Электромагнитная природа света 9 класс формулы

Электромагнитная природа света

Свет – это видимый участок спектра электромагнитной волны, длина которого находится в диапазоне от 0,4 мкм до 0,76 мкм. Определенный свет может быть поставлен в соответствие с каждой спектральной составляющей оптического излучения. Окраска спектральных составляющих зависит от длины волны. По мере уменьшения ее длины меняется цвет излучения. Изменение цвета происходит в таком порядке:

  • красный;
  • оранжевый;
  • желтый;
  • зеленый;
  • голубой;
  • синий;
  • фиолетовый.

Красный свет, который соответствует наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовой границе соответствует фиолетовый свет. Естественный свет не имеет цвета, он представлен в виде суперпозиции электромагнитных волн всего видимого спектра.

Электромагнитная природа света

Естественный свет возникает в результате испускания электромагнитных волн при помощи возбужденных атомов. Характер данного возбуждения может быть различным: химический, тепловой, электромагнитный. В результате данного возбуждения атомы излучают электромагнитные волны в течение 10-8 секунд. Энергетический спектр атома достаточно широкий, поэтому электромагнитные волны излучаются из всего видимого спектра. Начальная фаза, поляризация и направление имеют случайный характер. Именно поэтому естественный свет не поляризован.

Готовые работы на аналогичную тему

Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, в основу оптической физики положены уравнения Максвелла и все соотношения электромагнитных волн, что вытекают из них. В соответствии с электромагнитной теорией Максвелла $ \frac = \sqrt <\xi \mu>= n$, где $C$ и $V$ — скорости распространения света в среде с магнитной $\mu $ и диэлектрической $\xi $ проницаемостью в вакууме.

Это соотношение связывает электрические, оптические и магнитные постоянные вещества. В соответствии с теорией Максвелла, $\mu $ и $\xi$ — это величины, которые не зависят от длины световой волны, поэтому электромагнитная не теория не может объяснить явление дисперсии, то есть зависимость показателей преломления от длины световой волны.

Значения показателей преломления могут охарактеризовать оптическую плотность среды, а также оптические плотные среды. Длина световой волны с показателем $n$ напрямую связана с длиной волны в вакууме:

Понятие о когерентности и сложение колебаний

Когерентность – это коррелированность нескольких волновых или колебательных процессов во времени, которая проявляются при их сложении. Колебания когерентные в том случае, если разность их фаз во времени постоянна, а при сложении колебаний возникает колебание такой же частоты.

Классическая волновая оптика рассматривает среды, которые линейны по своим оптическим свойствам, иными словами, магнитная и диэлектрическая проницаемость которых не зависит от интенсивности света. Поэтому принцип суперпозиции волн справедлив в волновой оптике. Явления, что наблюдаются при распространении света в нелинейных средах, изучаются в нелинейной оптике.

Оптические нелинейные эффекты существенны при больших интенсивностях света, что излучается при помощи мощных лазеров. Две волны, что имеют одинаковую частоту, накладываются друг на друга и возбуждают в определенной точке колебания одинакового направления:

В данной точке амплитуда результирующего колебания будет выглядеть следующим образом:

$A^2 = A_<1>^ <2>+ A_<2>^ <2>+ 2A_1 a_2 cos <\sigma>$, где $\sigma = \alpha_2 — \alpha_1$

Если разность фаз $\sigma$ колебаний, что возбуждаются волнами, во времени остается постоянной, то такие волны называются когерентными.

Интерференция световых волн

Явление интерференции света заключается в отсутствии суммирования интенсивности световых волн при их наложении друг на друга, иными словами, при взаимном усилении данных волн в одних точках и ослаблении в других точках пространства. Когерентность – это необходимое условие интерференции. Монохроматические волны одинаковой частоты, которые не ограничены в пространстве волны, удовлетворяют данное условие.

Поскольку ни один реальный источник не дает монохроматического света, то волны, что излучаются источниками света, всегда некогерентные. Но из-за поперечности электромагнитных волн, когерентности недостаточно для того, чтобы получить интерференционную картину. Как было сказано ранее, положительность процесса излучения примерно равна 10-8 секунд. За этот период возбужденный атом растрачивает свою избыточную энергию на излучение, после чего возвращается в нормальное состояние и процесс излучения света прекращается. Спустя некоторое время атом вновь может возбудиться и начать процесс излучения. Данное прерывистое излучение света характерно для любого светового источника, независимо от особенностей тех процессов, которые протекают в источнике и вызывают возбуждение атомов.

Оптическая длина пути

Пусть разделение на две когерентные волны происходит в конкретной точке $O$. До точки $M$, где можно наблюдать интерференционную картину, в результате преломления $n_1$ одна волна прошла путь $S_1$, а вторая волна в среде $n_2$ прошла путь $S_2$. В точке $O$ фаза колебаний равна $\omega t $, а в точке $M$ первая волна возбуждает колебание $A_1 cos<\omega \left(t) \frac+ \alpha_1 \right) >$.

Вторая волна создает колебание: $A_2 cos<\omega \left(t) \frac+ \alpha_2 \right) >$, где

  • $V_1 = \frac$
  • $V_2 = \frac$ — это фазовая скорость первой и второй волны.

Произведение геометрической длины пути световой волны, которая обозначается символом $S$, на показатель преломления данной среды называется оптической длиной волны $L$. А $\delta –L_2 – L_1$, что является разностью оптических длин, называется оптической разностью хода.

Если оптическая разность хода равна целому числу волн в вакууме $\delta = m \lambda_0 (m_0 = 0,1,2…)$, то $\sigma = 2m \pi $ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в одинаковой фазе. Следовательно, это максимум. Поэтому, если оптическая разность хода $\delta = (2m +1)\frac <\lambda_0 ><2>$, то $\sigma = (2m+1) \pi$ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в противофазе.

В завершении хочется сказать, что электромагнитная природа света подтверждена окончательно. В 2009 году ученые-физики разработали методику, которая способна с точностью измерить колебания магнитной составляющей света. Уже давно стало ясно, что свет – это электромагнитная волна. Первым это открыл Максвелл. Он получил волнообразное решение своих уравнений и вычислил скорость данных волн. В результате этого получилось значение, которое было очень близким к скорости света. Ученый тут же предположил, что свет является электромагнитной волной, а частота ее колебаний определяет некоторые свойства (в первую очередь, это цвет света).

Электромагнитная волна (радиоволна или рентгеновское излучение) представлена в виде пары магнитного и электрического полей, которые постоянно превращаются друг в друга, поддерживая ее распространение. Магнитный и электрический векторы направляются перпендикулярно друг к другу и направлению распространения волны.

Источник



Электромагнитная природа света — Физика

Свет являет собой электромагнитные волны определенного спектра частоты, который виден человеческому глазу и представлен длиной волны в промежутке 0,4 — 0,76 мкм. Каждому цвету световой волны соответствует определенное значение длины. При изменении длины волны изменяется окраска света. С увеличением длины волны цвет изменяется в следующем порядке:

  • фиолетовый;
  • синий;
  • голубой;
  • зеленый;
  • желтый;
  • оранжевый;
  • красный.

Свет фиолетового цвета, соответствующий минимальной длине видимого спектра электромагнитной волны, называется фиолетовой границей спектра. Красный цвет, соответствующий максимальной длине видимой волны, — это красная граница. У естественного света нет цвета, он являет собой совокупность электромагнитных волн всего видимого спектра.

Свет как электромагнитная волна

Источником естественного света есть атомы, которые в возбужденном состоянии испускают электромагнитные волны. Причины такого состояния атомов бывают самыми разными: электромагнитное, тепловое, химическое и прочее воздействие. После данного воздействия в возбужденном состоянии атомы испускают волны приблизительно 8-10 секунд. Так как излучаемый диапазон электромагнитных волн атомов достаточно обширен, они излучают весь спектр видимых волн. При этом начальная фаза, поляризация и направление совершенно случайны. По этой причине естественный свет не является поляризованным.

Так как свет имеет природу электромагнитной волны, то оптическая физика базируется на уравнениях Максвелла и всех выражениях, вытекающих из них. Согласно теории Максвелла:

\( = \sqrt<ξμ>=n,\)
где \(C\) и \(V\) — скорость света соответственно в магнитной и электрической среде;

\(ξ\) и \(μ\) — диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума.

Данное выражение показывает зависимость между магнитными, электрическими и оптическими постоянными среды. Согласно теории Максвелла \(ξ\) и \(μ\) не зависимы от длины волн света, по этой причине теория электромагнитных волн не в состоянии разъяснить явление дисперсии, а именно связь между преломлением и длиной волны света.

От величины показателя преломления зависит оптическая плотность вещества.

Взаимосвязь длины волны и показателя n показана следующим выражением:

где \(λ_0\) — длина волны в вакууме.

Когерентность и суммирование колебаний

Когерентностью называют коррелированность двух и более волновых процессов во времени, что имеет место при их суммировании. Когерентными считаются такие колебания, у которых разность фаз является постоянной величиной и результатом суммирования которых является колебание с той же частотой.

В классической волновой оптике исследуются линейные среды, то есть диэлектрическая и магнитная проницаемости которых не зависимы от интенсивности света. По этой причине в волновой оптике будет действовать принцип суперпозиции. Поведение световых волн в нелинейных средах исследует нелинейная оптика.

Нелинейные оптические явления значительно выражены при высокой интенсивности света, излучаемого, к примеру, лазерами. Если рассмотреть две волны с равной частотой, что наложены одна на другую и возбуждают колебания в одном направления, то амплитуда суммарного колебания определится таким образом:

\(A^2=A_1^2+A_2^2+2A_1 A_2 cosσ,\)

где \(σ=α_2-α_1\) – разность фаз волновых колебаний;

\( A_1 cosωt+α_1\) – параметры одной волны;

\( A_2 cosωt+α_2\) – параметры другой волны.

Когерентными есть волны, разность фаз колебаний которых σ постоянна.

Интерференция волн света

Интерференция света состоит в том, что при наложении световых волн одна на другую отсутствует суммирование их интенсивности. Обязательным условием интерференции является когерентность волн света. Такому условию соответствуют монохроматические волны с одинаковой частотой и распространяются в закрытом объеме.

Так как на практике источники света не вырабатывают монохроматические волны, то все волны в природе некогерентные. Так как электромагнитные волны поперечные, то для получения интерферентной картины недостаточно, чтобы они были когерентными. Как говорилось выше, длительность излучения волны атомом, находится в возбужденном состоянии, составляет 8-10 секунд, за это время атом использует лишнюю энергию на процесс излучения, после чего излучение заканчивается, так как атом становится в свое нормальное состояние. Через какое-то время атом опять возбуждается по причине какого-либо воздействия на него, и снова излучает волны. Такое периодически прерываемое испускание света свойственно всем источникам света, вне зависимости от их характеристик и возбудителей атомов.

Оптическая длина пути

Допустим, разделение света на две когерентные волны осуществляется в заданной точке \(O\). К точке \(M\), в которой наблюдается картина интерференции, одна волна преодолела путь \(S_1\) в среде \(n_1\), а другая волна – путь \(S_2\) в среде \(n_2\). Фаза колебаний в начальной точке \(O\) будет равняться \(ωt\), а в точке \(M\) одна волна возбудит колебание:

где \(V_1= \) и \(V_2= \) — фазовая скорость одной и другой волны.

Оптической длиной волны \(L\) есть произведение геометрического расстояния пути волны света S на величину преломления среды.
Оптической разностью хода есть разность оптических длин \(δ=L_2-L_1.\)

Когда оптическая разность хода равняется целому числу волн в вакууме \(δ=mλ_0 \)\((m=0,1,2…),\) тогда \(σ=2mπ,\) а колебания в точке \(M\) осуществляются в одной фазе. Это является максимумом. Если же оптическая разность хода будет\(δ = (2m+1)<λ_0 \over 2>,\) то \(σ=(2m+1)π,\) а колебания будут осуществляться в противофазе.

Стоит отметить, что электромагнитная природа света доказана экспериментально и не подлежит сомнению. В 2009 году исследователями были разработаны методы, позволяющие с высокой точностью определить колебания магнитной части световой волны. Первым, кто доказал электромагнитную природу света, был Максвелл. Он вывел уравнение волн и смог определить скорость этих волн, которая оказалась равной величине скорости света. Это дало подтверждение того, что свет являет собой электромагнитную волну, от частоты которой зависят ее характеристики, например, цвет.

Электромагнитные волны, будь то рентгеновское излучение и радиоволна, являются суммой магнитного и электрического полей, что превращаются одно в другое, тем самым распространяясь в пространстве и времени. При этом магнитные и электрические векторы перпендикулярны между собой и к направлению перемещения данной волны.

Источник

Электромагнитная природа света 9 класс формулы

В начале XIX в. опытным путём была подтверждена справедливость гипотезы о волновой природе света. В то время ни о каких волнах, кроме механических, учёные ещё не знали. Поэтому считали, что свет, подобно звуку, представляет собой механическую упругую волну.

Вы уже знаете, что упругие волны могут возникать только в веществе, поскольку именно частицы вещества совершают упругие колебания, распространяющиеся в пространстве (вспомните опыт, доказывающий, что звук не распространяется в вакууме).

Значит, если свет — упругая волна, то для его распространения нужна среда.

Однако свет от звёзд доходит до нас через такие области космического пространства, где нет вещества. Учитывая этот факт, сторонники волновых воззрений на природу света выдвинули гипотезу о том, что всё мировое пространство заполнено некой невидимой упругой средой, которую они назвали светоносным эфиром (идея о существовании эфира была высказана ещё в XVII в.). Считалось, что именно в этом эфире и распространяется свет.

В то же время предположение о существовании светоносного эфира порождало много противоречий и вопросов. Так, например, в конце второго десятилетия XIX в. было выяснено, что свет является поперечной волной. Известно, что упругие поперечные волны возникают только в твёрдых телах. Получалось, что светоносный эфир представляет собой твёрдое тело. В связи с этим возникал вопрос о том, как планеты и другие небесные тела могут двигаться сквозь твёрдый эфир, не испытывая при этом никакого сопротивления.

Во второй половине XIX в. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, согласно которой электромагнитные волны, подобно световым, являются поперечными и распространяются в вакууме со скоростью света. Исходя из того, что световые и электромагнитные волны обладают общими свойствами, Максвелл предположил, что свет является частным проявлением электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие физики подтвердило это предположение. Стало ясно, что видимый свет — это только небольшой диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 3,8 • 10 -7 до 7,6 • 10 -7 м или с частотами от 4,0 • 10 14 до 8,0 • 10 14 Гц (см. рис. 136).

Тем не менее представление о том, что в некоторых случаях свет ведёт себя аналогично потоку частиц, не потеряло своей актуальности.

Макс Планк

Макс Планк (1858-1947)
Немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. Закон излучения Планка явился основой нового этапа развития физики

К началу XX в. выяснилось, что электродинамика Максвелла не позволяет объяснить некоторые экспериментальные факты. Противоречия между теорией и экспериментальными данными удалось разрешить, предположив, что свет обладает корпускулярными свойствами. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте v излучения:

где h — коэффициент пропорциональности, получивший название постоянной Планка.

В 1905 г. немецкий физик Альберт Эйнштейн выдвинул идею, согласно которой электромагнитные волны с частотой v можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией Е = hv.

В настоящее время квант электромагнитного излучения называют также фотоном. Фотон (от греч. phos, photos — свет) — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в том числе света). Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

Таким образом, свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

С увеличением частоты электромагнитного излучения в большей степени проявляются его корпускулярные свойства, т. е. свойства, присущие потоку частиц, и в меньшей — волновые. Из всех диапазонов электромагнитных волн наиболее ярко выраженными корпускулярными свойствами обладает гамма-излучение (см. рис. 136). Подробнее о гамма-квантах вы узнаете из следующей главы.

Источник

§ 47. Электромагнитная природа света

В начале XIX в. опытным путём была подтверждена справедливость гипотезы о волновой природе света. В то время ни о каких волнах, кроме механических, учёные ещё не знали. Поэтому считали, что свет, подобно звуку, представляет собой механическую упругую волну.

Вы уже знаете, что упругие волны могут возникать только в веществе, поскольку именно частицы вещества совершают упругие колебания, распространяющиеся в пространстве (вспомните опыт, доказывающий, что звук не распространяется в вакууме).

Значит, если свет — упругая волна, то для его распространения нужна среда.

Однако свет от звёзд доходит до нас через такие области космического пространства, где нет вещества. Учитывая этот факт, сторонники волновых воззрений на природу света выдвинули гипотезу о том, что всё мировое пространство заполнено некой невидимой упругой средой, которую они назвали светоносным эфиром (идея о существовании эфира была высказана ещё в XVII в.). Считалось, что именно в этом эфире и распространяется свет.

В то же время предположение о существовании светоносного эфира порождало много противоречий и вопросов. Так, например, в конце второго десятилетия XIX в. было выяснено, что свет является поперечной волной. Известно, что упругие поперечные волны возникают только в твёрдых телах. Получалось, что светоносный эфир представляет собой твёрдое тело. В связи с этим возникал вопрос о том, как планеты и другие небесные тела могут двигаться сквозь твёрдый эфир, не испытывая при этом никакого сопротивления.

Во второй половине XIX в. Максвелл создал теорию электромагнитного поля, согласно которой электромагнитные волны, подобно световым, являются поперечными и распространяются в вакууме со скоростью света. Исходя из того, что световые и электромагнитные волны обладают общими свойствами, Максвелл предположил, что свет является частным проявлением электромагнитных волн.

Дальнейшее развитие физики подтвердило это предположение. Стало ясно, что видимый свет — это только небольшой диапазон электромагнитных волн с длиной волны от 3,8 • 10 -7 до 7,6 • 10 -7 м или с частотами от 4,0 • 10 14 до 8,0 • 10 14 Гц (см. рис. 136).

Тем не менее представление о том, что в некоторых случаях свет ведёт себя аналогично потоку частиц, не потеряло своей актуальности.

Макс Планк

Макс Планк (1858-1947)
Немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой физики. Закон излучения Планка явился основой нового этапа развития физики

К началу XX в. выяснилось, что электродинамика Максвелла не позволяет объяснить некоторые экспериментальные факты. Противоречия между теорией и экспериментальными данными удалось разрешить, предположив, что свет обладает корпускулярными свойствами. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте v излучения:

где h — коэффициент пропорциональности, получивший название постоянной Планка.

В 1905 г. немецкий физик Альберт Эйнштейн выдвинул идею, согласно которой электромагнитные волны с частотой v можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией Е = hv.

В настоящее время квант электромагнитного излучения называют также фотоном. Фотон (от греч. phos, photos — свет) — это элементарная частица, являющаяся квантом электромагнитного излучения (в том числе света). Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

Таким образом, свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

С увеличением частоты электромагнитного излучения в большей степени проявляются его корпускулярные свойства, т. е. свойства, присущие потоку частиц, и в меньшей — волновые. Из всех диапазонов электромагнитных волн наиболее ярко выраженными корпускулярными свойствами обладает гамма-излучение (см. рис. 136). Подробнее о гамма-квантах вы узнаете из следующей главы.

Источник

Adblock
detector