Особенности распространения света в металлах — в помощь студенту

Металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Модель металла — кристаллическая решетка, в узлах которой частицы совершают хаотичное колебательное движение.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Обрати внимание!

В узлах кристаллической решётки расположены положительные ионы. В пространстве между ними движутся свободные электроны.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов решётки. Поэтому в обычных условиях металл электрически нейтрален.

Свободные электроны движутся в нём беспорядочно. Если создать в металле электрическое поле, то свободные электроны начнут двигаться направленно (упорядоченно), т.е. возникнет электрический ток.

Однако беспорядочное движение электронов сохраняется.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Материализм - в помощь студенту

Оценим за полчаса!

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту 

Обрати внимание!

Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Какова же скорость движения электронов в проводнике под действием электрического поля? Невелика — всего несколько миллиметров в секунду, а иногда и ещё меньше.

Если возникает в проводнике электрическое поле, оно с огромной скоростью распространяется по всей длине проводника (близкой к скорости света — 300 000 км/с), одновременно начинают двигаться электроны в одном направлении по всей длине проводника.Доказательством того, что ток в металлах обусловлен электронами, явились опыты.

Опыт Мандельштама и Папалекси был проведён в 1916 году. Цель опыта состояла в проверке того, есть ли масса у носителя электрического тока — электрона. Если масса у электрона есть, то он должен подчиняться законам механики, в частности, закону инерции.

К примеру, если движущийся проводник резко затормозить, то электроны ещё некоторое время будут двигаться в том же направлении по инерции.Для этой проверки исследователи вращали катушку с проходящим током, а затем резко останавливали её. Возникающий бросок тока регистрировали с помощью телефона.

По щелчку тока в телефонах Мандельштам и Папалекси установили, что электрон обладает массой. Но измерить эту массу они не смогли. Поэтому этот опыт — качественный. Позже американские физики Толмен и Стюарт, используя ту же идею вращения катушки, измерили массу электрона. Для этого они измеряли возникающий при торможении катушки заряд на её выводах.

Электрический ток может существовать не только в металлах, но и в других средах: в полупроводниках, газах и растворах электролитов. Носители электрических зарядов в разных средах разные.

Обрати внимание!

Так, в растворах электролитов (солей, кислот и щелочей) носителями являются положительные и отрицательные ионы, в газах — положительные и отрицательные ионы, а также электроны. В полупроводниках носителями заряда являются электроны и дырки (дырка — придуманная частица для объяснения механизма проводимости, по сути — свободное место, не занятое электроном).

Из полупроводников изготавливают полупроводниковые приборы. Вот некоторые из них:

Фотоэлемент Фоторезистор Фотодиоды Интегральные схемы Транзисторы Диоды
Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Полупроводники при низкой температуре не проводят электрический ток, т.е. являются диэлектриками. При повышении температуры число носителей электрического заряда увеличивается, полупроводник становится проводником.

Почему это происходит? Валентные электроны, находящиеся на внешней оболочке атома, становятся свободными, и под действием электрического поля в полупроводнике возникает электрический ток. Аналогичный процесс происходит в полупроводнике при воздействии на него света, примесей и т.д.

Изменение электропроводимости полупроводников под действием температуры позволяет применять их в качестве термометров.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Изменение электропроводимости полупроводников под воздействием света используется в фотосопротивлениях. Их применяют для сигнализации, при управлении производственными процессами на расстоянии, сортировке деталей. В экстренных ситуациях они позволяют автоматически останавливать станки и конвейеры, предупреждая несчастные случаи.

Исторически принято следующее: 

Направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов.

Этот же процесс можно видеть на анимации. Движение электронов показано синими точками, а направление тока — красной стрелкой.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту 

Прохождение тока по проводнику сопровождается следующими его действиями:

 • Магнитным (наблюдается во всех проводниках).

Используя это свойство, можно найти место обрыва фазового провода приборами, реагирующими на изменения в электромагнитном поле, к примеру, индикаторной отвёрткой с фазоискателем.

Если проволочную рамку, по которой течёт ток, поместить между полюсами магнита, то она станет поворачиваться. Данное явление используют в устройстве гальванометра.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Стрелка гальванометра связана с подвижной катушкой, находящейся в магнитном поле. Когда по катушке протекает ток, стрелка отклоняется.

Таким образом, с помощью гальванометра можно сделать вывод о наличии тока в цепи. Магнитное действие тока проявляется вне зависимости от агрегатного состояния вещества.

При замыкании ключа можно наблюдать, как проволока, намотанная на гвоздь, начинает притягивать небольшие железные предметы.

Это свойство широко используется в грузоподъёмных электромагнитах.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

• Тепловым (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников).

При прохождении электрического тока по проводнику в результате столкновений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается. Это явление проявляется в любых устройствах, имеющих нагревательный элемент: фен, плойка, электроплита, калорифер, стиральная машина, тостер, электровафельница и т.д. И даже спираль лампочки накаливания нагревается током до яркого накаливания.

Под действием тока нагревается и провисает проволока.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

• Химическим (наблюдается в электролитах).

  

Химическое действие тока применяется для покрытия одного металла слоем другого металла, например, при хромировании и никелировании.

Условные обозначения, применяемые на схемах:

Гальванометр Нагревательный элемент

Источники:

Пёрышкин А.В. Физика, 8 класс// ДРОФА, 2013.

http://festival.1september.ru/articles/633714/

Источник: https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/elektricheskie-iavleniia-12351/elektricheskii-tok-v-metallakh-poluprovodnikovye-pribory-12360/re-ea4cd1b7-7d54-47dc-830b-577c1f76f15c

7.7. Отражение света от поверхности металлов

Особенности отражения света от металлической поверхности связаны с наличием в металле свободных электронов, ответственных за его электропроводность. Вынужденные колебания свободных электронов под действием поля падающей на границу металла Электромагнитной волны, происходящие в примыкающем к этой границе тонком слое, создают сильную отраженную волну.

Её интенсивность может приближаться к интенсивности падающей волны. Вследствие большой плотности свободных электронов (около 1022 см-3) даже сравнительно тонкие слои металла отражают большую часть падающего на них света и поэтому практически непрозрачны в оптическом диапазоне.

Благодаря высокой отражательной способности металлы играют важную роль в оптике: поверхности некоторых металлов служат прекрасными зеркалами.

Частичное проникновение света в металл создает токи проводимости. С ними связано выделение джоулевой теплоты, т. е. поглощение света — необратимое превращение электромагнитной энергии в энергию хаотического теплового движения.

Чем выше проводимость металла, тем меньшая доля падающего света проникает в металл и поглощается там.

В идеальном проводнике, которому формально соответствует бесконечно большая проводимость, потери на джоулеву теплоту вообще отсутствуют, так что падающий свет полностью отражается.

Отражение монохроматического света от поверхности металла, как и его распространение в поглощающей среде, можно рассмотреть на основе макроскопических уравнений Максвелла и материальных уравнений, в которых диэлектрическая проницаемость e(w) комплексна.

Ее мнимая часть ответственна за поглощение света, т. е. описывает джоулевы потери. При использовании комплексной диэлектрической проницаемости уравнения Максвелла и вытекающие из них граничные условия для векторов электромагнитного поля формально принимают такой же вид, как и в прозрачной среде.

Поэтому полученные выше законы отражения и преломления остаются в силе и для поглощающих сред, включая металлы, если входящий в них показатель преломления N считать комплексным: .В сильно поглощающих средах и металлах мнимая часть преобладает.

В макроскопической теории величины N(w) и c(w) полностью характеризуют оптические свойства поглощающей среды. Экспериментальные методы их определения основаны на изучении отраженного света.

Измерение характеристик отраженного света позволяет как бы «заглянуть» внутрь металла и получить сведения о значениях N и c для массивного образца, несмотря на малую глубину проникновения зондирующего света.

Рассмотрим падающую (из вакуума или воздуха) на поверхность металла плоскую монохроматическую волну, волновой вектор которой образует с нормалью угол j. В результате в первой среде возникают отраженная волна с волновым вектором и неоднородная волна, прошедшая в металл. Её волновой вектор комплексный: . Обращаясь к рис. 1 находим

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Отсюда прежде всего следует, что геометрический закон отражения от металлов такой же, как и для границы прозрачных сред. Для волны в металле из (1) получаем, что составляющая вектора направленная вдоль границы, вещественна: K2X = (w/C)sinj1.

Поэтому вектор K2» (мнимая часть) перпендикулярен поверхности металла. Это значит, что плоскости равных амплитуд прошедшей волны параллельны границе. Вектор перпендикулярен плоскостям постоянных фаз и характеризует направление прошедшей волны.

Угол j2, который он образует с нормалью к границе, называется вещественным углом преломления.

Отношение синусов угла падения и вещественного угла преломления sinj1/sinj2 зависит от угла падения в отличие от преломления на границе прозрачной среды, где sinj1/sinj2 = Const.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

В случае комплексного показателя преломления отношения амплитуд отраженных волн к амплитудам падающих и вычисляемые по формулам Френеля для каждой из двух поляризаций, также комплексные:

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

В общем случае d^ ¹ d||, Поэтому при линейной поляризации падающего света между двумя компонентами отраженной волны появляется сдвиг фаз, приводящий к эллиптической поляризации отраженного света.

Отраженный свет остается линейно поляризованным, если падающий поляризован в плоскости падения или в перпендикулярном направлении.

При произвольном направлении линейной поляризации падающего света отраженный остается линейно поляризованным при нормальном (j1 = 0) и при скользящем (j1 = p/2) падении. В этих случаях направление поляризации в пространстве остается неизменным.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Измерение эллиптической поляризации света, отраженного от поверхности металла при наклонном падении линейно поляризованного света, лежит в основе предложенного Друде экспериментального метода определения оптических характеристик N и c металла.

Теория связывает N и c с эксцентриситетом и положением осей эллипса колебаний. По данным измерений этих величин можно рассчитать N и c.

Наибольшая чувствительность метода (и одновременное упрощение расчетных формул) достигается при определенном угле падения (главном угле падения, играющем при отражении от поглощающих сред ту же роль, что и угол Брюстера при отражении от прозрачных сред).

В большинстве случаев он лежит вблизи 70°. Для этого угла отраженный свет имеет круговую поляризацию, если соответствующим образом подобрать направление поляризации падающего света.

Информацию об оптических характеристиках металла можно получить не только из измерений состояния поляризации отраженного света, но и из сравнения интенсивностей отраженного и падающего света. Рассмотрим нормальное падение света на поверхность металла. В этом случае для амплитуды отраженной волны можно воспользоваться формулой

E10 = E00(N1 – N2)/(N1 + N2) (2)

Подставив в нее N1 = 1, N2 = NIC получим

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Отсюда, умножая (3) на комплексно-сопряженную величину , находим коэффициент отражения при нормальном падении:

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

У металлов слагаемое c2 в числителе и знаменателе этой формулы часто значительно больше другого слагаемого. Тогда значение R близко к единице, т. е. почти вся энергия падающего света отражается. В видимой области натрий отражает свыше 97%, серебро – 95%, света, падающего на чистую поверхность.

Волновой вектор прошедшей в металл волны при нормальном падении имеет только Z-составляющую, которая находится как

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

В этом случае поверхности равных фаз и равных амплитуд параллельны границе. Амплитуда волны на границе находится по формуле: E20 = 2E00/(1+N+IC). Таким образом, для напряженности электрического поля волны в металле получаем

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Амплитуда волны уменьшается вглубь металла по закону LZ/E, где L = C/(cw) = l0/2NC характеризует глубину проникновения (толщину скин-слоя); l0 – длина волны падающего излучения в вакууме.

При c = 1, в слое толщиной в одну длину волны амплитуда уменьшается в E2p раз, а интенсивность уменьшается в e4p » 3×105 раз. Для большинства металлов при измерениях в видимой области значение c лежит между 2 и 5. В инфракрасной области значение еще больше: у серебра c = 40 при l = 6 мкм.

Читайте также:  Затухающие колебания в контуре и их уравнение - в помощь студенту

Эти цифры дают представление о том, насколько мала глубина проникновения света в металл.

Определяемые экспериментально значения оптических характеристик металлов не отличаются высокой точностью. Воспроизводимость измеряемых значений N и c в пределах нескольких процентов считается удовлетворительной.

Причина этого связана с тем, что в случае сильно поглощающих сред, таких, как металлы, все процессы происходят в тонких слоях (~10–4 мм) вблизи поверхности. Поверхностные слои не защищены от внешних воздействий, их свойства изменяются со временем и зависят от способа обработки поверхности.

Образование переходных слоев на поверхности при ее обработке может внести заметные искажения в результаты измерений, когда толщина их сравнима с глубиной P проникновения.

Последовательный теоретический расчет оптических характеристик металлов N(w) и c(w) возможен только в рамках квантовой теории дисперсии. Основанная на упрощенных модельных представлениях классическая теория дисперсии в металлах, сводится к следующему.

Источник: https://www.webpoliteh.ru/7-7-otrazhenie-sveta-ot-poverxnosti-metallov/

Особенности явления преломления света с точки зрения физики

Процессы, которые связаны со светом, являются важной составляющей физики и окружают нас в нашей обыденной жизни повсеместно. Самые важные в данной ситуации являются законы отражения и преломления света, на которых зиждется современная оптика. Преломление света является важной составляющей частью современной науки.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Эффект искажения

Эта статья расскажет вам, что собой представляет явление преломления света, а также как выглядит закон преломления и что из него вытекает.

Основы физического явления

При падении луча на поверхность, которая разделяется двумя прозрачными веществами, имеющими разную оптическую плотность (к примеру, разные стекла или в воде), часть лучей будет отражена, а часть – проникнет во вторую структуру (например, пойдет распространяться в воде или стекле). При переходе из одной среды в другую для луча характерно изменение своего направления. Это и есть явление преломления света.
Особенно хорошо отражение и преломление света видно в воде.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Эффект искажения в воде

Смотря на вещи, находящиеся в воде, они кажутся искаженными. Особенно это сильно заметно на границе между воздухом и водой. Визуально кажется, что подводные предметы слегка отклонены. В описываемом физическом явлении как раз и кроется причина того, что в воде все объекты кажутся искаженными.

При попадании лучей на стекло, данный эффект менее заметен.
Преломление света представляет собой физическое явление, которое характеризуется изменением направления движения солнечного луча в момент перемещения из одной среды (структуры) в другую.


Для улучшения понимания данного процесса, рассмотрим пример попадания луча из воздуха в воду (аналогично для стекла). При проведении перпендикуляра вдоль границы раздела можно измерить угол преломления и возвращения светового луча.

Данный показатель (угол преломления) будет изменяться при проникновении потока в воду (внутрь стекла).

Обратите внимание! Под данным параметром понимается угол, который образует перпендикуляр, проведенный к разделу двух веществ при проникновении луча из первой структуры во вторую.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Прохождение луча

Этот же показатель характерен и для других сред. Установлено, что данный показатель зависит от плотности вещества. Если падение луча происходит из менее плотной в более плотную структуру, то угол создаваемого искажения будет больше.

А если наоборот – то меньше.
При этом изменение наклона падения также скажется и на данном показателе. Но отношение между ними не остается постоянным.

В то же время, отношение их синусов останется постоянной величиной, которую отображает следующая формула: sinα / sinγ = n, где:

  • n – постоянная величина, которая описана для каждого конкретного вещества (воздуха, стекла, воды и т.д.). Поэтому, какова будет данная величина можно определить по специальным таблицам;
  • α – угол падения;
  • γ – угол преломления.

Для определения этого физического явления и был создан закон преломления.

Физический закон

Закон преломления световых потоков позволяет определить характеристики прозрачных веществ. Сам закон состоит из двух положений:

  • первая часть. Луч (падающий, измененный) и перпендикуляр, который был восстановлен в точке падения на границе, например, воздуха и воды (стекла и т.д.), будут располагаться в одной плоскости;
  • вторая часть. Показатель соотношения синуса угла падения к синусу этого же угла, образовавшегося при переходе границы, будет величиной постоянной.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Описание закона

При этом в момент выхода луча из второй структуры в первую (например, при прохождении светового потока из воздуха, через стекло и обратно в воздух), также будет возникать эффект искажения.

Важный параметр для разных объектов

Основной показатель в данной ситуации — это соотношение синуса угла падения к аналогичному параметру, но для искажения. Как следует из закона, описанного выше, данный показатель являет собой постоянную величину.

При этом при изменении значения наклона падения, такая же ситуация будет характерна и для аналогичного показателя. Данный параметр имеет большое значение, поскольку является неотъемлемой характеристикой прозрачных веществ.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Показатели для разных объектов

Благодаря этому параметру можно довольно эффективно различать виды стекол, а также разнообразные драгоценные камни. Также он важен для определения скорости перемещения света в различных средах.

Обратите внимание! Наивысшая скорость светового потока – в вакууме.

При переходе из одного вещества в другие, его скорость будет уменьшаться. К примеру, у алмаза, который обладает самым большим показателем преломляемости, скорость распространения фотонов будет в 2,42 раза выше, чем у воздуха. В воде же они будут распространяться медленнее в 1,33 раза. Для разных видов стекол данный параметр колеблется в диапазоне от 1,4 до 2,2.

Обратите внимание! Некоторые стекла имеют показатель преломляемости 2,2, что очень близко к алмазу (2,4). Поэтому не всегда получится отличить стекляшку от реального алмаза.

Оптическая плотность веществ

Свет может проникать через разные вещества, которые характеризуются различными показателями оптической плотности. Как мы уже говорили ранее, используя данный закон можно определить характеристику плотности среды (структуры).

Чем более плотной она будет, тем с меньшей скоростью в ней будет распространяться свет. Например, стекло или вода будут более оптически плотными, чем воздух.
Кроме того, что данный параметр является постоянной величиной, он еще и отражает отношение скорости света в двух веществах.

Физический смысл можно отобразить в виде следующей формулы:

Данный показатель говорит, каким образом изменяется скорость распространения фотонов при переходе из одного вещества в другое.

Еще один важный показатель

При перемещении светового потока через прозрачные объекты возможна его поляризация. Она наблюдается при прохождении светового потока от диэлектрических изотропных сред. Поляризация возникает при прохождении фотонов через стекло.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Эффект поляризации

Частичная поляризация наблюдается, когда угол падения светового потока на границе двух диэлектриков будет отличаться от нуля. Степень поляризации зависит от того, каковы были углы падения (закон Брюстера).

Полноценное внутреннее отражение

Завершая наш небольшой экскурс, еще необходимо рассмотреть такой эффект, как полноценное внутреннее отражение.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Явление полноценного отображения

Для появления данного эффекта необходимо увеличение угла падения светового потока в момент его перехода из более плотного в менее плотную среду в границе раздела между веществами.

В ситуации, когда данный параметр будет превосходить определенное предельное значение, тогда фотоны, падающие на границу этого раздела будут полностью отражаться. Собственно это и будет наше искомое явление.

Без него невозможно было сделать волоконную оптику.

Заключение

Практическое применение особенностей поведения светового потока дали очень многое, создав разнообразные технические приспособления для улучшения нашей жизни. При этом свет открыл перед человечеством далеко не все свои возможности и его практический потенциал еще полностью не реализован.

Источник: https://1posvetu.ru/montazh-i-nastrojka/osobennosti-prelomleniya-sveta.html

Закон прямолинейного распространения света. Скорость света и методы ее измерения

Закон прямолинейного распространения света.
Свет в однородной среде распространяется прямолинейно.
Луч – часть прямой, указывающей направление распространения света. Понятие луча ввел Евклид (геометрическая или лучевая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света, основанные на понятии луча, без учета природы света).

  • Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени.
  • При малых размерах источника (источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь) получается только тень (область пространства, в которую свет не попадает).
  • При больших размерах источника света (или, если источник находится близко к предмету) создаются нерезкие тени (тень и полутень).
  • В астрономии – объяснение затмений.
Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту
Световые пучки распространяются независимо друг от друга. Например, проходя один через другой, они не влияют на взаимное распространение.
Световые пучки обратимы, т.е., если поменять местами источник света и изображение, полученное с помощью оптической системы, то ход лучей от этого не изменится.
Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту
Скорость света и методы ее измерения.
Первые предложения выдвинуты Галилеем: фонарь и зеркало устанавливаются на вершинах двух гор; зная расстояние между горами и, измеряя время распространения, можно рассчитать скорость света.
Астрономический метод измерения скорости света
Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L1), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L2, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние Δ l= l 2 – l 1.
Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту
Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту
Лабораторный метод измерения скорости света
Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света.
Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.
с=313 000 км/с. 
Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту
В настоящее время вместо механических делителей светового потока применяются оптоэлектронные (ячейка Керра – кристалл, оптическая прозрачность которого меняется в зависимости от величины электрического напряжения).
Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле .
По современным данным, в вакууме с=(299792456,2 ± 0,8) м/с.

Источник: https://www.eduspb.com/node/1800

Классические опыты по измерению скорости света

Скорость света в свободном пространстве (вакууме) – скорость распространения любых электромагнитных волн, в том числе и световых. Представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий и инвариантна при переходе от одной системы отсчета к другой.

Задача определения скорости света принадлежит к числу важнейших проблем оптики и физики вообще. Решение этой задачи имело огромное принципиальное и практическое значение.

Установление того, что скорость распространения света конечна, и измерение этой скорости сделали более конкретными и ясными трудности, стоящие перед различными оптическими теориями.

Первые методы определения скорости света, опиравшиеся на астрономические наблюдения, способствовали со своей стороны ясному пониманию чисто астрономических вопросов. Точные лабораторные методы определения скорости света, выработанные в последствии, используются при геодезической съёмке.

Скорость света в среде зависит от показателя преломления среды n, различного для разных частот n излучения: с’(n) = c/n(n).

Основная трудность, на которую наталкивается экспериментатор при определении скорости распространения света, связана с огромным значением этой величины, требующим совсем иных масштабов опыта, чем те, которые имеют место в классических физических измерениях. Эта трудность дала себя знать в первых научных попытках определения скорости света, предпринятых ещё Галилеем (1607 г.).

Опыт Галилея состоял в следующем: два наблюдателя на большом расстоянии друг от друга снабжены закрывающимися фонарями.

Наблюдатель А открывает фонарь; через известный промежуток времени свет дойдет до наблюдателя В, который в тот же момент открывает свой фонарь; спустя определенное время этот сигнал дойдет до А, и последний может, таким образом, отметить время τ, протекшее от момента подачи им сигнала до момента его возвращения.

Предполагая, что наблюдатели реагируют на сигнал мгновенно и что свет обладает одной и той же скоростью в направлении АВ и ВА, получим, что путь АВ+ВА=2D свет проходит за время τ, т.е. скорость света с=2D/τ. Второе из сделанных допущений может считаться весьма правдоподобным. Современная теория относительности возводит даже это допущение в принцип.

Но предположение о возможности мгновенно реагировать на сигнал не соответствует действительности, и поэтому при огромной скорости света попытка Галилея не привела ни к каким результатам; по существу, измерялось не время распространения светового сигнала, а время, потраченное наблюдателем на реакцию.

Положение можно улучшить, если наблюдателя В заменить зеркалом, отражающим свет, освободившись таким образом от ошибки, вносимой одним из наблюдателей. Эта схема измерений осталась, по существу, почти во всех современных лабораторных приемах определения скорости света; однако впоследствии были найдены превосходные приемы регистрации сигналов и измерения промежутков времени, что и позволило определить скорость света с достаточной точностью даже на сравнительно небольших расстояниях.

Астрономические методы определения скорости света

Метод Рёмера

Впервые скорость света определил в 1676 году О. К. Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера.

Юпитер имеет несколько спутников, которые либо видны с Земли вблизи Юпитера, либо скрываются в его тени. Астрономические наблюдения над спутниками Юпитера показывают, что средний промежуток времени между двумя последовательными затмениями какого-нибудь определённого спутника Юпитера зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Земля и Юпитер во время наблюдений.

Метод Рёмера (1676 г.), основанный на этих наблюдениях, можно пояснить с помощью рис.9.1. Пусть в определённый момент времени Земля З1 и Юпитер Ю1 находятся в противостоянии и в этот момент времени один из спутников Юпитера, наблюдаемый с Земли, исчезает в тени Юпитера.

Тогда, если обозначить через R и r радиусы орбит Юпитера и Земли и через с — скорость света в системе координат, связанной с Солнцем, на Земле уход спутника в тень Юпитера будет зарегистрирован на  секунд позже, чем он совершается во временной системе отсчёта, связанной с Юпитером.

По истечении 0,545 года Земля З2 и Юпитер Ю2 находятся в соединении. Если в это время происходит n-е затмение того же спутника Юпитера, то на Земле оно будет зарегистрировано с опозданием на  секунд. Поэтому, если период обращения спутника вокруг Юпитера t, то промежуток времени T1, протекший между первым и n-м затмениями, наблюдавшимися с Земли, равен

.

Особенности распространения света в металлах - в помощь студенту

Рис. 9.1. К определению скорости света по методу Рёмера

По истечении ещё 0,545 года Земля З3 и Юпитер Ю3 будут вновь находиться в противостоянии.

Читайте также:  Угол между прямой и плоскостью - в помощь студенту

За это время совершились (n-1) оборотов спутника вокруг Юпитера и (n-1) затмений, из которых первое имело место, когда Земля и Юпитер занимали положения З2 и Ю2, а последнее — когда они занимали положение З3 и Ю3.

Первое затмение наблюдалось на Земле с запозданием , а последнее с запозданием  по отношению к моментам ухода спутника в тень планеты Юпитера. Следовательно, в этом случае имеем:

.

Рёмер измерил промежутки времени Т1 и Т2 и нашёл, что Т1-Т2=1980 с. Но из написанных выше формул следует, что Т1-Т2=, поэтому . Принимая r, среднее расстояние от Земли до Солнца, равным 150·106 км, находим для скорости света значение: с=301·106 м/с.

Этот результат был исторически первым измерением скорости света.

Определение скорости света по наблюдению аберрации

В 1725-1728 гг. Брадлей предпринял наблюдения с целью выяснить, существует ли годичный параллакс звёзд, т. е. кажущееся смещение звёзд на небесном своде, отображающее движение Земли по орбите и связанное с конечностью расстояния от Земли до звезды. Звезда в своём параллактическом движении должна описывать эллипс, угловые размеры которого тем больше, чем меньше расстояние до звезды.

Для звёзд, лежащих в плоскости эклиптики, этот эллипс вырождается в прямую, а для звёзд у полюса — в окружность. Брадлей действительно обнаружил подобное смещение. Но большая ось эллипса оказалась для всех звёзд имеющие одни и те же угловые размеры, а именно 2α=40″,9.

Брадлей объяснил (1728 г.) наблюдённое явление, названное им аберрацией света, конечностью скорости распространения света и использовал его для определения этой скорости. Годичный параллакс был установлен более ста лет спустя В. Я. Струве и Бесселем (1837, 1838 гг.).

Для простоты будем вместо телескопа пользоваться визирным приспособлением, состоящим из двух небольших отверстий, расположенных по оси трубы. Когда скорость Земли совпадает по направлению с SE, ось трубы указывает на звезду.

Когда же скорость Земли (и трубы) составляет угол j с направлением на звезду, то для того, чтобы луч света оставался на оси трубы, трубу надо повернуть на угол a (рис. 9.2), ибо за время t, пока свет проходит путь SE, сама труба перемещается на расстояние E'Е=u0t. Из рис. 9.2 можно определить поворот a.

Здесь SE определяет направление оси трубы без учёта аберрации, SE' — смещенное направление оси, обеспечивающее прохождение света вдоль оси трубы в течение всего времени t. Пользуясь тем, что угол a очень мал, так как u0

Источник: https://physoptika.ru/relyativistskie-effekty-v-optike/klassicheskie-opyty-po-izmereniyu-skorosti-sveta.html

Световые явления. Свойства света

  • Участник:Максимова Анна Алексеевна
  • Руководитель:Гусарова Ирина Викторовна

Цель работы – изучить световые явления и свойства света на опытах, рассмотреть три основных свойства света: прямолинейность распространения, отражение и преломление света в разных по плотности средах.

Задачи:

  1. Подготовить оборудование.
  2. Провести необходимые опыты.
  3. Проанализировать и оформить результаты.
  4. Сделать вывод.

Актуальность

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся со световыми явлениями и их различными свойствами, работа многих современных механизмов и приборов также связана со свойствами света. Световые явления стали неотъемлемой частью жизни людей, поэтому их изучение актуально.

Приведённые ниже опыты объясняют такие свойства света, как прямолинейность распространения, отражение и преломление света.

Для провидения и описания опытов использовано 13-е стереотипное издание учебника А. В. Перышкина «Физика. 8 класс.» (Дрофа, 2010)

Техника безопасности

Электрические приборы, задействованные в опыте, полностью исправны, напряжение на них не превышает 1.5 В.

Оборудование устойчиво размещено на столе, рабочий порядок соблюдён.

По окончанию проведения опытов электрические приборы выключены, оборудование убрано.

Опыт 1. Прямолинейное распространение света. (стр. 149, рис. 120), (стр.149, рис. 121)

Цель опыта – доказать прямолинейность распространения световых лучей в пространстве на наглядном примере.

Прямолинейное распространение света – его свойство, с которым мы встречаемся наиболее часто. При прямолинейном распространении энергия от источника света направляется к любому предмету по прямым линиям (световым лучам), не огибая его.

Этим явлением можно объяснить существование теней. Но кроме теней существуют еще и полутени, частично освещённые области. Чтобы увидеть, при каких условиях образуются тени и полутени и как при этом распространяется свет, проведём опыт.

Оборудование: непрозрачная сфера (на нити), лист бумаги, точечный источник света (карманный фонарь), непрозрачная сфера (на нити) меньше размером, для которой источник света не будет являться точечным, лист бумаги, штатив для закрепления сфер.

Ход опыта

Образование тени

  1. Расположим предметы в порядке карманный фонарь-первая сфера (закреплённая на штативе)-лист.
  2. Осветим сферу карманным фонарём.
  3. Получим тень, отображённую на листе.

Мы видим, что результатом эксперимента стала равномерная тень.

Предположим, что свет распространялся прямолинейно, тогда образование тени можно легко объяснить: свет, идущий от точечного источника по световому лучу, касающийся крайних точек сферы продолжил идти по прямой линии и за сферой, из-за чего на листе пространство за сферой не освещено.

Предположим, что свет распространялся по кривым линиям. В этом случае лучи света, искривляясь, попали бы и за сферу. Тени бы мы не увидели, но в результате проведения опыта тень появилась.

Теперь рассмотрим случай, при котором образуется полутень.

Образование тени и полутени

  1. Расположим предметы в порядке карманный фонарь-вторая сфера (закреплённая на штативе)-лист.
  2. Осветим сферу карманным фонарём.
  3. Получим тень, а также и полутень, отображённые на листе.

В этот раз результаты эксперимента – тень и полутень. Как образовалась тень уже известно из примера выше.

Теперь, чтобы показать, что образование полутени не противоречит гипотезе о прямолинейном распространении света, необходимо пояснить это явление. В этом опыте мы взяли источник света, не являющийся точечным, то есть состоящий из множества точек, по отношению к сфере, каждая из которых испускает свет во всех направлениях.

Рассмотрим самую верхнюю точку источника света и световой луч, исходящий из неё к самой нижней точке сферы. Если пронаблюдать за движением луча за сферой до листа, то мы заметим, что он попадает на границу света и полутени. Лучи из подобных точек, идущие в таком направлении (от точки источника света к противоположной точке освещаемого предмета) и создают полутень.

Но если рассматривать направление светового луча из выше обозначенной точки к верхней точке сферы, то будет отлично видно, как луч попадает в область полутени.

Из этого опыта мы видим, что образование полутени не противоречит прямолинейному распространению света.

Вывод

С помощью этого опыта я доказала, что свет распространяется прямолинейно, образование тени и полутени доказывает прямолинейность его распространения.

Явление в жизни

Прямолинейность распространения света широко применяется на практике. Самым простым примером является обыкновенный фонарь. Также это свойство света используется во всех устройствах, в составе которых есть лазеры: лазерные дальномеры, приспособления для резки металла, лазерные указки.

В природе свойство встречается повсеместно. Например, свет, проникающий через просветы в кроне дерева, образует хорошо различимую прямую линию, проходящую сквозь тень.

Конечно, если говорить о больших масштабах, стоит упомянуть о солнечном затмении, когда луна отбрасывает тень на землю, из-за чего солнце с земли (естественно, речь идет о затененном ее участке) не видно.

Если бы свет распространялся не прямолинейно, этого необычного явления не существовало бы.

Ссылка на видео проведения опыта: https://www.dropbox.com/s/eu0r135b5o2cx9b/VID_20170517_222801.mp4?dl=0

Опыт 2. Закон отражения света. (с.154, рис. 129)

Цель опыта – доказать, что угол падения луча равен углу его отражения.

Отражение света также является важнейшим его свойством. Именно благодаря отражённому свету, который улавливается человеческим глазом, мы можем видеть какие-либо объекты.

По закону отражения света, лучи, падающий и отражённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым к границе раздела двух сред в точке падения луча; угол падения равен углу отражения. Проверим, равны ли данные углы, на опыте, где в качестве отражающей поверхности возьмём плоское зеркало.

Оборудование: специальный прибор, представляющий собой диск с нанесённой круговой шкалой, укреплённый на подставке, в центре диска находится небольшое плоское зеркало, расположенное горизонтально (такой прибор можно изготовить в домашних условиях, используя вместо диска с круговой шкалой транспортир.), источник света – осветитель, прикреплённый к краю диска или лазерная указка, лист для нанесения измерений.

Ход опыта

  1. Расположим лист за прибором.
  2. Включим осветитель, направляя его на центр зеркала.
  3. Проведем перпендикуляр к зеркалу в точку падения луча на листе.
  4. Измерим угол падения (ﮮα).
  5. Измерим полученный угол отражения (ﮮβ).

  6. Запишем результаты.
  7. Изменим угол падения, передвигая осветитель, повторим пункты 4, 5 и 6.
  8. Сравним результаты (величину угла падения с величиной угла отражения в каждом случае).

  • Результаты опыта в первом случае:
  • ∠α = 50°
  • ∠β = 50°
  • ∠α  = ∠β
  • Во втором случае:
  • ∠α = 25°
  • ∠β = 25°
  • ∠α = ∠β

Из опыта видно, что угол падения светового луча равен углу его отражения. Свет, попадая на зеркальную поверхность, отражается от неё под тем же углом.

  1. Вывод
  2. С помощью опыта и проведённых измерений я доказала, что при отражении света угол его падения равен углу отражения.
  3. Явление в жизни

С этим явлением мы встречаемся повсеместно, так как воспринимаем глазом отражённый от предметов свет.

Ярким видимым примером в природе могут служить блики яркого отражённого света на воде и на других поверхностях с хорошей отражательной способностью (поверхность поглощает меньше света чем отражает).

Также, следует вспомнить солнечные зайчики, которые может пускать с помощью зеркала каждый ребёнок. Они не что иное, как отражённый от зеркала луч света.

Человек использует закон отражения света в таких приборах, как перископ, зеркальный отражатель света (к примеру, отражатель на велосипедах).

Кстати, с помощью отражения света от зеркала фокусники создавали многие иллюзии, например, иллюзию «Летающая голова». Человек помещался в ящик среди декораций так, что из ящика была видна только его голова.

Стенки ящика закрывали наклонённые к декорациям зеркала, отражение от которых не давало увидеть ящик и казалось, что под головой ничего нет и она висит в воздухе. Зрелище необычное и пугающее. Фокусы с отражением имели место и в театрах, когда на сцене нужно было показать призрака.

Зеркала «затуманивали» и наклоняли так, чтобы отражённый свет из ниши за сценой был виден в зрительном зале. В нише уже появлялся актёр, играющий призрака.

Ссылка на видео проведения опыта: https://www.dropbox.com/s/hysbxxeflb7n5zn/VID_20170517_222039.mp4?dl=0

Опыт 3. Преломление света. (стр. 159, рис. 139)

Цель опыта — доказать, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред; доказать, что угол падения светового луча (≠ 0°), идущего из менее плотной среды в более плотную, больше угла его преломления.

В жизни мы часто встречаемся с преломлением света. Например, кладя в прозрачный стакан с водой совершенно прямую ложку мы видим, что её изображение изгибается на границе двух сред (воздуха и воды), хотя на самом деле ложка остаётся прямой.

  • Чтобы получше рассмотреть это явление, понять, почему оно происходит и доказать закон преломления света (лучи, падающий и преломлённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым к границе раздела двух сред в точке падения луча; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред) на примере, проведём опыт.
  • Оборудование: две среды разной плотности (воздух, вода), прозрачная тара для воды, источник света (лазерная указка), лист бумаги.
  • Ход опыта
  1. Нальём воду в тару, за ней на некотором расстоянии разместим лист.
  2. Направим луч света в воду под углом, ≠ 0°, так как при 0° преломления не происходит, а луч переходит в другую среду без изменений.
  3. Проведем перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча.
  4. Измерим угол падения светового луча (∠α).
  5. Измерим угол преломления светового луча (∠β).
  6. Сравним углы, составим отношение их синусов (для нахождения синусов можно воспользоваться таблицей Брадиса).
  7. Запишем результаты.
  8. Изменим угол падения, передвигая источник света, повторим пункты 4-7.
  9. Сравним значения отношений синусов в обоих случаях.

Предположим, что световые лучи, проходя через среды разной плотности, испытывали преломление. При этом углы падения и преломления не могут быть равны, а отношения синусов этих углов не равны одному.

Если преломления не произошло, то есть свет перешёл из одной среды в другую, не меняя своё направление, то данные углы будут равными (отношение синусов равных углов равно одному).

Чтобы подтвердить или опровергнуть предположение, рассмотрим результаты опыта.

  1. Результаты опыта в первом случае:
  2. ∠α = 20
  3. ∠β= 15
  4. 20 > 15
  5. ∠α >∠β
  6. sin∠α = 0,34 = 1,30
  7. sin∠β 0,26
  8. Результаты опыта во втором случае:
  9. ∠αˈ= 50
  10. ∠βˈ= 35
  11. 50 > 35
  12. ∠αˈ > ∠βˈ
  13. sin∠αˈ= 0,77 = 1,35
  14. sin∠βˈ 0,57
  15. Сравнение отношений синусов:
  16. 1,30 ~1,35 (из-за погрешностей в измерениях)
  17. sin∠α = sin∠αˈ = 1,3
  18. sin∠β  sin∠βˈ

По результатам опыта при преломлении света, идущего из менее плотной среды в более плотную, угол падения больше угла преломления.

отношения синусов падающих и преломлённых углов равны (но не равны одному), то есть являются постоянной величиной для двух данных сред. Направление луча при попадании в среду другой плотности изменяется из-за изменения скорости света в среде.

В более плотной среде (здесь — в воде) свет распространяется медленнее, поэтому и изменяется угол прохождения света сквозь пространство.

  • Вывод
  • С помощью проведённого опыта и измерений я доказала, что при преломлении света отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – величина постоянная для обоих сред, при прохождении световых лучей из менее плотной среды в более плотную, угол падения меньше угла преломления.
  • Явление в жизни

С преломлением света мы также встречаемся довольно часто, можно привести множество примеров искажения видимого изображения при прохождении сквозь воду и другие среды. Наиболее интересный пример – возникновение миража в пустыне. Мираж происходит при преломлении световых лучей, проходящих из теплых слоёв воздуха (менее плотных) в холодные слои, что нередко можно наблюдать в пустынях.

Человеком преломление света используется в различных устройствах, содержащих линзы (свет преломляется при прохождении сквозь линзу). Например, в оптических приборах, таких как бинокль, микроскоп, телескоп, в фотоаппаратах. Также человек изменяет направление света с помощью его прохождения сквозь призму, где свет преломляется несколько раз, входя и выходя из неё.

Ссылка на видео проведения опыта: https://www.dropbox.com/s/d76yt1ph1z1dm0x/VID_20170522_224448.mp4?dl=0

Цели работы достигнуты.

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/svetovye-yavleniya-svoystva-sveta-7404/

Ссылка на основную публикацию