Электромагнитная природа света

Электромагнитная  природа света - электромагнитные волны   

Здравствуйте.

Мы  продолжаем изучение вопросов, связанных  с темой «Электромагнитные явления». И темой нашего сегодняшнего урока  является «Электромагнитная природа  света».  

Хотелось  бы напомнить, что на предыдущем уроке мы обсуждали вопрос, связанный с тем, что такое электромагнитная волна, какими свойствами она обладает, что собой представляет. Мы достаточно хорошо этот вопрос обсудили. И теперь мы можем сказать о том, что пришла пора поговорить об электромагнитной природе света. Именно это и есть тема сегодняшнего урока. Мы неоднократно слышали это слово, все знают прекрасно, что это такое – свет, но вот определения того, что такое свет, мы дадим только сегодня, вот сейчас.  

Сегодня считается буквально следующее, что светом называется электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом и вызывающее зрительные ощущения.  

Хотелось  бы заметить, что в этом определении  все связано именно с человеческим ощущением, человеческим глазом. И здесь  необходимо сказать, что свет – это как раз только то, что воспринимается человеческим глазом, подчеркнуть это хотелось бы.  

Электромагнитная  природа света. Что такое свет? Как пришли к такому выводу, что  свет – это электромагнитная волна?

Вообще  надо сказать, что люди достаточно давно задумывались о том, что такое свет. Надо отметить здесь и Пифагора, и Аристотеля, и других древних ученых, которые достаточно серьезно подходили к этому вопросу и выдвигали свои определенные теории.  

Но  две основные теории, о которых мы обязаны сегодня поговорить, сложились в конце 17 и начале 18 века.

Родоначальником одной теории является ученый, который  всем достаточно хорошо известен –  Ньютон. А вот родоначальником  другой теории, о которой мы тоже сегодня поговорим, является еще один ученый, голландский ученый по фамилии Гюйгенс. Гюйгенс Христиан.  

Вот примерно с этого времени, развиваясь, эти две теории привели к тому, что о свете, о таком явлении, как свет, стали говорить как об объекте, обладающем двумя свойствами. И свойствами частиц, говорят, свойствами корпускулярными, от латинского слова «корпускулы» – частицы, и свойствами волны.  

Сторонником теории того, что свет является потоком  специальных частиц, был Исаак  Ньютон. И поскольку авторитет  И. Ньютона был достаточно велик, то, соответственно, многие были приверженцами этой теории.  

Волновую  теорию света развивал Х. Гюйгенс. И  он обосновывал свою теорию на тех  опытах, на тех отклонениях, которые  были в то время замечены.  

Я говорю о том, что волновая теория и теория корпускулярная объясняли одни и те же явления. Прямолинейное распространение света, преломление света, отражение света, т.е. те самые законы, о которых мы говорили тогда, когда говорили о световых явлениях в 8 классе. Объяснение этих явлений, как выяснилось, может быть двойным. С одной стороны, можно говорить об этих явлениях, как о явлениях, связанных с распространением частиц. С другой стороны, как о явлении волновом.  

Эти две теории просуществовали довольно долго с переменным успехом. Были опыты проведены, которые доказывали, что свет – это волна. Были проведены опыты, которые доказывали, что свет – это частица. И все-таки никак не могли определиться, что это такое свет.  

Электромагнитная  природа света. Что такое свет в конце концов? Это волна или  это поток частиц?

Точку в этом исследовании, в этих теориях  удалось поставить только в середине 19 века. Я бы даже сказал, во второй половине 19 века. Но все началось в 17 веке.  

Обратите  внимание на очень интересные замечания, посмотрите, пожалуйста, на доску.  

1. Датский астроном Олов Рёмер  в 1676 г провел эксперимент по  определению скорости света. Этот  эксперимент был связан с тем,  как определяется скорость света  при затмении спутника Ио. И  результат, который получил Рёмер  в своих опытах, составил 285000 .

Мы  чуть попозже выясним, почему мы перешли  именно к этим экспериментам.  

2. В 1848 г. французский физик Физо  провел эксперимент и получил  еще один очень любопытный  результат. Из опытов Физо следовало,  что скорость распространения  света составила 313000 .

Скорость  была достаточно велика. Обратите внимание на величину этой скорости. Мы знаем, что  сейчас она достаточно сравнима со скоростью света, со скоростью распространения  светового излучения.

А в то время говорили о том, что  это только лишь один из результатов, полученных из опытов. Однако надо отметить вот что: эти опыты не могли подтвердить, что такое свет – волна или частица.  

3. И все это закончилось тем,  что в 1852 г. английский ученый  Максвелл, это имя нам уже знакомо,  определил скорость распространения электромагнитных волн теоретически. То есть, по сути, на бумаге в результате расчетов Максвелл установил, что скорость распространения электромагнитных волн составляет 300000.

Обратите  внимание, вот здесь эта цифра  указана: Максвелл 1852 г. –300000. Именно этот результат Максвелл получил тогда, когда вычислял скорость электромагнитных волн.   

Как только Максвелл получил значение этой скорости, естественно, он попытался  выяснить, а есть ли такие объекты, которые обладают такой скоростью. В результате стало понятно, что такой объект есть и это, конечно, свет. То есть опыты Рёмера и Физо привели к тому, что в сочетании с результатами, полученными Максвеллом, стало ясно, что скорость распространения электромагнитных волн является не чем иным, как скоростью света. С этого момента скорость распространения электромагнитных волн стали называть скоростью света. И теперь, когда вы слышите такое словосочетание, все прекрасно понимают, о чем идет речь.

Что и свет с такой скоростью распространяется, и электромагнитные волны с такой скоростью распространяются. И теперь, конечно, остается сделать последний вывод – это то, что свет является не чем иным, как электромагнитной волной.  

Казалось  бы, после всех этих экспериментов, после всех этих выводов можно  было оставить споры о том, что такое свет, и прийти к тому единственному решению, что свет – это электромагнитная волна. Однако хотелось бы отметить, что в дальнейшем, в самом конце 19 века были открыты явления, которые доказывали, что свет все-таки обладает свойствами частиц.  

На  сегодняшний день считается следующее: свет имеет вот такую двойную  природу. Он одновременно и волна, и  частица. Тогда, когда свет распространяется, т.е. от источника до наблюдателя, он ведет себя как волна. А тогда, когда он взаимодействует с поверхностью, с веществом или тогда, когда он рождается, при рождении света, он ведет себя как частица. Поток специальных частиц, которые составляют свет, и такое обозначение, наверное, тоже вы слышали, называется потоком фотонов. Одна частица, соответственно, – фотон.  

В заключение сегодняшнего урока мне  бы хотелось отметить, что свет, именно то, с чего мы начали, излучение, которое  воспринимается человеческим глазом, – это очень небольшой участок  шкалы электромагнитных волн. Вспомните: на предыдущем уроке мы говорили о шкале электромагнитных волн. Так вот, все электромагнитные волны без исключения обладают свойствами и волны, и частицы, только, конечно, в разной степени. У каких-то волн эти свойства проявляются ярче. Они, соответственно, больше соответствуют волновым явлениям, волнам. А есть такие излучения, у которых, наоборот, ярче проявляются свойства частиц.   

На  следующих уроках мы обсудим эти  вопросы.

До  свидания.  

Во  время борьбы двух теорий, волновой и корпускулярной, естественно, каждый из апологетов той или иной теории искал определенную опору в опытах. Что касается волновой теории и того, что в первую очередь склонялись к определению света как волны, очень важное значение получило явление, которое было открыто Томасом Юнгом в 1802 г., и называется это явление интерференцией. Сам Томас Юнг придумал это название – интерференция. Это наложение двух когерентных волн, в результате которого образуется устойчивая картина из максимумов и минимумов. Надо сказать, что интерференция света представляет собой достаточно известную всем картину – это когда чередуются светлые и темные полоски световые. Вам всем известна интерференция в тонких пленках. Тогда, когда мыльный пузырь мы наблюдаем в солнечном свете, мы видим, как он переливается разноцветными огнями. Это и есть проявление интерференции света. Или интерференция в тонких пленках на поверхности воды. То же самое происходит летним днем, когда мы наблюдаем поверхность лужи, поверхность воды, мы можем видеть в тонкой пленке такое же разноцветное чередование полос. Это тоже не что иное, как интерференция.

Интерференция – это явление волновое, поэтому  после опытов Т. Юнга стало ясно, что свет является по большей части, видимо, волной, т.е. это явление доказывало, что свет – это волна. 
 
 

Урок  физики в 11-м классе по теме "Свет – это поток частиц" (методика "дебаты")

Пылкова Любовь Васильевна, учитель физики

Статья  отнесена к разделу: Преподавание физики  

Цели  урока:

• Обобщение и систематизация знаний по теме: “Оптика”, расширение представлений о развитии взглядов на природу света;
• Совершенствование умений совместной учебно-познавательной деятельности обучающихся, партнерских отношений обучающихся и обучаемых, диалогического общения между учащимися в процессе добывания знаний, конкурировать, вести полемику, отстаивать свои интересы на основе знания;
• Развитие коммуникативной культуры общения, самостоятельности в добывании разноплановой информации по обозначенной проблеме, мышления, включая умения сопоставлять, сравнивать, анализировать, находить аналогии.

Ход урока

1. Организационный  момент (приветствие, д/з) (2 мин.)

2. Вступительное слово  учителя (цели урока, тип урока, регламент урока, мотивация, представление таймспикера, экспертов-судей) (5 мин.)

Ответ на вопрос о природе света был  получен на основе длинного ряда наблюдений над особенностями световых явлений. При этом научные представления о природе света менялись по мере того, как накапливались новые сведения и данные наблюдений. Мы с вами уже говорили о том, что свет и световые явления люди начали изучать задолго до открытия электромагнитных волн. Изучением света занимались такие известные философы как Пифагор (6 век до н.э.), Евклид (3 век до н.э.), Аристотель (4 век до н.э.). Евклид в своих трактатах изложил два закона геометрической оптики, а Пифагор стоял у истоков корпускулярной теории – он предполагал, что тела излучают мельчайшие частицы, которые попадают в глаза, благодаря чему мы видим окружающий нас мир. А Аристотель, по-видимому, стоял у истоков волновой теории – он выдвигал гипотезу о свете, как о возбуждении среды. Позже, в соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причем, возникли они почти одновременно в 17 веке. Одна была связана с именем Х.Гюйгенса и поддерживалась Л.Эйлером, М.Ломоносовым, В.Франклином. А другая – с именем И.Ньютона. Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории. Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света – все тела состоят из атомов, между атомами существует пространство, в котором и распространяется свет в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в 17 веке было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света. Но тогда же начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света надо считать Декарта. Конечно, у Декарта нет еще представления о световых волнах. Он представляет свет не как поток частиц, а как распространение движения. Первое открытие, свидетельствующие о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди в начале 17 века. Он заметил, что если на пути очень узкого пучка света поставить предмет, то на экране не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с корпускулярной теорией света, однако не решился полностью отказаться от этой теории. Вторым важным открытием было открытие интерференции света, исследованное английским физиком Р.Гуком. Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды и обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки и пластинки из слюды. Однако у Гука не было правильного представления о цвете, поэтому он не смог разобрать теорию интерференции. Третьим важным открытием было сделано датским ученым Бартолином в 1669 году. Он открыл явление двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата. Бартолин обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл, то видно не одно, а два изображения, смещенных относительно друг друга. Это явление затем исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света.