В каких явлениях проявляются свойства света
1. Что такое оптический спектр? Как взаимодействует свет с границей двух сред? Линза. Какие свойства света Вы знаете?
Что такое свет? В чем главное его значение для нас?
↓
Свет позволяет нам видить Þ свет, проходя через оптическую систему глаза, строит уменьшенное и перевернутое изображение объектов, от которых он отражается, на сетчатке. Подобный механизм реализован и в системе фотоаппарата, где изображение формируется на светочувствительном слое эмульсии фотопленки или на матрице в цифровом фотоаппарате.
Способность производить изменения во внешней среде – это характеристика энергии →действие одного тела на другое может осуществляться двумя различными способами:
↓ ↓
| посредством переноса вещества от источника к приёмнику | посредством изменения состояния среды между двумя телами |
| В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приемнику возникли в XVII в и начали развиваться параллельно две различные теории о природе света ↓ ↓ | |
| Корпускулярная теория света. Ньютон Свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). Господство этой теории в XVII веке благодаря авторитету Ньютона. Эта теория не могла объяснить почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга, ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться → но объяснялась волновой теорией | Волновая теория света. Гук и Гюйгенс Свет –это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел. Эта теория не могла объяснить прямолинейное распространение света, приводящие к образованию за предметами резких теней → но объяснялось корпускулярной теорией |
| Начало XIX в – открытие явлений дифракции света (огибание светом препятствий) и интерференции (усиление или ослабление света при наложении световых пучков друг на друга), дисперсия, постоянство скорости → эти явления присущи исключительно волновому движению. Вторая половина XIX в – Максвелл показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн + Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Герцем ß Главенство волновой теории света | |
| В начале ХХ в. выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все-таки имеет отношение к действительности ® при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц; обнаружены квантовые свойства света. |
ß
В 30-х гг. ХХ в. удалось непротиворечивым образом эти два представления о природе света объединить в новой физической теории – квантовой механике.
Единая теория света гласит: Свет может рассматриваться и как волновое распространение энергии, и как поток частиц, излучаемых источником в виде отдельных порций — квантов и фотонов. Причем каждый фотон является одновременно и электромагнитной волной определенной длины.
Свойства света:
— световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга
— прямолинейное распространение света (образование теней)
— оптические свойства света: отражение, преломление, поглощение (рассеивание), постоянство скорости
— обычно свет несет тепло
— имеет источник света → свет всегда носит характер лучей
— цветность → (вектор = точка + прямая линия)
Законы отражения и преломления утверждают, что:
1. на границе раздела двух сред происходит отражение и преломление светового луча.
2. отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным к границе раздела в точке падения.
3. угол падения равен углу отражения.
4. отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой.
*Поверхность – граница двух сред, два материала с разными оптическими свойствами. Мираж – оптическое явление в атмосфере: отражение света границей между резко разными по плотности слоями воздуха. Наблюдается при очень большом вертикальном градиенте температуры (падении её с высотой) над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или асфальтированной дорогой. Мнимое изображение неба создаёт при этом иллюзию воды на поверхности. Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой
Построение изображения возможно благодаря именно оптическим свойствам света, прямолинейности их распространения. Свет – это волна, но волна подчиняющаяся действию оптических законов, в отличие, например, от радиоволн (если мы поставим линзу на пути такой волны, это никак не повлияет на направление её движения).
Видимый свет – 400-700нм
Построение изображения линзой
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.
Волновые свойства. Современник Исаака Ньютона, нидерландский физик Христиан Гюйгенс, не отвергал существования корпускул, но полагал, что они не излучаются светящимися телами, а заполняют все пространство. Процесс распространения света Гюйгенс представлял не как поступательное движение, а как последовательный процесс передачи удара одной корпускулы о другую.
Сторонники Гюйгенса высказывали мнение, что свет есть распространяющееся колебание в особой среде — «эфире», которым заполнено все мировое пространство и который свободно проникает во все тела. Световое возбуждение от источника света передается эфиром во все стороны.
Так возникли первые волновые представления о природе света. Основную ценность начальной волновой теории света представляет принцип, первоначально сформулированный Гюйгенсом, а затем развитый Френелем. Принцип Гюйгенса-Френеля утверждает, что каждая точка, до которой дошло световое возбуждение, в свою очередь, становится центром вторичных волн и передает их во все стороны соседним точкам.
Наиболее наглядно волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференция света заключается в том, что при взаимном наложении двух волн может происходить усиление или ослабление колебаний. Принцип интерференции был открыт в 1801 г. англичанином Томасом Юнгом (1773 — 1829), врачом по профессии. Юнг провел ставший теперь классическим опыт с двумя отверстиями. На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого отверстия в зашторенном окне. За экраном наблюдалась вместо двух ярких точек серия чередующихся темных и светлых колец.
Необходимым условием наблюдения интерференционной картины является когерентность волн (согласованное протекание колебательных или волновых процессов). Явление интерференции широко используется в приборах — интерферометрах, с помощью которых осуществляются различные точные измерения и производится контроль чистоты обработки поверхности деталей, а также многие другие операции контроля.
В 1818 г. Френель представил обширный доклад по дифракции света на конкурс Парижской Академии наук. Рассматривая этот доклад, А. Пуассон (1781 — 1840) пришел к выводу, что по предлагаемой Френелем теории при определенных условиях в центре дифракционной картины от непрозрачного круглого препятствия на пути света должно быть световое пятно, а не тень. Это было ошеломляющее заключение. Араго Д.Ф. (1786 -1853) тут же поставил опыт, и расчеты Пуассона подтвердились. Так противоречащее внешне теории Френеля заключение, сделанное Пуассоном, превратилось с помощью опыта Араго в одно из доказательств ее справедливости, а также положило начало признанию волновой природы света.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения называется дифракцией. На явлении дифракции основаны многие оптические приборы. В частности, в кристаллографической аппаратуре используется дифракция рентгеновских лучей.
Волновую природу света и поперечность световых волн доказывает, кроме того, и явление поляризации. Сущность поляризации наглядно демонстрирует простой опыт: при пропускании света через два прозрачных кристалла его интенсивность зависит от взаимной ориентации кристаллов. При одинаковой ориентации свет проходит без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° свет полностью гасится, т.е. не проходит через кристаллы.
Явление поляризации можно объяснить, если принять, что свет представляет собой поперечные волны. При прохождении через первый кристалл происходит поляризация света, т.е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости — плоскости поляризации. Если плоскость, в которой пропускаются колебания вторым кристаллом, совпадает с плоскостью поляризации, поляризованный свет проходит через второй кристалл без ослабления. При повороте одного из кристаллов на 90° поляризованный свет не проходит через кристалл.
Волновую природу света подтверждает и явление дисперсии света. Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Цветную полоску называют сплошным спектром. Зависимость скорости распространения света в среде от длины волны называется дисперсией света. Дисперсия была открыта И. Ньютоном.
Разложение белого света объясняется тем, что он состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны и показатель преломления зависит от длины волны. Наибольшее значение показателя преломления для света с самой короткой длиной волны — фиолетового, наименьшее для самого длинноволнового света — красного. Опыты показали, что в вакууме скорость света одинакова для света с любой длиной волны.
Изучение явлений дифракции, интерференции, поляризации и дисперсии света привело к утверждению волной теории света.
Квантовые свойства света. В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрического эффекта. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает излучение. Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света вырываются отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы — электроны.
Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом. Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены в 1895 г. русским физиком А.Г. Столетовым (1839 — 1896).
Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось. Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от интенсивности светового излучения, существования красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света. Объяснение основных законов фотоэффекта было дано в 1905 г. А. Эйнштейном на основании квантовых представлений о свете.
Электромагнитная теория Максвелла и электронная теория Лоренца несмотря на свои огромные успехи были несколько противоречивы и при их применении встречался ряд затруднений. Обе теории основывались на гипотезе об эфире, только «упругий эфир» был заменен «эфиром электромагнитным» (теория Максвелла) или «неподвижным эфиром» (теория Лоренца). Теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощения света, фотоэлектрического эффекта, комптоновского рассеяния и т.д. Теория Лоренца, в свою очередь, не смогла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, в частности, вопрос о распределении энергии по длинам волн при тепловом излучении абсолютно черного тела.
Перечисленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 г. немецким физиком М.Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой (n):
E = hl,
где h — постоянная Планка.
Теория Планка не нуждается в понятии об эфире. Она объяснила тепловое излучение абсолютно черного тела.
А. Эйнштейн в 1905 г. создалквантовую теорию света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов — фотонов, энергия которых определяется приведенной формулой Планка, а масса равна:
где c — скорость света; l — длина волны.
Наиболее полно квантовые свойства электромагнитных волн проявляются в эффекте Комптона: при рассеянии монохроматического рентгеновского излучения веществом с легкими атомами в составе рассеянного излучения наряду с излучением, характеризующимся первоначальной длиной волны, наблюдается излучение с более длинной волной.
Квантовые представления о свете хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, законами взаимодействия излучения с веществом. Однако с помощью этих представлений нельзя объяснить такие хорошо изученные явления, как интерференция, дифракция и поляризация света. Эти явления хорошо объясняются в рамках волновых представлений. Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств — корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития науки привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света. Приведенные ранее выражения связывают корпускулярные характеристики излучения (массу и энергию кванта ) с волновыми (частотой колебания и длиной волны). Таким образом, свет представляет собой единство дискретности и непрерывности, что находится в полном соответствии с выводами материалистической диалектики.