Корабли развитие. Парус и корабль. Линейный корабль «Победоносец»

В 17 веке появились две теории (волновая и корпускулярная) о том, свет. Согласно первой, свет представляет собой электромагнитную волну. Это было подтверждено системой уравнений Максвелла, составленной в 19 веке. Она очень хорошо описывала электрические и магнитные поля. До сих пор никто не смог доказать, что теория Максвелла неверна.

В 20 веке обнаружились некоторые явления, идущие вразрез с волновыми представлениями в свете. В их число входит фотоэффект - выбивание электронов из вещества падающим светом. Согласно волновой теории, это явление должно иметь значительную задержку: световая волна должна передать значительное количество энергии электрону, чтобы он вылетел из вещества. Однако опыты показали, что задержка практически отсутствует. Была создана новая теория, утверждающая, что свет - частиц (корпускулов). Таким образом был показан корпускулярно-волновой дуализм света.

Волновые свойства света

К явлениям, подтверждающим, что свет - электромагнитная волна, относится интерференция, дифракция и другие. Они часто используются в различных научных исследованиях.

Интерференция - это наложение двух волн, приводящее к увеличению или уменьшению интенсивности излучения. В результате получается интерференционная картина: чередование максимумов и минимумов, причем максимумы обладают интенсивностью излучения, в 4 раза превышающей интенсивность источника. Для наблюдения интерференции необходимо, чтобы источники были (т.е. обладали одинаковой частотой излучения и постоянной разностью фаз).

Корпускулярные свойства света

Свет проявляет свои корпускулярные свойства при фотоэффекте. Это явление было открыто немецким физиком Г. Герцем и экспериментально исследовано русским ученым А.Г. Столетовым. Он получил некоторые интересные данные. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов зависит только от частоты падающего излучения. Это противоречит представлениям классической физики.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта - минимальная частота, при которой этой явление еще наблюдается. Таким образом, фотоэффект может иметь место даже при падающем излучении низкой энергии (главное, чтобы частота была подходящей). Интересным открытием стало и то, что количество электронов, вылетевших с поверхности вещества в единицу времени, зависит только от интенсивность излучения (прямая зависимость).

Книга «Вселенная. Руководство по эксплуатации» - идеальный путеводитель по самым важным - и, конечно, самым упоительным - вопросам современной физики: «Возможны ли путешествия во времени?», «Существуют ли параллельные вселенные?», «Если вселенная расширяется, то куда она расширяется?», «Что будет, если, разогнавшись до скорости света, посмотреть на себя в зеркало?», «Зачем нужны коллайдеры частиц и почему они должны работать постоянно? Разве в них не повторяют без конца одни и те же эксперименты?». Юмор, парадоксальность, увлекательность и доступность изложения ставят эту книгу на одну полку с бестселлерами Г. Перельмана, С. Хокинга, Б. Брайсона и Б. Грина! Настоящий подарок для всех, кого интересует современная наука, - от любознательного старшеклассника до его любимого учителя, от студента-филолога до доктора физико-математических наук!

Когда радиоволна достигает вашей антенны, она преобразуется в звуковую волну (которая создается движением мембран в динамиках), а звуковая волна бьет вас в лицо со скоростью примерно 340 метров в секунду. Это означает, что за редкими исключениями радиосигналу требуется меньше времени, чтобы добраться от передатчика радиостанции до вашего радиоприемника, чем звуковой волне - чтобы добраться от динамика до вашего уха.

Наконец, есть еще длина волны - расстояние между соседними максимумом и минимумом, а заодно и характеристика цвета и энергии волны. Видимый свет имеет длину волны немного меньше одной тысячной доли миллиметра. Волны с более низкой энергией, например радиоволны, имеют длину больше сантиметра. Волны с более высокой энергией, например рентгеновские лучи, имеют длину волны 10 -11 - 10 -8 метра, а у гамма-лучей энергия еще выше. Их лучше избегать, поскольку, дай им волю, они сразу же наградят всех, до кого дотянутся, сверхъестественными способностями .

Кажется, что эти две картинки - волна и частица - очень разные. С другой стороны, оказывается, обе предсказывают в точности одно и то же. Например, мы знаем, что если посветить на зеркало, то свет отразится от зеркала и будет воспринят глазом.

Отражение очень легко объясняется представлением о частицах. Если вы хоть немного похожи на нас, то распространенная игра «погонять мяч с ребятами» сводится для вас к бросанию теннисного мячика в дверь гаража. Вялая подача, громкий «бум» и неловкий отскок - и мячик снова у вас в руке. Если вы сосредоточитесь очень сильно, то, вероятно, вспомните, как вам объясняли про мячик: «Угол падения равен углу отражения». А может быть, и нет. Может быть, если вы сосредоточитесь очень сильно, вы услышите главную тему из «Индианы Джонса». Тогда поверьте нам на слово. Вы знаете все об отражении фотонов. Если вы замените теннисный мячик фотоном, а гаражную дверь - зеркалом, то прекрасно опишете свет.

Разумеется, волна отражается точно так же. Представьте себе устройство скрипки или концертного зала. Акустика как таковая определяется тем, что происходит со звуковой волной, когда она отражается от стен комнаты или другого пустого пространства. Причем в точности как в случае с частицей отражение света подчиняется волшебному соотношению - «угол падения равен углу отражения».

Представляется, что все эти споры о частицах и волнах не более чем софистика: ведь обе гипотезы объясняют отражение совершенно одинаково. Но не беспокойтесь - волны и частицы объясняют одинаково отнюдь не все явления.

Для нас (и для Гюйгенса) волна интересна и полезна тем, что две волны способны интерферировать друг с другом. Бросьте в спокойный пруд пару камешков - и вы поймете, что мы имеем в виду.

Физические феномены можно объяснять как угодно, но они не отвечают на важный вопрос: из чего состоит свет - из электромагнитных волн или из частиц? Этот спор тянулся сотни лет, до самого XX века, когда было объявлено, что победила дружба, - примерно как в конкурсе самодеятельности в детском саду. Чтобы понять, как это происходит, вернемся к нашему герою - мистеру Джекилу.

После утомительного дня, посвященного бросанию снежков и невинным шуткам со стражами правопорядка, доктор Джекил возвращается домой, где у него устроена лаборатория, чтобы предаться новым экспериментам. Поскольку там у него в распоряжении имеются более цивилизованные научные аппараты, он может провести опыт Юнга с двойной щелью как положено. То есть вместо заборов и снежков он берет экран с тонкой вертикальной щелью и светом из лазерного источника. За передним экраном стоит задний проекционный экран, на котором мы видим световые узоры. Ну, как вы думаете, что увидит доктор Джекил?

Тут и думать нечего. Он увидит на дальнем экране яркую вертикальную линию.

С другой стороны, если он прорежет в переднем экране две щели, картина несколько усложнится.

Тут доктор Джекил обнаруживает, что в нем пробудился зверь - мистер Хайд. Свет проходит сквозь обе щели, и волна из одной интерферирует с волной от другой, отчего на проекционном экране появляется сложный узор.

Вот как выглядел сверху аппарат с двумя щелями, согласно оригинальным заметкам Юнга.

Свет проходит сквозь щели А и В, достигает противоположного экрана и создает яркие пятна в точках С, D, Е и F (а также в точках выше и ниже, где Юнг обрывает схему). Знакомая картина? Как будто вы бросили камешки в пруд в точках А и В? Просто это более точная версия того, как выглядят интерферирующие между собой волны.

Даже если вы ничего не вынесете из этой дискуссии, вы должны знать, что множество ярких линий - верный признак того, что мы имеем дело с интерференцией. Чтобы интерферировать друг с другом, лучи света должны проходить и через правую, и через левую щели одновременно, а иначе у нас не получится сложного рисунка, который мы видим на противоположном экране.

В отличие от отражения, получить интерференцию от частиц никак не получается. Если взять в каждую руку по бильярдному шару и столкнуть их, то не получится мест, где шары интерферируют. Складываются и интерферируют только волны.

Итак, вот вам простое практическое руководство:

Две яркие линии = как частицы (Джекил);

Много ярких линий = как волны (Хайд).

Одной из характеристик света является его цвет , который для монохроматического излучения определяется длиной волны, а для сложного излучения - его спектральным составом.

Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме . При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света.

Каждой энергетической величине соответствует аналог – световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия , световой поток , сила света , яркость , светимость и освещённость .

Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат находится в полном согласии с тем, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому.

Скорость света

Скорость света в вакууме определяется в точности 299792458 м/с (около 300 000 км в секунду). Фиксированное значение скорости света в СИ связано с тем, что метр в настоящее время определяется в терминах скорости света. Все виды электромагнитного излучения, как полагают двигаются с точно такой же скоростью в вакууме.

Различные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмером , датским физиком, в 1676 году. С помощью телескопа Рёмер наблюдал движение Юпитера и одной из его лун Ио. Отмечая различия в очевидной период орбиты Ио, он подсчитал, что свету требуется около 22 минут, чтобы пересечь диаметр орбиты Земли. Тем не менее, её размер не был известен в то время. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы получил значение скорости, равное 227000000 м/с.

Другой, более точный способ, измерения скорости света выполнил в Европе Ипполит Физо в 1849 году. Физо направлен луч света в зеркало на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, который путешествовал от источника к зеркалу и затем возвращаося к своему источнику. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения, луч будет проходить через один пробел в колесе на пути и следующий разрыв на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, число зубьев на колесе, и скорость вращения, Физо удалось вычислить скорость света 313000000 м/с.

Леон Фуко использовал эксперимент, который использовал вращающееся зеркало, чтобы получить значение 298000000 м/с в 1862 году. Альберт А. Майкельсон проводил эксперименты на определение скорости света с 1877 г. до своей смерти в 1931 году. Он улучшил метод Фуко в 1926 году с использованием усовершенствованных вращающихся зеркал для измерения времени которое потребовалось свету, чтобы попутешествовать с горы Уилсон до горы Сан - Антонио в Калифорнии. Точные измерения дали скоростью 299796000 м/с.

Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 того, что в вакууме. Тем не менее, замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частиц в веществе.

Как крайний пример замедления света, можно сказать, что двум независимым группам физиков удалось "полностью остановить" свет, пропуская ее через конденсат Бозе-Эйнштейна на основе рубидия, Тем не менее слово "остановить" в этих экспериментах относится только к свету, хранящемуся в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольное более позднее время, как вынужденное вторым лазерным импульсом излучение. Во времена, когда свет "остановился", он перестал быть светом.

Оптические свойства света

Изучение света и взаимодействия света и материи называют оптикой. Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние позволяют пролить свет на природу света.

Преломление

Пример преломления света. Соломка кажется изогнутой, из-за преломления света, поскольку это входит в жидкость из воздуха.

Преломлением света называется изменение направления распространения света (световых лучей) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных сред. Оно описывается законом Снеллиуса :

где - угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде, - угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде,а и – показатели преломления первой и второй среды соответственно. При этом для вакуума и в случае прозрачных сред.

Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если луч света не является ортогональным (или, скорее, нормальным) к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Такое изменение направления и является преломлением света.

Преломление света линзами часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый размер изображения, как например в лупах , очках , контактных линзах, микроскопах и телескопах.

Источники света

Свет создаётся во многих физических процессах, в которых участвуют заряженные частицы. Наиболее важным является тепловое излучение , имеющее непрерывный спектр с максимумом, зависящим от температуры источника. В частности, излучение Солнца близко к тепловому излучению абсолютно чёрного тела , нагретого до примерно 6000 К , причём около 40 % солнечного излучения лежит в видимом диапазоне, а максимум распределения мощности по спектру находится вблизи 550 нм (зелёный цвет). Другие процессы, являющиеся источниками света:

• переходы в электронных оболочках атомов и молекул с одного уровня на другой (эти процессы дают линейчатый спектр и включают в себя как спонтанное излучение - в газоразрядных лампах, светодиодах и т. п. - так и вынужденное излучение в лазерах);
• процессы, связанные с ускорением и торможением заряженных частиц (синхротронное излучение , циклотронное излучение , тормозное излучение);
• черенковское излучение при движении заряженной частицы со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде;
• различные виды люминесценции :
  • хемилюминесценция (в живых организмах она носит название биолюминесценция)
  • сцинтилляция

В прикладных науках важна точная характеристика спектра . Особенно важны следующие типы источников:

• Источник А
• Источник В
• Источник С
• Источник D 65

Лампы дневного света выпускают на разные световые диапазоны, в том числе:

• Лампы белого света (цветовая температура 3500 ),
• Лампы холодного белого света (цветовая температура 4300 К)

Радиометрия и световые измерения

К одним из наиболее важных и востребованных наукой и практикой характеристик света, как и любого другого физического объекта, относятся энергетические характеристики. Измерением и изучением такого рода характеристик, выраженных в энергетических фотометрических величинах , занимается раздел фотометрии, называемый «радиометрия оптического излучения» . Таким образом, радиометрия изучает свет безотносительно к свойствам человеческого зрения.

С другой стороны, свет играет особую роль в жизни человека, поставляя ему бо́льшую часть необходимой для жизни информации об окружающем мире. Происходит это благодаря наличию у человека органов зрения – глаз. Отсюда вытекает необходимость измерения таких характеристик света, по которым можно было бы судить о его способности возбуждать зрительные ощущения. Упомянутые характеристики выражают в световых фотометрических величинах , а их измерения и исследования составляет предмет занятий другого раздела фотометрии - «световые измерения» .

Световые и энергетические величины связаны друг с другом с помощью относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения , имеющей смысл относительной спектральной чувствительности среднего человеческого глаза, адаптированного к дневному зрению . Для монохроматического излучения с длиной волны , соотношение, связывающее произвольную световую величину с соответствующей ей энергетической величиной , в СИ записывается в виде:

В общем случае, когда ограничений на распределение энергии излучения по спектру не накладывается, это соотношение приобретает вид:

Световые величины относятся к классу редуцированных фотометрических величин , к которому принадлежат и другие системы фотометрических величин. Однако, только световые величины узаконены в рамках СИ и только для них в СИ определены специальные единицы измерений.

Давление света

Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути - явление, которое не может быть выведено из уравнений Максвелла, но может быть легко объяснено в корпускулярной теории, когда фотоны соударяются с преградой и передают свой ​​импульс. Давление света равно мощности светового пучка, поделённой на с, скорость света. Из-за величины с, эффект светового давления является незначительным для повседневных объектов. Например, одномилливатная лазерная указка создаёт давление около 3,3 пН. Объект, освещенный таким образом, можно было бы поднять, правда для монеты в 1 пенни на это потребуется около 30 млрд 1-мВт лазерных указок. Тем не менее, в нанометровом масштабе эффект светового давления является более значимым, и использование светового давления для управления механизмами и переключения нанометровых коммутаторов в интегральных схемах является активной областью исследований.

История теорий света в хронологическом порядке

Античные Греция и Рим

В начале 19 века опыты Томаса Юнга с дифракцией дали убедительные свидетельства в пользу волновой теории. Было открыто, что свет представляет собой поперечные волны и характеризуется поляризацией. Юнг высказал предположение, что разные цвета соответствуют различным длинам волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в мемуаре для Академии наук Огюстен Френель . После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован, как электромагнитные волны. Победа волновой теории пошатнулась в конце 19 века, когда опыт Майкельсона-Морли не обнаружил эфира. Волны нуждаются в существовании среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности. Природа электромагнитных волн оказалась сложнее, чем просто распространение возмущений в веществе. Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно черного тела со своим излучением Максом Планком привело к появлению идеи об излучении света порциями - световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта Эйнштейном показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.

Волновая и электромагнитная теории

Свет в специальной теории относительности

Квантовая теория

Корпускулярно-волновой дуализм

Квантовая электродинамика

Восприятие света глазом

Видеть окружающий мир мы можем только потому, что существует свет и человек способен его воспринимать. В свою очередь, восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.

Сетчатка человеческого глаза имеет два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки . Палочки обладают высокой чувствительностью к свету и функционируют в условиях низкой освещённости, отвечая тем самым за ночное зрение . Однако, спектральная зависимость чувствительности у всех палочек одинакова, поэтому палочки не могут обеспечить способность различать цвета. Соответственно, изображение, получаемое с их помощью, бывает только чёрно-белым.

Колбочки имеют относительно низкую чувствительность к воздействию света и обусловливают механизм дневного зрения , действующий только при высоких уровнях освещённости. В то же время, в отличие от палочек, в сетчатке глаза человека имеется не один, а три типа колбочек, отличающихся друг от друга расположением максимумов их спектральных распределений чувствительности. Вследствие этого колбочки поставляют информацию не только об интенсивности света, но и о его спектральном составе. Благодаря такой информации у человека и возникают цветовые ощущения.

Спектральный состав света однозначно определяет его цвет, воспринимаемый человеком. Обратное утверждение, однако, неверно: один и тот же цвет может быть получен различными способами. В случае монохроматического света ситуация упрощается: соответствие между длиной волны света и его цветом становится взаимнооднозначной. Данные о таком соответствии представлены в таблице.

Таблица соответствия частот электромагнитного излучения и цветов