Фізичні властивості світла

 

Світло як електромагнітні хвилі

Швидкість світла

Закони відбивання

 

 

Випромінювання електромагнітних хвиль відбувається під час вимушених коливань електронів у коливальних контурах. За допомогою таких контурів, можна дістати електромагнітні хвилі частота яких сягає 1012 Гц. Природно виникає питання: чи існують хвилі вищих частот? Теоретично частота хвиль може змінюватись від нульових до нескінченно великих значень. Та практично, під час детального вивчення електромагнітних явищ, встановлено, що під час коливань атомів і молекул виникають високочастотні електромагнітні хвилі частота яких значно перевищує частоту хвиль, які можна отримати у коливальних контурах. Ці хвилі дістали назву світлових хвиль. З погляду фізики світлові хвилі – електромагнітні хвилі, до яких, крім видимого неозброєним оком, належить також інфрачервоне та ультрафіолетове проміння (частота коливання цих хвиль охоплює діапазон від 1012 до 31016 Гц, а сама довжина хвиль від 0, 3 мкм до 10-2 мкм). Видиме людиною світло має частоти від 41014 до 7, 71014 Гц (довжина хвиль від 380 до 740 нм).

Саме світло – фізичний феномен, який в одних випадках проявляє властивості електромагнітних хвиль, а в інших – властивості частинок.

 

 

Якщо світлові хвилі мають усі властивості електромагнітних хвиль, у тому числі з певною швидкістю переносять енергію. Питання про швидкість поширення світла – одне з найважливіших принципових питань всієї фізики. З‘ясування того, що швидкість світла є граничною швидкістю поширення будь-яких фізичних збуджень, а також визначення числового значення цієї швидкості, дали можливість обґрунтувати електромагнітну природу світла і відіграли важливу роль у створенні теорії відносності. Швидкість світла можна визначити вимріявши пройдену світлом за певний час відстань (прямий метод). Перша спроба визначити в такий спосіб швидкість світла належить Г. Галілею (1607 р.). на певній відстані від спостерігача розміщалося плоске дзеркало. Відкриваючи заслінку ліхтаря, спостерігач повинен був визначити через який час повернеться світло, відбившись від дзеркала. Проте цим способом не вдалося визначити швидкість світла, оскільки при оскільки при невеликій відстані до дзеркала час реакції спостерігача на світло значно перевищував час поширення світла від ліхтаря до дзеркала і назад до спостерігача

Вперше вдалося визначити швидкість світла датському вченому Оламу Ремеру в 1676 році під час вивчень затемнень одного із супутників Юпітера. Супутники обертаються навколо Юпітера і періодично ховаються за ним. Очевидно, що затемнення мають повторюватися строго періодично, однак Ремер виявив, що коли Земля повертається до Юпітера, то інтервал часу між послідовними затемненнями стають короткими, а коли віддаляються від Юпітера -довшими порівняно з розрахованим часом. Ремер пояснив це тим, що протягом року змінюється відстань від Землі до Юпітера, а тому світло від супутника Юпітера до Землі йде різний час. Ремер порівняв результати двох спостережень. Одно було виконане в момент, коли відстань між Юпітером і Землею була мінімальною, а друге – коли ця відстань була максимальною. Різниця між фактичним моментом виходу супутника Юпітера із затемнення і розрахованим значенням Виявилася рівною t =1320 с. Оскільки діаметр земної орбіти навколо Сонця дорівнює d = 299 млн. км, то для швидкості світла Ремер дістав значення:

 

c = d / t =29 900 000 / 1320 c =227 000 км/с

 

Це значення не дуже точне, оскільки вимірювання Ремера були виконані з великими похибками і крім того діаметр земної орбіти на той час не був відомий з максимальною точністю. За сучасними спостереженнями час запізнення затемнення проти розрахованого становить t = 996, 4 с, що дає для швидкості світла:

 

c = d / t =29 900 000 / 996, 4c =300 000 км/с

 

Однак цінність відкриття Ремера величезна, оскільки він вперше показав, що швидкість світла скінченна.

В подальшому швидкість світла вимірювалась багато раз і в різних умовах. Одним з найбільш точних вимірювань світла був дослід, проведений у 1926 році американським вченим фізиком А. Майкельсоном.

На одній горі було встановлено дуже потужне джерело світла S, восьмигранне обертове дзеркало, труба і увігнуте (параболічне) дзеркало 1.

На другій горі, відстань до якої була точно виміряна (l = 35373, 21 м), також встановлюють увігнуте дзеркало 2.

При нерухомому восьмигранному дзеркалі система настроювалась так, щоб світло, яке йде від джерела, відбилася від однієї грані восьмигранною, дійшло до другої гори, відбилося від дзеркала 2, повернулось назад, упало на іншу грань восьмигранного дзеркала, відбившись від якої потрапило б у трубу спостерігача. Якщо система настроєна, то спостерігач в трубу бачить джерело світла.

Коли восьмигранне дзеркало за допомогою електродвигуна швидко обертати, зображення джерела в трубі зникало, бо за час руху світла до другої гори і назад, восьмигранне дзеркало трохи поверталося, протилежна грань зміщувалась, промінь падав на цю грань під дещо іншим кутом і після відбивання не потрапляв у трубку. Коли швидкість обертання дзеркала збільшували, то при певній кількості обертів n спостерігач знову бачив джерела світла, це означає, що за час проходження світлом подвійної відстані між горами, 2l восьмигранне дзеркало встигало обернутися рівно на одну восьму оберту і точно в положенні протилежної грані ставала наступна за нею. Тоді відбите від цієї грані світло потрапляло в трубу і спостерігач знову бачив джерела світла. Оскільки світло проходить подвійну відстань між горами за одну восьму періоду обертання дзеркала, t = 1/8T = 1/8n, то для швидкості світла с дістанемо:

 

c = 2l / t = 2l8n=16ln

 

За результатами досліду А. Майкельсон дістав: с = (299796  4) км/с. Зараз існують більш точні способи вимірювання швидкості світла. Декілька років тому, використовуючи лазерне випромінювання визначили швидкість світла найточніше: с = (299792456  1, 1) м/с. Відносна похибка цього випромінювання 3, 510-9.

 

 

Спрямовуємо вузький пучок світла на поверхню води. Цей пучок на межі води і заломлюється і відбивається. Досліди показують, що при зміні напряму падаючого променя змінюється напрям відбитого, але обидва вони завжди лежать в одній площині. На основі цього досліду можна сформулювати перший закон відбивання світла:

Промінь падаючий і відбитий лежать в одній площині з перпендикуляром до відбиваючої поверхні, проведених з точки падіння променя.

Змінюючи кут падіння на воду відомо, що зміниться і кут відбивання. Вимірюючи щоразу кут падіння і кут відбивання, що відповідає йому можна встановити, що вони завжди рівні, тобто дорівнюють один одному. В цьому полягає другий закон відбивання світла:

Кут відбивання дорівнює кутові падіння.

 

 

Борн М., Вольф Э. (1973). Основы оптики. Москва: Наука.

Гагарин А. П. Свет // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. – М. : Большая Российская энциклопедия, 1994. – Т. 4. – С. 460. – 704 с. – 40 000 экз. – ISBN 5-85270-087-8.

Черняев Ю. С. Оптическое излучение // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. – М. : Большая Российская энциклопедия, 1992. – Т. 3. – С. 459. – 672 с. – 48 000 экз. – ISBN 5-85270-019-3.

Ландсберг Г. С. Оптика. – М. : ФИЗМАТЛИТ, 2003. – С. 387. – ISBN 5-9221-0314-8.