Развитие представлений о природе света. Законы отражения и преломления света

  • docx
  • 21.06.2024
Публикация в СМИ для учителей

Публикация в СМИ для учителей

Бесплатное участие. Свидетельство СМИ сразу.
Мгновенные 10 документов в портфолио.

Иконка файла материала 37.Развитие представлений о природе света. Законы отражения и преломления света.docx

Развитие представлений о природе света.

Законы отражения и преломления света.

 

Важно отметить, что теорий, объясняющих природу света, было и есть огромное количество.

Например, греческий ученый Демокрит представлял, что свет – это поток частичек, которые исходят из светящихся тел.

Мы же подробно остановимся на двух из теорий, конкуренция между которыми и привела к развитию оптики. Начнем с теории Ньютона.

Корпускулярная теория

Исаак Ньютон полагал, что свет – это поток частичек (с лат. – корпускул). Также он предполагал, что эти частички и их движение подчиняются законам механики, и благодаря этому успешно доказывал закон отражения света, закон преломления света и другие известные на тот момент законы распространения света.

Однако существовали две проблемы, которые не подчинялись доказательству с помощью корпускулярной теории. Первая – данная теория не объясняла закон независимого распространения света. А именно, если два пучка света пересекаются в пространстве, они не влияют друг на друга, если же рассматривать свет как поток корпускул, то они должны сталкиваться друг с другом и, соответственно, влиять (рис. 1).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291420/8e751530_a2bc_0133_1264_12313c0dade2.jpg

Рис. 1. Пересечения двух пучков света в пространстве

Вторая проблема, с которой сталкивается корпускулярная теория, – тот факт, что если свет действительно представляет собой поток частиц, то скорость распространения света в вакууме должна быть меньше, чем скорость света в среде.

Но, как мы знаем, это совершенно не так, скорость света в вакууме максимальна, в среде же меньше.

Тем не менее научный авторитет Ньютона был столь высок, а эксперименты, проведенные им в области оптики, столь доскональными, что вплоть до XIX века его теория считалась основной.

 

Принцип Гюйгенса

Примерно в то же время, как Ньютон писал свой знаменитый труд «Оптика», вышел труд «Трактат про свет» голландского ученого Христиана Гюйгенса (рис. 2.3).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291421/8f4c9c00_a2bc_0133_1265_12313c0dade2.jpg

Рис. 2.3. Христиан Гюйгенс; его труд «Трактат про свет»

Это первый труд, в котором свет рассматривается как волна.

Согласно волновой теории Гюйгенса, свет – это волны, которые распространяются в световом эфире (гипотетической упругой среде, которая заполняет все мировое пространство, а также промежутки между мелкими частями тел).

Важно отметить, что ученый считал свет механической продольной волной, но, конечно же, это не так.

Тем не менее, сформулировав свой принцип, который носит название принципа Гюйгенса, он смог доказать и закон отражения света, и закон преломления света.

О чем же нам говорит принцип Гюйгенса?

Совокупность всех точек пространства, которых достигает световая волна в какой-то момент времени, называют волновой поверхностью, или волновым фронтом.

Лучи, которые задают направление распространения волны, перпендикулярны волновой поверхности (рис. 4).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291422/901f03a0_a2bc_0133_1266_12313c0dade2.jpg

Рис. 4. Волновая поверхность

Зная положение волновой поверхности в момент времени https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291423/915484d0_a2bc_0133_1267_12313c0dade2.gif, можно, пользуясь принципом Гюйгенса, найти положение в следующий момент времениhttps://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291424/92567a30_a2bc_0133_1268_12313c0dade2.gif 

Каждая точка среды, до которой дошло волновое возмущение, сама становится источником второй волны (рис. 5).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291425/933caa50_a2bc_0133_1269_12313c0dade2.jpg

Рис. 5. Принцип Гюйгенса

Волновая теория света была поддержана такими маститыми учеными, как Леонард Эйлер и Михаил Ломоносов. Тем не менее до начала XIX века свет все равно считался потоком корпускул.

Все изменилось, когда появились научные работы Томаса Юнга и Огюстена Жана Френеля. Они изучали явления дифракции и интерференции, а эти свойства света можно было объяснить только с точки зрения волновой теории. И таким образом волновая теория света стала основной.

 

Электромагнитная природа света

В середине XIX века шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл сформулировал свою теорию электромагнетизма. Согласно этой теории свет представляет собой частный случай электромагнитной волны. Примерно в то же время немецкий ученый Генрих Рудольф Герц провел свои знаменитые опыты, которые наглядно показали, что Максвелл был прав. Свет действительно представляет собой электромагнитную волну (рис. 6).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291426/94818100_a2bc_0133_126a_12313c0dade2.jpg

Рис. 6. Распространение электромагнитной волны

Так мы пришли к выводу, что свет – волна, правда не продольная механическая, как считал Гюйгенс, а электромагнитная поперечная. Но, тем не менее, оказалось, что волновая природа света очевидна.

В начале ХХ века все вновь меняется. Были открыты свойства света, которые уже и волновая теория не могла объяснить. В первую очередь речь идет о явлении фотоэффекта, а также о некоторых аспектах поглощения и излучения света. Объяснить их можно было, лишь предположив, что свет поглощается и излучается маленькими порциями – квантами. Таким образом, возникает парадокс (табл. 1).

Свет – волна

Свет – поток частиц

Интерференция, дифракция

Фотоэффект, квантовая гипотеза Планка

Таблица 1. Парадокс: свет проявляет одновременно и волновые, и корпускулярные свойства.

 

Корпускулярно-волновой дуализм

Принято считать, что свет обладает двойственной природой, говорят, что свету присущ корпускулярно-волновой дуализм, а именно в некоторых случаях он ведет себя подобно потоку частиц, а в некоторых – подобно волнам.

Безусловно, это не значит, что на самом деле все обстоит именно так. Корпускулярно-волновой дуализм является неким компромиссом, свидетельством того, что человечество еще не до конца разобралось в природе света.

Скорость света

Одним из самых мощных инструментов исследования природы света были попытки человечества измерить скорость света. То, что свет распространяется очень быстро, было ясно уже давно, но на сколько быстро?

Первые научные попытки измерения скорости света предпринял Галилео Галилей. На озере Комо, в Италии, он вместе со своим ассистентом расположился в лодках, удаленных одна от другой на расстоянии 4 км (рис. 7).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291427/9551ca80_a2bc_0133_126b_12313c0dade2.jpg

Рис. 7. Опыт Галилея

В темное время суток ассистент зажигал фонарь, Галилей фиксировал приход луча света, зажигал свой фонарь и ассистент фиксировал момент прихода луча света от Галилея. Таким образом, зная промежуток времени, в течение которого распространялся свет, а также расстояние между лодками, можно было измерить скорость света.

Конечно же, измерение было довольно грубым, в нем плохо учитывалось время реакции человека, но тем не менее это было одно из первых зафиксированных измерений скорости света в науке.

Метод Рёмера

Раз свет распространяется очень быстро, значит, должны быть и очень большие расстояния для того, чтобы фиксировать нормальные промежутки времени, в течение которых можно было бы измерять эту скорость. Именно с расстояниями таких масштабов мы сталкиваемся в астрономии. Так и есть, первый относительно точный результат получил датский ученый Рёмер, который исследовал затмения спутника Юпитера и при этом получил значение скорости света.

Наблюдая за спутником Земли, ученый заметил, что спутник входит в тень Юпитера через каждые 42 часа 28 минут (рис. 8).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291428/961cb5e0_a2bc_0133_126c_12313c0dade2.jpg

Рис. 8. Опыт Рёмера

Но в течение полугода, когда Земля, вращаясь вокруг Солнца, отдалялась от Юпитера, затмение спутника происходило с большим опозданием (рис. 9).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291429/9719cde0_a2bc_0133_126d_12313c0dade2.jpg

Рис. 9. Опыт Рёмера

Рёмер догадался, что такое опоздание объясняется увеличением расстояния, которое преодолевает свет, распространяясь от спутника к Земле. Зная диаметр орбиты Земли и время опоздания, ученый определил скорость света https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291430/981491f0_a2bc_0133_126e_12313c0dade2.gif.

Другие методы

С развитием уровня науки и техники ученые научились измерять скорость света не только в астрономических масштабах, но и в лабораториях.

Один из таких методов провел ученый Физо (рис. 10), а также известны опыты Майкельсона (рис. 11).

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291431/98dfa7b0_a2bc_0133_126f_12313c0dade2.jpg

Рис. 10. Эксперимент Физо

https://static-interneturok.cdnvideo.ru/content/konspekt_image/291432/99db75d0_a2bc_0133_1270_12313c0dade2.jpg

Рис. 11. Опыт Майкельсона

 

Основные законы геометрической оптики

 

Основные законы геометрической оптики были известны задолго до установления физической природы света.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0. Границы применимости геометрической оптики будут рассмотрены в разделе о дифракции света.

На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:

https://physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164590718-1.gif

Закон преломления был экспериментально установлен голландским ученым В. Снеллиусом в 1621 г.

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

n = n2 / n1.

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2:

 

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

 

Рис 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.

https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph1/images/3-1-1.gif

Рисунок 3.1.1.

Законы отражения и преломления: γ = α; n1 sin α = n2 sin β.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).

Для угла падения α = αпр  sin β = 1; значение sin αпр = n2 / n1 < 1.

Если второй средой является воздух (n2 ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде

sin αпр = 1 / n,

где n = n1 > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен αпр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) αпр = 48,7°.

https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph1/images/3-1-2.gif

Рисунок 3.1.2.

Полное внутреннее отражение света на границе вода–воздух; S – точечный источник света

Явление полного внутреннего отражения находит применение во многих оптических устройствах. Наиболее интересным и практически важным применением является создание волоконных световодов, которые представляют собой тонкие (от нескольких микрометров до миллиметров) произвольно изогнутые нити из оптически прозрачного материала (стекло, кварц). Свет, попадающий на торец световода, может распространяться по нему на большие расстояния за счет полного внутреннего отражения от боковых поверхностей (рис 3.1.3). Научно-техническое направление, занимающееся разработкой и применением оптических световодов, называется волоконной оптикой.

https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter3/section/paragraph1/images/3-1-3.gif

Рисунок 3.1.3.

Распространение света в волоконном световоде. При сильном изгибе волокна закон полного внутреннего отражения нарушается, и свет частично выходит из волокна через боковую поверхность

 

https://physics.ru/courses/op25part2/content/models/screensh/ReflectionRefraction.jpg

 

 

Модель. Отражение и преломление света

 

 


 

Скачано с www.znanio.ru