Значение электромагнитной теории света: Электромагнитная теория света — урок. Физика, 9 класс.

Содержание

Электромагнитная теория света — урок. Физика, 9 класс.

C давних пор люди пытались ответить на вопрос: какова природа света? В \(XVII\) веке почти одновременно начали своё существование совершенно, казалось бы, противоположные теории о том, что представляет собой свет. Первую теорию, корпускулярную, создал Исаак Ньютон. А основателем второй теории — волновой — является  Христиан Гюйгенс, голландский учёный.
Во второй половине \(XIX\) века Джеймс Клерк Максвелл в своих работах  заложил начало электромагнитной теории света.

Основой этой теории является факт совпадения скорости света со скоростью распространения электромагнитных волн. Из теории Джеймса Клерка Максвелла вытекало, что электромагнитные волны являются поперечными, так же как и световые волны.

Все эти факты были подтверждены экспериментально. Согласно теории Д. Максвелла 

видимый свет  — это электромагнитные волны с определённым диапазоном длины волны.

Диапазон длины волны видимого света лежит в интервале от 3,8⋅10−7 м до 7,6⋅10−7 м.
В начале \(XX\) века возникла квантовая теория света. Она была сформулирована в \(1900\) году немецким физиком Максом Планком, а обоснована в \(1905\) году немецким физиком Альбертом Эйнштейном. Согласно этой теории световое излучение испускается и  поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями — квантами света. Энергия E каждого кванта равна E=h⋅ν,

где h  — постоянная Планка.

Альберт Эйнштейн предположил, что электромагнитные волны с частотой ν можно рассматривать как поток квантов с энергией E.

 

Обрати внимание!

Свет обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными.

Чем больше частота электромагнитного излучения, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства излучения, а волновые свойства проявляются слабее.

Квант электромагнитного излучения называют фотоном.

Фотон — это элементарная частица.

Фотон не обладает массой покоя, у него нет заряда. Скорость фотона всегда равна скорости света.

 

Источники:


www.kursoteka.ru, сайт «Курсотека»
www.infourok.ru, сайт «Инфоурок»

Электромагнитная теория света — Справочник химика 21

    В феноменологической электромагнитной теории света [30] среда характеризуется макроскопическими величинами, в том числе рассмотренными ранее материальными константами е> ц> v и др. Описание среды с помощью величин, не зависящих от поля, справедливо только при достаточно слабых полях. Явления, не подчиняющиеся подобным закономерностям, описываются в рамках нелинейной оптики [31]. С уменьшением длины волны начинает проявляться квантовая природа электромагнитных волн и веществ. [c.39]
    На рубеже XIX и XX столетий в области учения о строении вещества был сделан ряд открытий, имевших большое принципиальное значение и приведших к признанию сложности атома. К ним относятся открытие электрона Перреном (1895) и Томсоном (1897), разработка Максвеллом электромагнитной теории света, открытие Планком (1900) квантовой природы света.
П. Н. Лебедев (1899) экспериментально показал существование светового давления и произвел количественное изучение его. Открытие явления радиоактивности и изучение его, проведенное П. Кюри и М. Склодовской-Кюри (начиная с 1898 г.), убедило, в частности, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других элементов. [c.18]

    Интенсивность излучения является функцией температуры и длин волн. Эту функциональную зависимость для абсолютно черного тела Планк нашел аналитически на основе электромагнитной теории света [c.127]

    Еще до появления планетарной модели атома был отвергнут тезис классической электромагнитной теории света о непрерывности излучения. Тезису, гласящему, что скачков не бывает, а есть только непрерывность, с полным правом можно противопоставить антитезис, по смыслу которого в действительности изменение всегда совершается скачками, но только ряд мелких и быстро следующих один За другим скачков сливается для нас в один непрерывный процесс (Плеханов).

Таким антитезисом явилась квантовая теория (Планк, 1900 г.). [c.78]

    Изучение рассеяния может основываться либо на электромагнитной теории света либо на классической геометрической и физической оптике В первом случае анализ явления более точен, но связан с расчетами на вычислительных машинах Геометрическая п физическая оптика может быть использована с некоторыми ограничениями в случае отсутствия данных, полученных на основе точной теории [c.114]

    Из курса физики известно, что в соответствии с электромагнитной теорией света обыкновенный свет представляет собой электромагнитные волны, возникающие в результате колебаний во множестве плоскостей перпендикулярно направлению движения волны (поперечные колебания). В поляризованном свете попереч- [c.196]

    Первые попытки создать физическую модель оптической активности на основе электромагнитной теории света принадлежат Друде. Его идея заключалась в том, что в оптически активном веществе электрон вынужден двигаться по спиральной орбите. Друде показал, что подобный спиральный электрон должен по-разному реагировать на воздействие левого и правого циркулярно-поляризованных лучей, что и [c.293]

    Всякая двухатомная молекула имеет некоторое распределение электрического заряда вдоль связи, соединяющей центры атомов. При осциллирующем колебании такой молекулы изменяется распределение электрического заряда. По электромагнитной теории света колебания молекулы приводят к поглощению, если происходит изменение ее ди-польного момента. Если при осциллирующем колебании изменяется распределение электрического заряда и молекула представляет собой колеблющийся диполь, то такие колебания активны в ИК-спектре. Интенсивность ИК-полос поглощения определяется этими изменениями и, согласно теоретическим расчетам, прямо пропорциональна квадрату 

[c.36]


    Согласно электромагнитной теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны, у которых вектор напряженности магнитного поля перпендикулярен к вектору напряженности электрического поля, и оба они лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения светового луча. С точки зрения квантовой теории световой поток — поток квантов, энергия которых Е = Н, где к — постоянная Планка — частота излучаемого или поглощаемого света при [c.18]

    Здесь V — напряженность поля, которое необходимо для того, чтобы прекратить фотоэлектрический ток. Опыт со всей убедительностью показывает, что для каждого металла существует характеристическая пороговая частота V,, и свет с меньшей частотой уже не может вызвать фотоэлектрического эффекта. Так, например, для щелочных металлов активным является видимый свет, но для большинства других элементов требуется излучение ультрафиолетовой области спектра (более высокой частоты). Электроны освобождаются одновременно с освещением, п их число пропорционально интенсивности света. При этом скорость электронов не зависит от интенсивности, а прямо пропорциональна квадратному корню пз частоты падающего света. Большинство такого рода фактов нельзя объяснить с точки зрения классической электромагнитной теории света, согласно которой между освещением и освобождением электронов должен проходить определенный промежуток времени, а скорость электронов должна быть пропорциональной интенсивности падающего света.

Несоответствие классической теории с опытом привело Эйнштейна [16] к заключению, что фотоэлектрический эффект является [c.100]

    Если обратиться к электромагнитной теории света, то можно показать, что явление ПВО сопровождается проникновением света в оптически менее плотную среду ( а). Об этом же свидетельствует и эксперимент (рис. 14.4.63) варьируя зазор (= 0,25Х.) между двумя оборачивающими призмами, можно наблюдать изменение коэффициента отражения Я. [c.479]

    Двойственный — волновой и корпускулярный — характер явлений ранее всего был открыт для света. Электромагнитная теория света, рассматривая свет как электромагнитные колебания (волны) и пользуясь понятиями длины волны и частоты колебаний, успешно объясняла различные явления, связанные с прохождением света через вещества, — преломление света, дифракцию, интерференцию и др. Но она не могла объяснить явлений поглощения и излучения света. 

[c.44]

    Из электромагнитной теории света вытекает, что световые волны поперечны, т. е. колебания происходят в плоскости, перпендикулярной к направлению луча. У естественного луча колебания происходят во всех плоскостях, перпендикулярных к [c.134]

    С другой стороны, согласно электромагнитной теории света, между диэлектрической постоянной е и показателем преломления п существует такое соотношение е = гг. [c.24]

    Согласно электромагнитной теории света Максвелла, для прозрачных диэлектриков, магнитная проницаемость которых близка к единице, [c.16]

    Согласно классической электромагнитной теории свет — это волновое движение, энергия которого меняется пропорционально интенсивности излучения и не зависит от его частоты. Эйнштейн, [c.44]

    Поляризуемость молекулы есть величина индуцированного диполь-ного момента при силе поля, равной 1. Поляризуемость молекулы можно рассчитать, пользуясь уравнением Лоренца, выведенным на основе электромагнитной теории света  

[c.93]

    Поэтому в спектре атома водорода в дополнение к исходным линиям при наличии магнитного поля должен появиться ряд новых линий, расположенных по обе стороны от основных. Это связано с тем, что m и т могут принимать как положительные, так и отрицательные значения. Более того, линии должны располагаться на равных расстояниях, пропорциональных напряженности магнитного поля Н. Эти факты были открыты Зееманом еще в 1896 г. Интересно, что величина разделения линий еЯ/4лгИеС не содержит постоянной Планка. Вот почему классическая электромагнитная теория света смогла объяснить эту величину. Лармор показал, что задачу можно решить, если использовать аналогию с движением вращающегося волчка при действии небольшой по величине внешней силы. Движущийся по орбите электрон ведет себя подобно волчку — исходная частота движения электрона по орбите остается почти неизменной, однако плоскость орбиты прецесси-рует. Лармор показал, что частота, отвечающая прецессионному движению, равна еН/ пт с. Однако классическая теорпя не была в состоянии объяснить число спектральных линий, возникающих в магнитном поле. Перед тем как перейти к другим темам, укажем еще на одно важное обстоятельство.

Из уравнения (108) видно, что в общем случае может иметь 2/с2 + 1 различных значений, а wij может иметь 2/ -fl значений. Поэтому переходы между двумя состояниями, описываемыми с помощью чисел f j и / j, могут осуществиться 2k — -i) (2/q + l) способами. Одиако на опыте найдено значительно меньше линий, чем следовало ожидать пз уравнения (110). Это означает, что некоторые из возлюжных переходов фактически являются запрещенными. Дальнейшие опыты показали, что волновые числа, соответствующие наблюдающимся на опыте линиям, можно найти, если предположить, что возможны только такие переходы, при которых т изменяется на единицу или остается постоянным. Это дает нам первое эмпирическое правило отбора, а именно 
[c.122]


    Поляризованный свет и его свойства. Свет, согласно электромагнитной теории света, представляет собой электромагнитные волны. Эти волны относятся к поперечным волнам. Для поперечных волн характерно, что колеблющиеся частицы совершают движения, перпендикулярные направлению распространения волн.[c.186]

    По современной электромагнитной теории свет является электромагнитным возмущением, распространяющимся в пространстве при изменении электромагнитного состояния тела. Эти возмущения распространяются в пространстве волнообразно, причем длина волны, т. е. расстояние между двумя максимумами, может быть различной. В зависимости от длины волны различают следующие области явлений  

[c.27]

    Однако следует указать, что не все молекулы имеют инфракрасные спектры [77]. Согласно требованию электромагнитной теории света, свет может поглощаться или излучаться только такой систе- [c.195]

    Неточность закона сохранения массы в его обычной (но не ломоносовской) формулировке впервые была экспериментально установлена в результате оптических исследований. Из электромагнитной теории света Максвелла вытекало, что световое излучение само обладает массой и должно оказывать на непрозрачные препятствия, от которых оно отражается (или которыми поглощается), определенное давление, подобно тому, как удары молекул газа оказывают давление на лопасти турбины.[c.18]

    Согласно электромагнитной теории света, между диэлектрической постоянной и показателем преломления п существует соотношение е = л . [c.30]

    Влияние давления и температуры. Функция Лорентц-Лo]Jeнцa была выведена вскоре после создания Максвеллом электромагнитной теории света с целью объяснения для любого соединения соотношения между коэффициентом преломления и плотностью при изменении тел.пературы. Сам Лорентц считал, что эта функция недостаточно точно согласуется с хорошими экспериментальными данными о влиятши температуры [541. Эйкман [21, 201 вывел следующую эмпирическую функцию  [c.258]

    Из классической электромагнитной теории света известно уравненпе распространения плоской гармоническо волны  [c.133]

    Диэлектрическая константа вещества теоретически равна квадрату индекса рефракции [336]. Этот закон, являющийся следствием электромагнитной теории света, требует, однако, чтобы эти два свойства сравнивались при одной и той же частоте. Но так как большинство веществ обладает некоторой дисперсией, то это соотношение не может быть точно онределепо, однако неполярные молекулы показывают относительно малую дисперсию для них это соотношение хорошо сходится лишь тогда, когда индекс рефракции для видимого (101 ps) света сравнивается с потенциальными диэлектрическими константами для постоянного тока (О ps) сходимость — в несколько сотых долей процента для очищенных нефтепродуктов [337]. Там, где присутствуют полярные молекулы, диэлектрическая константа значительно больше той, которая может быть предсказана исходя из индекса рефракции [338—341]. -Стандартный метод определения изоляционных масел нефтяного происхождения тот же, что и для коэффициента мощности [342]. [c.205]

    Поляризуемость численно равна наведенному дипольному моменту при напряженности поля, равной единице. Уравнение Клаузиуса — Моссотти (1, 131) выведено в предположении однородности поля внутри диэлектрика и справедливо лишь для неполярных молекул газов и жидкостей и полярных молекул газов. Согласно электромагнитной теории света Максвелла [c.54]

    Иными словами, частота, характеризующая движение осциллятора, равна частоте испускаемого илп поглощаемого света. Однако этот результат совпадает с постулатом классической электромагнитной теории света, согласно которому частота колебаний электрического диполя совпадает с частотой испускаемого излучения. Следовательно, законы квантовой и классической механики дают одинаковые результаты для систем с высокими значениями квантовых чисел. Поскольку из уравнения (58) следует, что большим значениям п отвечают низкие частоты, можно сказать, что большие отклонения от законов классической механики характерны для движений с высокой частотой, т, е. для случаев, когда время, необходимое для ироведеиия полного цикла изменений, не велико. Рассмотренная в гл, 1Г методами классической механики система точек (газ) является системой с очень большим временем возврата , т, е, очень низкой частотой . Рассмотрим мгновенное состояние такой системы, описываемое пространственными координатами и импульсами. В следующее же мгновение состояние системы изменится и нам придется подождать очень большой промежуток времени, прежде чем все молекулы займут прежние положения, а их движение будет характеризоваться теми же импульсами. Для данного вида движения промежуток времени, необходимый для достижения исходного состояния, обратно пропорционален частоте. Поэтому вполне оправдано рассмотрение свойств раз- [c.114]

    Лебедев [3], рассматривая вопрос о пондеромоторном действии волн на резонаторы, писал В исследовании Герца, в интерпретации световых колебаний как электромагнитных процессов, скрыта еще и другая, до сих пор не затронутая задача — задача об источниках лучеиспускания, о тех процессах, которые совершаются в молекулярном вибраторе в то время, когда он отдает световую энергию в окружающее пространство такая задача ведет нас, с одной стороны, в область спектрального анализа, а с другой стороны, как бы совершенно неожиданно, приводит к одному из наиболее сложных вопросов современной физики — к учению о молекулярных силах. Последнее обстоятельство вытекает из следующих соображений становясь на точку зрения электромагнитной теории света, мы должны утверждать, что между двумя лучеиспускающими молекулами, как между двумя вибраторами, в которых возбуждены электромагнитные колебания, существуют пондермоторные силы они обусловлены электродинамическими взаимодействиями переменных [c.59]

    Наведенный электрический момент, т. е. момент, для которого существенна поляризуемость а, можно также определить отдельно по уравнению, выведенному Лорентцем (Ьогеп1г) из электромагнитной теории света  [c.348]

    Электромагнитная теория света. Электромагнитная теория света была математически разработана Максвеллом (1831—1879 гг.). Современная теория преломления света основывается на этой электромагнитной теории. Развивая свои взгляды [1], Максвелл ввел представление о токах смещения . Чтобы понять эту концепцию, представьте себе электрический конденсатор, обкладки которого соеди-не1ш каждый через свой гальванометр с батареей. Если с помощью переменного сопротивления конденсатор будет постепенно заряжаться, то каждый гальванометр будет отмечать один и тот же ток, и результат этого будет иметь точно такой же вид, как если бы ток проходил и между обкладками. Максвелл считал, что такие токи смещения существуют в действительности. Их величина должна быть пропорциональной скорости увеличения силы электрического поля. [c.480]

    На основании электромагнитной теории света Ми дал фор-. мулу рассеяния света, приложимую для частиц любых размеров. Уравнение Ми отличается от уравнения Рейлея наличием дополнительных членов, которые при г —50 и меньше становятся настолько малыми величинами, что ими можно пренебречь, и тогда уравнение Ми переходит в уравнение Рейлея. [c.57]


Теория света электромагнитная — Энциклопедия по машиностроению XXL

Экспериментальные законы, которым подчиняется фотоэффект, находятся в противоречии с основными представлениями волновой теории света. Электромагнитная световая волна, падая на поверхность вещества, содержащего электроны, должна вызывать их вынужденные колебания с амплитудой, пропорциональной амплитуде самих световых волн. Если силы, удерживающие электроны внутри вещества, не велики, то электроны могут вылетать наружу со скоростью, которая должна зависеть от амплитуды падающей световой волны. Так  [c.158]
Теория относительности 448, 454 Теория света электромагнитная 443 Теория электромагнитного поля 443  [c.505]

Другой проблемой XIX в. была природа светового излучения. Существовали две основные теории, подтвержденные надежными экспериментальными наблюдениями. Такое наблюдаемое свойство как дифракция, свидетельствовало о том, что свет подчиняется закону упругих волн и его почти полностью можно объяснить электромагнитной теорией Максвелла. Однако фотоэлектрический эффект чужд волновой теории света и мог быть объяснен только при условии допущения корпускулярной природы света.[c.71]

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА  [c.21]

Как следует из электромагнитной теории света, показатель преломления, определенны.й как отношение скорости света в пустоте к фазовой скорости света в данной среде, равняется квадратному  [c.22]

Эти формулы называются формулами Френеля. Впервые они были выведены Френелем в 1823 г. на основе его теории, согласно которой свет представляет собой колебание упругой среды — эфира. Свободный от противоречий вывод формулы Френеля, как мы видели выше, основан на электромагнитной теории света, где световые колебания отождествляются с колебаниями электрического вектора. Если обратить внимание на тот факт, что действия света в основном обусловлены электрическим (световым) вектором, то подобное отождествление можно считать законным.  [c.49]

Показатель преломления найдем, исходя из основного соотношения электромагнитной теории света п = а, справедливого для изотропной и прозрачной сред, которое считаем справедливым и при наличии дисперсии.[c.270]

Как было указано, Эйнштейн, развивая идею Планка, сделал второй шаг на пути развития квантовой теории, выдвинув новую гипотезу, согласно которой само электромагнитное излучение состоит из отдельных корпускул (квантов) — фотонов с энергией о = и импульсом р hv/ . Гипотеза Эйнштейна в дальнейшем была подтверждена многочисленными экспериментальными фактами и легла в основу объяснения ряда оптических явлений, с которыми не могла справиться волновая теория света.  [c.338]

Электромагнитная природа света. Одним из наиболее трудных для волновой теории света  [c.263]

На вопрос о природе света и механизме его распространения давала ответ гипотеза Максвелла. Па основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости света в вакууме со значением скорости распространения электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет — электромагнитные волны. Эта гипотеза подтверждается многими экспериментальными фактами. Представлениям электромагнитной теории света полностью соответствуют экспериментально открытые законы отражения и  [c.263]


Распределение энергия в спектре излучения нагретых твердых тел. Изучение явлений дифракции, интерференции и поляризации света привело к утверждению электромагнитной волновой теории света.  [c.298]

Объяснить основные законы фотоэффекта на основе электромагнитной теории света не удалось.  [c.301]

Время запаздывания по расчетам на основе электромагнитной теории света должно быть весьма значительным, по крайней мере, должно составлять несколько десятков минут. В действительности же фотоэффект  [c.301]

Электромагнитная теория света не могла объяснить независимость энергии фотоэлектронов от мощности светового излучения, существование красной границы фотоэффекта, пропорциональность кинетической энергии фотоэлектронов частоте света.  [c.301]

Несмотря на очевидное различие в способах генерирования и регистрации электромагнитных волн разного типа, можно показать, что законы распространения таких волн задаются одними и теми же дифференциальными уравнениями. Речь здесь идет об уравнениях Максвелла, в которых свойства среды учитываются введением соответствующих констант, а переход излучения из одной среды в другую определяется с помощью граничных условий для векторов напряженности электрического и магнитного полей. Использование метода, предложенного Максвеллом более 100 лет назад, позволяет построить единую теорию распространения электромагнитных волн и применить ее для описания основных свойств света. Такое феноменологическое рассмотрение  [c.9]

В середине XIX в. были также накоплены сведения об электро динамической постоянной, фигурирующей при переходе от электрических к магнитным единицам. Она имеет размерность скорости и по значению очень близка к скорости света в вакууме. Наилучшие измерения, проведенные электромагнитными методами, приводили к значению (299 770 30) 10 см/с. Имеются данные, что столь хорошее совпадение этих констант, казавшееся в те времена случайным, стимулировало исследования Максвелла по созданию единой теории распространения электромагнитных волн. После появления этой фундаментальной теории уже не могло быть сомнений в том, что скорость света в вакууме и электродинамическая постоянная — это одна и та же константа, а совпадение результатов измерений ее значения, выполненных различными методами, является доказательством универсальности теории Максвелла, справедливой для любых электромагнитных волн. Ниже будет охарактеризован современный способ прецизионного определения скорости света в вакууме.  [c.46]

Это выражение (2.8) обычно называется в оптике законом Снеллиуса. Хорошо известно, что законы отражения и преломления световых волн служат основой геометрической оптики. Мы видим, что в электромагнитной теории света эти законы получаются в самом общем виде без введения каких-либо специальных предположений, как следствие записанных выше граничных условий для уравнений Максвелла. Они справедливы для электромагнитных волн в любом диапазоне частот.  [c.82]

Значение этого утверждения в полной мере проявляется в фотонной теории (см. 8.5). На данном этапе изложения материала представляется важным отметить, что существование светового давления и связанного с ним понятия импульса электромагнитного поля может быть доказано в рамках электромагнитной теории света.  [c.111]

Двумя приведенными примерами можно ограничиться для иллюстрации столь простого и удобного метода построения волнового фронта и определения направлений обыкновенного и необыкновенного лучей. При построении Гюйгенса наглядно выявляется несовпадение необыкновенного луча с нормалью к волновому фронту в кристалле. Но при общей характеристике метода Гюйгенса необходимо учитывать его недостаточность по сравнению с электромагнитной теорией света. В самом деле, теория Гюйгенса  [c.133]

В целом в современной физике построение Гюйгенса может рассматриваться как следствие электромагнитной теории света, существенно облегчающее ее применение для решения многих конкретных задач.  [c.134]

Соединение электронных явлений и электромагнитной теории света является заслугой Лоренца — крупнейшего физика, работавшего на рубеже XIX и XX вв. , хотя появлению этой фундаментальной теории предшествовал ряд наблюдений, опытов и попыток их обобщения. Создание электронной теории дисперсии послужило шагом к развитию феноменологической электромагнитной теории путем дополнения ее анализом микропроцессов, происходящих в веществе под действием светового поля. Такое описание приводит к хорошему согласию эксперимента и теории, базирующейся на представлениях классической физики. Вопрос в том, как трансформируются введенные понятия при квантовом описании процессов в веществе, требует обсуждения.  [c.135]


Идея расчета, впервые проведенная Лоренцем, предельно проста для получения зависимости показателя преломления кар ого-либо вещества от частоты падающего на него света нужно найти вектор поляризации Р этого вещества, создаваемый полем световой волны Е. Затем вычисляют вектор электростатической индукции D = Е + 4т Р и определяют г. = D/E. Используя основное соотношение электромагнитной теории света п = получают искомую зависимость п(ш).  [c.139]

Итак, МОЖНО считать, что в рамках феноменологической электромагнитной теории света вращение плоскости поляризации получило объяснение. Однако эта теория не способна объяснить, почему скорость волны в правовращающем веществе отлична от ее скорости в левовращающем.  [c.158]

Электромагнитная теория света, заменившая старую волновую теорию, позволила существенно упростить постановку задачи. Но при ее применении к проблеме интерференции возникают трудности, связанные с тем, что в оптике, как правило, имеют дело не с монохроматическими волнами, а с импульсами, или волновыми пакетами. «Синусоидальная идеализация», которая оказалась вполне пригодной для описания широкого класса явлений, рассмотренных в предыдущих разделах, требует видоизменения при истолковании более тонких интерференционных эффектов.  [c.175]

Резюмируя, можно утверждать, 4jo введение понятия эйконала и вывод основных уравнений (для А —> О позволили строго обосновать взаимосвязь геометрической оптики и электромагнитной теории света. Выявилось также, что постулаты, часто используемые для обоснований построений и законов геометрической оптики (например, принцип Ферма), могут рассматриваться как прямые следствия общей теории распространения электромагнитных волн и целесообразность их применения определяется лишь удобством решения тех или иных задач.  [c.277]

Ограничимся приведенными данными, считая основания геометрической оптики и ее связь с электромагнитной теорией света охарактеризованными достаточно полно, а приведенные сведения о построении изображений — достаточными для самостоятельного решения различных задач геометрической оптики.  [c.281]

В этой главе,. завершающей изложение основ электромагнитной теории света, прежде всего рассмотрены классические опыты Физо и Майкельсона, проведенные в конце XIX в. и многократно повторявшиеся в XX в. Цель экспериментов состояла в выяснении возможности установления существования абсолютного движения , т.е. движения тел относительно некоторой среды ( светоносного эфира ), которая может служить единой системой отсчета. Неоднозначность толковании прецизионных опытов (в частности, отрицательного результата знаменитого опыта Майкельсона) нацело снимается при формулировке Эйнштейном в 1905 г. исходных постулатов специальной теории относительности, а дальнейшее развитие этой теории привело к кардинальным изменениям всей классической физики.  [c.363]

Описание процесса т е п л о в о г о излучения,, Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, непрерывно излучают и поглощают лучистую. энергию. Излучение имеет двуединую корпускуляр-нонволновую природу. В связи с этим лучистый теплообмен между телами рассматривают как с позиций электромагнитной теории света, так и с позиций квантовой теории излучения.  [c.12]

Значительным шагом в развитии теории света явилась теория, разработанная Максвеллом во второй половине XIX в. на основе работ Кулона, Ампера, Фарадея, Вебера, Кольрауша и др. Обобщая известные факты, Максвелл выдвинул электромагнитную теорию света, согласно которой световые волны представляют собой не что иное, как электромагнитные волны высокой частоты. Им была предложена система дифференциальных уравнений, описывающая электромагнитные волн151.  [c.7]

Теория Планка, хотя и противоречила духу классической физики, подтверждалась опытными фактами и смогла решить задачу теплового излучения абсолютно черных тел. Следует отметить, что квантовая теория Планка совершенно не нуждается в понятии эфирной среды . Таким образом, к началу XX в. наряду с электромагнитной теорией возродилась корпускулярная теория света, но, безусловно, отличЕ1ая от корпускулярной теории Ньютона.  [c.8]

Давление света вытекает также из электромагнитной теории света. Действительно, положим, что плоская световая волна падает нормально на поверхность металла, совпадающую с плоскостью чертежа (рис. 15.8). Электрический и магнитный векторы, очевидно, будут располагаться в плоскости поверхности, на которую падает свет Перемещаясь под действием элеетрического вектора против Е, свободные электроны образуют ток плотностью /. Со стороны магнитного вектора светового поля согласно закону Ампера дей-  [c.349]

Метод Фуко. В 1850 г. Фуко, видоизменив метод Физо, заменил зубчатое колесо вращающимся восьмигранным зеркалом. Такая замена позволила осуществить лучшую фокусировку света и увеличить его интенсивность. Самая надежная величина скорости света, полученная Фуко (в 1862 г.), равна (298 ООО 500) км/с. Опыты И. Физо и Л. Фуко вооружили ученых более точными знаниями о ско))ости света. Оказалось, что с ней практически совпадает скорость распространения электромагнитных волн, вычисленная Максвеллом из общих уравнений электромагнитного поля. Это послужило толчком к развитию электромагнитной теории света. В 1927 г. Майкельсон применил более усовершенствованную схему метода с вращающимся зеркалом и, используя базисное расстояние, равное 35,5 i m (расстояние между горами Вильсон и Сан-Лнтонио в Калифорнии), получил более точное значение для величины скорости света, чем все его предшественники, равное  [c. 417]

Корпускулярно-волновой дуализм, Законы фотоэффекта, явления взаимодействия света с веществом электромагнитная теория света объяснить не может. В XX в. в физике утвердились представления о корпускулярноволновом дуализме свойств света.  [c.264]


Завершает изложение основ электромагнитной теории света рассмотрение оптических экспериментов с движущимися телами. Здесь кратко охарактеризованы экспериментальные основания специальной теории относительности и проанализированы следствий гюстулатов Эйнштейна, позволяющие полностью истолковать все корректные опыты, как предшествовавшие созданию этой фундаментальной теории, так и выполненные во второй половине XX в. Подробно рассмотрены приложения эффекта Доплера, позволяющие выявить особенности оптических. экспериментов и невозможность использования гипотетического эфира даже в качестве системы отсчета.  [c.8]

Расширен раздел курса, иосвя1Ценный рассмотрению основ фотонной теории, позволивший характеризовать важнейшее свойство света — его дуализм — и оценить границы применимости электромагнитной теории света, изложению которой посвящены основные разделы этой книги. Кроме того, включение сведений о термодинамике излучения, формуле Планка, законах фотоэффекта и свойствах приемников света должно способствовать более широкому использованию этого учебного пособия в университетах и втузах.  [c.8]

Дальнейшее продвижение по шкале в сторону еще более коротких электромагнитных волн представляется ненужным в рамках нашего курса. Но если даже ограничить шкалу электромагнитных волн, с одной стороны, УКВ, а с другой — рентгеновским излучением, то нужно считаться с тем, что у читателя неизбежно возникает вопрос, можно ли в рамках единой теории как-то связать эти разнородные процессы. Из дальнейшего мы увидим, сколь законны такие опасения, но следует еше раз указать, что классическая электромагнитная теория света — это феноменологическая теория, описываюгцая распространение электромагнитных волн в различных средах без детального анализа микропроцессов, что, конечно, ограничивает объем получаемой информации, но вместе с тем облегчает применение теории к описанию распространения радиации самых различных типов. Для получения необходимых сведений в некоторых случаях придется дополнять теорию соображениями о движении электронов в поле световой волны, обрыве их колебаний и другими предположениями электронной теории, конкретизирующими физическую картину рассматриваемых явлений, как это впервые сделал Лоренц в начале XX в.  [c.14]

Мы видим, что электромагнитная теория сразу привела к однозначному выяснению проблемы, представляющей чрезвычайные затруднения в старой волновой теории света. Действительно, опытами Френеля и Араго была экспериментально доказана по-перечность световых волн, но истолконание этих опытов в рамках представлений о распространении упругих волн в эфире было крайне трудно и потребовало введения искусственных предположений, чрезвычайно усложнивших теорию. Сейчас это совер-uieHHo не актуально, светоносный эфир неприемлем не только как конкретная среда, но и как абстрактная система отсчета (см. гл. 7), и отсутствие продольной составляющей свободной электромагнитной волны оказывается простым следствием уравнений Максвелла. Интересен вопрос о возможности экспериментального доказательства этого фундаментального свойства электромагнитных волн. На данном этапе имеет смысл указать на возможность эффектной иллюстрации их поперечности в опытах с современными источниками СВЧ (рис. 1.1).  [c.22]

В этой главе рассмотрено действие поля световой волны на движение заряженных частиц, связанных в атоме квази ругими силами. Решение данной задачи позволит понять разнообразные физические явления, истолкование которых невозможно с позиций классической электромагнитной теории света. Так, например, кроме подробно рассмотренной дисперсии вещества, привлечение электронной теории позволяет рассмотреть основы нелинейной оптики, своеобразное свечение ряда веществ при возбуждении их частицами, скорость которых удовлетворяет соотношению и > с/п, количественно исследовать вращемие плоскости поляризации в веществе, помеп енном в продольное магнитное поле, а также решить ряд других актуальных задач.  [c. 135]

В первую очередь нас интересует дисперсия вещества, т.е. зависимость показателя преломления от длины волны проходящего света. Напомним, что в классической электромагнитной теории света предполагается, что л(1) = onst, однако еще Ньютон поставил опыт, наглядно иллюстрирующий зависимость п(к). В  [c.135]

Очевидно, что обоснование подобной зависимости п(Х) для прозрачных тел — это одна из главных задач, которые возникают при соединении электроннЕлх явлений и электромагнитной теории света.  [c.136]

Изложение принципа Гюйгенса—Френеля в данном параграфе существенно отличается от приведенного в 3.3, где положение В0ЛН01ЮГ0 фронта в последующие моменты времени определялось как огибающая элементарных сферических волн, излучаемых каждой точкой, до которой дошел фронт в данный момент принцип Гюйгенса). Никакой интерференции между этими сферическими волнами Гюйгенс не учитывал, да и вообще не принимал по внимание фазовых соотношений. Поэтому принцип Гюйгенса в его первоначальной форме не мог служить основой волновой оптики. Потребовалось значительное время, чтобы после принципиальных дополнений Френеля оказалось возможным применить его для истолкования дифракции. Изложим идею принципа Гюйгенса—Френеля в тех терминах и понятиях, которые соответствуют электромагнитной теории света. Строггся математическая формулировка этого принципа, данная Кирхгофом, здесь не приведена .  [c.256]

Электромагнитная теория света, ра.чвитая Максвеллом и его последователями, — это стройная сисге.ма, основанная на представлениях и законах классической физики. Она объединяет классическую механику и )л( ктродннамыку, шслючаюи1,ую в себя теорию оптических и электрических процессов. Как известно, механика зиждется на законах Ньютона, а основой электродинамики служат уравнения Максвелла. При исследо-  [c.363]

Создание Максвеллом электромагнитной теории света позволило уничтожить внутренние противоречия старой упругостной теории и получить основные соотношения, обсуждавшиеся в предыдущих главах, несравненно более простым способом. Но для обоснования приведенного ре,1ультата (электромагнитной теории. В 7.2 мы вернемся к истолкованию опыта Физо в рамках специальной теории относительности, а сейчас рассмотрим следствия этого опыта с позиций классической физики, на которой базировались конкурирующие теории в конце XIX в.  [c.368]


Урок 18. поляризация света. корпускулярная и волновая теории света — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 18. Поляризация света. Корпускулярная и волновая теории света

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

  1. поляризация света;
  2. естественный и плоскополяризованный свет;
  3. применение поляризации световых волн;
  4. корпускулярная и волновая теории света.

Глоссарий по теме:

Свет электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом.

Поляризация светапроцесс упорядочения колебаний вектора напряженности электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Естественный свет – световой поток, в котором колебания векторов и происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волн.

Плоскополяризованный свет – свет, в котором колебания вектора происходят только в одной определённой плоскости.

Поляроид – тонкая (0,1 мм) плёнка кристаллов герапатита, нанесённая на целлулоид или стеклянную пластинку.

Корпускулярная теория светасвет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами во все стороны.

Волновая теория светасвет имеет волновую природу, то есть ведёт себя как электромагнитная волна, от длины которой зависит цвет видимого нами света.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 225 – 228.

2. Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10-11 класс — М.:Дрофа,2009. – С. 149.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 т./под редакцией академика Ландсберга Г. С.: Т.3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 367 — 373.

4. Савельев И.В. Курс общей физики, том III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц. М.: Изд. «Наука», 1970 г. С. 157.

5. Джанколи Д.К. Физика в двух томах. Т.2. М: «МИР», 1989. С. 441 — 454.

Основное содержание урока

Свет – электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом.

В соответствии с двумя способами передачи энергии от источника тока к приёмнику возникли и начали развиваться две совершенно разные теории, объясняющие, что такое свет, какова его природа. Эти теории возникли почти одновременно в XVII веке.

Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, другая – с именем Гюйгенса.

Ньютон придерживался так называемой корпускулярной теории света, согласно которой свет – это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно же представления Гюйгенса свет – это волны, распространяющиеся в особой гипотетической среде – эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел.

Обе теории длительное время существовали параллельно.

На основе корпускулярной теории трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые пучки должны сталкиваться и рассеиваться. Волновая же теория это легко объясняла.

Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить на основе волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции.

В начале XIX века впервые были изучены явления дифракции и интерференции света. Эти явления присущи исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную победу.

Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX века доказал, что свет – это частный случай электромагнитных волн.

Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории.

После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведёт себя как волна, не осталось. Нет их и сейчас.

Однако в начале XX века представления о природе света начали тем не менее коренным образом меняться. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц. Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые свойства света.

Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, если считать свет волной, а явления излучения и поглощения – если считать свет потоком частиц. Такую двойственность поведения света называют корпускулярно-волновым дуализмом.

Опыт с турмалином

Возьмём прямоугольную пластину турмалина, вырезанную таким образом, чтобы одна из её граней была параллельна оси кристалла. Если направить нормально на такую пластину пучок света от электрической лампы или солнца, то вращение пластины вокруг пучка никакого изменения интенсивности света, прошедшего через неё, не вызовет. Световое пятно лишь приобретает зеленоватую окраску.

Если мы заставим пучок света пройти через второй точно такой же кристалл турмалина, параллельный первому, то при одинаково направленных осях кристаллов опять ничего интересного не происходит: просто световой пучок ещё более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле. Но если второй кристалл вращать, оставляя первый неподвижным, то обнаружится гашение света. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем. Он целиком поглощается вторым кристаллом.

Выводы из опыта:

  1. свет – поперечная волна;
  2. кристалл турмалина обладает способностью пропускать световые волны с колебаниями, происходящими в одной определённой плоскости.

Кристалл турмалина преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

Поляризация света – процесс упорядочения колебаний вектора напряженности электрического поля световой волны при прохождении света сквозь некоторые вещества (при преломлении) или при отражении светового потока.

Естественный свет – световой поток, в котором колебания векторов и происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волн.

Плоскополяризованный свет – свет, в котором колебания вектора происходят только в одной определённой плоскости.

Поляроид – тонкая (0,1 мм) плёнка кристаллов герапатита, нанесённая на целлулоид или стеклянную пластинку.

Поляризация света широко применяется в светотехнике, астрофизике, спектроскопии, медицине, геологии, минералогии, кристаллографии и т.д.

Разбор тренировочного задания

1. Свет, отраженный от поверхности воды, является частично поляризованным. Как убедиться в этом, имея поляроид?

Решение.

Чтобы убедиться в этом, нужно смотреть на воду через поляроид, поворачивая его, пока изображение не исчезнет.

2. Если смотреть на спокойную поверхность неглубокого водоёма через поляроид и постепенно поворачивать его, то при некотором положении поляроида дно водоёма будет лучше видно. Объясните явление.

Решение.

Отражённый и частично поляризованный свет не пройдет через поляроид и не будет «слепить» глаза.

Электромагнитная теория света — ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА — ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ — ФИЗИКА

Часть 4

ОПТИКА. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

 

Раздел 10 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА

 

10.2. Электромагнитная теория света

 

В середине XIX в. установлено немало фактов, указывающих на связь электрических и магнитных явлений с оптическими.

Английский физик М. Фарадей установил связь электричества и магнетизма, а в 1845 г. открыл вращение плоскости поляризации в магнитном поле. Развивая представление А. Ампера и М. Фарадея о взаимосвязь электрических и магнитных явлений, Дж. Максвелл открыл электромагнитное поле и установил основные законы для процессов, происходящих в переменных электрических и магнитных полях в свободном пространстве. Важнейшим выводом теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом в 1860-1865 гг., есть то, что в свободном пространстве могут распространяться электромагнитные волны, скорость которых равна скорости света. На основе этого Дж. Максвелл создал электромагнитную теорию света, согласно которой свет — это электромагнитные волны очень короткой длины. Через 23 года, в 1888 г., немецкий физик Г. Герц экспериментально получил электромагнитные волны в свободном пространстве, а российский физик О. С. Попов (1859-1906) использовал эти волны для осуществления беспроводного телеграфа.

Если в пространстве меняется электрическое поле, то в результате индукции оно вызывает в этой области пространства и прилегающих к нему областях переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле, в свою очередь, порождает переменное электрическое поле и т. д. Совокупность таких переменных электрических и магнитных полей создает электромагнитное поле. Возникнув в определенном месте, изменяющееся электромагнитное поле передается от одной точки пространства к другой с определенной скоростью. Этот процесс распространения переменного электромагнитного поля в пространстве называют электромагнитной волной.

Направление векторов напряженности электрического и магнитного полей, а также направление распространения электромагнитных волн взаимно перпендикулярны. Следовательно, электромагнитные волны — поперечные. На рис. 10.1 схематично изображено плоскую электромагнитную волну. В этом случае вектор напряженности электрического поля колеблется в вертикальной плоскости zОх, а вектор напряженности магнитного поля в горизонтальной плоскости yОх.

 

 

Рис. 10.1

 

Анализируя закон электромагнитной индукции М. Фарадея, Дж. Максвелл выдвинул гипотезу, что изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое, т.е. силовые линии электрического поля замкнуты и охватывают силовые линии магнитного поля. Чтобы формально согласовать свою теорию с законом сохранения заряда, Дж. Максвеллу пришлось предположить, что не только изменяющееся во времени магнитное поле порождает вихревое электрическое, а наоборот: в переменное времени электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

Точный запись сформулированного закона содержит дополнительное предположение о так называемый ток смещения, который Дж. Максвелл определил как (локальную) производную по времени от вектора электрической индукции). Эту гипотезу положено в основу одного из уравнений Максвелла, что вполне согласуется с экспериментом.

Итак, за Максвелла, изменяющееся во времени электрическое и магнитное поля порождают друг друга, и этот процесс может распространяться от точки до точки в пространстве, возбуждая электромагнитные волны.

Основой теории являются уравнения Максвелла. В учении об электромагнетизме эти уравнения играют такую же роль, как законы Ньютона в механике или основные законы (принципы) в термодинамике. Уравнением Максвелла подлежит распространение электромагнитных волн.

В дифференциальной форме уравнения Максвелла приобретают вид

где

0 и μ0 — электрическая и магнитная постоянные, ε и μ — относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости среды), — плотность тока проводимости; ρ — объемная плотность электрических зарядов. Для выяснения основных закономерностей, характеризующих распространение электромагнитных волн, рассмотрим распространение плоской электромагнитной волны в однородном непровідному среде (ρ = 0, j = 0). Если ось х напрямити перпендикулярно к волновых поверхностей, то и , а следовательно, и их составляющие не будут зависеть от координат y и z, поэтому

и уравнение (10. 1) упрощаются

Следовательно, само поле волны не имеет составляющей вдоль оси х, т.е. векторы и перпендикулярны к направлению распространения волны. Уравнение (10.2) дают связь между составляющими Ев и Нz , а уравнение (10.3) связывают составляющие Еz и Нв. Чтобы описать плоскую электромагнитную волну, достаточно взять одну из систем уравнений, положив составляющие, что фигурируют в другой системе, равными нулю. Описывая волну, возьмем первую группу уравнений (10.2), положив Еz = Нв = 0. Если здиференціювати первое уравнение (10.2) по х и учесть, что

(это вытекает из независимости переменных х и t), то, подставив затем с второго уравнения, получим волновое уравнение для Еy:

Дифференцируя второе уравнение по х (10.2), получим после аналогичных преобразований волновое уравнение для Нz:

Поскольку другие составляющие и равны нулю, то Е = Ев и Н = Нz. Окончательно уравнение для плоской электромагнитной волны будут иметь такой вид:

Итак, оба компонента электромагнитного поля и описываются одинаковым дифференциальным уравнением. Процессы, которые описываются уравнениями (10.6), имеют волновой характер. В частности, решением уравнения (10.6) для составляющей электрического поля есть такая функция:

Это выражение является уравнением плоской бегущей волны, распространяющейся вдоль оси х с амплитудой Е0, периодом колебаний Т и скоростью распространения υ. Действительно, если обозначить

то уравнение (10.7) можно записать так:

где φ — фаза волны.

Если рассматривать волновой процесс в любой точке пространства с течением времени, то мы должны положить х = const и считать переменной только величину t. Для упрощения положим х = 0. Тогда фаза будет зависеть

Определим промежуток времени Δt, за который φ меняется на 2π, а Е повторяет свое значение, что соответствует моменту t. Воспользовавшись соотношением (10.9), имеем

Отсюда следует, что изменение фазы на величину 2π происходит при Δt = Т. Следовательно, напряженность электрического поля повторяет свои значение в данной точке пространства через промежутки времени Т, то Т является периодом колебаний вектора напряженности электрического поля . На рис. 10.2 изображена зависимость вектора напряженности электрического поля от времени. Если графически изобразить состояние процесса в определенный момент времени t = const, например при t = t0, то образованный график будет подобным к графику на рис. 10.2, но переменной величиной в этом случае станет координата х. График показывает мгновенное положение волн в момент времени t = t0 (рис. 10.3). Период изменения напряженности электрического поля в пространстве можно найти из таких условий. В точке х при t = t0 фаза будет иметь значение

Более отдаленные точки волны будут соответствовать более ранним моментам прохождения их через точку х = 0. Пусть на расстояния Δх от точки х фаза уменьшится на 2π, то есть будет равна φ-2π. Тогда

Отсюда, учитывая, что получим

Поскольку при изменении φ 2π вектор осуществляет полное колебание, то величина Δx: является периодом изменения функции в пространстве и называется длиной волны. Эту величину обозначают буквой λ. Длину волны можно выразить через скорость ее распространения и период колебаний:

Длиной волны есть расстояние, на которое распространяется волновой процесс за время одного периода колебаний.

 

 

Рис. 10.2 Рис. 10.3

 

В .загальному случае меняются обе величины, то есть t и х. Если наблюдать за какой-то точкой волны, тогда следует считать постоянной величину φ:

Уравнение (10.13) для каждого момента времени е уравнением плоскости. Плоскости постоянной фазы являются волновыми поверхностями электромагнитной волны, то есть эти волны плоские. В более общем случае поверхность волны, т.е. геометрическое место точек, где фаза волны остается постоянной, может быть более сложной поверхностью — сферой, эллипсоидом, цилиндром т.д.

Дифференцируя выражение (10.13), получим или

где υ — скорость распространения волны. Покажем теперь, что уравнение волны (10.7) удовлетворяет дифференциальное уравнение (10. 6) и является его решением. Для этого, дифференцируя выражение (10.7), найдем вторые частные производные от Е по t и х. Они будут иметь такие значения:

Найдем из обоих выражений значения Е и прирівняємо их. Тогда преобразований получим

Приравняв уравнения (10.6) и (10.15), нетрудно получить выражение для скорости распространения электромагнитной волны

Скорость распространение света в вакууме

Скорость распространения электромагнитного поля в среде равна скорости света в вакууме

Следовательно, скорость распространения электромагнитного поля в среде равна скорости света в вакууме, разделенной на , где ε и μ соответственно относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. Если электромагнитная волна распространяется в вакууме, где ε = 1, μ = 1, то υ = с = 2,998 ∙ 108 м/с.

Отсюда следует, что скорость распространения света и скорость распространения электромагнитных волн в вакууме одинаковы. Это дало основание Дж. Максвеллу отождествить световые волны с электромагнитными. Так возникла электромагнитная теория света, согласно которой световые волны являются электромагнитными волнами очень короткой длины. Для неферромагнитных веществ μ =1, следовательно, υ = с / или

где n — абсолютный показатель преломления неферромагнитных веществ, то есть показатель преломления относительно вакуума. Согласно соотношением (10.17) показатель преломления для них равна квадратному корню из диэлектрической проницаемости. Это положение называют законом Максвелла.

К электромагнитным волнам относятся волны различной длины от радиоволн до гамма-излучения. Установить какие-нибудь четкие границы между различными видами электромагнитных излучений нет возможности, их на самом деле не существует. Поэтому разделение электромагнитного спектра на определенные участки имеет условный характер, за исключением участка, что соответствует видимому излучению, границы которого четко определены свойствами человеческого глаза. В табл. 10.1 приведены диапазоны, на которые условно разделяют шкалу электромагнитных волн.

 

Таблица 10.1

 

Виды волн

Длина волны, м

Частота, Гц

Низкочастотные

Радиоволны

Ультрарадіохвилі

 

Инфракрасное излучения

 

 

Видимое световое излучение

 

Ультрафиолетовое излучения

 

Рентгеновское излучения

Гамма-излучения

Электромагнитные волны — скорость, длина, формулы

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Волны: что это и какими бывают

Давайте сначала разберемся, что такое волна.

Волна — это распространение колебаний в пространстве.

Волны бывают механическими и электромагнитными.

Главные герои этой статьи — электромагнитные волны. Немного удовлетворим ваше любопытство и скажем, что это те волны, которые мы потрогать не можем. Но все остальное чуть позже. Главное — терпение.

Механические волны — это те волны, колебания которых можно почувствовать физически, потому что они распространяются в упругой среде.

Представьте, что вы стоите на железнодорожных путях. Нет, вы не Анна Каренина, вы — экспериментатор.

Если к вам приближается поезд, вы рано или поздно его услышите. Вернее, услышите, как только звуковая волна со скоростью 𝑣 = 330 м/с достигнет ваших ушей.

Если приложить ухо к рельсу, то это произойдет значительно быстрее, потому что скорость звука в твердом теле больше, чем в воздухе. Кстати, под водой скорость звука больше, чем в воздухе, но меньше, чем в твердых телах.

Если вы когда-нибудь трогали музыкальную колонку, то знаете, что звук чувствуется и на ощупь.

Волны также принято делить на продольные и поперечные:


Продольные — это те волны, у которых колебание происходит вдоль направления распространения волны.



  • Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.

Поперечные — волны, у которых колебание происходит поперек направления распространения волны.

  • Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
  • Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.


Морская волна — продольная или поперечная?

На самом деле в ней есть и продольная, и поперечная составляющие, поэтому ее нельзя отнести к конкретному типу.

Электромагнитные волны

Увы, мы не можем потрогать руками электромагнитные волны. Осталось разобраться, как это так: волна есть, а возможности пощупать ее — нет.

Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.

Вот есть электрическое поле — его создает любой электрический заряд. Есть магнитное поле — оно возникает из-за движущегося заряда. А их взаимодействие — это электромагнитное поле.

Если совсем честно, то электрическое и магнитное поле не могут существовать в отдельности, потому что частицы всегда есть электрическое поле и она всегда худо-бедно да движется. Рассмотрение в отдельности электрических и магнитных полей может быть только в теоретической физике. В реальных инженерных задачах рассматривается обязательно электромагнитное поле.

Электромагнитная волна — это распространение электромагнитного поля. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется, магнитное поле колеблется, эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.


К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет.

Разве свет не из частиц состоит?

Ничего от вас не скроешь. Дело в том, что свет — это как Гермиона с маховиком времени в двух местах сразу — одновременно и частица и волна.

Можете перечитать фразу выше, чтобы с ней смириться. Это не шутка. Экспериментально давно обнаружено, что свет в одних экспериментах ведет себя, как частица, а в других, как волна.

Все это безумство называется корпускулярно-волновым дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В общем, у физики тоже бывает раздвоение личности.

Характеристики электромагнитной волны

Чтобы изучать любое явление, его нужно как-то охарактеризовать.

Длина волны

Это самая важная характеристика для волны. Ей называется расстояние между двумя точками этой волны, колеблющихся в одной фазе. Если проще, то это расстояние между двумя «гребнями».

Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.


Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.



Период

Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.

Формула периода колебания волны

T = t/N

T — период [с]

t — время [с]

N — количество колебаний [-]

Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.



Частота

Частота — это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.

Формула частоты колебания волны

υ = N/t = 1/T

υ — частота [Гц]

t — время [с]

N — количество колебаний [-]

T — период [с]

Скорость

Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость.

Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.

Формула скорости

𝑣 = S/t

𝑣 — скорость [м/с]

S — путь [м]

t — время [с]

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

  • путь — длина волны
  • время — период

А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.

Формула скорости волны

𝑣 = λ/T

𝑣 — скорость [м/с]

λ — длина волны [м]

T — период [с]

Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с. -12 с.

Теперь возьмем формулу скорости

𝑣 = S/t

По условию S = 1000λ

То есть

𝑣 = 1000λ/t

Выражаем длину волны

λ = 𝑣t/1000

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм

И соотносим со шкалой видимого света


Из шкалы видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!

Рубрика «Разрушаем мифы»

А теперь давайте немного о распространенных заблуждениях. Присаживайтесь поудобнее — этот разговор, к сожалению, не на пару минут.

Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья

Одна из теорий против 5G гласит, что новый тип связи может стать причиной раковых заболеваний. Справедливости ради — такие же обвинения не раз поступали в адрес 2G, 3G, 4G и более ранних поколений беспроводных сетей.

Стандарт 5G может использовать разные частотные диапазоны. Как правило, это низкий диапазон 600 МГц, а также средние частоты 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 3,7–4,2 ГГц.

В России «Государственная комиссия по радиочастотам» (ГКРЧ) рекомендует для выделения и использования под 5G частотный диапазон 27,1-27,5 ГГц. Американским операторам также скоро будут доступны диапазоны 37 ГГц, 39 ГГц и 47 ГГц.

Диапазон от 30 ГГц (миллиметровые волны) относится к так называемому спектру крайне высоких частот — и именно он вызывает большинство опасений по поводу вреда 5G для здоровья человека. Все еще недостаточно исследований, которые изучают влияние высоких частот на организм.


Источник: The Islands’ Sounder

Тем не менее, известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения человеческой ДНК или влияния на клетки. А значит, не может вызвать рак и не представляет опасность для нашего организма. По этой же причине нельзя верить в теорию, что 5G убивает птиц — этому излучению просто не хватит сил, чтобы кого-то убить.

К опасному излучению относятся волны, распространяемые на частотах от 30 ПГц (петагерц) — утрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они могут влиять на атомную структуру клеток и разрывать химические связи в ДНК. Именно поэтому, например, врачи советуют избегать долгого пребывания на солнце.

Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения

Кстати, они наоборот любую электромагнитную волну усиливают. Это доказали студенты из MIT (Массачусетский технологический институт), которые исследовали это опытным путем.

Ребята установили антенну в четырех частях от головы добровольцев: на лбу, затылке, висках и в районе мозга. И сравнивали показатели радиосигнала в шапочке для фольги и без нее. Оказалось, что сигнал не ослабляется, а усиливается. Так что шапочка вас не спасет от вредного излучения, а наоборот — только усилит сигнал.

Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой

Электромагнитный фон возле СВЧ-печей выше больше, чем природный более, чем в миллион раз, но вреда человеку не наносит. Санитарные требования к этим приборам очень жёсткие, поэтому опасности микроволновка не представляет. Например, благодаря системе блокировки дверцы генерация микроволнового излучения прекращается, когда дверца открыта. Также в микроволновке обязательно должна быть система защиты от утечки излучения. Гораздо опаснее электромагнитные излучения от солнца или солярия, потому что там есть ультрафиолет, который легко повреждает клетки кожи человека.

Продукты становятся теплее за счёт нагревания в них воды. И когда мы их греем, могут образовываться радикалы — но это происходит при любом способе теплового воздействия. Например, при жарке могут образовываться ещё и канцерогены.

Наш организм способен бороться с небольшим количеством «вредных» радикалов благодаря иммунитету. При нагревании пищи образуется то количество радикалов, с которым организм способен бороться, поэтому ничего страшного ни в микроволновке, ни в кастрюле, в которой вы греете суп, нет.

Оптика и волны

Любой колебательный контур излучает энергию. Изменяющееся электрическое поле возбуждает в окружающем пространстве переменное магнитное поле, и наоборот. Математические уравнения, описывающие связь магнитного и электрического полей, были выведены Максвеллом и носят его имя. Запишем уравнения Максвелла в дифференциальной форме для случая, когда отсутствуют электрические заряды () и токи (j = 0):

 

(2. 92)

где

 

Величины  и  — электрическая и магнитная постоянные, соответственно, которые связаны со скоростью света в вакууме соотношением

Постоянные  и  характеризуют электрические и магнитные свойства среды, которую мы будем считать однородной и изотропной.

В отсутствие зарядов и токов невозможно существование статических электрического и магнитного полей. Однако переменное электрическое поле возбуждает магнитное поле, и наоборот, переменное магнитное поле создает электрическое поле. Поэтому имеются решения уравнений Максвелла в вакууме, в отсутствие зарядов и токов, где электрические и магнитные поля оказываются неразрывно связанными друг с другом. В теории Максвелла впервые были объединены два фундаментальных взаимодействия, ранее считавшихся независимыми. Поэтому мы говорим теперь об электромагнитном поле.

Колебательный процесс в контуре сопровождается изменением окружающего его поля. Изменения, происходящие в окружающем пространстве, распространяются от точки к точке с определенной скоростью, то есть колебательный контур излучает в окружающее его пространство энергию электромагнитного поля.

Электромагнитная волна — это распространяющееся в пространстве электромагнитное поле, в котором напряженность электрического и индукция магнитного полей изменяются по периодическому закону.

При строго гармоническом изменении во времени векторов  и  электромагнитная волна называется монохроматической.

Получим из уравнений Максвелла волновые уравнения для векторов  и .

 

Волновое уравнение для электромагнитных волн

Как уже отмечалось в предыдущей части курса, ротор (rot) и дивергенция (div) — это некоторые операции дифференцирования, производимые по определенным правилам над векторами. Ниже мы познакомимся с ними поближе.

Возьмем ротор от обеих частей уравнения

При этом воспользуемся доказываемой в курсе математики формулой:

где   — введенный выше лапласиан. Первое слагаемое в правой части равно нулю в силу другого уравнения Максвелла:

Получаем в итоге:

 

(2.93)

Выразим rotB через электрическое поле с помощью уравнения Максвелла:

 

(2. 94)

и используем это выражение в правой части (2.93). В результате приходим к уравнению:

 

(2.95)

Учитывая связь

и вводя показатель преломления среды

запишем уравнение для вектора напряженности электрического поля в виде:

 

(2. 96)

Сравнивая с (2.69), убеждаемся, что мы получили волновое уравнение, где v фазовая скорость света в среде:

 

(2.97)

Взяв ротор от обеих частей уравнения Максвелла

и действуя аналогичным образом, придем к волновому уравнению для магнитного поля:

 

(2.98)

Полученные волновые уравнения для  и  означают, что электромагнитное поле может существовать в виде электромагнитных волн, фазовая скорость которых равна

Видео 2. 7 Измерение скорости света

В отсутствие среды (при ) скорость электромагнитных волн совпадает со скоростью света в вакууме.

 

Основные свойства электромагнитных волн

Рассмотрим плоскую монохроматическую электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль оси х:

 

(2.99)

Возможность существования таких решений следует из полученных волновых уравнений. Однако напряженности электрического и магнитного полей не являются независимыми друг от друга. Связь между ними можно установить, подставляя решения (2.99) в уравнения Максвелла. Дифференциальную операцию rot, применяемую к некоторому векторному полю А можно символически записать как детерминант:

 

(2. 100)

Подставляя сюда выражения (2.99), зависящие только от координаты x, находим:

 

(2.101)

Дифференцирование плоских волн по времени дает:

 

(2.102)

Тогда из уравнений Максвелла следует:

 

(2. 103)

Отсюда следует, во-первых, что электрическое и магнитное поля колеблются в фазе:

Далее, ни у , ни у  нет компонент параллельных оси х:

Иными словами и в изотропной среде,

электромагнитные волны поперечны: колебания векторов электрического и магнитного полей происходят в плоскости, ортогональной направлению распространения волны.

Видео 2.8 Поперечность электромагнитной волны.

Видео 2.9 Поляризация электромагнитной волны. Длина волны 3 см.

Видео 2.10 Поляризатор и анализатор для дециметровой волны.

Тогда можно выбрать координатные оси так, чтобы вектор  был направлен вдоль оси у (рис. 2.27):

Рис. 2.27. Колебания электрического и магнитного полей в плоской электромагнитной волне

В этом случае уравнения (2.103) приобретают вид:

 

(2.104)

Отсюда следует, что вектор  направлен вдоль оси z:

Иначе говоря, векторы электрического и магнитного поля ортогональны друг другу и оба — направлению распространения волны. С учетом этого факта уравнения (2.104) еще более упрощаются:

 

(2. 105)

Отсюда вытекает обычная связь волнового вектора, частоты и скорости:

 

(2.106)

а также связь амплитуд колебаний полей:

 

(2.107)

Отметим, что связь (2.107) имеет место не только для максимальных значений (амплитуд) модулей векторов напряженности электрического и магнитного поля волны, но и для текущих — в любой момент времени.

Итак, из уравнений Максвелла следует, что электромагнитные волны распространяются в вакууме со скоростью света. В свое время этот вывод произвел огромное впечатление. Стало ясно, что не только электричество и магнетизм являются разными проявлениями одного и того же взаимодействия. Все световые явления, оптика, также стали предметом теории электромагнетизма. Различия в восприятии человеком электромагнитных волн связаны с их частотой или длиной волны.

Шкала электромагнитных волн представляет собой непрерывную последовательность частот (и длин волн) электромагнитного излучения. Теория электромагнитных волн Максвелла позволяет установить, что в природе существуют электромагнитные волны различных длин, образованные различными вибраторами (источниками). В зависимости от способов получения электромагнитных волн их разделяют на несколько диапазонов частот (или длин волн).

Видео 2.11 Перенос энергии и импульса электромагнитной волной

На рис. 2.28 представлена шкала электромагнитных волн.

Рис. 2.28. Шкала электромагнитных волн

Видно, что диапазоны волн различных типов перекрывают друг друга. Следовательно, волны таких длин можно получить различными способами. Принципиальных различий между ними нет, поскольку все они являются электромагнитными волнами, порожденными колеблющимися заряженными частицами.

Уравнения Максвелла приводят также к выводу о поперечности электромагнитных волн в вакууме (и в изотропной среде): векторы напряженности электрического и магнитного полей ортогональны друг другу и направлению распространения волны.

 

Дополнительная информация

http://www.femto.com.ua/articles/part_1/0560.html – Волновое уравнение. Материал из Физической Энциклопедии.

http://fvl.fizteh.ru/courses/ovchinkin3/ovchinkin3-10.html – Уравнения Максвелла. Видеолекции.

http://elementy.ru/trefil/24 – Уравнения Максвелла. Материал из «Элементов».

http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e092.htm – Очень кратко об уравнениях Максвелла.

http://telecomclub.org/?q=node/1750 – Уравнения Максвелла и их физический смысл.

http://principact.ru/content/view/188/115/ – Кратко об уравнениях максвелла для электромагнитного поля.

 

Эффект Доплера для электромагнитных волн

Пусть в некоторой инерциальной системе отсчета К распространяется плоская электромагнитная волна. Фаза волны имеет вид:

 

 

(2.108)

Наблюдатель в другой инерциальной системе отсчета К’, движущейся относительно первой со скоростью V вдоль оси x, также наблюдает эту волну, но пользуется другими координатами и временем: t’, r’. Связь между системами отсчета дается преобразованиями Лоренца:

 

 

(2.109)

Подставим эти выражения в выражение для фазы , чтобы получить фазу волны в движущейся системе отсчета:

 

 

(2.110)

Это выражение можно записать как

 

 

(2. 111)

где и  — циклическая частота и волновой вектор относительно движущейся системы отсчета. Сравнивая с (2.110), находим преобразования Лоренца для частоты и волнового вектора:

 

 

(2.112)

Для электромагнитной волны в вакууме

 

Пусть направление распространения волны составляет в первой системе отсчета угол с осью х:

 

Тогда выражение для частоты волны в движущейся системе отсчета принимает вид:

 

 

(2. 113)

Это и есть формула Доплера для электромагнитных волн.

Если , то наблюдатель удаляется от источника излучения и воспринимаемая им частота волны уменьшается:

 

 

(2.114)

Если  , то наблюдатель приближается к источнику и частота излучения для него увеличивается:

 

 

(2.115)

При скоростях V << с можно пренебречь отклонением квадратного корня в знаменателях от единицы, и мы приходим к формулам, аналогичным формулам (2. 85) для эффекта Доплера в звуковой волне.

Отметим существенную особенность эффекта Доплера для электромагнитной волны. Скорость движущейся системы отсчета играет здесь роль относительной скорости наблюдателя и источника. Полученные формулы автоматически удовлетворяют принципу относительности Эйнштейна, и с помощью экспериментов невозможно установить, что именно движется — источник или наблюдатель. Это связано с тем, что для электромагнитных волн отсутствует среда (эфир), которая играла бы ту же роль, что и воздух для звуковой волны.

Заметим также, что для электромагнитных волн имеет место поперечный эффект Доплера. При  частота излучения изменяется:

 

 

(2.116)

в то время как для звуковых волн движение в направлении, ортогональном распространению волны, не приводило к сдвигу частот. Этот эффект прямо связан с релятивистским замедлением времени в движущейся системе отсчета: наблюдатель на ракете видит увеличение частоты излучения или, в общем случае, ускорение всех процессов, происходящих на Земле.

Найдем теперь фазовую скорость волны

 

в движущейся системе отсчета. Имеем из преобразований Лоренца для волнового вектора:

 

 

(2.117)

Подставим сюда соотношение:

 

 

(2. 118)

Получаем:

 

 

(2.119)

Отсюда находим скорость волны в движущейся системе отсчета:

 

 

(3.120)

Мы обнаружили, что скорость волны в движущейся системе отсчета не изменилась и по-прежнему равна скорости света с. Отметим всё же, что, при корректных выкладках, это не могло не получиться, так как инвариантность скорости света (электромагнитных волн) в вакууме есть основной постулат теории относительности уже «заложенный» в использованные нами преобразования Лоренца для координат и времени (3. 109).

Пример 1. Фотонная ракета движется со скоростью V = 0.9 с, держа курс на звезду, наблюдавшуюся с Земли в оптическом диапазоне (длина волны   мкм). Найдем длину волны излучения, которую будут наблюдать космонавты.

Длина волны обратно пропорциональна частоте колебаний. Из формулы (2.115) для эффекта Доплера в случае сближения источника света и наблюдателя находим закон преобразования длин волн:

 

 

(2.121)

откуда следует результат:

 

 

(2.122)

По рис. 2.28 определяем, что для космонавтов излучение звезды сместилось в ультрафиолетовый диапазон.

 

Энергия и импульс электромагнитного поля

Объемная плотность энергии w электромагнитной волны складывается из объемных плотностей  электрического и  магнитного полей:

 

(2.123)

Учитывая связь векторов Е и Н, получим, что плотности энергии электрического и магнитного полей в каждый момент времени одинаковы, то есть . Следовательно, w можно представить в виде:

 

(2.124)

Если умножить плотность энергии w на скорость электромагнитной волны в среде

то получим модуль плотности потока энергии:

 

(2.125)

Так как векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора

совпадает с направлением распространения волны, то есть с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен ЕН. Следовательно, вектор плотности потока электромагнитной энергии, называемый вектором Умова-Пойнтинга, имеет вид:

 

(2.126)

Как и для упругих волн, интенсивность электромагнитной волны — это среднее значение плотности потока энергии:

С учетом (2.107) между Е0 и Н0 получаем

 

(2.127)

Как и в упругой (звуковой) волне,

интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний.

Пример 2. Интенсивность солнечного излучения, падающего на Землю, составляет I = 1.4 кВт/м2 (солнечная постоянная). Найдем среднюю амплитуду колебаний E0вектора электрической напряженности в солнечном излучении. Вычислим амплитуды колебаний напряженности магнитного поля H0и вектора магнитной индукции B0в волне.

Ответ находим сразу из уравнений (3.127), где полагаем :

Электромагнитные волны поглощаются и отражаются телами, следовательно, они должны оказывать на тела давление. Рассмотрим плоскую электромагнитную волну, падающую нормально на плоскую проводящую поверхность. В этом случае электрическое поле волны возбуждает в теле ток, пропорциональный Е. Магнитное поле волны по закону Ампера будет действовать на ток с силой, направление которой совпадает с направлением распространения волны. В 1899 г. в исключительно тонких экспериментах П.И. Лебедев доказал существование светового давления. Можно показать, что волна, несущая энергию W, обладает и импульсом:

 

(2.128)

Пусть электромагнитная волна падает в вакууме по нормали на площадь А и полностью поглощается ею. Предположим, что за время  площадка получила от волны энергию . Тогда переданный площадке импульс равен

На площадку действует со стороны волны сила

Давление Р, оказываемое волной, равно

Если средняя плотность энергии в волне равна <w>, то на площадь А за время  попадет энергия из объема  и

Отсюда находим давление электромагнитной волны (света):

 

(2.129)

Если площадка идеально отражает всю падающую на нее энергию, то давление будет в два раза большим, что объясняется очень просто: одинаковый вклад в давление в этом случае дают как падающая, так и отраженная волны, в случае полностью поглощающей поверхности отраженной волны просто нет.

Пример 3. Найдем давление Р солнечного света на Землю. Используем значение солнечной постоянной из предыдущего примера. Искомое давление равно:

Пример 4. Найдем давление Р лазерного пучка на поглощающую мишень. Выходная мощность лазера N = 4.6 Вт, диаметр пучка d = 2.6 мм.

Площадь сечения пучка лазерного излучения

интенсивность излучения

Отсюда находим:

 

Дополнительная информация

http://elementy.ru/trefil/21079 – Эффект Доплера. Материал из «Элементов».

http://www.afizika.ru/zanimatelniestati/181-effektdoplera – Занимательная физика. Эффект Доплера.

http://www.youtube.com/watch?v=xjqcsXQ51m4 – Красивое видео об эффекте Доплера.

http://www.youtube.com/watch?v=JpcNW8AQzMs – Презентация по электромагнитным волнам.

http://www.examens.ru/otvet/7/11/890.html – Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и примеры их практического использования.

http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter2/section/paragraph6/theory.html#up – Глава из онлайн-учебника про электромагнитные волны.

http://lib.qrz.ru/node/1347 – Статья об основных параметрах электромагнитных волн

http://elementy.ru/trefil/21131?context=20442 – Спектр электромагнитного излучения.

http://ligis.ru/effects/science/232/index.htm – Упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной границы твердого тела или вдоль границы твердого тела с другими средами

http://www.youtube.com/watch?v=llGcqEi2WVw – Влияние среды на скорость распространения электромагнитных волн. Видео.

 

Что такое электромагнитная энергия и почему это важно?

Электромагнетизм — одно из тех пятидолларовых слов (с шестью слогами!), которое способно мгновенно перенести нас обратно в школьный класс естествознания. Но вот в чем дело: вам не нужно быть физиком, чтобы понять и оценить электромагнетизм и электромагнитную энергию.

Электромагнитная энергия — одна из фундаментальных сил природы, и в современном мире она имеет множество важных применений.Приготовьтесь узнать больше о том, какое значение имеет эта завораживающе звучащая сила для вас и вселенной, какой мы ее знаем.

Что такое электромагнитная энергия?

Также известная как электромагнитное излучение, электромагнитное излучение и электромагнетизм, электромагнитная энергия — это термин, используемый для описания различных энергий, которые распространяются в виде длин волн в пространстве со скоростью света. ЭМ-излучение не имеет массы или заряда. Скорее, он путешествует в пучке световой энергии, называемой фотонами.

Электромагнитная энергия является одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с сильным взаимодействием, слабым взаимодействием и гравитационным взаимодействием.Эти силы имеют разные уровни силы и работают в разных диапазонах. Например, и электромагнитные, и гравитационные силы имеют бесконечный диапазон, но гравитация — самая слабая из них.

Длины электромагнитных волн измеряются в электромагнитном спектре, и каждая из них имеет свои уникальные свойства.

Как работает электромагнитная энергия?

Мы можем думать об электромагнитных волнах так же, как мы могли бы думать о наборе волн на пляже: есть пики и впадины, которые движутся относительно регулярно, и они используют энергию для движения.

Электромагнитное излучение можно описать тремя способами: энергия, длина волны или частота.

Длины волн обычно измеряются в стандартных единицах, а для описания электромагнитных волн обычно используются метры (м). Возвращаясь к нашему примеру с пляжем, расстояние между пиками каждой волны — это то, что вы можете считать длиной волны.

Частота этих волн измеряется в герцах (Гц), мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц).Чем выше частота электромагнитной волны, тем больше электромагнитной энергии она несет.

Интересно, что частота электромагнитной волны обратно пропорциональна ее длине волны, а это значит, что чем больше частота такой волны, тем короче ее длина волны, и наоборот.

Чтобы завершить нашу метафору с пляжем, есть еще один способ измерить волны — посмотреть на их амплитуду. Амплитуда волны — будь то звуковая волна или волна, разбивающаяся о берег, — измеряется по разнице между пиком волны и ее впадиной.

Что такое электромагнитное поле?

Электромагнитные поля являются продуктом электромагнитного излучения и часто называются просто излучением. Эти электромагнитные поля могут быть опасны для человека, если частота электромагнитного излучения, измеряемая в герцах, мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), слишком высока.

Магнитные поля создаются электрическими зарядами, и чем больше этот заряд, тем сильнее магнитное поле. Это имеет практическое применение, потому что это означает, что мы можем увеличивать или уменьшать электрический заряд, чтобы точно настроить магнитные поля для наших целей.

Что такое электромагнитный спектр?

Не все электромагнитные волны одинаковы. Волны характеризуются электромагнитным спектром (ЭМ-спектром) и различаются как по частоте, так и по длине волны. Хотя эти волны могут существовать где угодно в широком спектре, они бывают семи различных разновидностей в диапазоне частот и в диапазоне длин волн, о которых вы, вероятно, слышали раньше. Как уже упоминалось, они также имеют разную степень энергии.

Полный электромагнитный спектр (от электромагнитных волн с самой большой длиной волны к самой короткой) выглядит следующим образом:

  1. Радиоволны  
  2. Микроволновые печи
  3. Инфракрасное излучение
  4. Видимый свет 
  5. Ультрафиолетовое излучение (УФ)
  6. Рентген
  7. Гамма-лучи

Каковы 7 типов электромагнитной энергии?

Существует семь категорий излучения в электромагнитном спектре.У каждого своя длина волны и частота. Рассмотрим подробнее каждый из них и их свойства.

Радиоволны  

источник

Радиоволны могут быть наиболее известными электромагнитными волнами. У них более длинные волны (внимательный читатель может помнить, что это также означает, что у них очень низкие частоты).

Радиоволны создаются, когда электрический ток подается на антенну — металлический стержень — заставляя ее вибрировать с определенной частотой и генерировать электромагнитную волну с определенной длиной волны.

Мы постоянно используем радиоволны в наших автомобилях, но радиоволны также используются в GPS-позиционировании, телевизионном вещании, высокоэнергетических излучениях, беспроводных сетях, пультах дистанционного управления и сетях сотовой связи. Неудивительно, что низкий уровень излучения, который излучает ваш мобильный телефон, называется радиочастотой.

В следующий раз, когда вы воспользуетесь телефоном для совершения звонка или пультом дистанционного управления для переключения канала, вы будете благодарны электромагнитному излучению!

Микроволновые печи

Микроволны — это тип радиоволн, которые также имеют большую длину волны и также считаются низкочастотными волнами.Микроволны являются основной электромагнитной волной, используемой в радарах. Если вы настроились на местные новости, чтобы увидеть, как метеоролог недавно предсказал погоду, вы должны благодарить микроволновые печи.

Мы также используем микроволны — сюрприз! — в микроволновых печах. Они работают, используя электромагнитное излучение для вибрации атомарных частиц в вашей пище, превращая электромагнитную энергию в тепловую энергию для нагрева вашей еды. Это еще один пример работы электромагнитной энергии.

Инфракрасное излучение 

Инфракрасное излучение также обычно называют инфракрасным светом (сокращенно ИК) или инфракрасными волнами.После радиоволн и микроволн это следующий шаг вниз по длинам волн в электромагнитном спектре. Эти волны невидимы для человеческого глаза, но специальные камеры, которые улавливают эти волны, могут помочь нам видеть ночью (вспомните очки ночного видения) или увидеть источники тепла (тепловизионные камеры).

Инфракрасное излучение также важно для астрономов и исследователей НАСА, которые используют его для обнаружения далеких звезд или полей газа или пыли, которые в противном случае могли бы быть невидимы даже для нашего самого современного оборудования.

Видимый свет 

Хотите верьте, хотите нет, но видимый свет — это форма электромагнитной энергии. Эти электромагнитные волны имеют более короткую длину волны, чем инфракрасные волны или радиоволны, и, следовательно, более высокую частоту и большую энергию.

Солнце излучает электромагнитную энергию в виде электромагнитных волн по всему электромагнитному спектру, но волны видимого света, которые оно излучает, являются самыми сильными. Это одна из причин, по которой вы не можете смотреть на солнце — интенсивность видимого света слишком велика для человеческого глаза!

Мы можем далее дифференцировать видимый свет в видимый спектр.Изменение длины волны видимого света дает нам все различные цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз. Это легче всего понять, пропустив белый свет через призму, которая создает преломление этого света в свет с различной длиной волны и, следовательно, в разные цвета радуги.

Ультрафиолетовое излучение

источник

Ультрафиолетовое излучение (или ультрафиолетовый свет), пожалуй, лучше всего известно просто как УФ-лучи. Эта форма электромагнитного излучения имеет короткие длины волн, а это означает, что ультрафиолетовый свет имеет высокую частоту.Следовательно, он содержит больше электромагнитной энергии, чем видимый свет, микроволны или радиоволны.

Именно в этот момент электромагнитное излучение может стать опасным для человека, если не будут приняты надлежащие меры предосторожности. Почему? Потому что, в отличие от радиоволн, микроволн и инфракрасного излучения, УФ-излучение является ионизирующим излучением. (Стоит также отметить, что рентгеновские и гамма-лучи также являются ионизирующими.) 

Неудивительно, что сильное ультрафиолетовое излучение способно повредить нашу кожу.Таким образом, мы используем УФ-защиту, чтобы предотвратить солнечные ожоги и, возможно, даже более серьезные последствия. Исследования показывают, что УФ-излучение достаточно сильное, чтобы повредить ДНК и потенциально привести к раку.

Удивительно, но солнце производит так много УФ-излучения, что, если бы атмосфера Земли не фильтровала многие из этих вредных лучей, жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы на суше. Слава Богу за наш озоновый слой!

Существует множество практических применений ультрафиолетового излучения, начиная от новинок, таких как черные светильники (привет, светящиеся в темноте плакаты!) и искусственного загара (не очень хорошая идея) до лечения рака и устройств для стерилизации поверхностей.

Рентген

Сейчас мы приближаемся к хвостовой части электромагнитного спектра. В то время как длины волн становятся исчезающе малыми, энергия и частота этих электромагнитных волн резко возрастают.

Рентгеновские лучи потенциально могут представлять опасность для живых существ, потому что этот тип излучения может вызывать молекулярные повреждения, если его не контролировать.

Наиболее распространенным применением рентгеновских лучей, которое мы все знаем, является радиология, которая использует эти электромагнитные волны для получения изображений внутренней части человеческого тела, которые в противном случае были бы недоступны для нас.Независимо от того, делаете ли вы маммографию, проходите проверку безопасности в аэропорту или проверяете зубы у стоматолога, рентгеновские лучи — это форма электромагнитной энергии, с которой мы обычно взаимодействуем в различные моменты нашей жизни.

Гамма-лучи   

источник

Гамма-лучи существуют в дальнем конце электромагнитного спектра, с самыми короткими длинами волн, но с самыми высокими частотами. Гамма-лучи также являются электромагнитными волнами с самой высокой энергией и, как таковые, представляют наибольшую угрозу для биологической жизни.

В популярной культуре вы, возможно, слышали об этой форме электромагнитной энергии в мире комиксов, где гамма-лучи часто включаются в предыстории, чтобы объяснить, как супергерой получил свои сверхспособности.

В реальной жизни гамма-лучи считаются очень опасными. К счастью, источники этих лучей относительно ограничены. Космические лучи, грозы и солнечные вспышки могут создавать эти электромагнитные волны, как и радиоактивный распад.

Гамма-лучи и рентгеновские лучи являются источниками ионизирующего излучения, которое определяется как «тип энергии, выделяемой атомами, которая распространяется в форме электромагнитных волн.В малых дозах ионизирующее излучение может вызвать рак, а в больших – уничтожить биологическую жизнь. По этим причинам источники ионизирующего излучения, такие как гамма-лучи и рентгеновские лучи, строго контролируются.

Электромагнитные волны играют важную роль в вашей жизни 

Электромагнитная энергия окружает нас повсюду, хотя большую часть времени мы осознаем лишь очень ограниченную часть электромагнитного спектра — видимый свет. Тем не менее, электромагнитные волны жизненно важны для того, как мы ощущаем и переживаем мир.От радио и сотовых телефонов до микроволн, рентгеновских лучей и так далее — существует бесчисленное множество способов, которыми мы можем воспользоваться всей электромагнитной энергией, которую может предложить Вселенная.

Поскольку наш мир становится все более модернизированным, а технологии продолжают нас удивлять, приятно сделать шаг назад и подумать о более широкой картине. Хотя вы можете не думать об этом каждую минуту, электромагнитная энергия является еще одним напоминанием о том, как невидимые силы в нашем мире влияют почти на все аспекты нашей повседневной жизни.

Предоставлено вам taranergy.com

Все изображения предоставлены по лицензии Adobe Stock.
Избранное изображение

Электромагнитная теория – обзор

Частицы в электромагнитных полях

Мы изучаем нерелятивистское движение частицы в электромагнитном поле. Обсуждение деталей основы электромагнитной теории в той мере, в какой это важно для наших целей, представлено ниже. Поля механики и электродинамики связаны через силу Лоренца ,

(1.70)F→=e(E→+x→˙×B→),

, что выражает влияние электромагнитных полей на движение. В этом смысле она носит аксиоматический характер и проверена широко и с большой точностью. Из теории электромагнитных полей нам потребуются два дополнительных знания, а именно, что электрические и магнитные поля Е→ и B→ можно вывести из потенциалов ϕ(x→,t) и A→(x→,t) как

E→=-∇→ϕ-∂A→∂t

и

Б→=∇→×А→.

Подробнее о том, почему это действительно так, можно узнать ниже.Таким образом, в терминах потенциалов ϕ и A→ сила Лоренца (уравнение 1.70) принимает вид

(1.71)F→=e(-∇→ϕ-∂A→∂t+x→˙×(∇→×A→)).

Таким образом, k -й компонент силы равен

(1.72)Fk=e(-∂ϕ∂xk-∂Ak∂t+(x→˙×(∇→×A→))k).

Однако, используя общий антисимметричный тензор ε ijk и Кронекер δ ij , мы видим, что

(1,73)(x→˙×(∇→×A→))k=Σijk,jɛix˙i(∇→×A→)j=Σi,jɛijkx˙iΣl,mɛlmj∂Am∂xl=Σi,j, l,mɛkijɛlmjx˙i∂Am∂xl=Σi,j,l,m(ɛkij)2(δklδim-δkmδil)x˙i∂Am∂xl=Σi,j(ɛkij)2(x˙i∂Ai∂xk- x˙i∂Ak∂xi)=Σi(x˙i∂Ai∂xk-x˙i∂Ak∂xi)=∂∂xk(x→˙⋅A→)-(x→˙⋅∇→)Ak.

С другой стороны, полная производная по времени от A k равна

(1,74)dAkdt=∂Ak∂t+(x→˙⋅∇→)Ak.

Таким образом, уравнение. (1.73) можно переписать как

(1,75)(x→˙×(∇→×A→))k=∂∂xk(x→⋅⋅A→)-dAkdt+∂Ak∂t.

Подставляя уравнение (1.75) в уравнении (1.72), получаем для k -й компоненты силы

(1.76)Fk=e(-∂∂xk(ϕ-x→˙⋅A→)-dAkdt).

Хотя сначала это кажется более сложным, теперь на самом деле проще угадать лагранжиан; на самом деле частичное ∂/∂xk предполагает, что ϕ-x→⋅A→ — член, отвечающий за силу.Однако из-за зависимости от скорости также присутствует вклад d/dt(∂/∂x˙k); это, к счастью, дает только требуемый термин dAk/dt в уравнении (1.76). Условия м x→⋅⋅ можно произвести, как и раньше, и в сумме мы приходим к

(1,77)L(x→,x→˙,t)=12mx→˙2-eϕ(x→,t)+eA→(x→,t)⋅x→˙.

Действительно, d/dt(∂L/∂x˙k)-∂L/∂xk=0 для всех k=1,2,3 эквивалентно Fk=mx¨k для всех k = 1,2,3, и, следовательно, уравнения Лагранжа дают правильный закон силы Лоренца.

Стоит посмотреть, что произойдет, если мы рассмотрим движение ансамбля нерелятивистских взаимодействующих частиц в электромагнитном поле, где силы взаимодействия F→ji,i≠j, выводятся из потенциалов Vji=Vji(|x→i-x→j|).Из предыдущих примеров мы подталкиваем к попытке

(1,78)=Σi=1N12mix→˙i-Σi=1Neiϕi(x→i,t)+Σi=1NeiA→i(x→i,t)⋅x→˙i-12Σi≠j=1NVji.

Действительно, в этом случае d/dt(∂L/∂x˙i,k)-∂L/∂xi,k=0 эквивалентно mix¨i,k=Fi,k+Σj≠iFji,k и, следовательно,

(1.79)ddt∂L∂x˙i,k-∂L∂xi,k=0 для всех k=1,2,3

эквивалентно

(1.80)mix→¨i=F→i+Σj≠iF→ji,

, которые снова дают правильные уравнения движения для i -й частицы.

Теперь переходим к релятивистскому движению .В этом случае мы ограничиваем наше обсуждение движением одиночной частицы. Ситуация для ансамбля гораздо более тонкая по целому ряду причин. Во-первых, потенциалы взаимодействия должны включать эффекты запаздывания. Во-вторых, релятивистски движущиеся частицы также создают сложные магнитные поля; поэтому взаимодействие не просто выводится из скалярных потенциалов. На самом деле дело настолько сложное, что до конца не изучено, и существует даже, казалось бы, парадоксальных ситуаций, в которых частицы, взаимодействуя релятивистски, продолжают ускоряться, набирая энергию запредельно (Parrott, 1987; Rohrlich, 1990).

В качестве первого шага рассмотрим релятивистское движение частицы под действием сил, производных только от потенциалов. Уравнение движения имеет вид

(1,81)F→=ddt(mx→˙1-x→˙2/c2).

Пытаемся найти лагранжиан L(x→,x→˙) такой, что ∂L/∂x˙k дает mx→˙k/1-x→˙2/c2 и ∂L/∂xk дает k -й компонент силы, F k , для K = 1,2,3. Позволять

(1,82)L(x→,x→˙,t)=−mc21-x→˙2/c2-V(x→,t).

Дифференцируя L по x k , k = 1,2,3, получаем

(1.83)∂L∂xk=-∂V∂xk=Fk.

Дифференциация L по отношению к x˙k, k = 1,2,3, получаем

(1.84)∂L∂x˙k=-mc2(12)(1-x→⋅2c2)-1/2(-2x˙kc2)=mx˙k1-x→˙2/c2

Таким образом, Уравнения Лагранжа дают правильное уравнение движения.

Далее мы изучаем релятивистское движение частицы в полном электромагнитном поле . Основываясь на предыдущем опыте, мы ожидаем, что нам просто нужно объединить члены, которые приводят к силе Лоренца, с теми, которые приводят к релятивистской версии члена ускорения Ньютона, и, следовательно, мы вынуждены попытаться

(1.85)L=-mc21-x→˙2/c2+ex→˙⋅A→-eϕ,

, где ϕ — скалярный потенциал электрического поля и A→ — векторный потенциал магнитного поля. Поскольку последнее слагаемое не способствует d/dt(∂L/∂x˙k), проверка того, что лагранжиан действительно правильный, следует так же, как и в предыдущих примерах.

Введение в электромагнитный спектр

Электромагнитная энергия распространяется волнами и охватывает широкий спектр от очень длинных радиоволн до очень коротких гамма-лучей. Человеческий глаз может обнаружить только небольшую часть этого спектра, называемого видимым светом.Радио обнаруживает другую часть спектра, а рентгеновский аппарат использует еще одну часть. Научные инструменты НАСА используют весь спектр электромагнитного спектра для изучения Земли, Солнечной системы и Вселенной за ее пределами.

Когда вы настраиваете радио, смотрите телевизор, отправляете текстовое сообщение или готовите попкорн в микроволновой печи, вы используете электромагнитную энергию. Вы зависите от этой энергии каждый час каждого дня. Без него мир, который вы знаете, не мог бы существовать.

 

 
Наша защитная атмосфера

Наше Солнце является источником энергии всего спектра, и его электромагнитное излучение постоянно бомбардирует нашу атмосферу.Однако атмосфера Земли защищает нас от воздействия ряда волн более высокой энергии, которые могут быть опасны для жизни. Гамма-лучи, рентгеновские лучи и некоторые ультрафиолетовые волны являются «ионизирующими», то есть эти волны обладают такой высокой энергией, что могут выбивать электроны из атомов. Воздействие этих высокоэнергетических волн может изменить атомы и молекулы и вызвать повреждение клеток в органическом веществе. Эти изменения в клетках иногда могут быть полезными, например, когда радиация используется для уничтожения раковых клеток, а иногда нет, например, когда мы получаем солнечные ожоги.

Атмосферные окна

Взгляд за пределы нашей атмосферы — космические аппараты НАСА, такие как RHESSI, предоставляют ученым уникальную точку зрения, помогая им «видеть» на более высоких длинах волн, которые блокируются защитной атмосферой Земли.

Электромагнитное излучение отражается или поглощается главным образом несколькими газами в атмосфере Земли, наиболее важными из которых являются водяной пар, двуокись углерода и озон. Некоторое излучение, например видимый свет, в значительной степени проходит (передается) через атмосферу.Эти области спектра с длинами волн, которые могут проходить через атмосферу, называются «атмосферными окнами». Некоторые микроволны могут даже проходить сквозь облака, что делает их наилучшей длиной волны для передачи сигналов спутниковой связи.

Хотя наша атмосфера необходима для защиты жизни на Земле и поддержания жизни на планете, она не очень полезна, когда дело доходит до изучения источников высокоэнергетического излучения в космосе. Инструменты должны быть расположены над поглощающей энергию атмосферой Земли, чтобы «видеть» более высокие энергии и даже некоторые источники света с более низкими энергиями, такие как квазары.

К началу страницы  | Далее: Анатомия электромагнитной волны


Цитата
АПА

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научной миссии. (2010). Введение в электромагнитный спектр. Получено 90 168 [вставьте дату — например, 10 августа 2016 г.] , с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/01_intro

ГНД

Управление научной миссии. «Введение в электромагнитный спектр» NASA Science .2010. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. [вставить дату — напр. 10 августа 2016 г.] http://science.nasa.gov/ems/01_intro

Canon : Технологии Canon | Научная лаборатория Canon

Для этого сайта требуется браузер с поддержкой JavaScript.

Свет это волна или частица?

Какова истинная природа света? Это волна или, может быть, поток мельчайших частиц? Эти вопросы давно озадачивали ученых. Давайте путешествовать по истории, изучая этот вопрос.

Около 1700 года Ньютон пришел к выводу, что свет представляет собой группу частиц (корпускулярная теория). Примерно в то же время были и другие ученые, которые думали, что свет может быть волной (волновая теория). Свет распространяется прямолинейно, и поэтому для Ньютона было вполне естественно думать о нем как о чрезвычайно малых частицах, испускаемых источником света и отражаемых предметами. Однако корпускулярная теория не может объяснить волнообразные световые явления, такие как дифракция и интерференция.С другой стороны, волновая теория не может объяснить, почему фотоны вылетают из металла, подвергающегося воздействию света (явление называется фотоэффектом, открытым в конце XIX века). Таким образом, великие физики веками продолжали спорить и демонстрировать истинную природу света.

Свет — это частица! (Сэр Исаак Ньютон)

Известный своим законом всемирного тяготения английский физик сэр Исаак Ньютон (1643–1727) понял, что свет обладает частотно-подобными свойствами, когда использовал призму для разделения солнечного света на составляющие его цвета.Тем не менее он считал свет частицей, потому что периферия создаваемых им теней была чрезвычайно резкой и ясной.

Свет — это волна! (Гримальди и Гюйгенс)

Волновая теория, утверждающая, что свет является волной, была предложена примерно в то же время, что и теория Ньютона. В 1665 году итальянский физик Франческо Мария Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции света и указал, что оно напоминает поведение волн. Затем, в 1678 году, голландский физик Христиан Гюйгенс (1629–1695) создал волновую теорию света и провозгласил принцип Гюйгенса.

Свет однозначно волна! (Френель и Янг)

Примерно через 100 лет после Ньютона французский физик Огюстен-Жан Френель (1788–1827) утверждал, что световые волны имеют чрезвычайно короткую длину волны, и математически доказал интерференцию света. В 1815 году он также разработал физические законы для отражения и преломления света. Он также предположил, что пространство заполнено средой, известной как эфир, потому что волнам нужно что-то, что может их передавать. В 1817 году английский физик Томас Юнг (1773–1829) рассчитал длину волны света по интерференционной картине, тем самым не только выяснив, что длина волны составляет 1 мкм (1 мкм = одна миллионная метра) или меньше, но и имея представление о правда, что свет есть поперечная волна.В этот момент корпускулярная теория света потеряла популярность и была заменена волновой теорией.

Свет — это волна — электромагнитная волна! (Максвелл)

Следующая теория была предложена блестящим шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом (1831–1879). В 1864 году он предсказал существование электромагнитных волн, существование которых до того времени не подтверждалось, и из его предсказания вышло представление о том, что свет является волной, точнее, разновидностью электромагнитной волны.До этого времени считалось, что магнитное поле, создаваемое магнитами и электрическими токами, и электрическое поле, создаваемое между двумя параллельными металлическими пластинами, соединенными с заряженным конденсатором, не связаны друг с другом. Максвелл изменил это представление, когда в 1861 году представил уравнения Максвелла: четыре уравнения электромагнитной теории, которые показывают, что магнитные поля и электрические поля неразрывно связаны. Это привело к введению концепции электромагнитных волн, отличных от видимого света, в исследования света, которые ранее были сосредоточены только на видимом свете.

Термин «электромагнитная волна» напоминает волны, излучаемые сотовыми телефонами, но на самом деле электромагнитные волны — это волны, создаваемые электричеством и магнетизмом. Электромагнитные волны всегда возникают везде, где течет электричество или распространяются радиоволны. Уравнения Максвелла, которые ясно показали существование таких электромагнитных волн, были объявлены в 1861 году, став самым фундаментальным законом электромагнетизма. Эти уравнения нелегко понять, но давайте рассмотрим их более подробно, потому что они касаются истинной природы света.

Что такое уравнения Максвелла?

Четыре уравнения Максвелла стали самым фундаментальным законом электромагнетизма. Первое уравнение формулирует закон электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что изменяющиеся магнитные поля генерируют электрические поля, производящие электрический ток.

Второе уравнение называется законом Ампера-Максвелла. Он дополняет закон Ампера, в котором говорится, что электрический ток, протекающий по проводу, создает вокруг себя магнитное поле, и еще один закон, в котором говорится, что изменяющееся магнитное поле также порождает свойство, подобное электрическому току (ток смещения), и это тоже создает магнитное поле вокруг себя.Термин «ток смещения» на самом деле является ключевым моментом.

Третье уравнение — это закон, утверждающий, что в источнике электрического поля имеется электрический заряд.

Четвертое уравнение — это закон Гаусса о магнитном поле, утверждающий, что у магнитного поля нет источника (магнитного монополя), эквивалентного источнику электрического заряда.

Что такое ток смещения?

Если вы возьмете две параллельные металлические пластины (электроды) и соедините одну с положительным полюсом, а другую с отрицательным полюсом батареи, вы создадите конденсатор.Электричество постоянного тока (DC) будет просто собираться между двумя металлическими пластинами, и между ними не будет протекать ток. Однако, если вы подключите переменный ток (AC), который резко изменится, электрический ток начнет течь по двум электродам. Электрический ток — это поток электронов, но между этими двумя электродами нет ничего, кроме пространства, и поэтому электроны не текут.

Макселл задумался, что бы это могло значить. Затем ему пришло в голову, что приложение переменного напряжения к электродам создает в пространстве между ними переменное электрическое поле, и это изменяющееся электрическое поле действует как изменяющийся электрический ток.Этот электрический ток и есть то, что мы имеем в виду, когда используем термин «ток смещения».

Что такое электромагнитные волны и электромагнитные поля?

Из представления о токе смещения можно сделать самый неожиданный вывод. Короче говоря, электромагнитные волны могут существовать. Это также привело к открытию того, что в космосе существуют не только объекты, которые мы можем видеть глазами, но и неосязаемые поля, которые мы не можем видеть. Существование полей обнаружено впервые.Решение уравнений Максвелла раскрывает волновое уравнение, а решение этого уравнения приводит к волновой системе, в которой электрические поля и магнитные поля порождают друг друга, путешествуя в пространстве.

Форма электромагнитных волн была выражена математической формулой. Магнитные поля и электрические поля неразрывно связаны, и существует также сущность, называемая электромагнитным полем, которая несет исключительную ответственность за их появление.

Каков принцип генерации электромагнитных волн?

Теперь давайте посмотрим на конденсатор.Приложение переменного напряжения между двумя металлическими электродами создает изменяющееся электрическое поле в пространстве, а это электрическое поле, в свою очередь, создает ток смещения, вызывая протекание электрического тока между электродами. В то же время ток смещения создает вокруг себя изменяющееся магнитное поле в соответствии со вторым уравнением Максвелла (закон Ампера-Максвелла).

Возникающее магнитное поле создает вокруг себя электрическое поле в соответствии с первым из уравнений Максвелла (закон электромагнитной индукции Фарадея).На основании того факта, что изменяющееся электрическое поле таким образом создает магнитное поле, электромагнитные волны, в которых попеременно появляются электрическое поле и магнитное поле, создаются в пространстве между двумя электродами и распространяются в их окружение. Антенны, излучающие электромагнитные волны, создаются с использованием этого принципа.

Насколько быстры электромагнитные волны?

Максвелл рассчитал скорость движения волн, т.е. электромагнитных волн, выявленных по его математическим формулам.Он сказал, что скорость равна единице, превышающей квадратный корень из электрической диэлектрической проницаемости в вакууме, умноженной на магнитную проницаемость в вакууме. Когда он присвоил «9 x 10 9 /4π для электрической проницаемости в вакууме» и «4π x 10 -7 для магнитной проницаемости в вакууме», оба из которых были известными значениями в то время, его расчет дал 2,998. х 10 8 м/сек. Это точно соответствовало ранее открытой скорости света. Это привело Максвелла к уверенному утверждению, что свет является разновидностью электромагнитной волны.

Свет тоже частица! (Эйнштейн)

Теория о том, что свет является частицей, полностью исчезла до конца 19-го века, когда Альберт Эйнштейн возродил ее. Теперь, когда доказана двойственная природа света как «частицы и волны», его основная теория получила дальнейшее развитие от электромагнетизма к квантовой механике. Эйнштейн считал, что свет — это частица (фотон), а поток фотонов — это волна. Суть квантовой теории света Эйнштейна состоит в том, что энергия света связана с частотой его колебаний.Он утверждал, что фотоны имеют энергию, равную «постоянной Планка, умноженной на частоту колебаний», и эта энергия фотона представляет собой высоту частоты колебаний, а интенсивность света представляет собой количество фотонов. Различные свойства света, который является типом электромагнитной волны, обусловлены поведением очень маленьких частиц, называемых фотонами, которые невидимы невооруженным глазом.

Что такое фотоэлектрический эффект?

Немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879–1955), известный своими теориями относительности, провел исследование фотоэлектрического эффекта, при котором электроны вылетают из металлической поверхности, подвергаемой воздействию света.Самое странное в фотоэффекте то, что энергия электронов (фотоэлектронов), вылетающих из металла, не меняется независимо от того, слаб свет или силен. (Если бы свет был волной, сильный свет должен был бы заставлять фотоэлектроны вылетать с огромной силой.) Еще один загадочный вопрос заключается в том, как размножаются фотоэлектроны при воздействии сильного света. Эйнштейн объяснил фотоэффект тем, что «свет сам по себе является частицей», и за это получил Нобелевскую премию по физике.

Что такое фотон?

Легкая частица, задуманная Эйнштейном, называется фотоном.Основным пунктом его квантовой теории света является идея о том, что энергия света связана с частотой его колебаний (известной как частота в случае радиоволн). Частота колебаний равна скорости света, деленной на его длину волны. Фотоны имеют энергию, равную частоте их колебаний, умноженной на постоянную Планка. Эйнштейн предположил, что когда электроны внутри материи сталкиваются с фотонами, первые поглощают энергию последних и улетают, и что чем выше частота колебаний фотонов, которые ударяют, тем больше энергия вылетающих электронов.

Короче говоря, он говорил, что свет — это поток фотонов, энергия этих фотонов — высота частоты их колебаний, а интенсивность света — количество его фотонов.

Эйнштейн доказал свою теорию, доказав, что постоянная Планка, полученная им на основе его экспериментов по фотоэлектрическому эффекту, точно соответствует константе 6,6260755 x 10 -34 (постоянная Планка), которую немецкий физик Макс Планк (1858–1947) получил в 1900 г. его исследования электромагнитных волн.Это также указывало на тесную связь между свойствами и частотой колебаний света как волны и свойствами и импульсом (энергией) света как частицы, или, другими словами, на двойственную природу света как частицы и волны.

Могут ли другие частицы помимо фотонов становиться волнами?

Французский физик-теоретик Луи де Бройль (1892–1987) продвинул такое исследование волновой природы частиц, доказав, что помимо фотонов существуют частицы (электроны, протоны и нейтроны), обладающие волновыми свойствами.Согласно де Бройлю, все частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, приобретают свойства и длину волны волны в дополнение к свойствам и импульсу частицы. Он также вывел соотношение «длина волны x импульс = постоянная Планка».

С другой точки зрения, можно было бы сказать, что сущность двойственной природы света как частицы и волны уже содержится в постоянной Планка. Эволюция этой идеи способствует разнообразным научным и техническим достижениям, включая разработку электронных микроскопов.

1.2: Волновая теория света

Цели обучения

  • , чтобы узнать о характеристиках электромагнитных волн. Свет, рентгеновские лучи, инфракрасное излучение и микроволны среди типов электромагнитных волн.

Ученые открыли многое из того, что мы знаем о структуре атома, наблюдая за взаимодействием атомов с различными формами лучистой или передаваемой энергии, такими как энергия, связанная с видимым светом, который мы обнаруживаем нашими глазами, инфракрасное излучение, которое мы ощущаются как тепло, ультрафиолетовый свет, который вызывает солнечные ожоги, и рентгеновские лучи, которые создают изображения наших зубов или костей.Все эти формы лучистой энергии должны быть вам знакомы. Мы начнем обсуждение развития нашей современной атомной модели с описания свойств волн и различных форм электромагнитного излучения.

Рис. 1.1.1 Волна в воде Когда капля воды падает на гладкую поверхность воды, она создает набор волн, которые распространяются наружу в круговом направлении.

Свойства волн

Волна – это периодическое колебание, передающее энергию через пространство. Любой, кто был на пляже или бросал камень в лужу, наблюдал волны, бегущие по воде (рис.1.1). Эти волны возникают, когда ветер, камень или какое-либо другое возмущение, например проплывающая лодка, передают энергию воде, заставляя поверхность колебаться вверх и вниз по мере того, как энергия распространяется наружу от точки ее происхождения. Когда волна проходит определенную точку на поверхности воды, все, что там плавает, движется вверх и вниз.

Рисунок 1.1.2: Важные свойства волн (a) Длина волны (λ в метрах), частота (ν, в Гц) и амплитуда указаны на этом рисунке волны.(b) Волна с наименьшей длиной волны имеет наибольшее число длин волн в единицу времени (т. е. наибольшую частоту). Если две волны имеют одинаковую частоту и скорость, то волна с большей амплитудой имеет более высокую энергию.

Волны обладают характерными свойствами (рис. 1.1.2). Как вы могли заметить на рис. 1.1.1, волны периодические, то есть они регулярно повторяются как в пространстве, так и во времени. Расстояние между двумя соответствующими точками в волне — например, между серединами двух пиков или двух впадин — это длина волны (λ), расстояние между двумя соответствующими точками в волне — между серединами двух пиков или двух впадин.\(\lambda\) — строчная греческая лямбда, а \(\nu\) — строчная греческая nu. Длина волны описывается единицей расстояния, обычно метрами. Частота (ν), число колебаний (т. е. волны), которые проходят определенную точку за данный период времени. волны – это число колебаний, проходящих через определенную точку за данный период времени. Обычными единицами измерения являются колебания в секунду (1/с = с -1 ), которые в системе СИ называются герцами (Гц).

(длина волны)(частота) = скорость

\[ \lambda \nu =v \tag{1.1.1а}\]

\[ \left ( \dfrac{meters}{\cancel{wave}} \right )\left ( \dfrac{\cancel{wave}}{second} \right )=\dfrac{meters}{second} \tag {1.1.1b}\]

Будьте осторожны, не перепутайте символы скорости \(v\) с частотой \(\nu\). Водяные волны медленнее звуковых волн, которые могут проходить через твердые тела, жидкости и газы. В то время как волны на воде могут двигаться со скоростью несколько метров в секунду, скорость звука в сухом воздухе при 20°C составляет 343,5 м/с. Ультразвуковые волны, которые распространяются с еще большей скоростью (> 1500 м/с) и имеют большую частоту, используются в таких разнообразных приложениях, как поиск подводных объектов и медицинская визуализация внутренних органов.

Электромагнитное излучение

Водяные волны передают энергию через пространство за счет периодических колебаний материи (воды). Напротив, энергия, которая передается или излучается в пространстве в виде периодических колебаний электрического и магнитного полей, известна как электромагнитное излучение, то есть энергия, которая передается или излучается в пространстве в виде периодических колебаний электрического поля. и магнитные поля. (рисунок 1.1.3). Некоторые формы электромагнитного излучения показаны на рисунке 1.1.4. В вакууме все формы электромагнитного излучения — будь то микроволны, видимый свет или гамма-лучи — распространяются со скоростью света (с), то есть скоростью, с которой все формы электромагнитного излучения распространяются в вакууме, фундаментальной физической константой. со значением 2,99792458 × 10 8 м/с (что составляет около 3,00 × 10 8 м/с или 1,86 × 10 5 миль/с). Это примерно в миллион раз быстрее скорости звука.

Рисунок 1.1.3: Природа электромагнитного излучения.Все формы электромагнитного излучения состоят из перпендикулярно колеблющихся электрических и магнитных полей.

Поскольку все виды электромагнитного излучения имеют одинаковую скорость ( c ), они отличаются только длиной волны и частотой. Как показано на Рисунке 1.1.4 и в Таблице 1.1.1, длины волн обычного электромагнитного излучения находятся в диапазоне от 10 1 м для радиоволн до 10 −12 м для гамма-лучей, испускаемых ядерными реакциями. Заменив v на c в уравнении 6.1.1, мы можем показать, что частота электромагнитного излучения обратно пропорциональна его длине волны:

\[ \begin{array}{cc} c=\lambda \nu \\ \nu =\dfrac{c}{\lambda } \end{array} \tag{1.1.2} \]

Например, частота радиоволн составляет около 10 8 Гц, тогда как частота гамма-лучей составляет около 10 20 Гц. Видимый свет, который представляет собой электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом, имеет длину волны примерно 7 × 10 90 381–7 90 382 м (700 нм, или 4.3 × 10 14 Гц) и 4 × 10 –7 м (400 нм, или 7,5 × 10 14 Гц). Обратите внимание, что при увеличении частоты длина волны уменьшается; c, будучи константой, остается прежним. Точно так же, когда частота уменьшается, длина волны увеличивается.

Рисунок 1.1.4: Электромагнитный спектр. (а) На этой диаграмме показаны диапазоны длин волн и частот электромагнитного излучения. Видимая часть электромагнитного спектра представляет собой узкую область с длинами волн примерно от 400 до 700 нм.(b) Когда белый свет проходит через призму, он расщепляется на свет с разными длинами волн, цвета которых соответствуют видимому спектру.

В пределах этого видимого диапазона наши глаза воспринимают излучение различных длин волн (или частот) как свет разных цветов, от красного до фиолетового в порядке убывания длины волны. Компоненты белого света — смесь всех частот видимого света — могут быть разделены призмой, как показано в части (b) на рис. 1.1.4. Аналогичное явление создает радугу, где капли воды, взвешенные в воздухе, действуют как крошечные призмы.

Таблица 1.1.1: Общепринятые единицы длины волны для электромагнитного излучения
Блок Символ Длина волны (м) Тип излучения
пикометр вечера 10 −12 гамма-излучение
ангстрем Å 10 −10 рентген
нанометр нм 10 −9 рентген
микрометр мкм 10 −6 инфракрасный
мм мм 10 −3 инфракрасный
сантиметр см 10 −2 микроволновая печь
метр м 10 0 радио

Как вы скоро увидите, энергия электромагнитного излучения прямо пропорциональна его частоте и обратно пропорциональна его длине волны:

\[Е\; \пропто\; \ню \тег{1.1.3}\]

\[Е\; \пропто\; \dfrac{1}{\lambda} \tag{1.1.4}\]

В то время как видимый свет практически безвреден для нашей кожи, ультрафиолетовый свет с длиной волны ≤ 400 нм обладает достаточной энергией, чтобы вызвать серьезные повреждения нашей кожи в виде солнечных ожогов. Поскольку озоновый слой поглощает солнечный свет с длиной волны менее 350 нм, он защищает нас от разрушительного воздействия высокоэнергетического ультрафиолетового излучения.

Энергия электромагнитного излучения увеличивает при увеличении частоты и уменьшении длины волны .

Пример 1.1.1

Ваша любимая FM-радиостанция WXYZ вещает на частоте 101,1 МГц. Какова длина волны этого излучения?

Дано: частота

Запрашиваемый: длина волны

Стратегия:

Подставьте значение скорости света в метрах в секунду в уравнение 1.1.2, чтобы рассчитать длину волны в метрах.

Решение:

Из уравнения 1.{-1}}} \справа )=2,965\; м\]

Упражнение 1.1.1

Когда полицейский выписывал вам штраф за превышение скорости, она упомянула, что использует ультрасовременный радар, работающий на частоте 35,5 ГГц. Какова длина волны излучения, испускаемого радиолокационной пушкой?

Нажмите, чтобы проверить ответ
8,45 мм

Внешние видео и примеры

Ответы на эти викторины включены.Есть также вопросы, охватывающие другие темы в Главе 6.

Резюме
  • Понимание электронной структуры атомов требует понимания свойств волн и электромагнитного излучения.

Базовые знания об электронной структуре атомов требуют понимания свойств волн и электромагнитного излучения. Волна – это периодическое колебание, посредством которого энергия передается в пространстве. Все волны периодические, регулярно повторяющиеся как в пространстве, так и во времени.Волны характеризуются несколькими взаимосвязанными свойствами: длина волны (λ), расстояние между последовательными волнами; частота (ν) — количество волн, проходящих фиксированную точку в единицу времени; скорость (v), скорость, с которой волна распространяется в пространстве; и амплитуда, величина колебания относительно среднего положения. Скорость волны равна произведению ее длины на частоту. Электромагнитное излучение состоит из двух перпендикулярных волн, одной электрической и одной магнитной, распространяющихся со скоростью света (c).Электромагнитное излучение представляет собой лучистую энергию, которая включает радиоволны, микроволны, видимый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи, которые различаются по своим частотам и длинам волн.

Электромагнитный спектр, свойства света – Введение в петрологию

Элизабет А. Джонсон; Джухонг Кристи Лю; и Марк Пил

Возможно, вы хорошо осведомлены о важности видимого света для проведения наблюдений в науках о Земле. Например, цвет минералов и горных пород может помочь нам их идентифицировать (хотя это не всегда лучший идентификатор!).Цвет определяется относительным коэффициентом поглощения или отражения различных длин волн видимого света.

Например, изумруд ювелирного качества имеет темно-зеленый цвет. Это потому, что он отражает зеленые длины волн света для наших глаз и поглощает другие видимые длины волн света. Изумруд — это минерал берилла, но следы Cr 3+ в структуре минерала обуславливают зеленый цвет.

Рисунок 2.3.1 Изумруд из шахты Музо, Колумбия

Видимый свет представляет собой небольшой диапазон электромагнитного спектра.Несмотря на то, что ни один человек не может видеть за пределами видимого диапазона, мы все же можем использовать технологии, чтобы «видеть» электромагнитный спектр за пределами чьей-либо досягаемости.

Электромагнитная энергия, которую мы не видим (но можем обнаружить с помощью приборов), может быть использована для изучения химического состава материалов, для обнаружения колебаний молекул и минералов, а также для наблюдения за структурой твердых материалов, среди прочего.

В этой главе представлена ​​практическая основа для применения знаний об электромагнитной энергии в оптической микроскопии.

Цели обучения

Студенты должны уметь:

  • Описать категории электромагнитной энергии в электромагнитном спектре и уметь расположить эти категории относительно друг друга по длине волны и энергии.
  • Опишите длины волн видимого света и назовите цвет для данного диапазона длин волн.
  • Опишите, как может вести себя электромагнитная энергия при взаимодействии с объектом.
  • Определить характеристики света, включая скорость света, фронт волны и световой луч.
  • Задайте показатель преломления.
  • Различать электрическую и магнитную составляющие света.
  • Используйте электрический (E) вектор света для описания поведения плоскополяризованного света.

 

Видео ниже дает обзор электромагнитного спектра:

Количество гребней, которые проходят данную точку в течение одной секунды, описывается как частота волны. Одна волна — или цикл — в секунду называется герцем (Гц) в честь Генриха Герца, который установил существование радиоволн.Волна с двумя циклами, которые проходят точку за одну секунду (как показано для верхней волны на рис. 2.3.2 ), имеет частоту 2 Гц.

Рисунок 2.3.2. Длина волны и частота

Электромагнитные волны имеют гребни и впадины, подобные (но не идентичные по поведению) гребням океанских волн. Расстояние между гребнями равно длине волны .

На рисунке ниже показаны диапазоны длин волн (метры) и энергии (Гц) для различных типов электромагнитной энергии:

 

Фигура 2.3.3. Электромагнитный спектр.

После просмотра видео и изучения рисунка выше ответьте на следующие вопросы:

 

 

Рисунок 2.3.4. Спектр видимого света, показывающий диапазоны длин волн для цветов в нанометрах.

 

Область видимого света разделена на цветовые области ( Рисунок 2.3.4 ). Мы будем использовать цвета (и изменения цвета из-за различных методов микроскопии), чтобы помочь идентифицировать минералы на шлифах.

Световые волны во всем электромагнитном спектре ведут себя аналогичным образом.Когда световая волна сталкивается с объектом, она либо передается, отражается, поглощается, преломляется, поляризуется, дифрагирует или рассеивается в зависимости от состава объекта и длины волны света.

Поглощение, передача и отражение

В этом видео рассматриваются концепции поглощения, передачи и отражения света:

Дифракция, рассеяние и преломление

Дифракция — это изгиб и распространение волн вокруг препятствия.Наиболее ярко она проявляется, когда световая волна падает на объект, размер которого сравним с ее собственной длиной волны. В случае видимого света разделение длин волн за счет дифракции приводит к радуге. На рисунке ниже показаны канавки на компакт-диске, преломляющие видимый свет и создающие переливающиеся цвета.

Рисунок 2.3.5. Компакт-диск, демонстрирующий дифракцию от канавок на поверхности, дающую переливающиеся цвета.

Рассеяние происходит, когда свет отражается от объекта в различных направлениях.Величина рассеяния зависит от длины волны света, размера и структуры объекта.

Небо кажется голубым из-за такого рассеяния. Свет с более короткими длинами волн — синий и фиолетовый — рассеивается азотом и кислородом при прохождении через атмосферу. Более длинные волны света — красный и желтый — проходят через атмосферу. Это рассеяние света на более коротких волнах освещает небо светом синего и фиолетового конца видимого спектра.Хотя фиолетовый рассеивается больше, чем синий, небо кажется нам голубым, потому что наши глаза более чувствительны к синему свету.

Преломление — это изменение направления световых волн при переходе из одной среды в другую. Свет распространяется медленнее в воздухе, чем в вакууме, и еще медленнее в воде. Когда свет проходит в другую среду, изменение скорости искажает свет. Различные длины волн света замедляются с разной скоростью, что заставляет их изгибаться под разными углами.Например, когда весь спектр видимого света проходит через призму или каплю дождя, длины волн разделяются на цвета радуги.

Рисунок 2.3.6. Рассеяние и преломление в дождевой капле дает радугу. Белый свет разделяется на разные цвета (длины волн) при попадании в каплю дождя, так как красный свет преломляется под меньшим углом, чем синий свет. Покинув каплю дождя, красные лучи повернулись на меньший угол, чем синие лучи, и образовалась радуга.

 

Мы обсудим преломление более подробно и представим поляризацию света в следующих разделах. Эти понятия особенно важны для понимания методов оптической минералогии и петрологии.

скорость света (электромагнитная энергия) в вакууме является постоянной величиной: c = 3,00 x 10 8 м/с. Однако ниже мы увидим, что электромагнитная энергия замедляется, когда проходит через материю, включая минералы.

Знание направления распространения или направления движения важно, если мы хотим понять, как свет проходит через микроскоп и наши образцы. На приведенной ниже диаграмме показаны три изображения электромагнитной волны. На каждом виде показаны световой луч , направленный параллельно направлению распространения, и волновой фронт , перпендикулярный направлению распространения.

Рисунок 2.3.7. Поперечные волны, такие как электромагнитные волны, подобные свету, можно рассматривать сверху, сбоку или в трех измерениях.

Электромагнитные волны содержат как электрические, так и магнитные поля, которые изменяются или колеблются. Вектор электрического поля E всегда перпендикулярен вектору магнитного поля B . И E , и B перпендикулярны направлению распространения волны. Мы узнаем больше о векторе электрического поля E в разделе о поляризации света.

Рисунок 2.3.8. Векторы электрического (E) и магнитного (B) полей электромагнитной энергии.
  • Длина волны
  • Частота
  • Видимый, инфракрасный, ультрафиолетовый свет
  • Трансмиссия
  • Отражение
  • Поглощение
  • Дифракция
  • Рассеяние
  • Преломление
  • Поляризация
  • Скорость света
  • Волновой фронт
  • Рэй
  • Вектор электрического поля
  • Вектор магнитного поля

Каталожные номера

Bozeman Science (11 июня 2015 г.) Поглощение, отражение и пропускание света.https://youtu.be/DOsro2kGjGc

Люмен Обучение. Физика. CC-BY. https://courses.lumenlearning.com/physics/

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научной миссии. (2010). Анатомия электромагнитной волны. Получено 9 марта 2019 г. с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/02_anatomy

.

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научной миссии. (2010). Введение в электромагнитный спектр. Получено 9 марта 2019 г. с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/01_intro

Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Управление научной миссии. (2010). Волновое поведение. Получено 9 марта 2019 г. с веб-сайта NASA Science: http://science.nasa.gov/ems/03_behaviors

.

OpenStax, Колледж физики. Лицензия Creative Commons с указанием авторства v4.0. https://openstax.org/details/books/college-physics.

OpenStax, University Physics Volume 3. Лицензия Creative Commons Attribution License 4.0. https://openstax.org/books/university-physics-volume-3/pages/1-1-the-propagation-of-light

Интерактивное моделирование PhET, Колорадский университет в Боулдере.Изгибающийся свет. CC_BY. https://phet.colorado.edu/en/simulation/bending-light

 

Атрибуция

Атрибуция фотографии: Изумруд, шахта Музо, горнодобывающий округ Васкес-Якопи, департамент Бояка
. Файл: Béryl var. émeraude sur gungue (Muzo Mine Boyaca – Colombie) 2.jpg. (2018, 10 августа). Wikimedia Commons, бесплатный репозиторий мультимедиа . Получено 17:51, 11 февраля 2019 г., с
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:B%C3%A9ryl_var._%C3%A9meraude_sur_gangue_(Muzo_Mine_Boyaca_-_Colombie)_2.jpg&oldid=314327347.

 

Вернуться к оглавлению

Что такое электромагнитный спектр? | Space

Цветовая гамма через Shutterstock.

Когда вы думаете о свете, вы, вероятно, думаете о том, что могут видеть ваши глаза. Но свет, к которому чувствительны наши глаза, — это только начало; это кусочек от общего количества света, который нас окружает. Электромагнитный спектр — это термин, используемый учеными для описания всего спектра существующего света.Большая часть света во Вселенной, от радиоволн до гамма-лучей, на самом деле невидима для нас!

Свет — это волна чередующихся электрических и магнитных полей. Распространение света мало чем отличается от волн, пересекающих океан. Как и любая другая волна, свет обладает несколькими фундаментальными свойствами, которые его описывают. Одной из них является его частота , измеряемая в герцах (Гц), которая подсчитывает количество волн, проходящих мимо точки за одну секунду. Другим тесно связанным свойством является длина волны : расстояние от пика одной волны до пика следующей.Эти два атрибута обратно пропорциональны. Чем больше частота, тем меньше длина волны – и наоборот.

Вы можете запомнить порядок цветов в видимом спектре с помощью мнемоники ROY G BV. Изображение предоставлено Университетом Теннесси.

Электромагнитные волны, которые обнаруживают ваши глаза — видимый свет — колеблются между 400 и 790 терагерцами (ТГц). Это несколько сотен триллионов раз в секунду. Длины волн примерно равны размеру большого вируса: 390–750 нанометров (1 нанометр = 1 миллиардная часть метра; длина метра составляет около 39 дюймов).Наш мозг интерпретирует различные длины волн света как разные цвета. Красный цвет имеет самую большую длину волны, а фиолетовый — самую короткую. Когда мы пропускаем солнечный свет через призму, мы видим, что он на самом деле состоит из множества длин волн света. Призма создает радугу, перенаправляя каждую длину волны под немного другим углом.

Весь электромагнитный спектр — это гораздо больше, чем просто видимый свет. Он охватывает диапазон длин волн энергии, которые наши человеческие глаза не могут видеть. Изображение из НАСА/Википедии.

Но свет не останавливается на красном или фиолетовом. Точно так же, как есть звуки, которые мы не слышим (но слышим другие животные), существует также огромный диапазон света, который наши глаза не могут обнаружить. Как правило, более длинные волны исходят из самых холодных и темных областей космоса. Между тем, более короткие волны измеряют чрезвычайно энергетические явления.

Астрономы используют весь электромагнитный спектр для наблюдения за множеством вещей. Радиоволны и микроволны — самые длинные волны и самая низкая энергия света — используются для того, чтобы заглянуть внутрь плотных межзвездных облаков и отследить движение холодного темного газа.Радиотелескопы использовались для картографирования структуры нашей галактики, в то время как микроволновые телескопы чувствительны к остаткам свечения Большого взрыва.

Это изображение, полученное с помощью массива очень больших базовых линий (VLBA), показывает, как выглядела бы галактика M33, если бы вы могли видеть ее в радиоволнах. Это изображение отображает атомарный водород в галактике. Разные цвета отображают скорости газа: красный показывает газ, удаляющийся от нас, синий — движущийся к нам. Изображение через NRAO/AUI.

Инфракрасные телескопы превосходно находят холодные тусклые звезды, прорезают межзвездные пылевые полосы и даже измеряют температуру планет в других солнечных системах.Длины волн инфракрасного света достаточно велики, чтобы перемещаться сквозь облака, которые в противном случае блокировали бы наш обзор. Используя большие инфракрасные телескопы, астрономы смогли заглянуть сквозь пылевые полосы Млечного Пути в ядро ​​нашей галактики.

На этом изображении, полученном космическими телескопами «Хаббл» и «Спитцер», показаны центральные 300 световых лет нашей галактики Млечный Путь, какими бы мы их видели, если бы наши глаза могли видеть инфракрасную энергию. На изображении видны массивные звездные скопления и закрученные газовые облака. Изображение предоставлено NASA/ESA/JPL/Q.Д. Ван и С. Столовый.

Большинство звезд излучают большую часть своей электромагнитной энергии в виде видимого света — крошечной части спектра, к которой чувствительны наши глаза. Поскольку длина волны коррелирует с энергией, цвет звезды говорит нам, насколько она горячая: красные звезды самые холодные, синие — самые горячие. Самые холодные из звезд вообще почти не излучают видимого света; их можно увидеть только в инфракрасные телескопы.

При длинах волн короче фиолетового мы находим ультрафиолетовый или УФ-свет.Возможно, вы знакомы с УФ-излучением из-за его способности вызывать солнечные ожоги. Астрономы используют его для поиска самых энергичных звезд и определения областей рождения звезд. При просмотре далеких галактик в УФ-телескопы исчезает большая часть звезд и газа, и в поле зрения вспыхивают все звездные ясли.

Вид спиральной галактики M81 в ультрафиолете, сделанный космической обсерваторией Galex. Яркие области показывают звездные питомники в спиральных рукавах. Изображение через НАСА.

Помимо УФ-лучей идут самые высокие энергии в электромагнитном спектре: рентгеновские лучи и гамма-лучи.Наша атмосфера блокирует этот свет, поэтому астрономам приходится полагаться на космические телескопы, чтобы увидеть вселенную в рентгеновском и гамма-излучении. Рентгеновское излучение исходит от экзотических нейтронных звезд, вихря перегретого вещества, вращающегося вокруг черной дыры, или диффузных газовых облаков в галактических скоплениях, нагретых до многих миллионов градусов. Тем временем гамма-лучи — самая короткая длина волны света и смертельны для человека — раскрывают сильные взрывы сверхновых, космический радиоактивный распад и даже разрушение антиматерии.Гамма-всплески — кратковременное мерцание гамма-излучения далеких галактик, когда звезда взрывается и создает черную дыру, — являются одними из самых энергичных единичных событий во Вселенной.

Если бы вы могли видеть в рентгеновских лучах на больших расстояниях, вы бы увидели этот вид туманности, окружающей пульсар PSR B1509-58. Это изображение с телескопа Чандра. Расположенный на расстоянии 17 000 световых лет, пульсар представляет собой быстро вращающийся остаток звездного ядра, оставшийся после взрыва сверхновой. Изображение через НАСА.

Вывод: электромагнитный спектр описывает все длины волн света — как видимые, так и невидимые.

Кристофер Крокетт
Просмотр статей
Об авторе:

Крис Крокетт получил докторскую степень. получил степень бакалавра астрономии в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 2011 году и работал в обсерватории Лоуэлла и Военно-морской обсерватории США. Затем он понял, что ему нравится говорить об астрономии гораздо больше, чем заниматься ею на самом деле.После того, как в 2013 году Американская ассоциация содействия развитию науки присудила ему стипендию для СМИ, он провел лето в журнале Scientific American, а с 2014 по 2017 год стал штатным автором статей по астрономии в Science News. В настоящее время он работает фрилансером. , сосредоточив внимание на историях об астрономии, планетологии и физике. Его работы публиковались в журналах Science News, Scientific American, Smithsonian Magazine, Knowable, Sky & Telescope и онлайн-журнале Physics Американского физического общества.

.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.