Какие волновые свойства проявляет свет
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.
Источник
С античных времен философы задумывались о том, что такое свет и какова его природа. Аристотель, Платон, Пифагор и другие мыслители высказывали свои предположения, но их идеи в наше время кажутся просто наивными.
Как начали изучать свет?
Настоящее изучение структуры света началось с изобретения увеличительных линз и телескопов. В 17 веке крупные ученые того времени начали детально исследовать структуру света опираясь на открытия дифракции, дисперсии и интерференции.
Крупнейший ученый 17-18 веков Исаак Ньютон высказал предположение, что свет представляет собой поток мельчайших частиц (корпускул) распространяющихся с очень большой скоростью.
Исаак Ньютон. Источник изображения: historyarch.com
Его идея прекрасно описывала прямолинейное распространение света и его дисперсию. Он полагал, что частицы разного цвета имеют различные размеры – самыми большими являются красные, минимальные размеры у фиолетовых корпускул. Смешение различных частиц дает белый цвет, который можно разложить с помощью призмы. Отражение света Ньютон объяснял отскакиванием частиц от поверхности твердого тела. Ученый полностью не отвергал волновую природу света, но все же возражал против нее с помощью нехитрого аргумента – если свет волна, то почему он не проходит сквозь изогнутую трубку, как это успешно делают звуковые волны.
В то же время голландский ученый Христиан Гюйгенс и научный противник Ньютона англичанин Роберт Гук сходились во мнении, что свет имеет волновую природу и распространяется в особой универсальной среде именуемой эфиром. По мнению Гюйгенса, каждый участок эфира способен возбуждать вторичные световые волны, что прекрасно помогало описать такие явления как интерференция (перераспределение минимумов и максимумов освещенности) и дифракцию (отклонение движения луча света от прямой).
Корпускулы или волны?
Некоторое время корпускулярная и волновая теория боролись между собой, причем первая имела даже больше сторонников – сказывался почти непререкаемый авторитет Ньютона. Однако Юнг и Френель успешно дорабатывали положения волновой теории, которая стала завоевывать все больше сторонников.
Джеймс Клерк Максвелл – британский физик, математик и механик. Источник изображения: hi.redsearch.org
В 60-70-х годах 19 века показалось, что корпускулярной теории света нанесен окончательный удар – англичанин Джеймс Максвелл создал систему уравнений описывающую электромагнетизм. Поскольку световые волны распространялись с той же скоростью, что и электромагнитные волны, было решено, что свет имеет исключительно волновую структуру.
До начала 20 века о ньютоновской теории практически никто и не вспоминал. Однако, в 1901 году Макс Планк вывел формулу описывающую излучение абсолютно черного тела, и он же предположил, что электромагнитные волны излучаются не постоянно, а дискретно (порциями), причем минимальная порция получила название «квант». Затем последовали работы Эйнштейна объясняющие явление фотоэффекта (за которую германский физик и получил Нобелевскую премию) и создание законов этого явления русским физиком Столетовым.
Опыт, иллюстрирующий явление фотоэффекта. При освещении пластины ультрафиолетовым светом, например от электрической дуги, электрометр будет очень быстро разряжаться. Если же сообщить пластине положительный заряд и затем осветить ультрафиолетовым светом, то электрометр не разрядится. Источник изображения: ours-nature.ru
Ситуация перевернулась с ног на голову. Теперь свет явно вел себя как поток отдельных частиц и с этим ничего нельзя было поделать. Отдельный квант света получил название «фотон», а физики всего мира задумались как объяснить его непонятную природу.
Абсолютно неожиданным явилось изучение прохождение одиночного фотона через две узких щели расположенные рядом (двойную щель), используемую для изучения волновых свойств света.
Опыт по интерференции света на двух щелях. Источник изображения: ecured.cu
На экране ошарашив экспериментаторов появилась интерференционная картина с ее минимумами и максимумами. Получалось невероятное – квант света перед двойной щелью распался на 2 части и прошел через обе щели. Но этого то и не могло быть ни в коем случае – фотон представляет собой единственный квант, который не делим по определению. А вот для волн проблемы с интерференционной картинкой при прохождении двойной щели не появляется – она просто обязана быть.
Корпускулярно-волновой дуализм
Поскольку противоречия между корпускулярной и волновой природой света оказались неразрешимы, оставалось признать, что он обладает как корпускулярной, так и волновой структурой. Название такой структуре дали корпускулярно-волновой дуализм света.
Свет проявляет свойства и волн, и частиц одновременно. Источник изображения:robertdee.pl
Самое оригинальное, что свои свойства свет проявляет в зависимости от проводимого эксперимента. В большинстве физических явлений он ведет себя как волна, а в фотоэффекте, эффекте Комптона и некоторых других физических явлениях он демонстрирует свои корпускулярные свойства.
Позднее было доказано, что не только фотоны, но и иные микрочастицы обладают корпускулярно-волновым дуализмом. В 1948 году физик из СССР В. Фабрикант экспериментально подтвердил волновые свойства электрона. Позднее они были обнаружены у протонов, нейтронов и даже атомов. В 2013 году зафиксировали дифракцию (а это волновое свойство) молекулы содержащей больше 800 атомов.
Итак, кто же был прав – Ньютон или Гюйгенс с Гуком? Получается, что по своему правы были оба – и только объединение их теорий дает относительно полную картину природы света.
А сейчас ответим на вопрос вынесенный в заглавие статьи.
Ответ уже очевиден – свет является и частицей, и волной одновременно. Придумано даже несколько смешное слово описывающее структуру света – «волнатица».
Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Источник
Анонимный вопрос
11 июля 2018 · 3,9 K
«Счастье есть удовольствие без раскаяния»
У всех волн, есть длина, частота, высота, амплитуда, а так же поляризация. Волновые свойства света проявляются в трех основных явлениях: интерференция, дифракция и дисперсия.
Длина волны и её частота – обратные величины: их произведение равно скорости волны в данной среде. Аленочка не… Читать дальше
По Эйнштейну, чем ближе тело или частица к скорости света, тем огромнее становится его масса. И вот,в Большом адронном коллайдере, протоны и ионы, движутся почти со скоростью света, и что это значит?
Сусанна Казарян, США, Физик
Релятивистской массы нет в природе и, согласно релятивистской механике Эйнштейна, масса остаётся инвариантной и равной массе покоя всегда, независимо от скорости (недоверчивым сюда).
Темп роста энергии частицы (E) с ростом скорости β = v/c (в единицах скорости света c) получен мною здесь. Если тело обладало скоростью β₁ = 0,9 при энергии Е₁, то для достижения скорости β₂ = 0,9…999 (n девятoк после запятой), потребуется энергия E₂ = (3,16)ⁿ⁻¹⋅Е₁. Получается, что с каждой новой девяткой в величине скорости (β), энергия должна быть увеличена в 3,16 раз. Таким образом, неограниченный рост числа девяток (n) в численном значении скорости (β), приводит к неограниченному росту энергии.
Mаксимальная скорость зарегистрированного материального объекта (протона), ускоренного до околосветовых скоростей в космическом пространстве, равна β = 0,9…999 (всего 23 девятки), а соответствующая энергия, E ~ 10¹¹ ГэВ. Области в галактиках и механизмы ускорения до этих скоростей пока неизвестны. Максимальные энергии столкновения протонов, достигнутые на ускорителе БАК (LHC) в ЦЕРН, равны 1,3×10⁴ ГэВ, что в системе отсчёта неподвижной мишени соответствует энергии протона = 9×10⁷ ГэВ или скорости протона β = 0,999 999 999 999 9999 (16 девяток). В обоих случаях масса протона остаётся неизменной и равной массе покоя, 0.938 ГэВ.
Согласно релятивистской механике, со скоростью света (β = 1) могут лететь только безмассовые частицы (фотоны), но и у них есть недостаток − они не могут лететь медленнее.
Прочитать ещё 11 ответов
Что такое интерференция?
Технарь, люблю ребенка, компьютерные игры, книги, фильмы и музыку, свою работу…
В физике данный термин обозначает сложение в пространстве нескольких (не менее двух) волн, при котором в разных точках получается усиление и ослабление амплитуды результирующей волны. Явление характерно для разных типов волн: звуковых, электромагнитных и даже волн на поверхности жидкости. Возможна она лишь в тех случаях, если волны являются когерентными.
Прочитать ещё 1 ответ
Слышал, что некоторые явления во Вселенной могут протекать со сверхсветовой скоростью, как это возможно?
Физик и популяризатор, сотрудник Института прикладной физики РАН · physh.ru
Несмотря на рспросространённое заблуждение, в природе отсутствует запрет на перемещение объектов со скоростью выше скорости света. Запрещено лишь с такой скоростью передавать энергию (а следовательно, и вещество) и информацию.
Типичные примеры сверхсветового движения в обыденной жизни: солнечный зайчик или точка смыкания лезвий ножниц. Рассмотрим, например, зайчик.
Преположим мы с помощью зеркала отражаем луч лазера в сторону Луны. На её поверхности возникает «зайчик»: светлое пятно от излучения лазера. Если мы немного повернём зеркало, то зайчик переместится. Из-за большого расстояния до Луны достаточно совсем небольшого поворота, чтобы зайчик пробежал от одного края лунного диска до другого. Скорость его перемещения легко может превысить скорость света.
Почему это не противоречит запрету на скорость передачи энергии и информации? Потому что зайчик не является материальным объектом. Это лишь условное название подсвеченного места. Само место, конечно, материально, но при движении зайчика атомы, на которые падает свет, никуда не двигаются. Материальным объектом является также свет лазера, но он переносит энергию от зеркала к зайчику, а не от того места, где зайчик был мгновение назад, к тому месту, где он сейчас.
Вообще, все примеры сверхсветовых движений в конечном итоге объясняются тем, что двигаются при этом нематериальные объекты, не способные переносить ни энергию, ни информацию.
Прочитать ещё 11 ответов
Как образуется видимый свет?
В теории это так, действительно, только наоборот, частоту нужно повышать) На практике все чуть сложнее.
Генерировать ток такой высокой частоты, как у видимого света – неизвестно возможно ли вообще.
Но в целом, суть у света такая же. Если радиоволны возникают из-за ускоренного движения электронов в проводах, то видимый свет создают те же электроны, но уже внутри атомов, при переходе с одного энергетического уровня на другой.
Прочитать ещё 1 ответ
Почему при квантовой запутанности фотоны могут передавать информацию быстрее скорости света?
При квантовой запутанности вообще нет никакой передачи информации. Есть корреляция (связь) и ничего более. Это как взять пару ботинок, один положить в одну коробку, другой в другую. Вы не будете знать где какой ботинок. Вы можете разнести коробки на разные стороны Земли. Но как только вы откроете одну из них и увидите, что там например левый ботинок, то вы сразу же узнаете, что во второй коробке точно правый ботинок. Вот общая суть явления, никаких чудес. Более того, если события происходят в двух очень удалённых точках, но промежуток времени между ними меньше, чем время достаточное для того, чтобы между ними успел пройти луч света, то вообще говоря нельзя сказать какое событие было первым. Это относительная вещь и она зависит от системы отсчета. Такие события причинно несвязанны и про них говорят, что их разделяет пространственно подобный интервал.
Прочитать ещё 5 ответов
Источник