Оптика - раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.
В течение последних двух с половиной столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света. Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» - неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Обе теории удовлетворительно объясняли закономерности, присущие некоторым световым явлениям, например законы отражения и преломления света. Однако такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация света, не укладывались в рамки этих теорий.
До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX в. благодаря исследованиям Юнга (1801) и Френеля (1815 г.) волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса - Френеля, с которым мы уже ознакомились в главе «Колебания и волны» (см. § 34). Волновая теория Гюйгенса - Юнга - Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.
Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир», реальность существования которого оставалась весьма
сомнительной. Однако в 60-х годах прошедшего столетия, когда Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля (см. § 105), необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и, следовательно, их носителем является электромагнитное поле. Видимому свету соответствуют электромагнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мкм (см. таблицу на стр. 392), создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света.
Одним из важнейших экспериментальных доказательств справедливости электромагнитной теории света послужили опыты Физо (1849 г.) Фуко (1850 г.) и Майкельсона (1881 г.): экспериментальное значение скорости распространения света совпало с теоретическим значением скорости распространения электромагнитных волн, полученным из электромагнитной теории Максвелла. Другим не менее важным подтверждением электромагнитной теории явились опыты Я. Я. Лебедева (1899 г.): измеренное им световое давление на твердые тела (см. § 137) оказалось равным давлению электромагнитных волн, рассчитанному на основе теории Максвелла (см. § 105).
Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX в. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему. Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение, распространение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. свет испускается, распространяется и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами). Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую тгоршо света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц - фотонов. Таким образом, в начале текущего столетия возникла новая теория о природе света - квантовая теория, возрождающая в известном смысле корпускулярную теорию Ньютона. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).
Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования атомщдх и молекулярных спектров, выполненные Бором (1913 г.), Шредингером (1925 г.), Дираком
(1930 г.), Фейнманом (1949 г.), В. А. Фоком (1957 г.) и др. По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией. Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является и волной и частицей. Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ, например, как уже отмечалось (см. § 20), электрон, рассматриваемый обычно как частица, в некоторых явлениях обнаруживает себя в качестве волны (см. § 126).
Современная физика стремится создать единую теорию о природе света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой характер света; разработка такой единой теории пока еще не завершена.
В данном курсе волновые свойства света рассматриваются в гл. XVIII, а корпускулярные (квантовые) свойства света - в гл. XIX (в связи с вопросом о строении атома). При описании волновых свойств света мы будем пользоваться принципом Гюйгенса - Френеля и общими понятиями и характеристиками волнового процесса, введенными в § 31-34 первой части курса (такими, как фронт световой волны, когерентные источники света, световой луч, частота света, длина световой волны и т. д.). Поэтому, приступая к изучению оптики, следует повторно прочесть указанные параграфы.
Общие сведения о природе и свойствах света.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Оптика – раздел физики, в котором изучают вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.
Оптикой также обычно называют учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн. Оптический диапазон спектра (инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи) захватывает область длин волн от ~10 -4 м до ~10 -8 м.
При этом нужно помнить, что границы диапазонов весьма условны.
Для измерения длин волн в диапазонах, близких к оптическому: ИК; УФ, рентгеновскому – применяют следующие единицы измерения:
1мкм=10 -6 м;
Видимый свет: l к =7800А=780нм;
l ф =4000А=400нм.
В течение 2,5 столетий представления о природе света претерпевали весьма существенные изменения. В конце 17в. сформировались две принципиально различные теории о природе света:
Корпускулярная теория, разработанная Ньютоном[a] (1672г.)
Волновая теория, разработанная Гюйгенсом[b] и Гуком[c].
Согласно корпускулярной теории , свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника.
Согласно волновой теории , свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в так называемом «мировом эфире» – неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную.
До конца 18в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона (основание – прямолинейность распространения света в однородной среде и независимость распространения световых пучков).
В начале 19в. благодаря исследованиям Юнга[d] (1801г.) и Френеля[e] (1815г.) волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. В ее основу лег принцип Гюйгенса - Френеля.
Согласно Гюйгенсу: каждая точка среды, до которой дошла волна, сама становится источником вторичных волн. (В такой трактовке нельзя было говорить об амплитуде вторичных волн, о распределении интенсивности вдоль волнового фронта). Принцип Гюйгенса в его первоначальной формулировке не мог служить основой волной оптики.
Дополнение Френеля : положение об интерференции вторичных волн.
Волновая теория Гюйгенса – Юнга – Френеля успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи с чем получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.
Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир». Однако в 60-х годах 19 го столетия, когда Максвелл[f] разработал теорию единого электромагнитного поля, необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала. Выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны, носителем которых является электромагнитное поле. Видимому свету соответствуют электромагнитные волны с l=0,77мкм до l=0,38мкм, создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнитную теорию света.
Экспериментальные доказательства электромагнитной теории света:
1) опыты Физо[g] (1849г.), Фуко[h] (1850г.), Майкельсона[i] (1881г.) Þ в результате которых экспериментальное значение скорости света совпало с теоретическим значением скорости распространения электромагнитных волн, полученным из электромагнитной теории Максвелла.
2) опыты П.Н. Лебедева[j] (1899г.) по измерению светового давления.
Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца 19в. К этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этими представлениями и даже противоречащий ему. Это были данные:
1) о спектрах свечения химических элементов;
2) о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела;
3) о фотоэлектрическом эффекте и др.
Чтобы снять противоречие, было сделано предположение, что излучение, распространение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный характер, т.е. что свет испускается, распространяется и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами ).
Исходя из этого предположения, немецкий физик М. Планк[k] в 1900г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Альберт Эйнштейн[l] в 1905г. разработал квантовую теорию света , согласно которой свет представляет собой поток световых частиц – фотонов . Таким образом, в начале 20 го столетия возникла новая теория о природе света – квантовая теория , возрождающая в известном смысле корпускулярную теорию Ньютона. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).
Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования атомных и молекулярных спектров, выполненные Бором[m] (1913), Шредингером[n] (1925), Дираком[o] (1930), Фейнманом[p] (1949), В.А. Фоком[q] (1957).
По современным воззрениям, свет есть сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией. Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света . Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является волной и частицей.
Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ, например, электрону, который мы обычно рассматриваем как частицу, но в некоторых явлениях он обнаруживает себя в качестве волны.
На первый взгляд кажется, что две точки зрения на природу света: волновая (электромагнитная) и квантовая (корпускулярная) взаимно исключают друг друга. Ряд признаков волн и частиц действительно противоположны. Например, движущиеся частицы (фотоны) находятся в определенных точках пространства, а распространяющуюся волну нужно рассматривать как «размазанную» в пространстве и нельзя говорить о местопребывании волны в некоторой определенной точке.
Необходимость приписывать свету с одной стороны волновые свойства, а с другой – квантовые, корпускулярные, – создает впечатление незавершенности наших представлений о природе света. Возникает даже мысль о том, что двойственность природы света является искусственной. Однако развитие оптики, вся совокупность оптических явлений показала, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, не следует противопоставлять свойствам дискретности (прерывности), характерным для фотонов.
Свет, как мы уже говорили, имеет двойственную природу. И эта природа, в частности, находит свое выражение, как мы покажем далее, например, в формулах, определяющих основные характеристики фотонов: энергию ; импульс ; массу . Т.е. корпускулярные характеристики фотонов связаны с волновой характеристикой света – его частотой: ; [n]=c -1 ;
В проявлении двойственных, противоречивых свойств света имеется важная закономерность. У длинноволнового излучения (например, ИК-излучения) квантовые свойства проявляются в малой степени и основную роль играют волновые свойства. Большая группа оптических явлений объясняется на основе волновых представлений, т.е., в волновой оптике.
Однако если перемещаться по шкале электромагнитных волн в сторону более коротких длин волн, то волновые свойства света будут проявляться все слабее, уступая место более отчетливо проявляющимся квантовым свойствам. (Это видно, например, из закона красной границы фотоэффекта). В частности, волновую природу коротковолнового рентгеновского излучения удалось только обнаружить при использовании в качестве дифракционной решетки кристаллической структуры твердых тел.
Волновые и квантовые свойства света связаны между собой. Рассмотрим эту связь на примере прохождения света через щель в непрозрачном экране (рис.1). Пусть плоскопараллельный пучок монохроматического света проходит через щель АВ вдоль оси Y.
С точки зрения двойственной природы света это означает, что через щель проходит одновременно и поток частиц – фотонов и электромагнитная волна.
Известно, что на экране СД возникает дифракционная картина. Освещенность Е в каждой точке экрана будет пропорциональна интенсивности света в этой точке (см. рис.1, где справа изображено распределение интенсивности света по экрану). Также известно, что интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды A световой волны. Þ .
С квантовой точки зрения образование на экране дифракционной картины означает, что при прохождении света через щель происходит перераспределение фотонов в пространстве и поэтому в разные точки экрана попадает разное число фотонов. Освещенность Е в каждой точке экрана пропорциональна суммарной энергии фотонов, попадающих в единицу времени в данную точку. А эта энергия пропорциональна n 0 , где n 0 – число фотонов, доставивших эту энергию. Þ .
Представим себе ситуацию, когда на щель падает очень слабый световой поток и пусть в пределе его можно было бы считать состоящим из очень небольшого числа поочередно летящих фотонов. Каждый фотон должен проявить себя в той точке экрана, куда он попал. Однако опыты показывают, что и при уменьшении интенсивности светового потока, дифракционная картина не изменяется.
В реальном эксперименте создание светового потока, состоящего из поочередно летящих фотонов, невозможно. Чтобы можно было говорить о сопоставлении с экспериментом, необходимо вообразить, что опыт с попаданием фотона в какую-то точку экрана повторяется очень много раз . При каждом таком опыте фотон с определенной вероятностью может попасть в ту или иную точку. Если наблюдения проводить длительное время, то результат будет такой же, если бы одновременно проходил световой поток, состоящий из очень большого числа фотонов.
Теперь сопоставим два выражения для освещенности. Из них следует, . Т.е. квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства пропорционален числу фотонов, попадающих в эту точку. Или иными словами: квадрат амплитуды световой волны в данной точке пространства является мерой вероятности попадания фотонов в данную точку .
Таким образом, волновые и квантовые свойства света не исключают, а, наоборот, взаимно дополняют друг друга. Они выражают подлинные закономерности распространения света и его взаимодействия с веществом.
Из всего сказанного следует, что волновые свойства присущи не только совокупности большого числа одновременно летящих фотонов. Каждый отдельный фотон обладает волновыми свойствами . Волновые свойства фотонов проявляются в том, что для него невозможно точно указать, в какую именно точку экрана он попадет после прохождения щели (рис.1). Можно говорить лишь о вероятности попадания каждого фотона в ту или иную точку экрана.
Такое истолкование взаимосвязи между волновыми и квантовыми свойствами света было предложено Эйнштейном. Оно сыграло выдающуюся роль в развитии современной физики, хотя разработка единой теории о природе света, отражающей двойственный корпускулярно-волновой характер света, еще пока не завершена.
Сейчас мы приступим к рассмотрению группы оптических явлений, которые полностью можно объяснить с точки зрения волновой оптики.
Невероятные факты
Свет - это удивительное явление, он в прямом и переносном смысле озаряет нашу жизнь множеством способов.
ООН объявила 2015 год Международным годом света , чтобы продемонстрировать "жителям Земли важность света и оптических технологий в жизни, для будущего и для развития общества".
Вот несколько интересных фактов о свете, о которых, возможно, вы не знали.
Солнечный свет
1. Солнце на самом деле белое , если смотреть из космоса, так как его свет не рассеивается нашей атмосферой. С Венеры вы вообще не увидите Солнце, так как там атмосфера слишком плотная.
2. Люди биолюминесцентны благодаря реакциям обмена веществ, но наше свечение в 1000 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным взглядом.
3. Солнечный свет может проникать на глубину океана примерно на 80 метров. Если спуститься на 2000 метров глубже, то там можно обнаружить биолюминесцентного морского черта, который заманивает своих жертв светящейся плотью.
4. Растения зеленые, так как они отражают зеленый свет и впитывают другие цвета для фотосинтеза. Если вы поместите растение под зеленый свет, оно, скорее всего, погибнет.
5. Северное и южное полярное сияние возникает, когда "ветер" от солнечных вспышек взаимодействует с частицами земной атмосферы. Согласно легендам эскимосов, полярное сияние – это души умерших, играющих в футбол с головой моржа.
6. За 1 секунду Солнце излучает достаточно энергии, чтобы обеспечить ею весь мир в течение миллиона лет .
7. Самой долгогорящей лампой в мире является столетняя лампа в пожарной части Калифорнии. Она непрерывно горит с 1901 года.
8. Световой чихательный рефлекс , который вызывает неконтролируемые приступы чихания в присутствии яркого света, встречается у 18-35 процентов людей, хотя никто не может объяснить, почему он возникает. Один из способов справится с ним - носить солнечные очки.
9. При двойной радуге , свет отражается дважды внутри каждой капли воды, а цвета во внешней радуге расположены в обратном порядке.
10. Некоторые животные видят свет, который мы не можем видеть. Пчелы видят ультрафиолетовый свет , в то время как гремучие змеи видят инфракрасный свет.
11. Ниагарский водопад был впервые электрически подсвечен в 1879 году, и освещение было равноценно подсветке 32 000 свечей. Сегодня подсветка Ниагарского водопада равноценна освещению 250 миллионами свечей.
12. Когда свет проходит через разные вещества, он замедляется и преломляется. Таким образом линза фокусирует лучи в одной точке и может поджечь бумагу.
Законы света
13. Свет обладает импульсом . Ученые разрабатывают способы использования этой энергии для дальних космических путешествий.
14. Глаза лягушки настолько чувствительны к свету , что исследователи из Сингапура используют их для разработки невероятно точных фотонных детекторов.
15. Видимый свет является лишь частью электромагнитного спектра, который видят наши глаза. Именно поэтому светодиодные лампы такие экономичные. В отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы излучают только видимый свет .
16. Светлячки излучают холодное свечение через химическую реакцию со 100-процентной эффективностью. Ученые работают над имитацией светлячков для создания более экономичных светодиодов.
17. Чтобы изучить, как наши глаза воспринимают свет, Исаак Ньютон вставлял иглы в глазницу . Он пытался понять является ли свет результатом того, что исходит извне или изнутри. (Ответ: оба предположения верны, так как палочки в глазах реагируют на определенные частоты).
18. Если бы Солнцу внезапно пришел конец , никто на Земле не заметил бы этого еще в течении 8 минут 17 секунд. Это время, которое требуется солнечному свету, чтобы достичь Земли. Но не беспокойтесь, у Солнца осталось топлива еще на 5 миллиардов лет.
Первые научные гипотезы о природе света были высказаны в 17 веке. К этому времени были обнаружены два замечательных свойства света – прямолинейность распространения в однородной среде и независимость распространения световых пучков, т.е. отсутствие влияния одного пучка света на распространение другого светового пучка.
И. Ньютон в 1672 г. высказал предположение о корпускулярной природе света. Против корпускулярной теории света выступали современники Ньютона – Р. Гук и Х. Гюйгенс, разработавшие волновую теорию света.
Скорость света. Первым большим успехом в изучении природы света было измерение скорости света.
Самый простой способ измерения скорости света заключается в измерении времени распространения светового сигнала на известное расстояние.
Однако попытки осуществления такого рода опытов оканчивались неудачей, никакого запаздывания света даже при расстоянии до зеркала в несколько километров обнаружить не удалось.
Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом. Датским ученым Олафом Ремером (1644-1710) в 1676г. он обнаружил, что при изменении расстояния между Землёй и планетой Юпитер вследствие их обращения вокруг Солнца происходит изменение периодичности появления спутника Юпитера Ио его тени. В том случае, когда Земля находится по другую сторону от Солнца по отношению к Юпитеру, спутник Ио появляется из-за Юпитера на 22минуты позже, чем это должно произойти по расчетам. Но спутники обращаются вокруг планет равномерно, - следовательно, это запаздывание кажущееся. Ремер догадался, что причиной запаздывания появления спутника Юпитера при увеличении расстояния между Землёй и Юпитером является конечность скорости света. Таким образом, он смог определить скорость света.
Определение света
Свет – это электромагнитное излучение, невидимое для глаза. Свет становится видимым при столкновении с поверхностью. Цвета образуются из волн разной длины. Все цвета вместе образуют белый свет. При преломлении светового луча в призме или капле воды весь спектр цветов становится видимым, например, радуга. Глаз воспринимает диапазон видимого света, 380 - 780 нм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет.
Возникновение теории о свете
В XVII веке возникло две теории света волновая и корпускулярная. Корпускулярную теорию предложил Ньютон, а волновую Гюйгенс. Согласно представлениям Гюйгенса свет волны, распространяющиеся в особой среде эфире, заполняющем все пространство. Две теории длительное время существовали параллельно. Если по одной из теорий нельзя было объяснить какое либо явление, то по другой это явление можно было объяснить. Именно по этому эти две теории так долго существовали параллельно друг другу.
Например: прямолинейное распространение света, приводящее к образованию резких теней нельзя было объяснить исходя из волновой теории. Однако в начале XIX века были открыты такие явления как дифракция и интерференция, что дало повод для мыслей, что волновая теория окончательно победила корпускулярную. Во второй половине XIX века Максвелл показал, что свет частный случай электромагнитных волн. Эти работы послужили фундаментом для электромагнитной теории света. Однако в начале XX века было обнаружено, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.
Корпускулярная теория
Эмиссионная (корпускулярная): свет состоит из мелких частиц (корпускул), излучаемых светящимся телом. В пользу этого мнения говорила прямолинейность распространения света, на которой основана геометрическая оптика, однако дифракция и интерференция плохо укладывались в эту теорию. От сюда происходит волновая теория.
Волновая теория
Волновая: свет представляет собой волну в невидимом мировом эфире. Оппонентов Ньютона (Гука, Гюйгенса) нередко называют сторонниками волновой теории, однако надо иметь в виду, что под волной они понимали не периодическое колебание, как в современной теории, а одиночный импульс; по этой причине их объяснения световых явлений были мало правдоподобны и не могли составить конкуренцию ньютоновским (Гюйгенс даже пытался опровергнуть дифракцию). Развитая волновая оптика появилась только в начале XIX века.
Ньютона часто считают сторонником корпускулярной теории света; на самом деле он, по своему обыкновению, «гипотез не измышлял» и охотно допускал, что свет может быть связан и с волнами в эфире. В трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но, с другой стороны, он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты. По существу, Ньютон, ясно сознавая достоинства и недостатки обоих подходов, выдвигает компромиссную, корпускулярно-волновую теорию света. В своих работах Ньютон детально описал математическую модель световых явлений, оставляя в стороне вопрос о физическом носителе света: «Учение моё о преломлении света и цветах состоит единственно в установлении некоторых свойств света без всяких гипотез о его происхождении». Волновая оптика, когда она появилась, не отвергла модели Ньютона, а вобрала их в себя и расширила на новой основе.
Несмотря на свою нелюбовь к гипотезам, Ньютон поместил в конце «Оптики» список нерешённых проблем и возможных ответов на них. Впрочем, в эти годы он уже мог себе такое позволить – авторитет Ньютона после «Начал» стал непререкаемым, и докучать ему возражениями уже мало кто решался. Ряд гипотез оказались пророческими. В частности, Ньютон предсказал:
отклонение света в поле тяготения;
явление поляризации света;
взаимопревращение света и вещества.
План:Первые сведения о свете в античной период.
Создание основ геометрической оптики (Евклид,
Архимед, Птолемей, Лукреций Кар).
Развития учения о свете в период средневековья
(Роджер Бэкон) и в эпоху Возрождения (Леонардо
да Винчи, Порта).
Развития учения о свете в XVII веке (Кеплер, Гук,
Гюйгенс, Галилей, Ферми). Создание начал
волновой оптики и первых оптических приборов
(Липперсгей, Галилей, Левенгук).
Развитие оптики в XIX веке. Создание
теоретических и экспериментальных основ
волновой оптики (Юнг, Френель, Стефан,
Больцман, Вин, Максвелл, Майкельсон).
1. Первые сведения о свете в античной период. Создание основ геометрической оптики (Евклид, Архимед, Птолемей, Лукреций Кар).
Уже в III в до н. э. сложилась геометрическая оптика, основыкоторой изложены в трудах знаменитого Евклида (300г. до н.
э.), обобщающего Эмпирические данные предшественников
(труды «оптика» и «катоптрики»). Следуя Платону, Евклид
разделяет теорию зрительных лучей. Эти лучи - прямые линии.
Видимость предмета обусловлено тем, что из глаза, как из
вершины, идет контур лучей, образующие которого
направленные касательно к границе предмета. Величина
предмета определяется под угловым зрения.
В «оптике» впервые формируется закон прямолинейного
распространения света.
В «Катоптрике» Евклида рассматривается явление отражения
света. Здесь сформулирован закон отражения света. Этот закон
применим как и плоским так и сферическим зеркалам.Легенда приписывает Архимеду
сожжение римского флота с помощью
вогнутых зеркал. Древним был известно
действие линз, точнее- стеклянных
шариков. Так, драматург Аристофан,
современник Сократа, советует
должнику растопить долговое
обязательство, написанное на восковой
дощечке, с помощью зажигательного
стекла.Птолемей (19-ок. 160 в. до н.э.) исследовал
преломление света с помощью (диск)
прибора, но закон преломление он не нашел.
Лукреций Кар (94-51гг.до н. э.) в своей
поэме « о природе вещей» трактует свет как
некий материальный субстрат. В ней мы
находим прообраз корпускулярной природы
света.
Из поэмы видно, что он был знаком закон
отражения света:
«… отскакивать все от вещей заставляет
природа и отражается назад под таким же
углом, как упало».
2. Развития учения о свете в период средневековья (Роджер Бэкон) и в эпоху Возрождения (Леонардо да Винчи, Порта).
В период средневековья оптика не получила какого-нибудь развития,за исключением высказываний и наблюдений за световыми явлениями
в работах Роджера Бекона, относящихся к XIIIв.
Роджер Бэкон объяснял возникновение радуги преломлением в
дождевых каплях; людям со слабым зрением советовал прикладывать
к глазу выпуклую линзу.
В период эпохи Возрождения (XV- XVI вв.) значительный вклад в
развитие оптики внес Леонардо да Винчи. Он впервые установил, что
глаз принципиально схож с камерой- обскурой. Он же объяснил
стереоскопичность зрения видением двумя глазами. Ему принадлежат
первые идеи о волновом движении.
3. Развития учения о свете в XVII веке (Кеплер, Гук, Гюйгенс, Галилей, Ферми). Создание начал волновой оптики и первых оптических приборов (Липпе
3. Развития учения о свете в XVII веке (Кеплер, Гук, Гюйгенс,Галилей, Ферми). Создание начал волновой оптики и
первых оптических приборов (Липперсгей, Галилей,
Левенгук).
В XVII веке оптика пережила исключительный расцвет. К
концу века она превратилась в развернутую мощную отрасль
физической науки наряду с механикой, доставила
единственно надежный материал для теоретических
обобщений.
В это период развернулась теоретическая борьба вокруг
вопроса о природе света.
Расцвет оптики начался с усовершенствованием методов
шлифовки оптических стекол и поисков увеличительных труб.В 1608 г. голландец Липперсгей подал
заявку на выдачу ему патента на
зрительную трубу.
Галилей (1564-1642), услышав о трубе,
стал думать над его возможным
устройством и самостоятельно
изготовил называемую сейчас трубу
Галилея. Она используется в биноклях.
4. Развитие оптики в XIX веке. Создание теоретических и экспериментальных основ волновой оптики (Юнг, Френель, Стефан, Больцман, Вин, Максвелл,
Майкельсон).В XIX веке в развитие учения о свете внесли большой вклад
ученые Юнг и Больцман, . Рассмотрим их работы.
Юнг Томас (1773- 1829)- английский ученый, один из
создателей волновой оптики, член Лондонского Королевского
общества и его секретарь (1802-1829). В 2 года начал читать,
обнаружив феноменальную память. В 4 года знал на память
сочинения многих английских поэтов, в 8-9 лет овладел
токарным мастерством, мастерил различные физические
приборы, в 14 лет познакомился с дифференциальным
исчислением (по Ньютону), изучил много языков. Учился в
Лондонском, Эдинбургском и Геттинском университетах, в
начале изучал медицину, потом увлекся физикой, в частности,
оптикой и акустикой. АВ последние годы жизни занимался
составлением египетского словаря.В 1793 г. объяснил явление аккомодации глаза изменением
кривизны хрусталика
2. В 1800 г. выступил в защиту теории света.
3. В 1801 г. объяснил явление интерференции света и кольца
Ньютона.
4. В 1803 г. ввел термин «интерференция».
5. В 1803 г. предпринял попытку объяснить дифракцию света от
тонкой нити, связывая ее с интерференцией.
6. Показал, что при отражении луча света от более плотной
поверхности происходит потеря полуволны.
7. Измерил длины волн разных цветов, получил для длины
волны красного цвета 0, 7 микрона, для фиолетового- 0, 42.
8. Высказал мысль (1807 г.), что свет и лучистая теплота
отличаются друг от друга только длиной волны.
9. В 1817 г. выдвинул идею поперечности световых волн.Больцман Людвиг (1844- 1906) - австрийский физик - теоретик,
член Австрийской и членкор. Петербургской АН.
В 1866 г. ввел закон распределения газовых молекул по
скоростям (статистика Больцмана).
В 1872 г. вывел основное уравнение кинетической энергии
газа:
p=2n m0 ˂v˃/2
3
где ˂v˃ – средняя скорость молекул, m0- масса молекулы, nконцентрация молекул (количество молекул в единице объема
газа).
В 1872 г. доказал статистический характер 2-го начала
термодинамики, показал несостоятельность гипотезы тепловой
смерти Вселенной.
Впервые к изучению применил принципы термодинамики.Использую гипотезу Дж. Максвелла о световом давлении, в
1884 г. теоретически открыл закон теплового излучения:
4
E=ßT ,раннее (в 1879 г.) экспериментально установленный
Стефаном (закон Стефана- Больцмана).
В 1884 г. из термодинамических соображений вывел
существование давления света.
Отстаивал атомистическую теорию.
В честь Больцмана назван коэффициент пропорциональности в
уравнении:
p= knT,
-23
-1
равный 1,380662*10
Дж* К, названный постоянной
Больцмана- одной из важнейших постоянных в физике, равной
отношению температуры, выраженной в единицах энергии
(джоулях), к той же температуре, выраженной в градусах
Кельвина:
к=2/3*m(0) (v)*2/2/T
Вопросы:
1.2.
3.
4.
5.
Кто открыл на Луне существование гор и
впадин?
Как называется поэма Лукреция Кара?
В период какой эпохи значительный вклад в
развитие оптики внес Леонардо да Винчи?
Какой термин вел Юнг Томас в 1803 году?
Кем и в каком году изобретен микроскоп?