Экспериментальные наблюдения известных свойств света

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Экспериментальные наблюдения известных свойств света

Пуц М.Ю. 1
1ГАУ КО «Центр «Развитие» г. Калуга.
Травин А.В. 1
1ГАУ КО «Центр «Развитие» г. Калуга.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

I.Введение

      Актуальность: Оптические системы применяются в самых различных областях техники, поэтому понимание этих законов помогает глубже изучить уже известные явления и применить их. (в том числе в астрономии для анализа химического состава далёких объектов).

        Цель: C помощью имеющихся средств провести известные эксперименты, демонстрирующие различного рода проявления света.

Задачи:

  1. Ознакомиться с историей вопроса.

  2. Рассмотреть основные свойства света, а именно его линейные, волновые и квантово-механические свойства известные сегодня.

  3. Рассмотреть, что такое спектральный анализ.

  4. Провести доступные мне экспериментальные наблюдения, подтверждающие перечисленные в пункте (2) свойства.

    Гипотеза: Свет обладает линейными, волновыми и квантово-механическими свойствами.

II.Основная часть.

История вопроса о том,

что такое свет

Свет – диапазон электромагнитного спектра, с помощью которого человек получает существенную часть от всей поступающей к нему информации (90%).

Первые представления о природе света были заложены в глубокой древности. Евклид и Аристотель (300–250 гг до н.э.) опытным путем установили такие основные законы оптических явлений, как прямолинейное распространение света и независимость световых пучков, отражение и преломление. Аристотель впервые объяснил сущность зрения. Несмотря на то, что теоретические положения древних философов, а позднее и ученых средних веков, были недостаточными и противоречивыми, они способствовали формированию правильных взглядов на сущность световых явлений и положили начало дальнейшего развития теории света и созданию оптических приборов.

По мере накопления новых исследований о свойствах световых явлений изменилась точка зрения на природу света. Ученые считают, что историю изучения природы света следует начинать с XVII века. В XVII веке датский астроном Ремер (1644–1710) измерил скорость распространения света, итальянский физик Гримальди (1618–1663) открыл явление дифракции, гениальный английский ученый И.Ньютон (1642–1727) развил корпускулярную теорию света, открыл явления дисперсии и интерференции.

Гюйгенс (1629–1695) положил начало волновой теории света. В XVII веке делаются первые попытки теоретического обоснования наблюдаемых световых явлений. Корпускулярная теория света, развитая Ньютоном, состоит в том, что световое излучение рассматривается как непрерывный поток мельчайших частиц – корпускул, которые испускаются источником света и с большой скоростью летят в однородной среде прямолинейно и равномерно. С точки зрения волновой теории, основоположником которой является Х.Гюйгенс, световое излучение представляет собой волну. Световые волны Гюйгенс рассматривал как упругие волны высокой частоты, распространяющиеся в особой упругой и плотной среде – эфире, заполняющем все материальные тела, промежутки между ними и межпланетные пространства. Электромагнитная теория света была создана в середине XIX века Максвеллом (1831–1879). Согласно этой теории световые волны имеют электромагнитную природу, а световое излучение можно рассматривать как частный случай электромагнитных явлений. Исследования Герца и в дальнейшем П.Н.Лебедева также подтвердили, что все основные свойства электромагнитных волн совпадают со свойствами световых. Лоренц (1896) установил взаимосвязь между излучением и структурой вещества и развил электронную теорию света, согласно которой входящие в состав атомов электроны могут совершать колебания с известным периодом и при определенных условиях поглощать или испускать свет. Электромагнитная теория Максвелла в сочетании с электронной теорией Лоренса объясняла все известные тогда оптические явления и, казалось, полностью раскрывала проблему природы света.

Световые излучения рассматривались как периодические колебания электрической и магнитной силы, распространяющейся в пространстве со скоростью 300000 км/с. Лоренс полагал, что носитель этих колебаний – эфир, обладает свойствами абсолютной неподвижности. Однако созданная электромагнитная теория вскоре оказалась несостоятельной. Прежде всего эта теория не учитывала свойства реальной среды, в которой распространяются электромагнитные колебания. Кроме того, с помощью этой теории нельзя было объяснить ряд оптических явлений, с которыми столкнулась физика на рубеже XIX и XX веков. К таким явления относятся процессы излучения и поглощения света, излучение абсолютно черного тела, фотоэлектрический эффект и другие.

Квантовая теория света возникла в начале XX века. Она была сформулирована в 1900 году, а обоснована в 1905 году. Основоположниками квантовой теории света являются М. Планк и А. Эйнштейн. Согласно этой теории, световое излучение испускается и поглощается частицами вещества не непрерывно, а дискретно, то есть отдельными порциями – квантами света. Квантовая теория как бы в новой форме возродила корпускулярную теорию света. Она явилась развитием единства волновых и корпускулярных явлений.

В результате исторического развития современная оптика располагает обоснованной теорией световых явлений, которая может объяснить различные свойства излучений и позволяет ответить на вопрос о том, в каких условиях те или иные свойства световых излучений могут проявляться. Современная теория света подтверждает его двойственную природу: волновую и корпускулярную.

Теоретические основы

В данной главе будут приведены важные положения из известных теорий, касающиеся данного вопроса.

Оптика – раздел физики, изучающий физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Выделяют:

геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;

волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;

квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.

Для описания данного явления воспользуемся различными моделями.

1.Линейные свойства света

Модель – геометрический луч. Лучи, встречаясь, не воздействуют друг на друга.

Основные свойства света применительно к данной модели:

  1. Закон прямолинейного распространения. В однородной среде свет распространяется вдоль прямой линии.

  2. Закон отражения. Угол падения на какую-либо поверхность равен углу отражения от этой поверхности. Даже если часть света

поглощается (нагревая поверхность), оставшаяся часть отразится согласно этому закону. Угол падения, угол отражения, а также перпендикуляр, проведённый к точке падения лежат на одной плоскости.

  1. Закон преломления. При переходе из одной однородной среды в другую свет меняет своё направление.

Sin(a)/sin(b)=const=n21

Луч падающий на границу сред, луч преломлённый и перпендикуляр, опущенный к границе двух сред лежат в одной плоскости.

Граница применимости: размеры, с которыми имеем дело в эксперименте много больше длины волны света.

2.Волновые свойства света

Модель – поперечная волна.

Согласно волновой оптике свет – это электромагнитная волна, а именно распространение колебания в пространстве напряжённости и магнитной индукции. λ ϵ (380 нм; 780 нм).

Интерференция – явление наложения двух когерентных волн, после которого наблюдается усиление или ослабление колебаний.

Дифракция – явление искривления движения распространения волны в неоднородной среде.

Дисперсия – зависимость показателя преломления от длины волны. Граница применимости расстояния, сопоставимые с длиной волны.

3.Спектральный анализ

Это метод выявления состава вещества при взаимодействии со светом или при самопроизвольном излучении (при нагревании). Для этого вещество атомизируют (приводят в состояние одноатомного газа малой плотности) и одновременно возбуждают атомы (нагревают). В результате при наблюдении через спектроскоп (или через спектрограф) видны определённые полосы (линейчатый спектр). По этим полосам определяют химические элементы, из атомов которых состоит вещество, так как атом каждого химического элемента имеет свой уникальный линейчатый спектр.

4.Квантовая физика. Корпускулярно-волновой дуализм

Модель – корпускула (при испускании или поглощении) и волна (при распространении) . Такое сочетание свойств называют корпускулярно-волновым дуализмом.

Корпускулу света называют фотоном. Его свойства:

  • не имеет заряда

  • имеет энергию E=hѵ

  • скорость во всех системах отсчёта постоянна и равна 299792 км/c.

Постулаты Бора:

  1. В устойчивом атоме электрон может двигаться лишь по особым, стационарным орбитам, не излучая при этом электромагнитной энергии.

  2. Излучение света атомом происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Излучается отдельный фотон.

Теория Бора хорошо применима лишь для атома водорода.

Современная физика придерживается концепции корпускулярно-волнового дуализма, согласно которой электромагнитное излучение проявляет как свойства корпускулы, так и свойства волны, однако таковыми по сути не является.

E=hv – зависимость энергии частицы от частоты света.

ƛ=h/p – длина волны де Бройля.

Практическая часть

1.Экспериментальное подтверждение линейных свойств света.

    1) Прямолинейность света от точечного источника (и взаимосвязь с тенью) в однородной среде.

На фотографии ниже видно, что в однородной среде свет распространяется в форме прямой линии (рис.1). В зависимости от расстояния естественный луч рассеивается, и уменьшается его яркость. Это описывается следующим законом: интенсивность падает в квадрат раз с увеличением расстояния (закон обратных квадратов). Это происходит потому что естественный свет рассеивается. ( ⁓ 1/4ℼr2 )

2) Угол падения равен углу отражения.

Плоское зеркало. Направляем луч лазера на плоское зеркало. Наблюдаем, что луч отразился. Замеряем углы. Угол1=угол2 (рисунки ниже).

Сферическое зеркало. Направляем луч лазера на сферическое зеркало. Наблюдаем, что луч отразился так, как будто бы он отражался от плоскости, являющейся касательной к данной точке сферического зеркала (2 рисунка ниже).

  1. Преломление.

Направляем луч лазера на прямоугольную призму под определённым углом. Замечаем, что луч преломился. Замеряем углы. Вывод синус угла падения равен синусу угла отражения. Входящий луч параллелен выходящему (рисунок ниже). α =55o, γ =30o, sin(α)/sin(γ) ≈1.64

2.Эксперименты, связанные с изучением волновых свойств.

1)Интерференция.

Суть проведённого нами эксперимента – пронаблюдать взаимное влияние световых потоков. Для этого мы воспользовались лазерной указкой в качестве источника света. Организовали преграду в виде двух картонных листов с проставкой между ними. Далее проходящий луч проецировался на экран.(см. рис.) Согласно теории интерференционная картина возникает при взаимодействии когерентных волн.

У нас в эксперименте пучок лазерного света разделился на две составляющие при прохождении через две узкие щели.

В результате получаем две когерентные волны, которые на экране проецируют интерференционные полосы. Центральное светлое пятно – максимумы первых порядков (рисунки ниже).

2) Дифракция.

Световые волны способны огибать препятствие. Для того чтобы проверить это, мы воспользовались карманным фонариком как источником света и непрозрачным шариком в качестве препятствия. Картинку наблюдали на экране. Что получилось - шарик отбросил тень на экран, однако в центре этой тени можно наблюдать более светлое пятно.

На фотографии видна размытая тень, у которой нечёткие края, что тоже подтверждает дифракцию света. Волны распространяются за преградой (рисунки ниже).

3.Эксперименты, связанные с изучением спектрального анализа.

Для проведения данных экспериментов я воспользовался двухтрубным микроскопом школьного образца. Взяв обычный карманный фонарик, я направил пучок его света на объектив спектроскопа, неподалёку от окуляра я расположил белый лист бумаги для принтера, на котором отображался сплошной спектр (красный –фиолетовый). Все действия проводились в тёмном помещении во избежание искажений результатов исследования.

Из проведённого эксперимента следует, что белый свет от какого-либо искусственного (а также естественного) источника есть спектр всех частот видимого света (рисунки ниже).

III.Заключение

В результате экспериментов я убедился, что свет действительно проявляет линейные, волновые, корпускулярные свойства. Это лишь малая часть того, что мы смогли инсталлировать. В экспериментах подтверждаются самые известные, но не менее интересные свойства световых потоков. Очень интересно было наблюдать проявления этих закономерностей, когда ты сам организуешь условия для их проявления.

Напоследок, мы попробовали световые эффекты с помощью луча лазерной указки в сложных оптических средах. Получилось интересно. Это можно использовать при организации световых шоу и светового дизайн-оформления помещений.

IV.Используемая литература

  1. В поисках кота Шрёдингера; - Гриббин Джон; Издательство: Рипол-Классик, 2019 г.

  2. Занимательная физика/ Яков Исидорович Перельман. – Москва Издательство АСТ, 2019 – 352 с.

  3. Квантовая физика. Знания, которые не займут много места. – Москва Эксмо, 2022.

  4. Краткая история времени: От Большого взрыва до чёрных дыр/ Стивен Хоккинг; -- Москва: Издательство АСТ, 2018. – 232 с.

  5. Физика. Углублённый уровень. 11 класс: учебник; - Касьянов В. А.; М, :«ДРОФА», 2019

  6. Физика. 9 кл. : учебник/ А. В. Перышкин, Е. М. Гутник. – 4-е изд., стереотип. – М. : ДРОФА, 2017. – 319 с.

  7. https://studfile.net/preview/9532437/page:10/

Просмотров работы: 72