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.
Осветите свои знания в области науки нашими забавными легкими фактами для детей. Наслаждайтесь интересными мелочами, связанными с скоростью света, оптикой, солнечным светом, ультрафиолетовым светом и инфракрасным светом. Понимают, как работает электромагнитное излучение, и обнаруживают множество увлекательных свойств света.
В физике свет относится к электромагнитному излучению. Свет, о котором мы обычно говорим в повседневной жизни, относится к видимому спектру (части электромагнитного спектра, который может видеть человеческий глаз).
Другие животные могут видеть части спектра, которые люди не могут. Например, большое количество насекомых может видеть ультрафиолетовый (УФ) свет.
Ультрафиолетовый свет можно использовать для того, чтобы показать вещи, которые человеческий глаз не видит, пригодится для криминалистов.
Длина волны инфракрасного света слишком велика, чтобы быть видимой для человеческого глаза.
Ученые изучают свойства и поведение света в области физики, известной как оптика.
Исаак Ньютон заметил, что тонкий луч солнечного света, поражающий стеклянную призму под углом, создает полосу видимых цветов, включающую красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый (ROYGBIV). Это произошло потому, что разные цвета проходят через стекло (и другие среды) с разной скоростью, заставляя их преломляться под разными углами и отделяться друг от друга.
Свет проходит очень, очень быстро. Скорость света в вакууме (область, свободная от материи) составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 километров в секунду).
Свет распространяется медленнее с помощью различных сред, таких как стекло, вода и воздух. Этим средам дается показатель преломления для описания того, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, что означает, что огни проходят через него со скоростью около 124 000 миль в секунду (200 000 километров в секунду). Показатель преломления воды составляет 1,3, а показатель преломления воздуха — 1.0003, что означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.
Свет занимает 1,255 секунды, чтобы добраться от Земли до Луны.
Солнечный свет может достигать глубины около 80 метров (262 фута) в океане.
Одна из многих вещей, над которыми работал итальянский ученый Галилей Галилей, — это телескопы, производящие телескопы с 30-кратным увеличением в некоторых из его более поздних работ. Эти телескопы помогли ему обнаружить четыре крупнейшие луны, вращающиеся вокруг Юпитера (позже названные спутниками Галилея).
Фотосинтез — это процесс, который включает растения, использующие энергию от солнечного света, для превращения углекислого газа в пищу.
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?
Свет – это удивительное явление, он в прямом и переносном смысле озаряет нашу жизнь множеством способов.
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.
1
Люди биолюминесцентны благодаря реакциям обмена веществ, но наше свечение в 1000 раз слабее, чем можно увидеть невооруженным взглядом.
2
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.
3
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.
4
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.
5
За 1 секунду Солнце излучает достаточно энергии, чтобы обеспечить ею весь мир в течение миллиона лет.
6
Самой долгогорящей лампой в мире является столетняя лампа в пожарной части Калифорнии. Она непрерывно горит с 1901 года.
7
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.
8
При двойной радуге, свет отражается дважды внутри каждой капли воды, а цвета во внешней радуге расположены в обратном порядке.
9
Некоторые животные видят свет, который мы не можем видеть. Пчелы видят ультрафиолетовый свет, в то время как гремучие змеи видят инфракрасный свет.
10
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.
11
Когда свет проходит через разные вещества, он замедляется и преломляется. Таким образом линза фокусирует лучи в одной точке и может поджечь бумагу.
12
Свет обладает импульсом. Ученые разрабатывают способы использования этой энергии для дальних космических путешествий.
13
Глаза лягушки настолько чувствительны к свету, что исследователи из Сингапура используют их для разработки невероятно точных фотонных детекторов.
14
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.
15
Светлячки излучают холодное свечение через химическую реакцию со 100-процентной эффективностью. Ученые работают над имитацией светлячков для создания более экономичных светодиодов.
16
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).
17
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.
18
Несмотря на название, черные дыры на самом деле являются самыми яркими объектами во Вселенной. Несмотря на то, что мы не можем заглянуть за горизонт событий, они могут генерировать больше энергии, чем галактики, в которых они расположены.
19
Радуга возникает, когда свет встречается с каплями воды в воздухе, преломляется и отражается внутри капли и снова преломляется, оставляя ее.
20
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 свет1. 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.
19. Несмотря на название, черные дыры на самом деле являются самыми яркими объектами во Вселенной. Несмотря на то, что мы не можем заглянуть за горизонт событий, они могут генерировать больше энергии, чем галактики, в которых они расположены.
20. Радуга возникает, когда свет встречается с каплями воды в воздухе, преломляется и отражается внутри капли и снова преломляется, оставляя ее.
