Как обьясняют природу света современные ученые. Презентация на тему "развитие взглядов на природу света"

Вопросы о природе света и законах распространения, ставились еще греческими философами. Евклид (300 год до н.э.) объяснял зрительное восприятие зрительными лучами, исходящими из глаз, которые ощупывали предмет. Также сформулировал закон прямолинейного распространения света. Бурное развитие оптика получила в конце 16 начале 17 веков, когда голландский ученый Янсен (1590 г) построил первый двухлинзовый микроскоп, а Галилей (1609 г) с помощью своего телескопа сделал ряд астрологических открытий (фазы Винеры, спутники Юпитера, горы на Луне). В 1620 году голландский ученный Снелль окончательно установил закон преломления, который в привычной для нас форме написал французский ученный Декарт .

Большой вклад в развитие оптики внес Исаак Ньютон (конец 17 века). Исходя из прямолинейности света, а также из-законов отражения и преломления он предположил, что свет это поток корпускул, испускаемые светящимся телом и летящие с огромной скоростью по механическим законам. Он сумел объяснить прямолинейность распространения света в однородной среде, корпускулы движутся по инерции. Закон отражения: корпускулы отражаются от границы 2-х сред, как шарики от ровной поверхности. Ньютон объяснил и закон преломления, но не уменьшением, а увеличение скорости движения корпускул в более плотной среде. Также Ньютон показал, что белый свет является составным и содержит «чистые цвета», корпускулы которых отличаются массой: фиолетовый корпускул самый легких, а красный – тяжелый (не угадал).

Наряду с корпускулярной концепцией света Ньютона, в 17 веке возникла и развивалась волновая теория Гука-Гюйгенса (распространения продольных деформаций в так называемом мировом эфире). Используя принцип Гюйгенса любая точка, до которой дошла световая волна является источником вторичных волн, также удается объяснить закон отражения и преломления, и явления дифракции (огибание препятствий) и интерференции (наложение).

Таким образом, к концу 17 века в оптике сложились две противоположные системы взглядов на природу света (корпускулярная и волновая), та и другая теория объясняли основные законы геометрической оптики, но у каждой были свои недостатки. Гюйгенс не смог объяснить дисперсию различных показателей преломления для различных цветов (Ньютон смог). Но и Ньютон при объяснении того, что свет частично отражается и частично преломляется пришлось предложить, что у корпускула случаются приступы отражения и преломления. Однако авторитет Ньютона привел к тому, что весь 18 век большинство физиков склонялось к корпускулярной теории света. Ни та ни другая теории не могут объяснить двойное лучепреломление обнаруженное в 1724 году Барталимусом, а также явление корреляции света. В 1717 году Ньютон показал, что корреляцию света можно объяснить только поперечными волнами, по мнению Ньютона опровергало волновую теорию света. В начале 19 века математиками разрабатывается теория колебаний и волн, которая успешно принимается к некоторым оптическим явлениям. Так в 1801 году английский ученый Юнг устанавливает принцип интерференции, Френель (в 1815 году) уточнил принцип Гюйгенса, добавив в него то, что вторичные волны интерферируют это и позволило объяснить интерференции света. На основе опытов Фарадея и Арго по интерференции поляризованного света Юнг предложил, что свет – это поперечная волна, пришлось приписывать эфиру упругие свойства (то есть эфир – это не жидкость или газ, а твердое тело).

Опыты Фарадея в 1846 году по взаимодействию с магнитным полем, а также исследования Максвелла в 1845 году позволили доказать, что свет есть электромагнитная волна. Теория Максвелла позволила объяснить и количественно оценить скорость распространения электромагнитных волн, а значит и света в различных средах. Казалось, что волновая теория победила, но результаты исследования спектральных особенностей излучения абсолютного черного тела, которые появились к концу 19 века. В 1901 году Планк показал, что излучение и поглощение электромагнитных волн не происходит непрерывно. Электромагнитные волны излучаются порциями (квантами), причем, энергия каждой порции определяется только частотой E = hv . Эйнштейн в 1905 году объяснил законы фотоэффекта, введя световые частицы – фотоны. То есть Эйнштейн показал, что свет не только поглощается и излучается квантами, но и распространяется в виде частиц, оставаясь при этом волной. Эти открытия Планка и Эйнштейна привели к возникновению квантовой механики, которая развивалась весь 20 век.

Взгляды на природу света в XVII-XIX вв. Ньютон придерживался корпускулярной теории, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны. Гюйгенс утверждал, что свет – это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющим пространство и проникающим во внутрь всех тел.

Голландия: ГЮЙГЕНС ХРИСТИАН «Теория о природе света» Вывод: Волновая теория света: Свет – это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде – эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел

Скорость света в вакууме В физике скорость света является одной из фундаментальных констант. Её определение связано с целыми эпохами в развитии физики: волновой оптикой (Т. Юнг, О. Френель), электродинамикой (Дж. К. Максвелл, Г. Герц, П. Н. Лебедев), квантовой теорией (М. Планк, А. Эйнштейн, Н. Бор), специальной теорией относительности (А. Эйнштейн).

Дания: РЁМЕР ОЛЕ КРИСТЕНСЕН г. «Астрономический метод измерения скорости света» Вывод: Скорость света С = км/с (С = км/с)

Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, можно получить значение скорости света: с = м: 1320 с 2,27108 м/с

Франция: ФИЗО АРМАН ИППОЛИТ ЛУИ 1819 – г. «Лабораторный метод измерения скорости света»

Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало т 1 располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало т 2 на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло ~ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса v = 12,6 об/с. Время движения света t=2 /c, поэтому дает с = 3, м/с

Англия: ЮНГ ТОМАС Франция: ФРЕНЕЛЬ ОГЮСТЕН ЖАН 1788–1827Вывод: Объяснили явления интерференции и дифракции, пользуясь представлениями о волновой теории света

В соответствии с прямыми методами измерений скорость света в вакууме теперь принимают равной с= ,2 м/c

XVI век – Г.Галилей 1676 год – О. Рёмер 1849 год – И. Физо Современные данные о скорости света с 1960 года Поставил вопрос о конечности скорости света. С 3*10 8 м/с Природа света И. Ньютон Х. Гюйгенс Т. Юнг О. Френель Свет - это поток частиц. Свет – это эл/м волна. Открыли явления интерференции и дифракции света. Методы определения скорости света Астрономический метод определения скорости света: км/с Лабораторный метод определения скорости света: км/с? Какова природа света? Развитие взглядов на природу света

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ Таким образом, свет имеет корпускулярно-волновые свойства. Квантовые и волновые свойства не исключают друг друга, а дополняют. Волновые свойства ярче проявляются при малых частотах и менее ярко при больших. Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением двух форм существования материи - вещества и поля.

С помощью каких методов измерили скорость света? Задача 1. На рисунке показана схема опыта, с помощью которого Галилей предлагал измерить скорость света. Открывая заслонку фонаря, нужно было определить, через сколько времени вернется свет, отразившись от зеркала. Покажите расчетами, приняв s= 1,5 км, в чем главная техническая трудность такого эксперимента.

Решение: Свет проходит путь, равный 2s, за время t = 2s/с =3 км/(310 5 км/с) = = с. Ответ: Обнаружить столь малый промежуток времени при таком опыте невозможно.

Задача* 2. В 1862 г. французский физик Фуко поставил следующий опыт Свет от источника S отражался вращающимся зеркалом А к неподвижному сферическому зеркалу В, центр которого совпадал с зеркалом А. На пути света ставили трубу с водой. За время t, в течение которого свет проходил в воде двойное расстояние АВ = 4 м, зеркало А поворачивалось на угол α и отраженный свет давал блик в точке S ; SAS = 72,8". Скорость вращения зеркала n = 800 об/с. Рассчитайте по этим данным скорость света с в воде. Скорость распространения электромагнитных волн зависит от среды и выражается формулой v =1/ ε с μ с с =1/ ε с μ с = м/с п = с/ v оптическая плотность среды

Решить дома: Задача. Допустим, что в опыте используют фотоаппарат с лампой- вспышкой, имеющий выдержку 1/500 с. На каком минимальном расстоянии s должно было бы находиться зеркало, чтобы отраженный им луч не засветил фотопленку? Принять условие: лампа посылает свет в тот же момент, как открывается затвор фотоаппарата.

1 Отпика 7

1.1 Развитие взглядов на природу света. Световые волны 7

1.2. Отражение и преломление плоской волны на гранях двух диэлектриков 10

1.3. Полное внутренне отражение 11

1.4. Соотношение между амплитудой и фазой 11

2 Интерференция 14

2.1 Явление интерференции. Сложение колебаний 14

2.2 Ширина интерференционных полос 15

2.3 Способы наблюдения интенсивности делением волнового фронта волны 17

2.4 Способы получения когерентных пучков делением амплитуды 17

2.5 Применение интерференции 20

3 Дифракция 23

3.1 Принцип Гюйгенса-Френеля 23

3.2 Прямолинейность распространения света. Зоны Френеля 25

3.3 Дифракция от среднего отверстия 27

3.4. Дифракционная решетка 29

4 Взаимодействие электромагнитных волн с веществом 29

4.1 Дисперсия света 29

4.2 Электронная теория дисперсии света 31

4.3 Поглощение (абсорбция света) 32

4.4 Рассеяние света 33

5 Квантовые свойства света 35

5.1 Виды фотоэлектрического эффекта 35

5.2 Законы внешнего фотоэффекта (законы Столетова) 37

5.3 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта 38

5.4 Применение фотоэффекта 39

Заключение 40

Список использованных источников 41

1 Отпика

1.1 Развитие взглядов на природу света. Световые волны

Уже в первые периоды оптических исследований были на опыте установлены следствие четырех основных закона оптических явлений:

Закон прямолинейного рассеивания света.

Закон независимости световых пучков (справедлив только в линейной оптике).

Закон отражения.

Закон преломления света на границах двух сред.

Первый: Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

Второй: Эффект, производимым отдельным пучком, от того действует ли одновременно остальные пучки или они устранены.

Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол падения равен углуотражения.

Четвертый: Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла преломления есть величина постоянна для данных сред:

где - относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Абсолютным показателем преломления среды называют величину , равную отношению скорости с электромагнитными волнами в вакууме к их фазовой скоростив среде

(1.1)

Основные законы были установлены давно, но точка зрения на них менялась на протяжении многих веков.

Так Ньютон придерживал теории истечения световых частиц, которые подчиняются законам механики. Гюйгенс выступал с другой (корпускулярной теорией света) теорией света. Он полагал, что световые возбуждения следует рассматривать как упругие импульсы, распространяется в особой среде – эфир (волновая теория света).

В течении XVIII века корпускулярная теория занимала господствующее положение, хотя борьба обоих теорий не прекращалась.

Затем труды Юнга и Френеля в XIX веке внесли большой вклад и дополнение в волновую оптику. Максвелл на основе своих теоретических исследованиях сформулировал заключение, что свет – это электромагнитная волна. Скорость электромагнитной волны в среде

(1.2)

где - скорость света в вакууме,- скорость в среде, имеющую диэлектрическую проницаемостьи магнитную проницаемость.

Так как
, то

(1.3)

(1.3) дает связь между оптическими, электрическими и магнитными константами вещества. Длина волны оптического диапазона . Модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой световой волной носит название интенсивность света.

,
.

,
.

Линии, вдоль которого распространяется световая энергия, называется лучами.
направлен по касательной к лучу. В изотропной среде
. Следствием теории Максвелла является поперчнность световых волн: векторы напряженностей электрическогои магнитныхполей взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скоростираспространяющегося луча, т.е. перпендикулярно лучу.

Обычно в оптике все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора интенсивности электрического поля. Так как при действии света на вещество, основное значение имеет электрическая составляющая поля волны, действующая на электроны в атомах вещества.

Свет представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают свет волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом характеризуется всевозможным равновероятным колебаниями светового вектора (см. рис. луч перпендикулярный плоскости рисунка).

Свет, со всевозможными равновероятными ориентациями вектора называется естественным. Если есть упорядоченность, то свет называется поляризованным. Если колебание происходят только в одной, проходящей через луч плоскости, свет называется плоско (линейно) поляризованным.

Плоско поляризованный свет является предельным случаем эллиптически поляризованного света – т.е. конец вектора во времени описывает эллипс.

; где - эллиптичность.

Первые представления о природе света , возникшие у древних греков и египтян, в дальнейшем, по мере изобретения и усовершенствования различных оптических приборов, развивались и трансформировались.

В средние века стали известны эмпирические правила построения изображений, даваемых линзами. В 1590 г. З. Янсен построил первый микроскоп, в 1609 г. Г. Галилей изобрел телескоп. Количественный закон преломления света при прохождении границы раздела двух сред установил в 1620 г. В. Снеллиус. Математическая запись этого закона в виде , принадлежит Р. Декарту (1637 г.) Он же попытался объяснить этот закон исходя из корпускулярной теории . Впоследствии формулировкой принципа Ферма (1660 г.) был завершен фундамент построения геометрической оптики.

Дальнейшее развитие оптики связано с открытиями дифракции и интерференции света (Ф. Гримальди, 1665 г.), двойного лучепреломления (Э. Бартолин, 1669 г.) и с работами И. Ньютона, Р. Гука, Х. Гюйгенса.

В конце XVII века на основе многовекового опыта и развития представлений о свете возникли две мощные теории света – корпускулярная (Ньютон – Декарт) и волновая (Гук – Гюйгенс).

Корпускулярные воззрения на природу света И. Ньютон развил в стройную теорию истечения. Свет – корпускулы , испускаемые телами и летящие с огромной скоростью. К анализу движения световых корпускул Ньютон, естественно, применил сформулированные им законы механики. Из этих представлений он легко вывел законы отражения и преломления света (рис. 7.11):

Рис. 7.11 - 7.13

Однако из рассуждений Ньютона следовало, что скорость света в веществе больше скорости света в вакууме : .

Кроме того, в 1666 г. Ньютон показал, что белый свет является составным и содержит «чистые цвета», каждый из которых характеризуется своей преломляемостью (рис. 7.12), т.е. дал понятие дисперсии света. Эта особенность была объяснена различием масс корпускул.

В то же время в XVII в. (наряду с концепцией Декарта – Ньютона) развивалась противоположная, волновая теория Гука – Гюйгенса о том, что свет есть процесс распространения продольных деформаций в некоторой среде , пронизывающей все тело , – в мировом эфире .

К концу XVII в. в оптике сложилось весьма своеобразное положение. И та и другая теории объясняли основные оптические закономерности: прямолинейность распространения, законы отражения и преломления. Дальнейшие попытки более полного объяснения наблюдаемых фактов приводили к затруднению в обеих теориях.

Гюйгенс не смог объяснить физической причины наличия различных цветов и механизм изменения скорости распространения света в эфире, пронизывающем различные среды.

Ньютону трудно было объяснить, почему при падении на границу двух сред происходит частичное и отражение, и преломление, а также интерференцию и дисперсию света. Однако огромный авторитет Ньютона и незавершенность волновой теории привели к тому, что весь XVIII в. прошел под знаком корпускулярной теории.

Начало XIX в. характеризуется интенсивным развитием математической теории колебаний и волн и ее приложением к объяснению ряда оптических явлений. В связи с работами Т. Юнга и О. Френеля победа временно перешла к волновой оптике .

· 1801 г. Т. Юнг формулирует принцип интерференции и объяснет цвета тонких пленок.

· 1818 г. О. Френель объясняет явление дифракции.

· 1840 г. О. Френель и Д. Арго исследуют интерференцию поляризованного света и доказывают поперечность световых колебаний.

· 1841 г. О. Френель строит теорию кристаллооптических колебаний.

· 1849 г. А. Физо измерил скорость света и рассчитал по волновой теории коэффициент преломления воды , что совпало с экспериментом.

· 1848 г. М. Фарадей открыл вращение плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея).

· 1860 г. Дж. Максвелл, основываясь на открытии Фарадея, пришел к выводу, что свет есть электромагнитные волны, а не упругие.

· 1888 г. Г. Герц экспериментально подтвердил, что электромагнитное поле распространяется со скоростью света с .

· 1899 г. П.Н. Лебедев измерил давление света.

Казалось, что спор полностью решен в пользу волновой теории света, так как в середине XIX в. были обнаружены факты, указывающие на связь и аналогию оптических и электрических явлений. Фарадеем, Максвеллом и другими учеными было показано, что свет – частный случай электромагнитной волны с . Только этот интервал длин волн оказывает воздействие на наш глаз и является собственно светом. Но и более длинные и более короткие волны имеют одну и ту же природу, что и свет.

Однако, несмотря на огромные успехи в электромагнитной теории света, к концу XIX в. начали накапливаться новые факты, противоречащие волновой теории света. Волновая теория не смогла объяснить распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела и явление фотоэффекта, которое в 1890 г. исследовал А.Г. Столетов.

В 1900 г. Макс Планк показал, что излучение абсолютно черного тела можно объяснить, если предложить, что свет излучается не непрерывно, а порциями, квантами с энергией , где ν – частота, h – постоянная Планка.

Макс Планк (1858–1947). С 1874 г. он изучал физику у Густава Кирхгофа и Германа Гельмгольца в Мюнхенском университете. В 1930 г. Макс Планк возглавил Институт физики Кайзера Вильгельма (теперь Институт Макса Планка) и занимал этот пост до конца жизни. В 1900 г. в работе, посвященной равновесному тепловому излучению, Планк впервые ввел предположение о том, что энергия осциллятора принимает дискретные значения, пропорциональные частоте колебаний, чем положил начало квантовой физики. Также Макс Планк внес большой вклад в развитие термодинамики.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта на основе представления о световых частицах – «квантах » света, «фотонах », масса которых

.

Это соотношение связывает корпускулярные характеристики излучения , массу и энергию кванта , с волновыми – частотой и длиной волны .

Работы Планка и Эйнштейна явились началом развития квантовой физики .

Итак, обе теории – и волновая, и квантовая – одновременно развивались, имея свои несомненные достоинства и недостатки, и как бы дополняли друг друга. Ученые уже начали приходить к мнению, что свет является одновременно и волнами, и корпускулами. И вот в 1922 г. А. Комптон окончательно доказал, что рентгеновские электромагнитные волны – одновременно и корпускулы (фотоны, кванты), и волны.

Таким образом, длительный путь исследований привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно-волновой природе света.

Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 80 % информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие как интерференция, дифракция, поляризация и др., в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики, благодаря их предметной наглядности и точности теоретических представлений.

Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика, как наука, закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях.

Наиболее важное событие в современной оптике – экспериментальное обнаружение методов генерации вынужденного излучения атомов и молекул – создание оптического квантового генератора (лазера) (А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и Ч. Таунс, 1954 г.).

В современной физической оптике квантовые представления не противоречат волновым, а сочетаются на основе квантовой механики и квантовой электродинамики.

Цель урока: формировать представление учащихся о природе света; корпускулярная или волновая; как определили, а потом измерили скорость света.

Ход урока

1. Анализ контрольной работы.

2. Изучение нового материала

Корпускулярная теория Ньютона. Волновая теория Гюйгенса.

1.Свет распространяется в виде потока 1.Свет распространяется в эфире

Частиц (корпускул) – 17 век. как поток волн – 17 век.

Доказательства: прямолинейное Доказательства: независимость

Распространение света, образование пучков света при пересечении.

Тени. В 1802 году Юнг получил дифракцию света,

В 19 веке открытие фотоэффекта а в 1803 году_- интерференцию света,

Доказало, что свет – это поток частиц. доказав, что свет – это волны.

Эти частицы назвали квантами. Максвелл доказал, что свет – это

Электромагнитные волны.

Современные представления о природе света: свет обладает корпускулярно – волновым дуализмом – излучается и поглощается порциями, а распространяется в виде волн.

Скорость света.

1. Астрономический метод измерения скорости света.

Датский астроном О. Рёмер, наблюдая затмения спутника Ио, ближайшего к планете Юпитер, заметил, опоздание его появления из тени планеты. По этому опозданию на 22 мин он сумел вычислить скорость света.

Вычисления Ремера были приблизительными, но главное, он доказал, что свет не распространяется мгновенно, а имеет конечную скорость.

2. Лабораторные методы измерения скорости света.

В 1849 году И. Физо (франц.) сумел измерить скорость света лабораторным методом.

Свет от источника попадает на полупрозрачную пластинку, а от нее на быстровращающееся зубчатое колесо. Пройдя в прорезь, между зубцами свет попадал на зеркало, находящееся на расстоянии 8,6 км. Отразившись от зеркала, свет опять попадал в прорезь между зубцами.

Зная, время перемещения зубца, оно равнялось прохождению света до зеркала и обратно, Физо вычислил скорость света. Она по его расчетам равнялась 313000 км/с.

Было разработано много других более точных лабораторных способов для измерения скорости света. Это установка французского физика Фуко, американского ученого Майкельсона и установки других ученых.

По современным измерениям, скорость света в вакууме составляет 299792458 м/с QUOTE .

Скорость света в каких – либо средах меньше, чем в вакууме. Например, в воде она составляет 3/ 4 от скорости в вакууме.

Измерение скорости света имело большое значение для развития и изучения оптических явлений. Оказалось, что ни какое тело или частица не может двигаться быстрее света.

Закрепление изученного материала

1.Какие две теории о природе света появились в 17 веке?