Физика

Урок 11: Электро - магнетизм. Часть 3

Электромагнитное поле. Часть 3

Когда ученые прошлого думали о природе света, они разделились на два лагеря: одни думали, что свет – это поток частиц, а другие, что свет – это волны неизвестной природы, распространяющиеся в малоплотной среде, называемой эфиром. На самом деле, частично правы были и те, и другие. В разных ситуациях свет показывал себя и как волны, и как поток частиц, а предположение о существовании эфира оказалось неверным. В этом уроке предлагается рассмотреть свет как волну – что это за волна, в какой среде распространяется и какие ее особенности.
 

План урока:

Электромагнитная природа света

Преломление света

Дисперсия света

Типы оптических спектров

Поглощение и испускание света атомами

 

Электромагнитная природа света 

Квант. Постоянная Планка

Предположение о том, что свет – это частное проявление электромагнитных волн, выдвинул английский ученый Дж. Максвелл на основе нескольких экспериментальных фактов:

  • скорость света совпадала со скоростью распространения электромагнитных волн;
  • свет, как и электромагнитные волны, проявил себя в опыте как поперечная волна.

Согласно теории ученого, свет – это электромагнитная волна в диапазоне частот 3,8*10-7 - 7,6*10-7  метров.

Однако теория Дж. Максвелла о волновой электромагнитной природе света не вполне объясняла некоторые экспериментальные факты, где свет демонстрировал корпускулярные свойства (то есть вел себя как поток частиц).

Другой ученый Макс Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, как предполагалось раньше, а небольшими порциями. Эти порции энергии были названы квантами. Энергия одного кванта:

E = hv

где h – постоянная Планка (h = 6,626 070 15 × 10−34 Дж·c), – частота излучения света.

Чуть позже А. Эйнштейн объединил две теории (Максвелла и Планка), сказав, что свет – это электромагнитная волна с частотой , которую можно принять за поток квантов излучения, обладающих энергией E = hv.

Кванты энергии электромагнитного излучения получили название «фотоны». Считается, что фотон – это элементарная частица, которая не имеет заряда и массы, а распространяется со скоростью света.

 

Преломление света

Закон преломления света.  Физический смысл показателя преломления. Относительный показатель преломления. Абсолютный показатель преломления. Скорость света

Из практики известно, что световой луч, проходящий через границу,разделяющую две среды, меняет свое направление. Это явление называется преломлением света. Подробнее оно описано в уроке 8-го класса «Световые явления. Часть 1»: 

А как рассчитать, насколько преломится луч света проходя через границу, разделяющую два известных вещества? Ответ на этот вопрос сформулирован в законе преломления света (иллюстрацию см. на рисунке 1), который состоит из двух частей:

  • падающий луч, перпендикуляр, проведенный к границе двух сред, и преломленный луч располагаются в одной плоскости;
  • отношение синуса угла падения (sin a) к синусу угла преломления света (sin b) равно отношению абсолютного показателя преломления второй среды (n2) к показателю преломления первой (n2) :

1 sinus cosinus

2 svetovoi luch
Рисунок 1 –Световой луч, пересекающий границу раздела двух веществ (серым цветом изображен падающий луч, черным – перпендикуляр к границе, разделяющей вещества)

Для удобства и краткости написания введено понятие относительного показателя преломления (n21)  второй среды относительно первой:

3 otnositelnyi pokazatel

Абсолютный показатель преломления света в вакууме n принят за единицу:

n = 1

*Заметим, что, когда говорят просто «показатель преломления» имеют в виду абсолютный показатель преломления, относительный же так и называется «относительный показатель преломления».

В чем заключается физический смысл показателей преломления?

На самом деле абсолютный показатель преломления (n) отражает, во сколько раз скорость света в вакууме (c) больше скорости распространения света в данном конкретном веществе (v):

4 pokazatel prelomlenia

**Напомним, что скорость света в вакууме – это константа, равная 300 000 км/ч

Тогда, если взять два вещества, у первого из которых показатель преломления -n1 , у второго -n2 , получается:

5 zakon prelomlenia

Показатель преломления среды (n) и скорость света (v) в ней – это характеристики конкретного вещества. Например, для воды nв ≈ 1,333.

Важно еще знать: при переходе из одного вещества в другое частота волны v не меняется, однако меняется скорость ее распространения v. Это значит, что будет меняться и длины волны λ, так как:

6 dlina volny

То есть при переходе из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим (n1 < n2)  скорость волны уменьшается (v2 < v1), а значит уменьшается и длина волны.

Дисперсия света

Цвета тел. Спектр. Простые лучи

Если провести простой опыт, направив через призму из стекла на экран тонкие пучки света разных цветов (см. рисунок 2), можно заметить, что пучки разных цветов отклоняются в сторону более широкой части призмы. Однако отклоняются они по-разному: синий пучок отклоняется сильнее красного, например.

7 steklyannaya prizma
Рисунок 2 – Пучок белого света, проходящий через призму из стекла

В чем же отличие синего и красного света? Только в частоте соответствующих им электромагнитных волн. Та, что соответствует синему цвету, имеет частоту больше, чем волна, соответствующая красному. То есть степень отклонения или, другими словами, преломления пучка зависит также от частоты света, составляющего его. А степень преломления характеризуется с помощью абсолютного показателя преломления света (n) данного вещества.

Можно сделать вывод, что абсолютный показатель преломления света (n) зависит не только от свойств самой среды, но и от частоты преломляемого света (v). Это явление получило название дисперсии света.

Если через ту же призму направить пучок белого света, он не просто отклонится – на экране появятся разные цвета (рисунок 2). То есть белый пучок разложится в спектр из семи цветов,плавно перетекающих один в другой (расположение цветов будет как в радуге).

Спектр в данном случае – это распределение электромагнитного излучения по частотам (v) (или длинам волн λ), соответствующим различным цветам.

Получается, что белый цвет содержит в себе электромагнитные волны всех цветов.

Более того, если человек видит при дневном освещении предмет зеленым, это значит, что этот предмет поглотил все остальные цвета, составляющие белый свет, дошедший до него от источника (солнца или лампочки), и отразил зеленую волну, которая и попадает на сетчатку глаза человека, который воспринимает цвет данного тела как зеленый.

Пучок света определенного цвета (то есть с небольшим разбросом частот излучения) называется простым лучом.

Явление дисперсии света используется в различных приборах. Например, для получения спектра различных источников используют специальный прибор – спектроскопы. Существует много различных видов спектроскопов, но сейчас рассмотрим только один из них, использующийся наиболее часто, - двухтрубный (см. схему на рисунке 3).

8 shema dvuhtrubnogo spektroskopa
Рисунок 3 – Схема двухтрубного спектроскопа

Свет поступает в узкую щель (Щ) в трубке, называемой коллиматором (К). Внутри коллиматора свет представляет собой пучок расходящихся лучей. На выходе из коллиматора стоит собирающая линза (Л1), пройдя через которую поток лучей становится параллельным. Далее этот параллельный поток поступает на стеклянную призму (СП), которая отклоняет лучи разных частот (цветов) на различные углы. Получается, что первоначальный параллельный поток разделяется на множество маленьких параллельных потоков различных цветов, отклоненных от первоначального на разные углы. Далее эти потоки идут на еще одну собирающую линзу (Л2), а потом на экран (Э), где они собираются в изображения первоначальной щели.Таких изображений будет столько, сколько цветов входило в первоначальный свет. Изображения разных цветов будут располагаться на разных частях экрана.

Если первоначально на щель падал белый цвет, на экране получится сплошная полоса из переходящих друг в друга всех цветов.

Если на экране расположить фотопластинку, можно получить фотографию спектра, которая будет называться спектрограммой, а сам прибор будет тогда называться спектрографом*.

*Спектроскоп – это прибор, позволяющий наблюдать спектры, а спектрограф позволяет из регистрировать, получать изображения.

Типы оптических спектров

Сплошной или непрерывный спектр. Линейчатые спектры. Спектры испускания и поглощения

Существует несколько видов классификации спектров. Первый из них – по внешнему виду.

По внешнему виду можно выделить сплошные (непрерывные) и линейчатые спектры.

Сплошной спектр имеет вид сплошной полосы (отсюда и название). Именно такой вид спектра был получен в опыте с призмой (см. рисунок 2 – вид сбоку, рисунок 4а – вид спереди).

Сплошные спектры испускания получают от жидких или твердых излучающих тел при высоких температурах (~103 °C). В таком случае свет излучается множеством взаимодействующих друг с другом частиц и атомов внутри них.

Линейчатый спектр имеет вид отдельной линии определённого цвета (см. рисунок 4б).

9 spektry
Рисунок 4 – Спектры (4а – сплошной, 4б – линейчатый)

Такой спектр можно получить, если излучать будут изолированные друг от друга (не взаимодействующие или слабо взаимодействующие) атомы. Как известно, в газах малой плотности молекулы взаимодействуют меньше, чем в жидкостях или твердых телах, соответственно, если заставить газ светиться, получится линейчатый спектр излучения. Газ начинает испускать свет, если его нагреть до температур свыше 2000 °C/

Газ начинает испускать свет, если его нагреть до температур свыше 2000 .

Оба названных спектра можно объединить в один тип – спектры испускания, так как речь шла об испускании света. Но также существуют и спектры поглощения. Например, если пропустить белый свет (как уже выяснили ранее, белый состоит из электромагнитных колебаний с частотами всех цветов) через пары натрия, в сплошной спектрограмме полученного света будет черная полоса на месте желтой линии. Это и будет линейчатый спектр поглощения паров натрия.

На самом деле нагретые пары натрия испускают именно желтый цвет. То есть испускать и поглощать свет атомы могут только на одной и той же частоте.

Спектр атомов является уникальным для каждого типа химических элементов.

Поглощение и испускание света атомами

Происхождение линейчатых спектров

Почему же атом умеет испускать и поглощать свет только определенной частоты, характерной только для него самого? Поиском ответа на этот вопрос занимался ученый Нильс Бор, который сформулировал следующие постулаты:

  • Атом может находиться только в особых состояниях, называемых стационарными. Каждому из таких состояний соответствует некое значение энергии, то есть энергетический уровень. Пребывая в стационарном состоянии атом не испускает и не поглощает.

Вспомните планетарную модель атома: вокруг положительно заряженного ядра вращаются на орбитах электроны. Номера этих орбит и их уровни соответствуют стационарным уровням энергии. Соответственно, энергии стационарных состояний могут принимать не любые значения, а только набор конкретных.

Основное состояние атома – это такое состояние, когда все электроны находятся на стационарных орбитах с наименьшей энергией. А все остальные состояния будут называться возбужденными.

  • Излучение атомом света происходит при переходе его из стационарного состояния с большей энергией (Ek) в стационарное состояние с меньшей (En).

Как было сказано выше, энергия одного кванта равна hv. Получается, при излучении:

10 chastota ispuskaemoi volny

При процессе поглощения света будет происходить обратный процесс: атом будет переходить из состояния с меньшей энергией в состояние с большей, соответственно, формула для вычисления частоты поглощаемой волны останется такой же.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Выберите верное и наиболее полное определение понятия «свет»:
1Свет – это поток частиц, называемых фотонами.
2Свет – это волна неизвестной природы.
3Свет – это электромагнитная волна определенной частоты v, которую можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=hv.
4Природа света пока не изучена.
Ответить
3
Вопрос: 2
Луч проходит через границу двух веществ. Угол падения равен 30°, показатель преломления среды n1. Угол преломления равен 45°, показатель преломления среды n2. Как соотносятся между собой n1 и n2? Выберите верное утверждение:
1n1 >n2
2n1
3n1=n2
4недостаточно данных для выбора ответа.
Ответить
1
Вопрос: 3
Луч света переходит из воды в воздух. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе двух сред равен 30°. Показатель преломления воды считать приближенно равным 1,3, воздуха – 1. Чему равен синус угла преломления? Выберите правильный ответ:
10,01
20,8
30,73
40,65
Ответить
4
Вопрос: 4
Луч проходит границу раздела двух веществ. Синус угла падения луча равен 0,77, а угла преломления 0,57. Скорость света в первом веществе равна 197 000 км/с. Чему равна скорость распространения света во втором веществе? Выберите правильный ответ:
1197 000 км/с
2300 000 км/с
3350 000 км/с
4145 831 км/с
Ответить
4
Вопрос: 5
Пучок какого цвета отклонится в стеклянной призме сильнее (при одинаковом угле падения)? Выберите правильный ответ:
1фиолетовый
2голубой
3красный
4оранжевый
Ответить
1
Вопрос: 6
Атом испустил фотон с энергией 1,64*10-18 Дж. Какова частота световой волны, соответствующей данному фотону (все величины, используемые для вычислений, необходимо округлять до сотых)? Выберите правильный ответ:
10,10*1016 Гц
20,25*1016 Гц
30,56*1016 Гц
40,84*1016 Гц
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Выберите верное и наиболее полное определение понятия «свет»:
1) Свет – это поток частиц, называемых фотонами. 2) Свет – это волна неизвестной природы. 3) Свет – это электромагнитная волна определенной частоты v, которую можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=hv. 4) Природа света пока не изучена.
2 вопрос:

Луч проходит через границу двух веществ. Угол падения равен 30°, показатель преломления среды n1. Угол преломления равен 45°, показатель преломления среды n2. Как соотносятся между собой n1 и n2? Выберите верное утверждение:
1) n1 >n2 2) n1 3) n1=n2 4) недостаточно данных для выбора ответа.
3 вопрос:

Луч света переходит из воды в воздух. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к границе двух сред равен 30°. Показатель преломления воды считать приближенно равным 1,3, воздуха – 1. Чему равен синус угла преломления? Выберите правильный ответ:
1) 0,01 2) 0,8 3) 0,73 4) 0,65
4 вопрос:

Луч проходит границу раздела двух веществ. Синус угла падения луча равен 0,77, а угла преломления 0,57. Скорость света в первом веществе равна 197 000 км/с. Чему равна скорость распространения света во втором веществе? Выберите правильный ответ:
1) 197 000 км/с 2) 300 000 км/с 3) 350 000 км/с 4) 145 831 км/с
5 вопрос:

Пучок какого цвета отклонится в стеклянной призме сильнее (при одинаковом угле падения)? Выберите правильный ответ:
1) фиолетовый 2) голубой 3) красный 4) оранжевый
6 вопрос:

Атом испустил фотон с энергией 1,64*10-18 Дж. Какова частота световой волны, соответствующей данному фотону (все величины, используемые для вычислений, необходимо округлять до сотых)? Выберите правильный ответ:
1) 0,10*1016 Гц 2) 0,25*1016 Гц 3) 0,56*1016 Гц 4) 0,84*1016 Гц
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Свет – это электромагнитная волна определенной частоты v, которую можно рассматривать как поток квантов излучения с энергией E=hv.
2 вопрос: n1 >n2
3 вопрос: 0,65
4 вопрос: 145 831 км/с
5 вопрос: фиолетовый
6 вопрос: 0,25*1016 Гц