Что такое свет

Согласно волновой теории свет представляет собой электромагнитную волну.

Видимое излучение (видимый свет) – электромагнитное излучение, непосредственно воспринимаемое человеческим глазом, характеризующееся длинами волн в диапазоне 400 – 750 нм, что соответствует диапазону частот 0,75·10 15 – 0,4·10 15 Гц. Световые излучения различных частот воспринимаются человеком как разные цвета.

Инфракрасное излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны около 0,76 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (с длиной волны 1-2 мм). Инфракрасное излучение создает ощущение тепла, поэтому его часто называют тепловым.

Ультрафиолетовое излучение – невидимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучениями в пределах длин волн от 400 до 10 нм.

Электромагнитные волны – электромагнитные колебания (электромагнитное поле) распространяющиеся в пространстве с конечной скоростью, зависящей от свойств среды (в вакууме - 3∙10 8 м/с). Особенности электромагнитных волн, законы их возбуждения и распространения описываются уравнениями Максвелла. На характер распространения электромагнитных волн влияет среда, в которой они распространяются. Электромагнитные волны могут испытывать преломление, дисперсию, дифракцию, интерференцию, полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы. В однородной и изотропной среде вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, волновые уравнения для электромагнитных (в т.ч. и для световых) волн имеют вид:

где и – соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды, и – соответственно электрическая и магнитная постоянные, и – напряжённости электрического и магнитного поля, – оператор Лапласа. В изотропной среде фазовая скорость распространения электромагнитных волн равна Распространение плоских монохроматических электромагнитных (световых) волн описывается уравнениями:

kr ; kr (6.35.2)

где и – соответственно амплитуды колебаний электрического и магнитного полей, k – волновой вектор, r – радиус-вектор точки, – круговая частота колебаний, – начальная фаза колебаний в точке с координатой r = 0. Векторы E и H колеблются в одинаковой фазе. Электромагнитная (световая) волна поперечна. Векторы E , H , k ортогональны друг другу и образуют правую тройку векторов. Мгновенные значения и в любой точке связаны соотношением Учитывая, что физиологическое воздействие на глаз оказывает электрическое поле, уравнение плоской световой волны, распространяющейся в направлении оси можно записать следующим образом:

Скорость света в вакууме равна

. (6.35.4)

Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называется абсолютным показателем преломления среды :

(6.35.5)

При переходе из одной среды в другую изменяются скорость распространения волны и длина волны , частота остается неизменной. Относительным показателем преломления второй среды относительно первой называется отношение

где и – абсолютные показатели преломления первой и второй среды, и – скорость света в первой и второй среде соответственно.

Большую часть информации об окружающем мире человек воспринимает через органы зрения. Но сами глаза способны видеть лишь один вид энергии - электромагнитную, да и то в очень узком световом диапазоне. Так что такое свет? Какие известные источники видимого излучения использует человек? В чем заключается двойственная природа света? И каковы его основные свойства? Сейчас выясним ответы на эти вопросы.

Свет как электромагнитная волна

Светом считают электромагнитную волну, которую способен видеть глаз человека. Для этого длина этой волны не должна выходить за границы от 380-400 нм до 760-780 нм. После 780 нм начинается инфракрасный диапазон, который человек может ощущать, как тепло, а перед видимым спектром идет ультрафиолетовое излучение. Его способны видеть некоторые насекомые и птицы, а кожа человека может отреагировать на него загаром. Сам видимый диапазон электромагнитного излучения разделен на отрезки, каждый из которых человек воспринимает как свет определенного цвета. К примеру, фиолетовый соответствует длине волны 380-440 нм, зеленый - 500-565 нм, а красный - 625-740 нм. Всего выделяют 7 основных цветов видимого спектра, их можно наблюдать, глядя на радугу. А вот белый свет - это смешение всех цветов спектра.

Источники света

Источником света является нагретое до определенной температуры или возбужденное вещество. На Землю свет поступает с Солнца, других звезд, некоторых разогретых планет, комет и иных небесных тел. На нашей планете источником света может быть огонь - костер, пламя свечи, факела или масляной лампы, а также разогретое вещество. Человек изобрел и искусственные источники видимого излучения, в частности, лампу накаливания, где свет излучает разогретая электротоком вольфрамовая спираль, люминесцентную лампу, в которой светится слой люминофора, возбужденный электроразрядом в наполняющем колбу газе, галогенную лампу, ртутную и другие.

Свойства света

Отражение

Видимое электромагнитное излучение распространяется в вакууме и однородных прозрачных средах прямолинейно со , равной примерно 300 000 км/с. При этом свет имеет множество иных свойств. Например, свет отражается от непрозрачных поверхностей, причем угол падения равен углу отражения. В результате отраженный от предметов свет воспринимается глазом и позволяет видеть эти предметы. Также заметим, что Луна и некоторые планеты - не источники света, а видим их мы потому, что эти небесные тела отражают излучение Солнца.

Преломление

При переходе между двумя средами с разной оптической плотностью свет способен преломляться. Скажем, когда луч переходит из воздуха в воду, из-за разной оптической плотности этих сред меняется скорость и направление движения в них света. Именно поэтому ложка в стакане воды кажется немного переломанной, а камешки на дне озера представляются ближе, чем на самом деле.

Интерференция и дифракция

Волновая природа света проявляется в таких его свойствах, как интерференция и дифракция. Первое свойство заключается в способности нескольких волн складываться в результирующую волну, параметры которой в разных точках заметно усиливаются или ослабевают. Результат интерференции света можно наблюдать в виде игры радужных разводов на мыльных пузырях, масляных пятнах или крыльях насекомых. А дифракция - это способность волны света огибать препятствие и попадать в область его геометрической тени, например, рассеивание света на капельках воды в виде радужных облаков.

Свет как поток частиц

При этом свет имеет не только волновые свойства, а в некоторых случаях ведет себя как поток частиц - фотонов. В частности, закономерности явления фотоэффекта, когда падающий на вещество свет вырывает из него электроны, можно объяснить лишь с точки зрения корпускулярной теории света, представляющей электромагнитное излучение в виде потока фотонов. Однако волновая и фотонная теории света не только не противоречат друг другу, а взаимно дополняют. В научной среде говорят о корпускулярно-волновой двойственности света, которая объясняет, что такое свет, выявляет его свойства как волны и как потока частиц.

В современной физике свет описывается либо как электромагнитные волны, либо как фотоны.

2.5.1. Электромагнитные волны

Электромагнитные волны включают в себя комбинацию электрических и магнитных полей. Рассмотрим электрический заряд. Он создает вокруг себя электрическое поле. Если заряд движется, он создает магнитное поле. Было теоретически показано и экспериментально подтверждено, что эти электрические и магнитные поля объединяются и вызывают возмущение, которое распространяется через пространство и называется электромагнитной волной. Эта волна является самораспространяющейся, поскольку изменяющееся электрическое поле вызывает изменение магнитного поля, которое затем вызывает новое изменение электрического поля и т. д. Таким образом, происходит постоянный обмен энергией между электрическим и магнитным полями.

Когда электромагнитная волна сталкивается с материей, ее электрические и магнитные поля заставляют заряженные частицы этой материи колебаться таким же образом, как в исходной волне. Это позволяет энергии передаваться через материал без перемещения самой материи. Все электромагнитные волны обладают следующими свойствами.

Они создаются движущимися зарядами.

Они являются поперечными волнами, в которых электрическое и магнитное поля взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения волн.

Они не требуют для своего распространения какого-либо материала, но могут распространяться сквозь материал без перемещения вещества.

Они все движутся в свободном пространстве с одинаковой относительной скоростью, которая называется скоростью света.

Количественно поведение электромагнитных волн описывается уравнениями Максвелла, однако их рассмотрение выходит за рамки данной книги, где мы концентрируемся на практических приложениях, а не на отвлеченной теории.

2.5.2. Фотоны

Фотоны рассматриваются как дискретные частицы электромагнитной энергии. Планк предположил, что энергия излучается вспышками, называемыми "квантами", в которых количество энергии пропорционально частоте. Это выражается формулой

где h - постоянная Планка (6,63 х 10 -34 Джоуль/сек.).

Квант света называется фотоном. У фотона есть некоторые свойства частицы, поскольку он дискретен и конечен. Свет, однако, это также и волна, что можно наблюдать в эффектах дифракции и интерференции. Таким образом оказывается, что свет одновременно частица и волна. Это противоречие, поскольку частица конечная и дискретная, тогда как волна бесконечная и непрерывная. Физики рассматривают обе теории как взаимно дополняющие друг друга, но не применяют их одновременно. Этот эффект известен как партикулярно-волновой дуализм света, а обе физические модели равно верны и полезны в описании различных оптических эффектов. Интересно заметить, что в обоих моделях имеются части, не согласующиеся друг с другом.

Свет в виде фотонов или волн движется в свободном пространстве со скоростью примерно 300000 км/с (3 х 10 8 м/с). Многие эффекты можно лучше рассмотреть, представляя свет как лучи, движущиеся по прямым линиям между оптическими компонентами или через них. Лучи изменяются (отражаются, преломляются, рассеиваются и т. д.) на оптических поверхностях утих устройств. Такое оптическое поведение

Свет - это форма энергии, видимая человеческим глазом, которую излучают движущиеся заряженные частицы.

Солнечный свет играет важную роль в жизни живой природы. Он необходим для роста растений. Растения преобразуют энергию солнечного света в химическую форму с помощью процесса фотосинтеза. Нефть, уголь и природный газ являются остатками растений, живших миллионы лет назад. Можно сказать, что это энергия преобразованного солнечного света.

Ученые с помощью экспериментов доказали, что время от времени свет ведет себя как частица, а в другое время как волна. В 1900 году квантовая теория Макса Планка объединила две точки зрения ученых на свет. И в современной физике свет рассматривают как поперечные электромагнитные волны, видимые человек, которые излучаются квантами света (фотонами) - частицами не имеющими массы и движущимися со скоростью

Характеристики света

Как любую волну, свет можно охарактеризовать длиной (λ), частотой (υ) и скоростью распространения в какой-либо среде (v). Связь между этими величинами демонстрирует формула:

Видимый свет лежит в диапазоне длин волн электромагнитного излучения от м (в порядке возрастания длины волны: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный). Частота световой волны связана с его цветом.

Когда световая волна переходит из вакуума в среду, то происходит уменьшение ее длины и скорости распространения, частота световой волны остается неизменной:

n - показатель преломления среды, с - скорость света в вакууме.

Необходимо помнить, что скорость света:

в вакууме является универсальной постоянной во всех системах отчета;
в среде всегда меньше скорости света в вакууме;
зависит от среды, через которую он проходит;
в вакууме всегда больше скорости любой частицы, обладающей массой.

Волновая природа света

Волновая природа света была впервые проиллюстрирована с помощью экспериментов по дифракции и интерференции. Как и все электромагнитные волны, свет может проходить через вакуум, отражаться и преломляться. Поперечную природу света доказывает явление поляризации.

Интерференция

Световые волны, имеющие постоянную разность фаз и одинаковые частоты, производят видимый эффект интерференции, когда происходит усиление или ослабление результирующей волны.

Исаак Ньютон был одним из первых ученых, изучавших явление интерференции. В своем знаменитом эксперименте «Кольца Ньютона» он соединил выпуклую линзу с большим радиусом кривизны с плоской стеклянной пластиной. Если рассматривать эту оптическую систему через отраженный солнечный свет, наблюдается ряд концентрических светлых и темных сильно окрашенных кругов света. Кольца проявляются из-за тонкого слоя воздуха между линзой и пластиной. Свет, отраженный от верхней и нижней поверхности стекла, интерферирует и дает максимум интерференции в виде светлых, а минимум в виде темных колец.

Дифракция

Дифракция - это огибание световой волной препятствий. Явление можно наблюдать, когда препятствие по своим размерам сравнимо с длиной волны. Если объект намного больше длины волны от источника света, явление практически незаметно.

Результат дифракции - чередующиеся цветные и темные полосы света или концентрические окружности. Этот оптический эффект возникает в результате того, что волны, обогнувшие препятствие интерферируют. Такую картину дает отраженный от поверхности компакт-диска свет.

Гимназия 144

Реферат

Скорость света.

Интерференция света.

Стоячие волны.

ученика 11 а класса

Корчагина Сергея

Санкт-Петербург 1997.

Свет – электромагнитная волна.

В XVII веке возникло две теории света: волновая и корпускулярная. Корпускулярную теорию предложил Ньютон, а волновую – Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет – волны, распространяющиеся в особой среде – эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Когда одна из теорий не объясняла какого-то явления, то оно объяснялось другой теорией. Например, прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории. Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция и интерференция , что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет – частный случай электромагнитных волн. Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Скорость света.

Существует несколько способов определения скорости света: астрономический и лабораторные методы.

Впервые скорость света измерил датский ученый Ремер в 1676 г., используя астрономический метод. Он засекал время которое самый большой из спутников Юпитера Ио находился в тени этой огромной планеты. Ремер провел измерения в момент, когда наша планета была ближе всего к Юпитеру, и в момент, когда мы находились немного (по астрономическим понятиям) дальше от Юпитера. В первом случае промежуток между вспышками составил 48 часов 28 минут. Во втором случае спутник опоздал на 22 минуты. Из этого был сделан вывод, что свету необходимо 22 минуты, чтобы пройти расстояние от места предыдущего наблюдения до места настоящего наблюдения. Зная расстояние и время запаздывания Ио он вычислил скорость света, которая оказалась огромной, примерно 300 000 км/с .

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Физо в 1849 г. Он получил значение скорости света равное 313 000 км/с.

По современным данным, скорость света равна 299 792 458 м/с ±1.2 м/с.

Интерференция света.

Получить картину интерференции световых волн достаточно трудно. Причина этого в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом. Они должны иметь одинаковые длины волн и постоянную разность фаз в любой точке пространства . Равенства длин волн достичь нетрудно, используя светофильтры. Но осуществить постоянную разность фаз невозможно, из-за того, что атомы разных источников излучают свет независимо друг от друга .

Тем не менее интерференцию света удается наблюдать. Например, радужный перелив цветов на мыльном пузыре или на тонкой пленке керосина или нефти на воде. Английский ученый Т.Юнг первым пришел к гениальной мысли, что цвет объясняется сложением волн, одна из которых отражается от наружней поверхности, а другая ¾ от внутренней. При этом происходит интерференция световых волн. Результат интерференции зависит от угла падения света на пленку, ее толщины и длины волны.

Стоячие волны.

Было замечено, что если раскачивать один конец веревки с правильно подобранной частотой (другой ее конец закреплен), то к закрепленному концу побежит непрерывная волна, которая затем отразится с потерей полуволны. Интерференция падающей и отраженной волны приведет к возникновению стоячей волны, которая будет выглядеть неподвижно. Устойчивость этой волны удовлетворякт условию:

L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,

Где L ¾ длина веревки; n ¾ 1,2,3 и т.д.; u¾ скорость рапространения волны, которая зависит от натяжения веревки.

Стоячие волны возбуждаются во всех телах способных совершать колебания.

Образование стоячих волн является резонансным явлением, которое происходит на резонансных или собственных частотах тела. Точки, где интерференция гасится, называют узлами, а точки, где интерференция усиливается, ¾ пучностями.

Сложение двух волн, вследствие которого наблюдается устойчивая во времени усиления или ослабления результирующих световых колебаний в различных точках пространства.