Свет - электромагнитная волна

Электромагнитная природа света. Отражение света. Преломление света. Показатель преломления.

Свет обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными свойствами. Такое свойство света называет корпускулярно-волновой дуализм. Но ученые и физики древности не знали об этом, и изначально считали свет упругой волной.

Но так как для распространения упругих волн нужна среда, то возникал правомерный вопрос, в какой же среде распространяется свет? Какая среда находится на пути от Солнца к Земле? Сторонники волновой теории света предположили, что всё пространство во вселенной заполнено некоторой невидимой упругой средой. Они даже придумали ей название – светоносный эфир.

В то время, ученые еще не знали о существовании каких-либо волн, кроме механических. Такие взгляды на природу света высказывались примерно в 17 веке. Считалось, что свет распространяется именно в этом светоносном эфире.

Свет - поперечная волна

Но такое предположение вызывало ряд противоречивых вопросов. К концу 18 века было доказано, что свет является поперечной волной. А упругие поперечные волны могут возникать только в твердых телах, следовательно, светоносный эфир является твердым телом.

Это вызывало сильную головную боль у ученых того времени. Как небесные тела могут двигаться сквозь твердый светоносный эфир, и при этом не испытывать никакого сопротивления.

Свет - электромагнитная волна

Во второй половине 19 века Максвелл доказал теоретически существование электромагнитных волн, которые могут распространяться даже в вакууме. И он предположил, что свет тоже является электромагнитной волной. Потом это предположение подтвердилось.

Но актуально также было представление о том, что в некоторых случаях свет ведет себя как поток частиц. Теория Максвелла противоречила некоторым экспериментальным фактам. Но, в 1990 году, физик Макс Планк выдвинул гипотезу, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями – квантами.

А в 1905 г. Альберт Эйнштейн выдвинул идею, о том, что электромагнитные волны с некоторой частотой можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=р*ν. В настоящее время квант электромагнитного излучения называют фотоном. Фотон не обладает ни массой, ни зарядом и всегда распространяется со скоростью света.

То есть при излучении и поглощении свет проявляет корпускулярные свойства, а при перемещении в пространстве волновые.

Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, — например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью) и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным лучом — углом отражения. Закон отражения гласит, что угол падения равен углу отражения. Это полностью соответствует тому, что нам подсказывает интуиция. Луч, падающий почти параллельно поверхности, лишь слегка коснется ее и, отразившись под тупым углом, продолжит свой путь по низкой траектории, расположенной близко к поверхности. Луч, падающий почти отвесно, с другой стороны, отразится под острым углом, и направление отраженного луча будет близким к направлению падающего луча, как того и требует закон.

Закон отражения, как любой закон природы, был получен на основании наблюдений и опытов. Можно его вывести и теоретически — формально он является следствием принципа Ферма (но это не отменяет значимости его экспериментального обоснования).

Ключевым моментом в этом законе является то, что углы отсчитываются от перпендикуляра к поверхности в точке падения луча. Для плоской поверхности, например, плоского зеркала, это не столь важно, поскольку перпендикуляр к ней направлен одинаково во всех точках. Параллельно сфокусированный световой сигнал — например, свет автомобильной фары или прожектора, — можно рассматривать как плотный пучок параллельных лучей света. Если такой пучок отразится от плоской поверхности, все отраженные лучи в пучке отразятся под одним углом и останутся параллельными. Вот почему прямое зеркало не искажает ваш визуальный образ.

Однако имеются и кривые зеркала. Различные геометрические конфигурации поверхностей зеркал по-разному изменяют отраженный образ и позволяют добиваться различных полезных эффектов. Главное вогнутое зеркало телескопа-рефлектора позволяет сфокусировать в окуляре свет от далеких космических объектов. Выгнутое зеркало заднего вида автомобиля позволяет расширить угол обзора. А кривые зеркала в комнате смеха позволяют от души повеселиться, разглядывая причудливо искаженные отражения самих себя.

Закону отражения подчиняется не только свет. Любые электромагнитные волны — радио, СВЧ, рентгеновские лучи и т. п. — ведут себя в точности так же. Вот почему, например, и огромные принимающие антенны радиотелескопов, и тарелки спутникового телевидения имеют форму вогнутого зеркала — в них используется всё тот же принцип фокусировки поступающих параллельных лучей в точку.

Повторим законы отражения света, которые мы изучали в 8 классе.
(Презентация. Слайды 2-4. Демонстрация опыта по отражению света с оптической шайбой).

Выясним, в чем состоит явление преломления света. На границе двух сред свет меняет направление своего распространения. Часть световой энергии возвращается в первую среду, т.е. происходит отражение света. Если вторая среда прозрачна, то свет частично может пройти через границу сред, также меняя при этом, как правило, направление распространения. Это явление называется преломлением света. При этом он меняет направление распространения и наблюдается кажущееся изменение размеров предмета, надлом, уменьшение глубины водоема и т.п. (Презентация. Слайды 5-14).

Наблюдение преломления света

Вследствие преломления наблюдается кажущееся изменение формы предметов, их расположения и размеров. В этом нас могут убедить простые наблюдения. Установим наклонно карандаш в сосуде с водой. Если посмотреть на сосуд сбоку, то можно заметить, что часть карандаша, находящаяся в воде, кажется сдвинутой в сторону (рис. 1).

Рис. 1

Изменение направления распространения волны при прохождении из одной среды в другую называется преломлением (слайды 6-9).

Положим на дно пустого не прозрачного стакана монету или другой небольшой предмет. Подвинем стакан так, чтобы центр монеты, край стакана и глаз находились на одной прямой. Не меняя положения головы, будем наливать в стакан воду. По мере повышения уровня воды дно стакана с монетой как бы приподнимается. Монета, которая ранее была видна лишь частично, теперь будет видна полностью. Эти явления объясняются изменением направления лучей на границе двух сред — преломлением света.

Закон преломления света определяет взаимное расположение падающего луча АВ
(рис. 2), преломленного DB и перпендикуляра СЕ к поверхности раздела сред, восставленного в точке падения. Угол α называется углом падения, а угол β — углом преломления.

Рис. 2

Из построения (рис.2) видно, что падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
Данное утверждение совместно с уравнением (1), согласно которому отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, представляет собой закон преломления света.

= n₂₁ (1)

где n₂₁ — относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

При изменении угла падения α меняется и угол преломления β, но при любом угле падения отношения синусов этих углов остается постоянным для данных двух сред.

Если луч переходит в какую-то среду из вакуума, то =n (2)
где n – называется абсолютным показателем преломления (или просто показателем преломления) второй среды, или показателем преломления среды относительно вакуума. Абсолютный показатель вакуума принят за единицу.

Таблица значения показателей преломления для некоторых веществ относительно вакуума.

Чем больше у вещества показатель преломления, тем более оптически плотным считается это вещество. Например, рубин – среда оптически более плотная, чем лёд. (слайд 15).

Закон преломления света был установлен опытным путем в XVII веке голландским учёным Снеллиусом в 1621 году. Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоростях распространения света в той и другой среде. Это было доказано французским математиком Пьером Ферма и голландским физиком Христианом Гюйгенсом. Они доказали, что

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:

=n₂₁ =

Т.е относительный показатель преломления второй среды относительно первой показывает во сколько раз скорость света в первой среде V₁ больше (или меньше), чем во второй среде V₂: n₂₁ = .

Абсолютным показателем преломления среды называется физическая величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде:

n = .

Скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Причиной уменьшения скорости света в среде является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем сильнее взаимодействие, тем больше оптическая плотность среды, и тем меньше скорость света. Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть оптически менее плотной средой.

Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого - меньше, чем для фиолетового.

Пусть на плоскую границу раздела двух сред (например, из воздуха в воду) падает плоская световая волна под углом α (рис. 4). В воздухе свет распространяется со скоростью V₁, а в воде - с меньшей скоростью V₂. (слайд 19).

Рис. 4

Поверхности MN сначала достигнет точка А волны и начнёт распространяться во второй среде со скоростью V₂. Пока волна достигнет точки В, за это время точка А, перемещаясь в воде с меньшей скоростью V_2,, пройдёт меньшее расстоянии, поэтому фронт волны DB в воде окажется повёрнутым на некоторый угол по отношению к фронту АС волны в воздухе. При этом угол преломления β оказывается меньше угла падения α и происходит преломление света.