Что такое свет с точки зрения электромагнитной теории

Электромагнитная теория света

В первой трети XIX в. произошел переворот в оптических представлениях. В результате работ Т. Юнга (Англия) Уравнение Максвелла и О. Ж. Френеля (Франция) старая ньютоновская корпускулярная теория, рассматривавшая свет как поток светоносных частиц, была отвергнута. Возродились на новой основе и в новом физико-математическом истолковании представления Гюйгенса о свете как волновом движении эфира. Крупным достижением физики XIX в. была выдвинутая английским ученым Джемсом Кларком Максвеллом (1831—1879) электромагнитная теория света (1865 г.), обобщившая опыты и теоретические построения многих физиков различных стран в области электромагнетизма, термодинамики и оптики.

Последователь Эрстедта и Фарадея, Максвелл разработал теорию электромагнитного поля. Математическим выражением нового учения явилась система уравнений, в равной мере относящихся как к электромагнитным, так и к оптическим явлениям и описывающих структуру электромагнитного поля. Из уравнений Максвелла в качестве основного следствия вытекал вывод о существовании электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света, и устанавливалась связь света с электромагнетизмом. Позднее существование электромагнитных волн было экспериментально доказано Генрихом Герцем (1857—1894) и явилось основой для всей радиотехники.

Физико-математические построения Максвелла сыграли важную роль в дальнейшем развитии естествознания и техники. Однако теория Максвелла не давала исчерпывающей характеристики всех электромагнитных явлений. Максвелл, как и все физики XIX в., исходил еще из предположения о существовании эфира — последней из мнимых «невесомых жидкостей», которая пережила и флогистон и теплород, но которой в конце концов предстояло разделить их судьбу.

В «Диалектике природы» Энгельс отмечал, что в области электричества еще предстоит сделать открытие, «подобное открытию Дальтона», т. е. атомистике, — открытие, «даю цее всей науке средоточие, а исследованию — прочную основу».(Ф Энгельс, Диалектика природы, стр. 84.) Прогноз Энгельса подтвердился, после того как была разработана электронная теория и учение об электричестве оказалось неразрывно связано с учением о строении атома.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА

В свое время Ньютон был убежден в том, что свет состоит из мельчайших частичек, скорость перемещения которых практически бесконечна, — говорит Т.Редже в предыстории вопроса. — Его современник Гюйгенс, напротив, был сторонником волнового механизма распространения света, подобного процессу распространения звука в воздухе или в любой материальной среде. Непререкаемый авторитет Ньютона не допустил признания гипотезы Гюйгенса. В 1700 году Юнг, Френель и некоторые другие ученые приступили к исследованию оптических явлений, непонятных с точки зрения представлений Ньютона. Эти явления прямо указывали на волновую природу света. Как ни парадоксально, но среди этих явлений были и кольца Ньютона, хорошо известные фотографам и возникающие, когда диапозитив помещается между стеклянными пластинами. Яркая окраска некоторых насекомых также возникает в результате сложных процессов интерференции световых волн, происходящих в тонких слоях жидких кристаллов, расположенных на поверхности тела насекомых». Однако, несмотря на очевидные успехи волновой механической теории света во второй половине XIX века, она была подвергнута сомнению по двум причинам. Одна — опыты Фарадея, открывшего действие магнитного поля на свет. Другая — исследования связи между электрическими и магнитными явлениями, которые проводил Максвелл. «Открытие электромагнитной природы света является великолепной иллюстрацией диалектики развития содержания и формы, — пишет П.С. Кудрявцев. — Новое содержание — электромагнитные волны — было выражено в старой форме картезианских вихрей. Несоответствие нового содержания, появившегося в результате развития электромагнетизма, не только старой форме теории дальнодействия, но и механической теории эфира ощущал уже Фарадей, искавший для выражения этого содержания новую форму. Такую форму он усматривал в силовых линиях, которые следовало рассматривать не статически, а динамически. Развитию этой мысли посвящены его работы „Мысли о лучевых вибрациях“ (1846) и „О физических линиях магнитной силы“ (1851). Открытие Фарадеем в 1845 году связи между магнетизмом и светом явилось новым содержанием в учении о свете и вместе с тем еще раз указывало на строгую поперечность световых колебаний. Все это плохо укладывалось в старую форму механического эфира». Фарадей выдвигает идею силовых линий, в которых происходят поперечные колебания. «Нельзя ли, — пишет он, — предположить, что колебания, которые в известной теории (волновой теории света. — Прим. авт.) принимаются за основу излучения и связанных с ним явлений, происходят в линиях сил, соединяющих частицы, а следовательно, массы материи в одно целое. Эта идея, если ее допустить, освободит нас от эфира, являющегося с другой точки зрения той средой, в которой происходят эти колебания». Ученый указывает, что колебания, происходящие в линиях сил, представляют собой не механический процесс, а новую форму движения, «некий высший тип колебания». Подобные колебания поперечны и потому могут «объяснить чудесные разнообразные явления поляризации». Они не похожи на продольные звуковые волны в жидкостях и газах. Его теория, как он говорит, «пытается устранить эфир, но не колебания». Эти магнитные колебания распространяются с конечной скоростью: «…Появление изменения в одном конце силы заставляет предполагать последующее изменение на другом. Распространение света, а потому, вероятно, всех лучистых действий, требует времени, и чтобы колебание линий силы могло объяснить явления излучения, необходимо, чтобы такое колебание также занимало время». Поиски новой формы привели ученого к становлению важной идеи поперечных магнитных колебаний, распространяющихся, как и свет, с конечной скоростью. Но это и есть центральная идея электромагнитной теории света — мысль, возникшая еще в 1832 году. Максвелл отмечал в записке к В.Бреггу: «Электромагнитная теория света, предложенная им (Фарадеем) в „Мыслях о лучевых вибрациях“ (май, 1846) или „Экспериментальных исследованиях“, — это по существу то же, что я начал развивать в этой статье („Динамическая теория поля“ (май, 1865), за исключением того, что в 1846 году не было данных для вычисления скорости распространения». Подобное признание, однако, не принижает заслуг в исследовании электромагнитного поля Джеймса Максвелла. Джеймс Максвелл (1831–1879) родился в Эдинбурге. Вскоре после рождения мальчика родители увезли его в свое имение Гленлэр. Сначала приглашали учителей на дом. Потом решено было отдать Джеймса в новую школу, носившую громкое название Эдинбургской академии. Максвелл окончил академию одним из первых, и перед ним распахнулись двери Эдинбургского университета. Будучи студентом, Максвелл выполнил серьезное исследование по теории упругости, получившее высокую оценку специалистов. И теперь перед ним встал вопрос о перспективе его дальнейшей учебы в Кембридже. Объем знаний Максвелла, мощь его интеллекта и самостоятельность мышления позволили ему добиться высокого места в своем выпуске. Он и занял второе место. Молодой бакалавр был оставлен в Кембридже — Тринити-колледже в качестве преподавателя. Однако его волновали научные проблемы. Помимо его старого увлечения — геометрии и проблемы цветов, которой он начал заниматься еще в 1852 году, Максвелл заинтересовался электричеством. 20 февраля 1854 года Максвелл сообщает Томсону о своем намерении «атаковать электричество». Результат «атаки» — сочинение «О Фарадеевых силовых линиях» — первое из трех основных трудов Максвелла, посвященных изучению электромагнитного поля. Слово «поле» впервые появилось в том самом письме Томсону, но ни в этом, ни в последующем сочинении, посвященном силовым линиям, Максвелл его не употребляет. Это понятие снова появится только в 1864 году в работе «Динамическая теория электромагнитного поля». Он публикует две основные работы по созданной им теории электромагнитного поля: «О физических силовых линиях» (1861–1862 годы) и «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864–1865 годы). За десять лет Максвелл вырос в крупнейшего ученого, творца фундаментальной теории электромагнитных явлений, ставшей, наряду с механикой, термодинамикой и статистической физикой, одним из устоев классической теоретической физики. «Трактат по электричеству и магнетизму» — главный труд Максвелла и вершина его научного творчества. В нем он подвел итоги многолетней работы по электромагнетизму, начавшейся еще в начале 1854 года. Предисловие к «Трактату» датировано 1 февраля 1873 года. Девятнадцать лет работал Максвелл над своим основополагающим трудом! Исследования, произведенные Максвеллом, привели его к выводу, что в природе должны существовать электромагнитные волны, скорость распространения которых в безвоздушном пространстве равна скорости света — 300 000 километров в секунду. Возникнув, электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света, занимая все больший и больший объем. Максвелл утверждал, что волны света имеют ту же природу, что и волны, возникающие вокруг провода, в котором есть переменный электрический ток. Они отличаются друг от друга только длиной. Очень короткие волны и есть видимый свет. «Предположение Максвелла о том, что изменения электрического поля влекут за собой возникновение потока магнитной индукции, явилось следующим шагом вперед, — пишет А.А. Коробко-Стефанов. — Таким образом, возникшее переменное электрическое поле вокруг магнитного, в свою очередь, создает переменное магнитное поле, охватывающее электрическое, которое вновь возбуждает электрическое, и т. д. Быстропеременные электрические и магнитные поля, распространяющиеся со скоростью света, образуют электромагнитное поле. Электромагнитное поле распространяется в пространстве от точки к точке, создавая электромагнитные волны. Электромагнитное поле в каждой точке характеризуется напряженностью электрического и магнитного полей. Напряженность электрического и магнитного полей — величины векторные, так как характеризуются не только величиной, но и направлением. Векторы напряженности полей взаимно перпендикулярны и перпендикулярны к направлению распространения». Поэтому электромагнитная волна является поперечной. Из теории Максвелла вытекало, что электромагнитные волны возникают в том случае, если изменения напряженности электрического и магнитного полей будут происходить очень быстро. Справедливость максвелловских представлений опытным путем доказал Генрих Герц. В восьмидесятые годы девятнадцатого века Герц приступил к изучению электромагнитных явлений, работая в аудитории длиной 14 метров и шириной 12 метров. Он обнаружил, что если расстояние приемника от вибратора менее одного метра, то характер распределения электрической силы аналогичен полю диполя и убывает обратно пропорционально кубу расстояния. Однако на расстояниях, превышающих 3 метра, поле убывает значительно медленнее и неодинаково в различных направлениях. В направлении оси вибратора действие убывает значительно быстрее, чем в направлении, перпендикулярном оси, и едва заметно на расстоянии 4 метров, тогда как в перпендикулярном направлении оно достигает расстояний, больших 12 метров. Этот результат противоречит всем законам теории дальнодействия. Герц продолжал исследование в волновой зоне своего вибратора, поле которого он позже рассчитал теоретически. В ряде последующих работ Герц неопровержимо доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся с конечной скоростью. «Результаты опытов, поставленных мною над быстрыми электрическими колебаниями, — писал Герц в своей восьмой статье 1888 года, — показали мне, что теория Максвелла обладает преимуществом перед всеми другими теориями электродинамики». Поле в этой волновой зоне в различные моменты времени Герц изобразил с помощью картины силовых линий. Эти рисунки Герца вошли во все учебники электричества. Расчеты Герца легли в основу теории излучения антенн и классической теории излучения атомов и молекул. Таким образом, Герц в процессе своих исследований окончательно и безоговорочно перешел на точку зрения Максвелла, придал удобную форму его уравнениям, дополнил теорию Максвелла теорией электромагнитного излучения. Герц получил экспериментально электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и показал их тождество с волнами света. В 1889 году Герц прочитал доклад «О соотношении между светом и электричеством» на 62-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей. Здесь он подводит итоги своих опытов в следующих словах: «Все эти опыты очень просты в принципе, но, тем не менее, они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно. Они означают блестящую победу теории Максвелла… Насколько маловероятным казалось ранее ее воззрение на сущность света, настолько трудно теперь не разделить это воззрение». В 1890 году Герц опубликовал две статьи: «Об основных уравнениях электродинамики в покоящихся телах» и «Об основных уравнениях электродинамики для движущихся тел». Эти статьи содержали исследования о распространении «лучей электрической силы» и, в сущности, давали то каноническое изложение максвелловской теории электрического поля, которое вошло с тех пор в учебники.

Что такое свет с точки зрения физики?

На протяжении всей жизни нас окружают удивительные вещи, предметы, места. Мы видим их, но вовсе не потому, что они существуют, а благодаря свету.

Если бы не свет, то у живых существ не было бы зрения как инструмента, и нам пришлось бы довольствоваться другими органами чувств. Как кроты, проживающие под землей, довольствуются слухом. Что же представляет собой свет? Что это за понятие с точки зрения физики и какое значение он имеет для жизни на Земле?

Что такое свет?

Тайну света люди пытались раскрыть в течение многих столетий, однако приблизиться к разгадке удалось только в XVIII веке. Сначала датский физик Ганс Эрстеда выяснил, что электроток способен оказывать влияние на стрелку в магнитном компасе, а затем британский математик Джеймс Максвелл сумел доказать, что магнитные и электрические поля существуют в виде волн, распространяющихся со скоростью света.

Из этого ученые дали определение света как формы электромагнитного излучения, которое воспринимается глазом человека.

Какова природа света?

Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами.

По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн, при этом возникающие в природе оптические эффекты становятся результатом сложения данных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.

Какие характеристики имеет свет?

Как и любое природное явление, свет обладает множеством уникальных характеристик, среди которых одной из важнейших является цвет. Электромагнитное излучение, воспринимаемое нашим глазом, различается по диапазону длин и частоте волны, что, в свою очередь, влияет на световой спектральный состав. К примеру, фиолетовый цвет видится при длине волн 380–440 нм и частоте 790–680 ТГц, а желтый – при показателях 565–590 нм и 530–510 ТГц.

Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляться и отражаться. Преломление света представляет собой изменение направления электромагнитных волн. В нашей обыденной жизни такое явление встречается повсеместно. Например, если посмотреть на стакан чая, в котором находится ложка, можно заметить, что на границе воздуха и жидкости она будто «преломлена».

Аналогично привычным явлением для нас является отражение света, позволяющее увидеть себя в водной глади, зеркале или на блестящих предметах. К другим характеристикам можно отнести способность света к поляризации и изменению интенсивности.

Какова скорость света?

Скорость света рассчитывается в двух субстанциях – в вакууме и прозрачной среде. В первом случае ее показатели неизменны. В космическом пространстве скорость света является фундаментальной постоянной единицей и составляет 299 792 458 метров в секунду.

Считается, что помимо света, с аналогичной скоростью в природе распространяются электромагнитные излучения (например, рентгеновские лучи или радиоволны) и, возможно, гравитационные волны. Скорость света, находящегося в прозрачной среде, может меняться в зависимости от фазы колебательных движений.

В связи с этим различают фазовую скорость, которая обычно (но необязательно) меньше скорости в вакууме, и групповую – всегда меньше скорости в вакууме.

Как свет воспринимается глазом?

Как говорилось выше, способность человека видеть окружающие предметы существует только благодаря свету. При этом мы не смогли бы воспринимать электромагнитные излучения, если бы в наших глазах не было специальных рецепторов, которые реагируют на данное излучение. Глазная сетчатка человека состоит из двух типов клеток – палочек и колбочек. Первые высоко чувствительны к освещению, поэтому могут работать только при низкой освещенности, то есть отвечают за ночное зрение. При этом они демонстрируют мир исключительно в черно-белых цветах.

Колбочки обладают пониженной чувствительностью к свету и обеспечивают дневное зрение, позволяющее видеть цветное изображение. Спектральный состав света хорошо воспринимается благодаря тому, что в наших глазах существуют 3 вида колбочек, которые различаются между собой распределением чувствительности.

Теоретические сведения. С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, в которой колебания векторов напряженности электрического и

С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, в которой колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей происходят перпендикулярно направлению распространения света (рис. 2.2).

Е и Н – вектора напряженности соответственно электрического и магнитного полей; С – вектор скорости распространения волны.

Вектор напряженности электрического поля волны Е часто называют световым вектором. Это обусловлено тем, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрического вектора.

Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых отдельными атомами тела. Излучение отдельного атома продолжается 10 –8 с. От каждого атома распространяются колебания Е и Н, происходящие в определенной плоскости (рис. 2.2). Мы же наблюдаем всегда суммарное действие многих атомов, а именно: множество всех возможных ориентировок Е и Н и быструю смену этих возможных ориентировок. Таким образом, свет, испускаемый обычными источниками, не имеет преимущественного направления колебаний, в нем представлены все направления колебаний Е, перпендикулярные к лучу. На рис. 2.3 показаны некоторые из возможных направлений колебаний вектора Е (вектор Н не указан).

Свет со всеми возможными ориентировками вектора Е (а следовательно, и вектора Н) называется естественным (рис. 2.3а). В естественном свете колебания различных направлений представлены с равной вероятностью (рис. 2.3).

Поляризованный свет – свет, в котором направления колебания вектора E каким-либо образом упорядочены.

Частично поляризованный свет (рис. 2.3б) – свет с преимущественным направлением колебаний вектора E.

Свет, в котором Е (а следовательно, и Н) имеет одно единственное направление, называется плоскополяризованным (рис. 2.3в).

Плоскость, проходящая через направление колебаний светового вектора Е и направление распространения волны, называется плоскостью поляризации.

На рис. 2.4 показано направление колебания вектора Е в плоскополяризованном свете. Из сказанного следует, что естественные источники света излучают волны не поляризованные.

Естественный свет можно преобразовать в плоскополяризованный, используя так называемые поляризаторы, пропускающие колебания только определенного направления.

Любой поляризатор может служить и анализатором, который предназначен для определения, поляризован свет или нет. В качестве поляризаторов и анализаторов используются пластина турмалина, поляроидные пленки, стопа Столетова, призма Николя и др.

Поставим на пути естественного света два поляроида, оси пропускания которых развернуты друг относительно друга на угол φ.

Вектор E_I световой волны после первого поляроида будет параллелен PP. Этот поляроид называют поляризатором, так как после него естественный свет стал поляризованным.

Рис. 2.5. Поляризация естественного света с помощью поляроида

После второго поляроида останется лишь вектор E_II, параллельный P’P’ его плоскости пропускания: E_׀׀ = E₁cosj. Так как интенсивность света I

E 2 , то после второго поляроида интенсивность будет

где E₁ – интенсивность перед вторым поляроидом. Полученное соотношение между интенсивностями носит название закона Малюса. Если E₁ выразить через I, то закон Малюса примет вид

. (2.2)

Закон Малюса строго выполняется лишь для идеальных поляроидов – поляризатора и анализатора.

Если эти поляроиды частично пропускают свет с вектором E, перпендикулярным осям пропускания, то после поляризатора свет будет частично поляризован. Идеальный поляризатор при PP параллельном P’P’ пропустит свет интенсивностью I_max, а при PP перпендикулярной P’P’ – свет интенсивностью I_min.

Степенью поляризации частично-поляризованного света называется величина . При идеальном поляризаторе I_min = 0 и P = 1, свет плоскополяризован.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков, то отраженный и преломленный лучи являются частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном – колебания, лежащие в плоскости падения.

Если угол падения равен углу Брюстера, который определяется соотношением

то отраженный луч является плоскополяризованным. Преломленный луч в этом случае поляризуется максимально, но не полностью. При этом отраженный и преломленный лучи взаимно перпендикулярны:

, .

Пусть угол падения i таков, что отраженный луч перпендикулярен преломленному, т.е. r = π/2 – i_B. Это условие называют условием Брюстера (рис. 2.6), а угол – углом Брюстера (i_B).

Рис. 2.7.Схематичное изображение законов отражения и преломления
на границе раздела двух сред

Используя закон преломления , получим формулу, определяющую угол Брюстера: .

При выполнении условия Брюстера тогда из формулы Френеля для получим:

.

Таким образом, при выполнении условия Брюстера, отраженный свет будет полностью поляризован в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Это утверждение носит название закона Брюстера.

Закон Брюстера имеет простое объяснение. Отраженная световая волна появляется за счет излучения электронов среды, совершающих вынужденные колебания под действием вектора преломленной волны. Это излучение имеет направленный характер: его интенсивность равна нулю в направлении колебаний зарядов. Направим под углом Брюстера на границу раздела плоскополяризованную волну с вектором , лежащим в плоскости падения.

Рис. 2.8.Диаграмма направленности излучения

На рис. 2.8 изображена диаграмма направленности излучения, возбужденного вектором . Нулевой минимум этой диаграммы при выполнении условия Брюстера совпадает по направлению с отраженным лучом.

Если вектор падающей волны направить перпендикулярно плоскости падения (рис. 2.9), то направление колебаний электронов будет перпендикулярно плоскости падения. Тогда диаграмма направленности будет развернута своим максимумом в направлении отраженного луча (рисунок ниже). Напомним, что пространственная форма диаграммы похожа на бублик без дырки.

Рис. 2.9.Диаграмма направленности излучения

Задание I.Проверка закона Малюса

1. Установить приборы на оптической скамье согласно рис. 2.10.

Рис. 2.10.Установка приборов на оптической скамье:

1 – осветитель, 2 – поляризатор, 3 – анализатор, 4 – фоторезистор

2. Подключить фоторезистор к микроамперметру.

3. Включить осветитель на максимальную мощность.

4. Установить угол между осями поляризации (пропускания) поляризатора и анализатора j = 0 0 . Для этого, вращая анализатор, добиться максимального значения фототока. При этом величины углов на угловой шкале поляризатора и анализатора должны быть одинаковыми.

5. Вращая анализатор, менять угол через каждые 10 0 до 180 0 , записать соответствующие показания микроамперметра в табл. 2.1.

6. Построить график экспериментальной зависимости отношения от угла между осями пропускания j.

7. Построить график зависимости от .

8. Сделать выводы.

Задание II.Проверка закона Брюстера

Поскольку отраженный от диэлектрической пластинки свет частично (или даже полностью) поляризован, проходящий свет также частично поляризуется и становится смешанным светом. Преимущественные колебания электрического вектора в прошедшем свете будут совершаться в плоскости падения. Максимальная, но не полная поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации проходящего света используют стопу стеклянных пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету. В этом случае можно получить практически полностью поляризованный проходящий свет, так как каждое отражение ослабляет пропущенные колебания, перпендикулярные плоскости падения.

Упражнение 1. Проверка закона Брюстера с помощью черного зеркала.

1. Установить на оптической скамье приборы на уровне луча согласно рис. 2.11.

Рис. 2.11.Расположение приборов на оптической скамье:

1 – осветитель, 2 – поляризатор, 3 – анализатор, 4 – черное зеркало с фоторезистором

2. Подключить фоторезистор черного зеркала к микроамперметру.

3. Включить осветитель на максимальную мощность.

4. Установить углы на угловой шкале поляризатора и анализатора на 0 ° .

5. Установить угловую шкалу на черном зеркале на отметке 90 ° .

6. Вращая угловую шкалу на черном зеркале с изменением угла a через каждые 10 ° , зафиксировать значения тока I₁ на микроамперметре.

7. Не меняя расположения приборов, установить 90 ° на угловой шкале поляризатора и анализатора.

8. Вращая угловую шкалу на черном зеркале, изменяя угол a через каждые 10 ° , зафиксировать значения тока I₂ на микроамперметре.

9. Результаты измерений занести в табл. 2.2.

10. Построить график зависимости фототока I₁ и I₂ от угла падения i на одном графике.

11. Определить угол Брюстера и рассчитать показатель преломления стекла черного зеркала.

12. Сделать соответствующие выводы.

Дополнительное задание к упражнению 1

1. Установить на оптической скамье приборы согласно рис. 2.12.

Рис. 2.12.Приборы на оптической скамье:

1 – осветитель, 2 – поляризатор, 3 – черное зеркало с фоторезистором

2. Подключить фоторезистор черного зеркала к микроамперметру.

3. Включить осветитель на максимальную мощность.

4. Установить на угловой шкале поляризатора угол 180 ° .

5. Установить угловую шкалу на черном зеркале под углом Брюстера.

6. Вращая угловую шкалу поляризатора, изменяя угол b через каждые 10 ° , фиксируя значения фототока на микроамперметре.

7. Результаты измерений занести в табл.2.3.

8. Построить график зависимости от угла b.

9. Построить график зависимости от .

10. Сделать соответствующие выводы.

Упражнение 2. Исследование поляризации света с помощью стеклянных пластин.

1. Установить на оптической скамье приборы согласно рис. 2.13.

Рис. 2.13. Расположение приборов на оптической скамье:

1 – осветитель, 2 – поляризатор, 3 – стопа пластин, 4 – фоторезистор

2. Подключить фоторезистор к микроамперметру.

3. Включить осветитель на максимальную мощность.

4. Установить на угловой шкале поляризатора угол 0 ° .

5. Установить угловую шкалу на стопе стеклянных пластин под углом 90 ° .

6. Вращая угловую шкалу стопы стеклянных пластин с изменением угла a через каждые 10 ° , фиксировать значения фототока I₁ на микроамперметре.

7. Результаты измерений занести в табл. 2.4.

8. Установить на угловой шкале поляризатора угол 90 ° .

9. Повторить пункт 6, фиксируя значения фототока I₂ на микроамперметре.

10. Результаты измерений занести в табл. 2.4.

11. Построить зависимости фототоков I₁, I₂, DI от угла падения луча i на стопу стеклянных пластин на одном графике.

12. По графику определить угол Брюстера и рассчитать показатель преломления для стекла стопы пластин.

13. Сделать соответствующие выводы.

1. Охарактеризуйте свет как электромагнитные волны. Что понимается под поперечностью световых волн.

2. Что такое интенсивность света?

3. В чем отличие естественного света, частично поляризованного света, плоскополяризованного света.

4. Какая плоскость называется плоскостью поляризации?

5. Что такое поляризатор? Что такое анализатор?

6. Сформулируйте закон Малюса.

7. Каковы способы поляризации естественного света?

8. Как формулируется Закон Брюстера?

9. Сделайте выводы по полученным результатам.

Список литературы

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие: в 3 т. Т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. / И. В. Савельев – Спб. и др.: Лань, 2008. – 317 с.

2. Курс физики: учеб. пособие для вузов по техн. специальностям и направлениям: в 2 т. / В.В. Арсентьев и др.; под ред. В.Н. Лозовского. –СПб. и др.: Лань. – т.1. – 2009. – 572 с.; т.2. – 2009. – 600 с.: ил.

3. Трофимова, Т. И. Курс физики: учеб. пособие для инж.-техн. специальностей вузов / Т. И. Трофимова. – М.: Academia, 2008. – 557 с.

4. Трофимова, Т. И. Краткий курс физики: учеб. пособие для вузов / Т. И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2009. – 531 с.

5. Детлаф, А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. М.: Высш. шк., 2002. – 717 с.

6. Детлаф, А. А. Курс физики: учеб. пособие для вузов / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – М.: Высш. шк., 2000. – 717 с.

7. Пронин, В. П. Практикум по физике для студентов сельскохозяйственных вузов / В. П. Пронин – СПб.: Лань, 2005. – 256 с.: ил.

8. Лабораторный практикум по физике: учеб. пособие для студентов втузов / А. С. Ахматов, В. М. Андреевский, А. И. Кулаков и др.; под ред. А. С. Ахматова. – М.: Высш. школа, 1980. – 360 с.

Оглавление

ОБЩИН ПОЛОЖЕНИЯ О РАБОТЕ В ОПТИЧЕСКОЙ

1. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФРАКЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ……………………………………. 6

2. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов всех специальностей

Составители ГОГЕЛАШВИЛИ Гоча Шотаевич

СТАВЕР Елена Юрьевна

ЦЕЛИЩЕВА Лариса Владимировна

Редактор П. Г. Павловская

Компьютерная набор и верстка Л. В. Целищева,

Подписано в печать Формат 60×84/16

Бумага офсетная. Печать офсетная.

Тираж __700__экз. Заказ № . С- .

Марийский государственный технический университет

424000 Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3

Марийского государственного технического университета

424006 Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17

Дата добавления: 2015-10-18 ; просмотров: 1299 . Нарушение авторских прав

Классическая электромагнитная теория света

В физике световые явления являются оптическими, так как относятся к данному подразделу. Действия этого феномена не ограничиваются лишь тем, чтобы окружающие людей предметы были заметны. Кроме этого, солнечное освещение передает тепловую энергию в пространстве, в результате этого тела нагреваются. На основе этого были выдвинуты определенные гипотезы о природе данного явления.

Энергетический перенос осуществляется телами и волнами, распространяющимися в среде, таким образом, излучение состоит из частиц, называемыми корпускулами. Так их назвал Ньютон, после него появились новые исследователи, которые усовершенствовали эту систему, были Гюйгенс, Фуко и пр. Электромагнитная теория света была выдвинута чуть позднее Максвеллом.

Истоки и развитие теории света

Благодаря самой первой гипотезе Ньютоном была сформирована корпускулярная система, где четко разъяснялась сущность оптических явлений. Цветовые различные излучения описывались как структурные составляющие, входящие в эту теорию. Интерференцию и дифракцию объяснил ученый из Голландии Гюйгенс в XVI веке. Этот исследователь выдвинул и описал теорию света на основе волн. Однако все созданные системы были не оправданы, так как не разъясняли саму сущность и основу оптических явлений. В результате долгих поисков вопросы истинности и подлинности световых излучений, а также их сущность и основа остались нерешенными.

Спустя несколько столетий несколько исследователей под началом Фуко, Френеля начали выдвигать иные гипотезы, благодаря чему выяснилось теоретическое преимущество волн перед корпускулами. Однако и у этой теории были недостатки и недоработки. По сути, это созданное описание предполагало наличие некоего вещества, которое находится в пространстве, ввиду того, что Солнце и Земля на далеком расстоянии друг от друга. В случае, если свет свободно падает и проходит через эти объекты, следовательно, в них присутствует поперечные механизмы.

Дальнейшее становление и совершенствование теории

На основе всей этой гипотезы возникли предпосылки для создания новой теории о мировом эфире, который заполняет тела и молекулы. А с учетом особенностей этого вещества оно должно быть твердым, в результате ученые пришли к выводу, что он обладает упругими свойствами. По сути, эфир должен оказывать влияние на земной шар в пространстве, но этого не происходит. Таким образом, это вещество ничем не оправдано, кроме того, что через него струится световое излучение, и оно обладает твердостью. На основе таких противоречий данная гипотеза была поставлена под сомнение, лишена смысла и дальнейших исследований.

Труды Максвелла

Волновые свойства света и электромагнитная теория света, можно сказать, стали единым целым, когда Максвелл начал свои исследования. В ходе изучения было обнаружено, что скорость распространения указанных величин совпадают, если находятся в вакууме. В результате эмпирического обоснования, Максвеллом выдвинута и доказана гипотеза об истинной природе света, которая удачно подтверждалась годами и другими практиками, опытом. Таким образом, в позапрошлом столетии создалась электромагнитная теория света, применяющаяся и сегодня. Позже она будет признана классической.

Волновые свойства света: электромагнитная теория света

На основе новой гипотезы была выведена формула λ = c/ν, которая указывает на то, что при расчете частоты можно найти длину. Световые излучения являются электромагнитными волнами, но только в том случае, если они ощутимы для человека. Кроме того, такими можно назвать и к ним относятся с колебанием от 4·10 14 до 7,5 · 10 14 Гц. В данном диапазоне частота колебаний может варьироваться и цвет излучения разный, причем на каждом отрезке или интервале будет характерный и соответствующий для него цвет. В результате по частоте указанной величины находится длина волны в вакууме.

При расчете видно, что световое излучение может быть от 400 нм до 700 нм (фиолетовый и красный цвета). При переходе оттенок и частота сохраняются и зависят от волновой длины, которая меняется на основе скорости распространения и указывается для вакуума. Электромагнитная теория света Максвелла основана на научном обосновании, где излучение оказывает давление на составляющие тела и непосредственно на него. Правда, позже эта концепция была проверена и доказана эмпирическим путем Лебедевым.

Электромагнитная и квантовая теория света

Излучение и распределение светящихся тел по частотам колебаний не согласуется с законами, которые были выведены из волновой гипотезы. Подобное утверждение исходит из анализа состава этих механизмов. Физик из Германии Планк попытался найти объяснение такому результату. Позже он пришел к выводу, что излучение происходит в виде определенных порций – квант, затем эту массу стали называть фотоны.

В результате анализ оптических явлений привел к выводу, что световое испускание и поглощение объяснялись с помощью массового состава. В то время как те, что распространялись в среде, были разъяснены волновой теорией. Таким образом, чтобы полностью изучить и описать данные механизмы требуется новая концепция. Причем новая система должна была объяснять и объединять различные свойства света, то есть корпускулярные и волновые.

Развитие квантовой теории

В результате труды Бора, Эйнштейна, Планка были положены в основу этой усовершенствованной структуры, которая была названа квантовой. На сегодняшний день эта система описывает и поясняет не только классическую электромагнитную теорию света, но и другие разделы физического знания. По существу, новая концепция легла в основу множества свойств и явлений, протекающих в телах и пространстве, а кроме этого, огромное количество ситуаций предсказала и разъяснила.

По существу, электромагнитная теория света кратко описывается как явление, в основе которого присутствуют различные доминанты. Например, корпускулярные и волновые переменные оптики имеют связь и выражаются формулой Планка: ε = ℎν, здесь присутствуют квантовая энергия, электромагнитного излучения колебания и их частота, постоянный коэффициент, который не меняется ни для каких явлений. Согласно новой теории, оптическая система с определенными варьирующимися механизмами состоит из фотонов с силой. Таким образом, теорема звучит так: квантовая энергия прямо пропорциональна электромагнитному излучению и его частотным колебаниям.

Планк и его труды

Аксиома c = νλ, в результате формулы Планка производится ε = hc / λ, так можно прийти к выводу, что указанное выше явление — обратное длине волны при оптическом влиянии в вакууме. Опыты, проведенные в закрытом пространстве, показали, что пока существует фотон, он будет двигаться по определенной скорости и замедлить свой темп не сможет. Однако поглощается частицами веществ, которые встретятся ему на пути, в результате происходит взаимообмен, и он исчезает. В отличие от протонов и нейтронов не имеет массы покоя.

Электромагнитные волны и теории света до сих пор не поясняют противоречивые явления, например, в одной системе будут ярко выраженные свойства, а в другой корпускулярные, но, тем не менее, все они объединены излучением. На основе концепции квант существующие свойства присутствуют в самой природе оптической структуры и в общей материи. То есть частицы обладают волновыми свойствами, а эти в свою очередь корпускулярными.

Световые источники

Основы электромагнитной теории света опираются на аксиому, которая гласит: молекулы, атомы тел создают видимое излучение, которое называется источником оптического явления. Существует огромное количество предметов, производящих этот механизм: лампа, спички, трубки и др. Причем каждую подобную вещь можно условно разделить на равнозначные группировки, которые определяются по способу накала частиц, реализующих излучение.

Структурированные источники света

Изначальное происхождение свечения происходит из-за возбуждения атомов и молекул ввиду хаотического движения в теле частиц. Это возникает, потому что температура достаточно высока. Излучаемая энергия повышается за счет того, что их внутренняя сила возрастает и накаляется. Такие предметы относятся к первой группе источников света.

Накаливание атомов и молекул возникает на основе летящих частиц веществ, причем это не минимальное скопление, а целый поток. Температура здесь не играет особой роли. Такое свечение называют люминесценцией. То есть оно всегда возникает ввиду того, что тело поглощает внешнюю энергию, вызванную электромагнитным излучением, химической реакцией, протонами, нейтронами и пр.

А источники называются люминесцентными. Определение электромагнитной теории света этой системы звучит следующим образом: если после поглощения телом энергии проходит некоторое время, измеримое опытным путем, и затем оно производит излучение не из-за температурных показателей, следовательно, оно относится к вышеуказанной группе.

Детальный разбор люминесценции

Однако подобные характеристики не полностью описывают эту группу, ввиду того, что она обладает несколькими видами. По сути, после поглощения энергии тела пребывают в накаливании, затем испускают излучение. Время возбуждения, как правило, варьируется и зависит от множества параметров, зачастую не превышает нескольких часов. Таким образом, способ накаливания может быть нескольких типов.

Разреженный газ начинает испускать излучение после того, как через него прошел прямой ток. Такой процесс называется электролюминесценцией. Наблюдается в полупроводниках и светодиодах. Происходит это таким образом, что пропускание тока дает рекомбинацию электронов и дырок, за счет этого механизма и возникает оптическое явление. То есть, преобразовывается энергия из электрической в световую, обратный внутренний фотоэффект. Кремний считается инфракрасным излучателем, а фосфид галлия и карбид кремния реализуют видимое явление.

Сущность фотолюминесценции

Тело поглощает свет, а также твердые вещества и жидкости излучают длинные волны, которые отличаются по всем параметрам от изначальных фотонов. Для накала используется ультрафиолетовый накал. Данный способ возбуждения называется фотолюминесценцией. Возникает оно в видимой части спектра. Излучение трансформируется, именно этот факт был доказан английским ученым Стоксом в XVIII веке и теперь является аксиоматическим правилом.

Квантовая и электромагнитная теория света описывают концепцию Стокса следующим образом: молекула поглощает порцию излучения, затем передает ее другим частицам в процессе теплообмена, остатки энергии испускают оптическое явление. При формуле hν = hν – A, выходит, что частота излучения люминесценции ниже поглощенной частоты, в результате получается, что длина волны больше.

Временные рамки распространения оптического явления

Электромагнитная теория света и теорема классической физики указывают на факт того, что скорость указанной величины велика. Ведь расстояние от Солнца до Земли он проходит за несколько минут. Множество ученых пыталось анализировать прямую линию времени и то, как проходит свет через одно расстояние к другому, но им в основе так это и не удалось.

По сути, электромагнитная теория света основана на скорости, которая является главной константой физики, но при этом не предсказуемой, а возможной. Были созданы формулы, и после проверок выяснилось, что распространение и движение электромагнитных волн зависит от среды пребывания. Причем, определяется эта переменная абсолютным показателем преломления пространства, где размещается указанная величина. В любое вещество способно проникнуть световое излучение, в результате магнитная проницаемость понижается, ввиду этого скорость оптики определяется диэлектрической константой.