Слайд 2

Слайд 3

Неодинаково видим днём

Слайд 4

Слайд 5

Естественные

Источники света Искусственные

Слайд 6

Глаз человекавоспринимает

свет от 400 нм до 800 нм

Слайд 7

Взгляды на природу света в античные времена

Пифагорейцы впервые выдвинули гипотезу об особом флюиде, который испускается глазами и «ощупывает» как бы щупальцами предметы, давая их ощущение.

Слайд 8

Взгляды на природу света в XVII-XIX вв.

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

Слайд 9

Современные представления о природе света

Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света.

Слайд 10

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

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

Слайд 11

Световые лучи

Световой луч– это линия, указывающая направление распространения энергии в пучке света.

Слайд 12

С З Опыт Рёмера Орбита Земли Земля Орбита спутника Юпитера Орбита Юпитера I II S1 S2

Слайд 13

Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, можно получить значение скорости света:

с=3 1011м: 1320с ≈2,27 108м/с

Слайд 14

Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало т1располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало т2- на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло ℓ ~ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса v= 12,6 об/с. Времядвижения света t=2ℓ/c, поэтомудает с = 3,14 10 8 м/с

1 слайд

Тема: Развитие взглядов на природу света. Скорость света. (Физика.11 класс) Выполнила: учитель физики МОУ «СОШ №6» г. Кирова Калужской области Кочергина В.Э. 2010 год

2 слайд

В конце XVII века почти одновременно возникли две, казалось бы взаимоисключающие теории света. Они опирались на два возможных способа передачи действия от источника к приёмнику. И.Ньютон предложил корпускулярную теорию света, согласно которой свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). Х.Гюйгенс разработал волновую теорию, в которой свет рассматривался как волны, распространяющиеся в особой среде - эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел (изменение состояния среды).

3 слайд

Ньютон Гюйгенс 1. Трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве не действуют друг на друга (частицы должны сталкиваться и рассеиваться). 1. Волны свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. 2.Прямолинейное распространение света является следствием закона инерции. 2.Не объясняет. 3. Не объясняет. 3.Легко объяснить дифракцию и интерференцию. 4. При излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц. 4. Свет есть частный случай электромагнитных волн

4 слайд

Что же такое свет? Согласно представлениям современной физики, свет обладает одновременно свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных частиц, которые называют фотонами или квантами света. Двойственность свойств света называется корпускулярно – волновым дуализмом.

5 слайд

Два великих противостояния в науке. Этапы развития представлений о природе света. 2,5 тысячелетий назад. Пифагор. XVII век Исаак Ньютон Христиан Гюйгенс XIX век. Джеймс Максвелл. XX век. Примиряющая теория. Корпускулярно-волновой дуализм.

6 слайд

С помощью каких методов измерили скорость света? На рисунке показана схема опыта, с помощью которого Галилей предлагал измерить скорость света. Открывая заслонку фонаря, нужно было определить, через сколько времени вернется свет, отразившись от зеркала.

7 слайд

Это была первая известная попытка экспериментального определения скорости света, предпринятая Галилео Галилеем. Однако обнаружить запаздывание сигнала не удалось из-за большой скорости света. Первое экспериментальное определение скорости света выполнил датский астроном Олаф Рёмер в 1675 году.

8 слайд

С Опыт Рёмера Ио совершает один оборот вокруг Юпитера за 42,5 ч. При удалении Земли от Юпитера каждое следующее затмение Ио наступает позднее ожидаемого момента. Суммарное запаздывание начала затмения при удалении Земли от Юпитера на диаметр земной орбиты позднее ожидаемого момента времени составляло 22 мин. Орбита Земли Земля Орбита спутника Ио Орбита Юпитера S2

9 слайд

Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, было получено значение скорости света: с = 3*1011м / 1320с с=2,27*108м/с Полученный результат имел большую погрешность.

10 слайд

Первое лабораторное измерение скорости света было выполнено в 1849 г. французским физиком Арманом Физо. В его опыте свет от источника S проходил через прерыватель К (зубья вращающегося колеса) и, отразившись от зеркала З, возвращался опять к зубчатому колесу.

11 слайд

12 слайд

Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало - на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло ℓ ~ 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса v = 12,6 об/с. Время движения света t=2ℓ/c, поэтому дает с = 3,14 10 8 м/с

13 слайд

Величина, больше полученной из астрономических наблюдений, но близкая к ней. Несмотря на значительную погрешность измерений, опыт Физо имел огромное значение - возможность определения скорости света «земными» средствами была доказана. с = 3,14 10 8 м/с

14 слайд

Американский физик А. Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал.

15 слайд

1 из 15

Презентация на тему: Развитие взглядов на природу света

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

Первые представления о свете Первые представления о том, что такое свет, относятся также к древности. В древности представления о природе света были весьма примитивными, фантастическими и к тому же весьма разнообразными. Однако, несмотря на разнообразие взглядов древних на природу света, уже в то время наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории – корпускулярную и волновую теории света.Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз.При этом выделялось три основных взгляда на природу света.Глаз->предметПредмет->глазДвижение

№ слайда 3

Описание слайда:

Первая теория Одни из древних ученых полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела сначала большое число последователей. Такие крупнейшие ученые и философы, как Евклид, Птолемей и многие другие придерживались ее. Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой.

№ слайда 4

Описание слайда:

Вторая теория Другие философы, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения держались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций. Эта точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.

№ слайда 5

Описание слайда:

Третья теория Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет, а как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

№ слайда 6

Описание слайда:

Средневековье Наиболее интересной работой по оптике, дошедшей до нас из средневековья, является работа арабского ученого Альгазена. Он занимался изучением отражения света от зеркал, явления преломления и прохождения света в линзах. Ученый придерживался теории Демокрита и впервые высказал мысль о том, что свет обладает конечной скоростью распространения. Эта гипотеза явилась крупным шагом в понимании природы света.

№ слайда 7

Описание слайда:

XVII век На базе многочисленных опытных фактов в середине XVII века возникают две гипотезы о природе световых явлений: Корпускулярная теория Ньютона, которая предполагала, что свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами. Волновая теория Гюйгенса, которая утверждала, что свет представляет собой продольные колебательные движения особой светоносной среды (эфира), возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.

№ слайда 8

Описание слайда:

Основные положения корпускулярной теории Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям, или лучам, светящимся телом, например, горящей свечой. Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник. Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные частицы, попадая в глаз, дают ощущение красного цвета, самые мелкие – фиолетового. Белый цвет – смесь всех цветов: красного, оранжевого, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютного упругого удара.

№ слайда 9

Описание слайда:

Основные положения корпускулярной теории Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем среда плотнее, тем угол преломления меньше угла падения. Явление дисперсии света, открытое Ньютоном в 1666 г., он объяснил следующим образом. «Каждый цвет уже присутствует в белом свете. Все цвета передаются через межпланетное пространство и атмосферу совместно и дают эффект в виде белого света. Белый свет – смесь разнообразных корпускул – испытывает преломление, пройдя через призму». Ньютон наметил пути объяснения двойного лучепреломления, высказав гипотезу о том, что лучи света обладают "различными сторонами" – особым свойством, обуславливающим их различную преломляемость при прохождении двоякопреломляющего тела.

№ слайда 10

Описание слайда:

Основные положения корпускулярной теории Корпускулярная теория Ньютона удовлетворительно объяснила многие оптические явления, известные в то время. Ее автор пользовался в научном мире колоссальным авторитетом, и в скоре теория Ньютона приобрела многих сторонников во всех странах. Крупнейшие ученые придерживающиесяэтой теории: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак.На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться (волны же проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимноговлияния)

№ слайда 11

Описание слайда:

Основные положения волновой теории Свет – это распространение упругих периодичных импульсов в эфире. Эти импульсы продольны и похожи на импульсы звука в воздухе. Эфир – гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Она невесома, не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью. Принцип распространения колебаний эфира таков, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность – фронт волны (принцип Гюйгенса). Чем дальше волновой фронт от источника, тем более плоским он становится. Световые волны, приходящие непосредственно от источника, вызывают ощущение видения. Очень важным пунктом теории Гюйгенса явилось допущение конечности скорости распространения света.

№ слайда 12

Описание слайда:

Волновая теория С помощью теории объясняются многие явления геометрической оптики: – явление отражения света и его законы; – явление преломления света и его законы; – явление полного внутреннего отражения; – явление двойного лучепреломления; – принцип независимости световых лучей. Теория Гюйгенса давала такое выражение для показателя преломления среды: Из формулы видно, что скорость света должна зависеть обратно пропорционально от абсолютного показателя среды. Этот вывод был противоположен выводу, вытекающему из теории Ньютона.

№ слайда 13

Описание слайда:

Волновая теория Многие сомневались в волновой теории Гюйгенса, но среди малочисленных сторонников волновых взглядов на природу света были М. Ломоносов и Л. Эйлер. С исследований этих ученых теория Гюйгенса начала оформляться как теория волн, а не просто апериодических колебаний, распространяющихся в эфире. Трудно было объяснить прямолинейное распростронение света, приводящее к образованию за предметами резких теней (по корпускулярной теории прямолинейное движение света является следствием закона инерции)Явление дифракции (огибания светом препятствий) и интерференции (услиление или ослабление света при наложении световых пучков друг на друга) можно объяснить только с точки зрения волновой теории.

№ слайда 14

Описание слайда:

XI-XX столетия Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света.После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. Нет их и сейчас.Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

№ слайда 15

Описание слайда:

XI-XX столетия Были обнаружены прерывистые (квантовые) войства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, считая свет волной, а я вления излучения и поглощения – считая свет потоком частиц.Поэтому ученые сошлись на мнении о корпускулярно-волновом дуализме (двойственности) свойст света. В наши дни теория света продолжает развиваться.

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

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

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

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

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

Повторение изученного материала.

Что такое оптика?

Что такое геометрическая оптика?

Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

Что такое луч?

Закон прямолинейного распространения света.

Что такое тень?

Что такое полутень?

Закон отражения света.

Изучение нового материала.

Развитие оптики и технический прогресс. Создание оптических приборов.

Жизнь на Земле возникла и существует благодаря солнечному свету. Благодаря нему мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Лучи света сообщают нам о положении близких и отдаленных предметов, об их форме и цвете. Свет, усиленный оптическими приборами, открывает человеку два полярных по масштабам мира: космический мир с его огромными протяженностями и микроскопический, населенный неразличимыми простым глазом мельчайшими организмами.

Основы оптики были заложены еще в глубокой древности. Варка прозрачного стекла была известна древним египтянам и жителям Мессопотамии за 1600 лет до нашей эры, а в древнем Риме из стекла с высоким совершенством изготовляли посуду и украшения. В XIII веке человечество получило первые оптические приборы - очки и увеличительные стекла. Значительно позднее, в начале XVII века, были изобретены зрительная труба и микроскоп.

В 1609 году итальянский ученый Галилей изобрел подзорную трубу с отрицательной линзой в качестве окуляра и широко использовал ее для наблюдений. В России очки и зрительные трубы появились в начале XVII веке.

Создание теории оптических приборов началось в конце XVII века благодаря трудам выдающихся ученых: Р. Декарта, П. Ферма, И. Ньютона, К. Гаусса и других. Большой вклад в развитие мировой науки и техники в области оптики внесли русские ученые М. В. Ломоносов, Л. Эйлер, В. Н. Чиколев, механики И. П. Кулибин, О. Н. Малофеев.

В России при Петре 1 оптика получила свое дальнейшее развитие. В 1725 году при Академии Наук была организована кафедра оптики и оптическая мастерская. Одним из руководителей кафедры оптики был Л. Эйлер, который написал книгу “Диоптрика”, где изложил основы геометрической оптики.

М. В. Ломоносов был первым русским ученым, который применил микроскоп для научных исследований, он создал целый ряд принципиально новых оптических приборов, разработал способы изготовления цветного стекла, цветной мозаики. Трудами выдающихся русских М.В.Ломоносова и Л.Эйлера в XVIII веке были заложены главнейшие основы для развития оптического производства в России. После революции 1917 года в Петрограде в 1918 году был организован Государственный Оптический Институт, его возглавил академик Д.С.Рождественский. ГОИ явился центром, определяющим научную политику в области создания отечественной оптическо-механической промышленности. В ГОИ работали выдающиеся ученые: С.И.Вавилов, А.А.Лебедев, И.В.Гребенщиков, Н.Качалов и другие.

В послевоенные годы наша оптическая промышленность с успехом осваивала производство уникальных высокоточных приборов, электронных микроскопов, интерферометров, приборов для космических исследований.

На базе явлений фотоэлектрического эффекта, открытого русским ученым А.Г.Столетовым, успешно развивается фотоэлектрическая область оптики, нашедшая применение в автоматике, телевидении, управлении космическими кораблями.

К числу крупных достижений отечественной оптики относятся работы профессора М.М.Русинова. Созданные им широкоугольные аэрофотообъективы выдвинули советскую аэрофотсъемку на ведущее место в мире.

Создание аппаратуры для фотографирования невидимой с Земли обратной стороны Луны явилось началом развития нового направления оптического приборостроения – космически оптических приборов.

Исследования советских физиков Н.Г.Басова и А.М.Прохорова в середине 50-х года XX века стали тем зерном, из которого выросла новая область науки – квантовая электроника. В 1971 году Денис Габор получил Нобелевскую премию за открытие голографии.

Еще в 1930 году в Германии Ламм передал по оптическим волокнам не только свет, но и изображение. Но технология изготовления стеклянных волокон была очень сложной, поэтому идеи Ламма на долгие годы остались забытыми.

Современная наука подняла на гребень волны волоконную оптику.

История развития взглядов на природу света

Первые представления о природе света были заложены в глубокой древности. Греческий философ Платон (427–327 гг до н.э.) создал одну из первых теорий света.

Евклид и Аристотель (300–250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Аристотель впервые объяснил сущность зрения.

Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшему развития теории света и созданию разнообразных оптических приборов. По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века.

В XVII веке датский астроном Ремер (1644–1710) измерил скорость распространения света, итальянский физик Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции, гениальный английский ученый И.Ньютон (1642–1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции, Э.Бартолин (1625–1698) обнаружил двойное лучепреломление в исландском шпате, заложив тем самым основы кристаллооптики. Гюйгенс (1629–1695) положил начало волновой теории света.

В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений. Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно.

С точки зрения волновой теории света, основоположником которой является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волновое движение. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде – эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства.

Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831–1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых волн.

Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет.

Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалась полностью раскрывала проблему природы света.

Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 километров в секунду. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний – электромагнитный эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие.

Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются Планк и Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света.

Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света, по существу же она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.

В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться. Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную.

Скорость света

Одна из характерных черт физика – количественный характер ее законов. Во многие соотношения, выражающие законы физики входят некоторые постоянные – так называемые физические константы. Это, например, гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения, удельная теплоемкость в уравнении теплового баланса, скорость света в законе Эйнштейна, связывающем массу тела и его полную энергию. Многие физические постоянные названы так весьма условно. Действительно, нагревается вместо воды спирт и в соответствующих уравнениях приходится использовать иную величину теплоемкости. Такими “относительными” постоянными являются коэффициент трения, удельное сопротивление, плотность и т.д. Но есть и константы, которые не меняют своего значения. Гравитационная постоянная не зависит от того, взаимодействуют ли тела из свинца или из стали. Электроны в меди и золоте имеют одинаковый заряд. Так же универсальна и постоянная с – скорость света в вакууме.

Именно вследствие своей универсальности, такие константы названы мировыми или фундаментальными постоянными. Величины фундаментальных постоянных определяют важнейшие особенности всего физического мира – от элементарных частиц до крупнейших астрономических объектов.

Принадлежность скорости света к весьма небольшой группе мировых постоянных объясняет интерес к этой величине. Однако надо признать, что даже в этой группе она занимает выдающееся место. Скорость света связана с физическими законами, относящимися к самым, казалось бы, далеким разделам физики. Постоянная с входит в преобразования Лоренца в специальной теории относительности, она связывает электрическую и магнитную постоянные. Формула Эйнштейна Е=mc 2 позволяет рассчитать количество энергии, выделяющейся при ядерных превращениях. И везде мы сталкиваемся со скоростью света.

Такая распространенность константы с служит для современной физики ярким проявлением единства физического мира и правильности пути, по которому развивается наука о природе.

Понимание этого единства прошло не сразу. Со времени первого определения значения скорости света прошло более 300 лет. Постепенно константа с раскрывала перед учеными свои тайны. Иногда за измерениями этой величины стояли годы целенаправленных поисков, работы по усовершенствованию методов измерения и научных приборов. Иногда скорость света возникала в экспериментах возникала неожиданно, ставя перед учеными вопросы, касавшиеся самых глубин физической науки. Измерение константы опровергали и подтверждали физические теории и способствовали прогрессу техники.

Существуют прямые и косвенные методы измерения скорости света. К прямым методам относятся опыты О.Ремера, А.Физо, Л.Фуко, А.Майкельсона. К косвенным методам относятся опыты Д.Брадлея, Ф.Кольрауша, В.Вебера.

Прямой способ основан на измерении пути, пройденного светом и времени прохождения этого пути c=l/t . В 1676 году Ремер наблюдал за затмением спутника Юпитера – Ио. Спутник проходил пeред планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Через 42 часа 28 минут Ио появлялся опять. Ремер проводил измерения, когда Земля ближе всего подходила к Юпитеру. Когда через несколько месяцев он повторил наблюдения, то оказалось, что спутник появился из тени на 22 минуты позже. Ученый объяснил, 22 минуты свет затрачивает на прохождение из предыдущей точки наблюдения до нынешней точки. Зная время запаздывания и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость света. Вследствие неточности измерений и неточного значения радиуса Земли Ремер получил значение скорости света равное 215000 километров в секунду.

В лабораторных условиях скорость света впервые удалось измерять в 1849 году французскому физику Физо. В его опыте свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную стеклянную пластинку. Отразившись от пластинки узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося колеса. Пройдя между зубцами свет достигал зеркала, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет проходил между зубцами колеса и затем попадал в глаз наблюдателя. Когда скорость вращения была маленькой, свет отраженный от зеркала был виден, при увеличении скорости вращения он исчезал. При дальнейшем увеличении скорости вращения, свет опять становился виден. То есть, за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало повернуться на столько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом можно определить скорость света. В опыте Физо расстояние равнялось 8,6 километров, а скорость света получилась равной 313000 километров в секунду.

В основе косвенного способа измерения скорости света лежит представление о свете как об электромагнитной волне и ее скорость находится путем умножения длины волны на частоту колебаний волны.

Развивая теорию электродинамики Ампера, в 1846 году Вебер и Кальрауш получили значение скорости света 310000 километров в секунду, но полученный результат объяснить они не могли, так как не существовало ясного понимания механизма передачи взаимодействия электрических зарядов. Формально теория дальнодействующих электромагнитных сил Вебера не сталкивалась со сколь-нибудь серьезной оппозицией, но уже зрели идеи близкодействия, важнейшим следствием которых является конечность скорости распространения взаимодействий.

Современная физика решительно утверждает, что история скорости света на закончена. Свидетельством тому служат работы по измерению скорости света, выполненные в последние годы.

Резкое повышение точности измерения скорости электромагнитных волн произошло после Второй мировой войны. Исследования, проведенные в военных целях, кроме угрозы существованию человечеству принесли множество важнейших, чисто научных результатов. Один из них – развитие техники сверхвысоких частот. Были созданы генераторы и приемники излучения, работающие в диапазоне длин волн от 1 метра до нескольких миллиметров. В СВЧ-диапазоне волн удалось провести очень точные и, что самое важное, независимые измерения частоты излучения и его длины волны. Такой метод определения скорости света очень удобен, так как длины волн порядка одного сантиметра можно определить с очень высокой точностью.

Конечно, не следует думать, что измерить величину с , используя новую технику, было очень просто. Каждый ученый, работавший в этой области, ставил перед собой задачу-максимум: провести предельно точные измерения длины волны и частоты для получения возможно более точного значения скорости света, а работа на пределе точности всегда сложна.

Определенным итогом измерения скорости света в СВЧ-диапазоне стала работа американского ученого К.Фрума, результаты которой были опубликованы в 1958 году. Ученый получил результат 299792,50 километров в секунду. В течение длительного периода эта величина считалась наиболее точной.

Для того, чтобы повысить точность определения скорости света требовалось создание принципиально новых методов, которые позволили бы проводить измерения в области больших частот и соответственно, меньших длин волн. Возможность разработки таких методов появилась после создания оптических квантовых генераторов – лазеров. Точность определения скорости света возросла по отношению к опытам Фрума практически в 100 раз. Способ определения частот с помощью использования лазерного излучения дает величину скорости света, равную 299792,462 километра в секунду.

Физики продолжают исследовать вопрос о постоянстве скорости света во времени. Исследования скорости света могут дать еще много нового для познания природы, неисчерпаемой в своем разнообразии. 300-летняя история фундаментальной постоянной с отчетливо демонстрируют ее связи с важнейшими проблемами физики.

Решение задач

1. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Не далее полета стрелы было чудовище, когда Персей взлетел высоко в воздух. Тень его упала в море, и с яростью ринулось чудовище на тень героя. Персей смело бросился с высоты на чудовище и глубоко вонзил ему в спину изогнутый меч…”

Вопрос: что такое тень и благодаря какому физическому явлению она образуется? Нарисуйте ход лучей.

2. Из африканской сказки “Выборы вождя”:

“Собратья, – молвил Аист, степенно выйдя в середину круга. – Мы спорим с самого утра. Смотрите, наши тени уже укоротились и скоро совсем исчезнут, ибо близится полдень. Так давайте еще до того, как солнце минует зенит, придем к какому-то решению…”

Вопрос: почему длины теней, которые отбрасывали люди стали укорачиваться? Ответ поясните рисунком. Есть ли на Земле такое место, где изменение длины тени минимально?

3. Из итальянской сказки “Человек, который искал бессмертие”:

“И тут Грантэста увидел что-то, что показалось ему страшнее бури. К долине приближалось чудовище, летевшее быстрее, чем луч света. У него были кожистые крылья, бородавчатый мягкий живот и огромная пасть с торчащими зубами…”

Вопрос: что неверно с точки зрения физики в этом отрывке?

4. Из древнегреческой легенды о Персее:

“Скорей отвернулся Персей от горгон. Боится увидеть он их грозные лица: ведь один взгляд и в камень обратится он. Взял Персей щит Афины-Паллады – как в зеркале отразились в нем горгоны. Которая же из них Медуза?

Как падает с неба орел на намеченную жертву, так ринулся Персей к спящей Медузе. Он глядит в ясный щит, чтоб верней нанести удар…”

Вопрос: какое физическое явление использовал Персей, чтобы обезглавить Медузу? Нарисуйте возможный ход лучей.

Домашнее задание

Введение, п. 40 (Г.Я. Мякишев, Б.Б.Буховцев “Физика. 11”)