VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Вычисление давления света с помощью прибора Крукса.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Жизнь на Земле возникла и существует благодаря лучистой энергии солнечного света. Не только энергию несет на Землю свет. Благодаря световому потоку мы воспринимаем и познаем окружающий мир. Проникновению в космический и микроскопический мир мы обязаны свету.
Академик Вавилов С.И. в книге «Глаз и Солнце» писал: «Существует бесконечное разнообразие явлений, которые нам придется назвать световыми и которые невидимы». Как же уважаемый Сергей Иванович был прав… Сколько нам еще предстоит тайн света открыть и изучить…
Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами. По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.
Среди многообразий свойств света есть особое явление - давление света на поверхность тел. В зависимости от свойств поверхности тел, являются они отражающими или поглощающими, свет оказывает разное давление.
Цели и задачи.
Цель
Целью моей исследовательской работы является вычисление давления света с помощью прибора Крукса, по второму закону Ньютона.
Задачи
Исследовать давление света, даваемое разными источниками света.
Выбрать квантовую теорию о свете, как о потоке фотонов, для объяснения давления света.
Вычислить давление света, оказываемое на «крылышки» в приборе Крукса, с помощью второго закона Ньютона.
Оценить практическую значимость результатов исследования.
Гипотеза исследования: Если на прибор Крукса направить свет, и предположить, что свет- поток фотонов, которые при соударении с поверхностью «крылышек» оказывают силовое воздействие. Величину оказываемого давления можно вычислить по второму закону Ньютона, приняв силу давления света за равнодействующую силу.
Практическая: Возможность создания датчиков в сфере нанотехнологии, оценивающих целостность приборов…
Актуальность: Несмотря на то, что давление света незначительно, возможно его применение для разных микромеханизмов и в нанотехнологиях.
Сфера применения результатов: Уроки физики, нанотехнологии.
Техническое оснащение: приборы Крукса, весы с разновесами, источники света: лампа на подставке, фонарик от телефона, сухое горючее, секундомер, линейка, компьютер.
Учебно-методическое оснащение: научно-популярные издания по физике и технике.
Информационное оснащение: Интернет, печатные источники.
Методы исследования: эксперимент, физика, логика, математика.
Историческая справка
Теория светового давления
В XVII веке впервые предположение о том, что давление света существует, было сделано немецким учёным Иоганном Кеплером.
Приложение 1
Наблюдая за поведением комет, пролетающих вблизи Солнца, Кеплер обратил внимание на то, как хвосты кометы отклонены в сторону, противоположную Солнцу. Объяснений этому Кеплер предположил о существовании светового давления, при попадании солнечных лучей. Естественно, доказательство предположениям Кеплера, не нашлось.
Дальнейшее предположение о существовании светового давления теоретически было предсказано в XIX веке британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом, создателем электромагнитной теории. Он утверждал, что свет - это также электромагнитные колебания, и он должен оказывать давление на препятствия.
Приложение 2
Джеймс Клерк Максвелл
Максвелл объяснял существование световое давление следующим образом: свет - это электромагнитная волна. Под действием магнитного поля волны, на свободные электроны в теле, действует сила Лоренца, направление которой совпадает с направлением распространения световой волны. Эта сила Лоренца и есть сила светового давления. По теоретическим расчётам Максвелла, солнечный свет производит на чёрную пластину, расположенную на Земле, давление определённой величины р = 4 10-6 Н/м2. Но это было всего лишь теоретическое предположение.
Вычислить на практике давление света удалось русскому физику-экспериментатору Пётру Николаевичу Лебедеву. Проведенный им в 1899 г. опыт подтвердил предположение Максвелла о том, что световое давление на твёрдые тела существует.
Приложение 3
Опыт Лебедева
Для проведения своего опыта Лебедев использовал стеклянный сосуд, из которого тщательно был выкачан воздух. Внутри баллона висело на очень тонкой стеклянной нити маленькое горизонтальное коромысло, на конце которого были прикреплены крылышки в пять миллиметров в диаметре, изготовленные из платины, алюминия, никеля или слюды.
Приложение 4
При помощи специальных оптических систем, состоящих из источника света и зеркал, пучок света дуговой лампы направлялся на крылышки, расположенные с одной стороны стерженька. Под воздействием светового давления стерженёк поворачивался, и нить закручивалась на какой-то угол. По величине этого угла и определяли величину светового давления.
Приложение 5
Лаборатория П.Н.Лебедева
«Я позволю себе еще добавить, что мне недавно удалось измерить давление света на газы. Мне удалось экспериментально показать, что пучок лучей, пронизывающий газ, увлекает отдельные молекулы его в направлении своего движения. Как и следовало ожидать по теории Максвелла… » - писал П.Н.Лебедев.
Радиометр Крукса
Радиометр Крукса (или вертушка Крукса) — четырёхлопастная крыльчатка, уравновешенная на игле внутри стеклянной колбы с небольшим разрежением. При попадании на лопасть светового луча крыльчатка начинает вращаться, что иногда неправильно объясняют давлением света.
Приложение 6
На самом деле причиной вращения служит радиометрический эффект — возникновение силы отталкивания за счёт разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освещённую, нагретую сторону лопасти и на противоположную, более холодную. Причина вращения лопастей исторически вызывала множество научных дискуссий.
Открыл этот эффект и построил радиометр (вертушку) в 1874 году английский физик и химик Уильям Крукс,
Приложение 7
Уильям Крукс
Когда источник излучения направлен на радиометр Крукса, радиометр становится тепловым двигателем. Работа теплового двигателя основана на разнице температур, которая преобразуется в механическое движение. В нашем случае темная сторона лопасти нагревается сильнее, так как лучистая энергия, исходящая от источника света, нагревает её быстрее, чем отполированную или светлую сторону. Когда молекулы воздуха касаются чёрной стороны лопасти, они «нагреваются», то есть увеличивают свою скорость. Подробное описание из-за чего светлые стороны лопастей вращаются первыми приведены ниже.
По мере того, как нагревшиеся лопасти отдают тепло молекулам воздуха, температура внутри колбы увеличивается. «Нагретые» молекулы отдают полученную энергию при соприкосновении со стеклянными стенками колбы, температура которых равна температуре окружающего воздуха. Потеря тепла через стенки колбы поддерживает внутреннюю температуру таким образом, что у двух соседних сторон лопастей создается разница температур. Светлая сторона лопасти холоднее, чем темная сторона, так как некоторое количество тепла передается от темного участка с обратной стороны лопатки. В то же время светлая сторона оказывается немного теплее воздуха внутри колбы. Две стороны каждой лопасти должны быть тепло изолированы так, чтобы светлая сторона лопасти не сразу нагрелась до температуры чёрной стороны. Если лопасти сделаны из металла, то изолирующим материалом может быть чёрная или белая краска.
Второй закон Ньютона
В 1687 году английский ученый Исаак Ньютон свои исследования по механике изложил в книге «Математические начала натуральной философии».
«…Сочинение это нами предлагается как математические основания физики. Вся трудность физики, как будет видно, и состоит в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам изъяснить остальные явления…» - выдержка из книги.
Приложение 8
Все великие открытия создаются на основе упорных и длительных наблюдений за определенными феноменами, так случилось и в случае второго закона Ньютона. Великий физик частично обобщил некоторые моменты и сформулировал его так:
Ускорение тела, которое появляется путем воздействия на него определенной силой, является пропорциональным относительно этой силы, и в то же время обратно пропорциональным относительно своей массы.
Законы ньютоновской динамики, в том числе второй закон Ньютона, неприменимы, если длина волны де Бройля рассматриваемого объекта соизмерима с характерными размерами области, в которой изучается его движение. В этом случае необходимо пользоваться квантовомеханическими законами.
Тем не менее, второй закон Ньютона при определённых условиях актуален применительно к движению волнового пакета в квантовой механике. Если потенциальная энергия волнового пакета пренебрежимо мало изменяется в области нахождения пакета, то производная по времени среднего значения импульса пакета будет равна силе, понимаемой как градиент потенциальной энергии, взятый с обратным знаком (теорема Эренфеста).
Второй закон Ньютона в современном изложении гласит так:
Ускорение тела прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально его массе:
F – сила воздействия, m- масса тела, a – ускорение
6. Экспериментальная часть
Целью моей исследовательской работы является вычисление давления света с помощью прибора Крукса, используя второй закон Ньютона. Использование основного закона динамики мы допустили исходя из соображений, что световая сила давления есть та равнодействующая сила, которая заставляет двигать «крылышки».
Согласно второму закону Ньютона по направлению равнодействующей силы направлена сообщаемое им ускорение. В нашем опыте сила давления сообщает «крылышкам» центростремительное ускорение, т.к. траекторией движения является окружность.
Для вычисления давления света оставалось провести необходимые измерения массы и площади «крылышек», радиуса, периода, скорости ее вращения. Для этого надо было использовать еще один прибор Крукса, который как раз и имелся в нашей лаборантской, в нерабочем состоянии.
Итак, в эксперименте я и мой наставник применили два прибора Крукса: один целый, рабочий, второй поломанный, который пришлось разобрать на части, ради эксперимента, для произведения измерений.
Приложение 9
Так как применение формулы
p=(1+ρ)
для расчета давления, оказался для меня невозможным, то есть не было возможности узнать интенсивность света , для источников, применяемых в моем исследований, решили вычислить давление света по формуле:
p= (1)
где сила давления, S – площадь платины, которую находим измерением с помощью линейки сторон пластины из прибора Крукса. Таким образом связали электродинамику Максвелла с механикой Ньютона.
Приложение 10
Силу давления приравниваем к равнодействующей силе, действующей на «крылышко», и вычисляем по второму закону Ньютона
(2)
Где - центростремительное ускорение, задаваемое силой давления света во время вращения.
- масса одной пластины, которую находим взвешиванием на рычажных весах пластины из прибора Крукса.
Приложение 11
Центростремительное ускорение вычисляем по формуле:
= (3)
Где R-радиус вращения пластины в приборе Крукса, измерили с помощью линейки
- скорость вращения пластины, вычислили по формуле:
(4)
T- период вращения пластины в приборе Крукса, при освещении светом, вычислили по формуле:
T= (5)
Для вычисления периода мы выбрали заданное время t=60 секунд, отсчет которой мы вели секундомером и считали число полных оборотов «крылышка», вокруг своей оси.
N- число оборотов «крылышки» в приборе Крукса за 60 секунд.
В результате подстановки формул 2,3,4,5 в 1, получили окончательную формулу для расчета давления света:
p=
Измерениями получили следующие значения:
m=50мг=5* кг
R=26мм=0,026м
S=196 =196*
t=60 с
=9,8596
В эксперименте применили три разных источника света: лампу накаливания, сухое горючее и фонарь от телефона «Самсунг».
В первом опыте применяли источник света – лампу накаливания от светильника, число полных оборотов за 60 с отсчитали -12.
Приложение 12
Расчеты давления света в первом опыте:
= = 104* Па=1,04* Па=1,04 мкПа.
Во втором опыте применили источник света – фонарь от телефона, число полных оборотов за 60с отсчитали – 7.
== =35,5 Па=0,355* Па=0,355 мкПа.
В третьем опыте применили источник света - зажженное сухое горючее, число полных оборотов за 60с отсчитали – 45.
Приложение 13
Расчеты давления получились по величине наибольшие, по сравнению с предыдущими опытами:
== =32159* Па=321* Па=321 мкПа.
Итак, мы провели три опыта по вычислению давления света, применив второй закон Ньютона и квантовую теорию света. Сделав предположение о том, что сила давления возникает в следствии ударов фотонов света с поверхностью тела, т. е. с поверхностью «крылышек» в приборе Крукса. Полученными результатами мы довольны, и считаем, что выбранный нами путь вычисления давления света является правильным, наряду с волновой теорией света, согласно которой давление света есть результат действия силы Лоренца со стороны магнитного поля, электромагнитной волны.
Заключение
Исследования и вычисления показали, что:
Свет обладает давлением.
Давление света имеет очень маленькое значение, порядка
Свет исходящий от разных источников обладает разным давлением.
Чем больше давление света, тем скорость вращения вертушки в приборе Крукса больше.
Вычисление давления света по второму закону Ньютона, с применением квантовой теории света, привело нас к реальным значениям давлений света.
Применение давления света возможно для работы светочувствительных аппаратов, предположительно, в области нанотехнологии, микромеханизмах, в космических аппаратах и т.д.
8. Список литературы
1. Хрестоматия по физике. «Просвещение» 1987г.
2. «Энергия невидимого света». В.З.Гуревич «Наука» 1973г.
3. Сайт Wikipedia
4. «Свет». В.И.Кузнецов, «Педагогика», 1977г.
Приложения
Приложение 1 Иоганн Кеплер Приложение 2 Джеймс Максвелл
Приложение 3 Приложение 4 Прибор Лебедева
Приложение 5 Лаборатория Лебедева
Приложение 6 Прибор Крукса
Приложение 7 Уильям Крукс Приложение 8 Исаак Ньютон
Приложение 9 Оборудование Приложение 10
Приложение 11 Весы с разновесами Приложение 12 Опыт 1 лампа накаливания
Приложение 13 Опыт 3 сухое горючее