ГЛАВА 3. Физический смысл

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «ТИМОНОВСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА КЛИМОВИЧСКОГО РАЙОНА»

 

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА

 

 

Выполнил:

Глушаков Станислав

учащийся 11 класса

 

 

Тимоново, 2021

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………. ГЛАВА 1. История………………………………………………… ГЛАВА 2. Вычисление……………………………………………… 2.1 В отсутствие рассеяния ………………………………………… 2.2 При рассеянии……………………………..…………………… o 2.3 Давление фотонного газа………………………………………. ГЛАВА 3. Физический смысл……………………………………… o 3.1 Корпускулярное описание……………………………………… o 3.2 Волновое описание……………………………………………… ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………… СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………..

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Жизнь на Земле возникла и существует благодаря лучистой энергии солнечного света. Не только энергию несет на Землю свет. Благодаря световому потоку мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Проникновению в космический и микроскопический мир мы обязаны свету.

Академик Вавилов С.И. в книге «Глаз и Солнце» писал: «Существует бесконечное разнообразие явлений, которые нам придется назвать световыми и которые невидимы».

Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами. По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.

Среди многообразий свойств света есть особое явление - давление света на поверхность тел. В зависимости от свойств поверхности тел, являются они отражающими или поглощающими, свет оказывает разное давление.

 

ГЛАВА 1. История

В XVII веке впервые предположение о том, что давление света существует, было сделано немецким учёным Иоганном Кеплером. Наблюдая за поведением комет, пролетающих вблизи Солнца, Кеплер обратил внимание на то, как хвосты кометы отклонены в сторону, противоположную Солнцу. Объяснений этому Кеплер предположил о существований светового давления, при попадании солнечных лучей. Естественно, доказательство предположениям Кеплера, не нашлось.

Дальнейшее предположение о существовании светового давления теоретически было предсказано в XIX веке британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, создателем электромагнитной теории. Он утверждал, что свет - это также электромагнитные колебания, и он

должен оказывать давление на препятствия.

Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались крутильные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Кроме того поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума. Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907—1910 гг. Лебедев провёл более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией.

 

 

ГЛАВА 2. Вычисление

В отсутствие рассеяния

Для вычисления давления света при нормальном падении излучения и отсутствии рассеяния можно воспользоваться следующей формулой:

где — количество лучистой энергии, падающей нормально на 1 м² поверхности за 1 с, т. е. интенсивность падающего излучения; — скорость света, — коэффициент пропускания, — коэффициент отражения.

Давление солнечного света на перпендикулярную свету зеркальную поверхность, находящуюся в космосе в районе Земли, легко рассчитать через плотность потока солнечной (электромагнитной) энергии на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (солнечная постоянная). Оно составляет 4,6 мкН/м² = 4,6×10⁻¹¹ атм (см. солнечная постоянная).

Если свет падает под углом к нормали, то давление можно выразить формулой:

где — объёмная плотность энергии излучения, — коэффициент пропускания, — коэффициент отражения, — единичный вектор в направлении падающего пучка, — единичный вектор в направлении отражённого пучка.

Например, тангенциальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно:

При рассеянии

Если рассеяние света поверхностью и при пропускании, и при отражении подчиняется закону Ламберта, то при нормальном падении давление будет равно:

где — интенсивность падающего излучения, — коэффициент диффузного пропускания, — альбедо.

Вывод:

Найдём импульс, уносимый электромагнитной волной от ламбертова источника.

Полная светимость ламбертова источника, как известно, равна:

E = π B_n

где B_n — сила света в направлении нормали.

Отсюда сила света под произвольным углом θ к нормали, по закону Ламберта, равна: .

Энергия, излучаемая в элемент телесного угла, имеющий вид сферического кольца, равна:

Для определения импульса, уносимого излучением, нужно учитывать только его нормальную составляющую, так как в силу поворотной симметрии все тангенциальные составляющие взаимно компенсируются:

Отсюда

Для рассеянного обратно излучения E = AI и

Для излучения, прошедшего сквозь пластинку, E = KI и (минус возникает из-за того, что это излучение направлено вперёд).

Складывая давление, создаваемое падающим и обоими видами рассеянного излучения, получаем искомое выражение.

В случае, когда отражённое и пропущенное излучение является частично направленным и частично рассеянным, справедлива формула:

где — интенсивность падающего излучения, — коэффициент направленного пропускания, — коэффициент диффузного пропускания, — коэффициент направленного отражения, — альбедо рассеяния.

Давление фотонного газа

Изотропный фотонный газ, имеющий плотность энергии u, оказывает давление:

В частности, если фотонный газ является равновесным (излучение абсолютно чёрного тела) с температурой T, то его давление равно:

где σ — постоянная Стефана-Больцмана

ГЛАВА 3. Физический смысл

Давление электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладает импульсом p = Ev / c ². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E / c.

В электродинамике давление электромагнитного излучения описывается тензором энергии-импульса электромагнитного поля.

Корпускулярное описание

Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление.

Волновое описание

С точки зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность, электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Исследования показали, что свет обладает давлением. Давление света имеет очень маленькое значение. Свет, исходящий от разных источников, обладает разным давлением.

Применение давления света возможно для работы светочувствительных аппаратов, предположительно, в области нанотехнологии, микромеханизмах, в космических аппаратах и т.д.