавшие волновую теорию света (свет – волны).
В настоящее время говорят, что свет имеет двойственную природу. В одних опытах обнаруживаются его волновые свойства, а в других – корпускулярные.
Закон отражения света. Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения (α=β).
Закон преломления света. Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.
, где
Если обозначить — скорость света в первой среде, а — скорость света во второй среде, то .
При переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду угол преломления β оказывается больше угла падения α. И наоборот.
Билет №18
- Связь между давлением идеального газа и средней кинетической энергией теплового движения молекул. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы.
- Постулаты специальной теории относительности (СТО). Полная энергия. Энергия покоя. Релятивистский импульс.
- Задача на определение модуля Юнга материала, из которого изготовлена проволока.
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.
- Огибание волнами препятствий
- С помощью этого оптического прибора можно естественный свет превратить в плоско-поляризованный
- Волновое свойство света, применяемое в дифракционных решётках
- 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.