naturaleza de la luz
Las primeras ideas sobre la naturaleza de la luz surgieron entre los antiguos griegos y egipcios. Con la invención y mejora de diversos instrumentos ópticos (espejos parabólicos, microscopio, telescopio) estas ideas se desarrollaron y transformaron. EN finales del XVII siglo, surgieron dos teorías de la luz: corpuscular(I. Newton) y ola(R. Hooke y H. Huygens).
Teoría de las ondas vio la luz como proceso ondulatorio, similar ondas mecánicas. La teoría ondulatoria se basó en principio de huygens. Gran parte del crédito por el desarrollo de las teorías ondulatorias pertenece al físico inglés T. Young y al físico francés O. Fresnel, quienes estudiaron los fenómenos de interferencia y difracción. Una explicación completa de estos fenómenos sólo podría darse sobre la base de la teoría ondulatoria. Importante confirmación experimental La validez de la teoría ondulatoria se obtuvo en 1851, cuando J. Foucault (e independientemente de él A. Fizeau) midió la velocidad de la luz en el agua y obtuvo el valor υ < C.
aunque a mediados del 19 Siglo, la teoría ondulatoria fue generalmente aceptada, la cuestión de la naturaleza de las ondas de luz quedó sin resolver.
En los años 60 años XIX Los siglos fueron establecidos por Maxwell. leyes generales campo electromagnético, lo que le llevó a la conclusión de que la luz es ondas electromagnéticas. Una confirmación importante de este punto de vista fue la coincidencia de la velocidad de la luz en el vacío con la constante electrodinámica:
\(~c = \dfrac(1)(\sqrt(\varepsilon_0 \mu_0))\) .
La naturaleza electromagnética de la luz fue reconocida tras los experimentos de G. Hertz (1887-1888) en el estudio de las ondas electromagnéticas. A principios del siglo XX, tras los experimentos de P. N. Lebedev para medir la presión de la luz (1901), la teoría electromagnética de la luz se convirtió en un hecho firmemente establecido.
El papel más importante en el esclarecimiento de la naturaleza de la luz lo desempeñó determinación experimental su velocidad. Desde finales del siglo XVII se han realizado repetidos intentos de medir la velocidad de la luz. varios métodos(método astronómico de A. Fizeau, método de A. Michelson). La moderna tecnología láser permite medir la velocidad de la luz Con Precisión muy alta basada en mediciones independientes de longitud de onda. λ y frecuencias de luz ν (C = λ · ν ). De esta manera se encontró el valor. C= 299792458 ± 1,2 m/s, que supera en precisión todos los valores obtenidos anteriormente en más de dos órdenes de magnitud.
La luz juega extremadamente papel importante en nuestra vida. Una persona recibe una abrumadora cantidad de información sobre el mundo que la rodea con la ayuda de la luz. Sin embargo, en la óptica como rama de la física, la luz se entiende no sólo luz visible, pero también los amplios rangos adyacentes del espectro de radiación electromagnética - infrarrojo(IR) y ultravioleta(UV). Según sus propios propiedad fisica la luz es fundamentalmente indistinguible de la radiación electromagnética en otros rangos: las diferentes partes del espectro se diferencian entre sí sólo en la longitud de onda λ y frecuencia ν .
Para medir longitudes de onda en el rango óptico, se utilizan unidades de longitud 1 nanómetro(nm) y 1 micrómetro(μm):
1 nm = 10 -9 m = 10 -7 cm = 10 -3 µm.
La luz visible ocupa el rango de aproximadamente 400 nm a 780 nm, o de 0,40 µm a 0,78 µm.
Un campo electromagnético que cambia periódicamente y se propaga en el espacio es onda electromagnética.
Las propiedades más esenciales de la luz como onda electromagnética.
- A medida que la luz se propaga, se producen cambios periódicos y repetidos en los campos eléctrico y magnético en cada punto del espacio. Es conveniente representar estos cambios en forma de oscilaciones de vectores de tensión. campo eléctrico\(~\vec E\) y la inducción del campo magnético \(~\vec B\) en cada punto del espacio. Luz - onda transversal, ya que \(~\vec E \perp \vec \upsilon\) y \(~\vec B \perp \vec \upsilon\) .
- Las oscilaciones de los vectores \(~\vec E\) y \(~\vec B\) en cada punto de la onda electromagnética ocurren en las mismas fases y en dos mutuamente direcciones perpendiculares\(~\vec E \perp \vec B\) en cada punto del espacio.
- Período de la luz como onda electromagnética (frecuencia) igual al periodo(frecuencia) de oscilaciones de la fuente de ondas electromagnéticas. Para ondas electromagnéticas la relación \(~\lambda = \upsilon \cdot T = \dfrac(\upsilon)(\nu)\) es válida. En el vacío \(~\lambda_0 = c \cdot T = \dfrac(c)(\nu)\) – la longitud de onda es la más larga en comparación con λ en un ambiente diferente, porque ν = constante y solo cambios υ Y λ al pasar de un entorno a otro.
- La luz es portadora de energía y la transferencia de energía se produce en la dirección de propagación de las ondas. Densidad a Granel energía campo electromagnetico está determinado por la expresión \(~\omega_(em) = \dfrac(\varepsilon \cdot \varepsilon_0 \cdot E^2)(2) + \dfrac(B^2)(2 \cdot \mu \cdot \mu_0 )\)
- La luz, como otras ondas, se propaga rectilíneamente en un medio homogéneo, se refracta al pasar de un medio a otro y se refleja en barreras metálicas. Se caracterizan por los fenómenos de difracción e interferencia.
Interferencia de luz
Para observar la interferencia de las ondas en la superficie del agua se utilizaron dos fuentes de ondas (dos bolas montadas sobre una varilla oscilante). Es imposible obtener un patrón de interferencia (alternando mínimos y máximos de iluminación) utilizando dos fuentes de luz independientes ordinarias, por ejemplo dos bombillas. Encender otra bombilla sólo aumenta la iluminación de la superficie, pero no crea una alternancia de mínimos y máximos de iluminación.
Para que se observe un patrón de interferencia estable cuando se superponen ondas de luz, es necesario que las ondas sean coherentes, es decir, que tengan la misma longitud de onda y una diferencia de fase constante.
¿Por qué las ondas de luz de dos fuentes no son coherentes?
El patrón de interferencia de dos fuentes que hemos descrito surge sólo cuando se suman ondas monocromáticas de las mismas frecuencias. Para ondas monocromáticas, la diferencia de fase entre oscilaciones en cualquier punto del espacio es constante.
Las ondas con la misma frecuencia y diferencia de fase constante se llaman coherente.
Solo ondas coherentes, superpuestos entre sí, dan un patrón de interferencia estable con una ubicación constante en el espacio de los máximos y mínimos de oscilaciones. Las ondas de luz de dos fuentes independientes no son coherentes. Los átomos de las fuentes emiten luz independientemente unos de otros en “trozos” (trenes) separados de ondas sinusoidales. La duración de la radiación continua de un átomo es de unos 10 s. Durante este tiempo, la luz recorre un camino de unos 3 m de largo (Fig. 1).
Estos trenes de ondas de ambas fuentes se superponen entre sí. La diferencia de fase de las oscilaciones en cualquier punto del espacio cambia caóticamente con el tiempo dependiendo de cómo este momento tren del tiempo desde varias fuentes desplazados entre sí. Las ondas de diferentes fuentes de luz son incoherentes debido a que la diferencia en las fases iniciales no permanece constante. Etapas φ 01 y φ 02 cambian aleatoriamente y, debido a esto, la diferencia de fase de las oscilaciones resultantes cambia aleatoriamente en cualquier punto del espacio.
En caso de roturas aleatorias y aparición de oscilaciones, la diferencia de fase cambia aleatoriamente, tomando el tiempo de observación. τ todos los valores posibles de 0 a 2 π . Como resultado, con el tiempo τ mucho más largo que el tiempo de cambios de fase irregulares (alrededor de 10 -8 s), el valor promedio de cos ( φ 1 – φ 2) en la fórmula
\(~I = 4 I_0 \cos^2 \dfrac(\varphi_1 - \varphi_2)(2) = 2 I_0 \) .
es igual a cero. La intensidad de la luz resulta ser igual a la cantidad intensidades de fuentes individuales y no se observará ningún patrón de interferencia. La incoherencia de las ondas luminosas es razón principal que la luz de dos fuentes no produce un patrón de interferencia. Ésta es la razón principal, pero no la única. Otra razón es que la longitud de onda de la luz, como veremos pronto, es muy corta. Esto hace que sea muy difícil observar interferencias, incluso si tenemos fuentes de ondas coherentes.
Condiciones para máximos y mínimos del patrón de interferencia.
Como resultado de la superposición de dos o más ondas coherentes en el espacio, una Patron de interferencia, que es una alternancia de máximos y mínimos de intensidad luminosa y, por tanto, de iluminación de la pantalla.
La intensidad de la luz en un punto dado del espacio está determinada por la diferencia en las fases de oscilación. φ 1 – φ 2. Si las oscilaciones de la fuente están en fase, entonces φ 01 – φ 02 = 0 y
\(~\Delta \varphi = \varphi_1 - \varphi_2 = 2 \pi \dfrac(r_2 - r_1)(\lambda)\) . (1)
La diferencia de fase está determinada por la diferencia de distancias desde las fuentes hasta el punto de observación Δ r = r 1 – r 2 (la diferencia de distancia se llama diferencia de trazo ). En aquellos puntos del espacio para los cuales se cumple la condición.
\(~\Delta r = r_1 - r_2 = k \lambda ; k = 0, 1, 2, \ldots\) . (2)
las ondas, al sumarse, se refuerzan entre sí, y la intensidad resultante es 4 veces mayor que la intensidad de cada una de las ondas, es decir observado máximo . Por el contrario, cuando
\(~\Delta r = r_1 - r_2 = \dfrac(\lambda)(2) (2k + 1)\) . (3)
las ondas se anulan entre sí ( I= 0), es decir observado mínimo .
Principio de Huygens-Fresnel
La teoría ondulatoria se basa en el principio de Huygens: cada punto al que llega una onda sirve como centro de ondas secundarias, y la envoltura de estas ondas da la posición del frente de onda en el siguiente momento en el tiempo.
Dejar onda plana normalmente cae sobre un agujero en una pantalla opaca (Fig. 2). Según Huygens, cada punto de la sección del frente de onda aislado por el agujero sirve como fuente de ondas secundarias (de forma homogénea). ambiente isotrópico son esféricos). Habiendo construido la envoltura de ondas secundarias para un momento determinado en el tiempo, vemos que el frente de onda entra en la región de la sombra geométrica, es decir, la onda recorre los bordes del agujero.
El principio de Huygens resuelve sólo el problema de la dirección de propagación del frente de onda, explica el fenómeno de la difracción, pero no aborda la cuestión de la amplitud y, en consecuencia, la intensidad de las ondas que se propagan en diferentes direcciones. Fresnel introdujo el principio de Huygens significado fisico, completándolo con la idea de interferencia de ondas secundarias.
De acuerdo a Principio de Huygens-Fresnel, onda de luz, excitado por alguna fuente S, puede representarse como el resultado de una superposición de ondas secundarias coherentes "emitidas" por fuentes ficticias.
Dichas fuentes pueden ser elementos infinitesimales de cualquier superficie cerrada que encierre la fuente S. Normalmente, se elige una de las siguientes como esta superficie: superficies onduladas, por lo tanto todas las fuentes ficticias actúan en fase. Por tanto, las ondas que se propagan desde la fuente son el resultado de la interferencia de todas las ondas secundarias coherentes. Fresnel excluyó la posibilidad de que se produzcan ondas secundarias hacia atrás y asumió que si hay una pantalla opaca con un agujero entre la fuente y el punto de observación, entonces en la superficie de la pantalla la amplitud de las ondas secundarias es cero, y en la El agujero es igual que al no tener pantalla. Tener en cuenta las amplitudes y fases de las ondas secundarias permite en cada caso concreto encontrar la amplitud (intensidad) de la onda resultante en cualquier punto del espacio, es decir, determinar los patrones de propagación de la luz.
Métodos para obtener un patrón de interferencia.
Idea de Agustín Fresnel
Para obtener fuentes de luz coherentes físico francés Augustin Fresnel (1788-1827) encontró un método simple e ingenioso en 1815. Es necesario dividir la luz de una fuente en dos haces y, forzándolos a pasar diferentes caminos, reunir a. Entonces el tren de ondas emitió átomo separado, se dividirá en dos trenes coherentes. Este será el caso de los trenes de ondas emitidos por cada átomo de la fuente. La luz emitida por un solo átomo produce un patrón de interferencia específico. Cuando estos patrones se superponen entre sí, se obtiene una distribución de iluminación bastante intensa en la pantalla: se puede observar el patrón de interferencia.
Hay muchas formas de obtener fuentes de luz coherentes, pero su esencia es la misma. Dividiendo el haz en dos partes se obtienen dos fuentes de luz imaginarias que producen ondas coherentes. Para hacer esto, use dos espejos (bi-espejos de Fresnel), un biprisma (dos prismas doblados en las bases), una bilens (una lente cortada por la mitad con las mitades separadas), etc.
anillos de newton
El primer experimento para observar la interferencia de la luz en condiciones de laboratorio pertenece a I. Newton. Observó un patrón de interferencia que se produce cuando la luz se refleja en un fino espacio de aire entre una placa de vidrio plana y una lente plano-convexa. radio grande curvatura. El patrón de interferencia tenía la forma de anillos concéntricos, llamados anillos de newton(Figura 3 a, b).
Newton no pudo explicar en términos teoría corpuscular por qué aparecen los anillos, pero entendió que esto se debía a cierta periodicidad de los procesos luminosos.
Experimento de la doble rendija de Young
El experimento propuesto por T. Young demuestra de forma convincente la naturaleza ondulatoria de la luz. Para comprender mejor los resultados del experimento de Jung, es útil considerar primero la situación en la que la luz pasa a través de una rendija de un tabique. En el experimento con una rendija luz monocromática desde la fuente pasa a través de una rendija estrecha y se graba en la pantalla. Lo inesperado es que con una rendija suficientemente estrecha, lo que se ve en la pantalla no es una franja luminosa estrecha (imagen de la rendija), sino una distribución suave de la intensidad de la luz, con un máximo en el centro y disminuyendo gradualmente hacia los bordes. . Este fenómeno se debe a la difracción de la luz por la rendija y también es consecuencia naturaleza ondulada Luz.
Hagamos ahora dos hendiduras en la partición (Fig. 4). Al cerrar sucesivamente una u otra rendija, puede asegurarse de que el patrón de distribución de intensidad en la pantalla será el mismo que en el caso de una rendija, pero solo la posición de la intensidad máxima corresponderá cada vez a la posición del hendidura abierta. Si se abren ambas rendijas, aparece en la pantalla una secuencia alterna de franjas claras y oscuras, y el brillo de las franjas claras disminuye con la distancia desde el centro.
Algunas aplicaciones de la interferencia
Las aplicaciones de la interferencia son muy importantes y amplias.
Hay dispositivos especiales - interferómetros- cuya acción se basa en el fenómeno de la interferencia. Su finalidad puede ser diferente: medición precisa de las longitudes de onda de la luz, medición del índice de refracción de los gases, etc. Hay interferómetros disponibles proposito especial. Uno de ellos, diseñado por Michelson para registrar cambios muy pequeños en la velocidad de la luz, se analizará en el capítulo "Fundamentos de la teoría de la relatividad".
Nos centraremos sólo en dos aplicaciones de la interferencia.
Comprobación de la calidad del tratamiento superficial.
Utilizando la interferencia, se puede evaluar la calidad del pulido de la superficie de un producto con un error de hasta 10 -6 cm. Para ello, es necesario crear una fina capa de aire entre la superficie de la muestra y una base muy suave. placa (Fig. 5).
Entonces, las irregularidades de la superficie de hasta 10 -6 cm causarán una curvatura notable de las franjas de interferencia que se forman cuando la luz se refleja desde la superficie que se está probando y borde inferior placa de referencia.
En particular, la calidad del pulido de las lentes se puede comprobar observando los anillos de Newton. Habrá anillos círculos regulares sólo si la superficie de la lente es estrictamente esférica. Cualquier desviación de la esfericidad superior a 0,1 λ afectará notablemente la forma de los anillos. Cuando haya un bulto en la lente, los anillos se doblarán hacia el centro.
Es curioso que el físico italiano E. Torricelli (1608-1647) consiguiera pulir lentes con un error de hasta 10 -6 cm. Sus lentes se conservan en el museo y se ha comprobado su calidad. métodos modernos. ¿Cómo logró hacer esto? Es difícil responder a esta pregunta. En aquella época, los secretos del dominio no se solían revelar. Al parecer, Torricelli descubrió los anillos de interferencia mucho antes que Newton y supuso que podrían utilizarse para comprobar la calidad del rectificado. Pero, por supuesto, Torricelli no podía tener idea de por qué aparecen los anillos.
Observemos también que, utilizando luz casi estrictamente monocromática, se puede observar el patrón de interferencia cuando se refleja en planos ubicados a distancias entre sí. larga distancia(unos varios metros). Esto le permite medir distancias de cientos de centímetros con un error de hasta 10 -6 cm.
Recubrimiento óptico
Lentes de cámaras modernas o proyectores de películas, periscopios. submarinos y varios otros dispositivos ópticos consisten en gran número gafas ópticas: lentes, prismas, etc. Al pasar a través de estos dispositivos, la luz se refleja en muchas superficies. El número de superficies reflectantes en las lentes fotográficas modernas supera las 10 y en los periscopios submarinos llega a 40. Cuando la luz incide perpendicular a la superficie, entre el 5 y el 9% de la energía total se refleja en cada superficie. Por lo tanto, sólo el 10-20% de la luz que entra suele pasar a través del dispositivo. Como resultado, la iluminación de la imagen es baja. Además, la calidad de la imagen se deteriora. Parte del haz de luz después de repetidas reflexiones desde superficies internas todavía pasa por instrumento óptico, pero se disipa y ya no participa en la creación de una imagen clara. Por este motivo, en las imágenes fotográficas, por ejemplo, se forma un “velo”.
Para eliminar estas desagradables consecuencias del reflejo de la luz en las superficies de los vidrios ópticos, es necesario reducir la proporción de energía luminosa reflejada. La imagen producida por el dispositivo se vuelve más brillante y "se ilumina". De aquí viene el término limpieza de optica.
La limpieza óptica se basa en interferencias. A la superficie vidrio óptico, como lentes, aplique una película delgada con un índice de refracción norte n, menor que el índice de refracción del vidrio norte Con. Para simplificar, consideremos el caso de incidencia normal de la luz sobre la película (Fig. 6).
La condición que se reflejaba desde arriba y superficies inferiores ondas de películas se anulan entre sí, se escribirá (para una película de espesor mínimo) de la siguiente manera:
\(~2h = \dfrac(\lambda)(2 n_n)\) . (4)
donde \(~\dfrac(\lambda)(n_n)\) es la longitud de onda en la película, y 2 h- diferencia de trazo.
Si las amplitudes de ambas ondas reflejadas son iguales o muy cercanas entre sí, entonces la extinción de la luz será completa. Para ello se selecciona correspondientemente el índice de refracción de la película, ya que la intensidad de la luz reflejada está determinada por la relación de los índices de refracción de los dos medios adyacentes.
En condiciones normales, la luz blanca incide sobre la lente. La expresión (4) muestra que el espesor de película requerido depende de la longitud de onda. Por tanto, es imposible suprimir las ondas reflejadas de todas las frecuencias. El espesor de la película se selecciona de modo que se produzca una extinción completa en incidencia normal para las longitudes de onda en la parte media del espectro ( color verde, λh = 5,5·10 -7 m); debe ser igual a un cuarto de la longitud de onda de la película:
\(~h = \dfrac(\lambda)(4 n_n)\) . (4)
El reflejo de la luz de los extremos del espectro (rojo y violeta) se debilita ligeramente. Por lo tanto, una lente con óptica recubierta tiene un tinte lila cuando se refleja la luz. Ahora incluso las cámaras sencillas y baratas tienen ópticas recubiertas. En conclusión, enfatizamos una vez más que apagar la luz con luz no significa convertir la energía luminosa en otras formas. Al igual que con la interferencia de ondas mecánicas, la cancelación de ondas entre sí en un área determinada del espacio significa que la energía luminosa simplemente no llega aquí. La atenuación de las ondas reflejadas en una lente con óptica recubierta significa que toda la luz pasa a través de la lente.
Solicitud
Adición de dos ondas monocromáticas.
Echemos un vistazo más de cerca a la suma de dos. ondas armónicas misma frecuencia ν en algún momento A ambiente homogéneo, considerando que las fuentes de estas ondas S 1 y S 2 son del punto A a distancias, respectivamente, yo 1 y yo 2 (figura 7).
Para simplificar, supongamos que las ondas consideradas están polarizadas en el plano longitudinal o transversal y que sus amplitudes son iguales. a 1 y a 2. Entonces, de acuerdo con \(~x(s,t) = a \cdot \sin (\omega t - k s + \varphi_0)\), las ecuaciones de estas ondas en el punto A parece
\(~x_1(l_1,t) = a_1 \cdot \sin (\omega t - k l_1 + \varphi_(01))\) . (5) \(~x_2(l_2,t) = a_2 \cdot \sin (\omega t - k l_2 + \varphi_(02))\) . (6)
La ecuación de la onda resultante, que es una superposición de las ondas (5), (6), es su suma:
\(~x(t) = x_1(l_1,t) + x_2(l_2,t) = a \cdot \sin (\omega t + \varphi)\) , (7)
Además, como se puede demostrar mediante el teorema del coseno conocido en geometría, el cuadrado de la amplitud de la oscilación resultante está determinado por la fórmula
\(~a^2 = a^2_1 + a^2_2 + 2 a_1 a_2 \cos \Delta \varphi\)> , (8)
donde Δ φ - diferencia de fase de oscilación:
\(~\Delta \varphi = k(l_1 - l_2) - (\varphi_(01) - \varphi_(02))\) . (9)
(Expresión para fase inicial φ 01 no daremos la vibración resultante debido a su volumen).
De (8) está claro que la amplitud de la oscilación resultante es función periódica diferencia de carrera Δ yo. Si la diferencia de trayectoria de onda es tal que la diferencia de fase Δ φ igual a
\(~\Delta \varphi = \pm 2 \pi n ; n = 0, 1, 2, \ldots\) , (10)
entonces en el punto A la amplitud de la onda resultante será máxima ( condición máxima), si
\(~\Delta \varphi = \pm (2n +1) \pi\), (11)
entonces la amplitud en el punto A mínimo ( condición mínima).
Suponiendo por simplicidad que φ 01 = φ 02 y a 1 = a 2, y teniendo en cuenta la igualdad \(~k = \dfrac(\omega)(\upsilon) = \dfrac(2 \pi)(\lambda)\), las condiciones (10) y (11) y las expresiones correspondientes para la amplitud a se puede escribir en la forma:
\(~\Delta l = \pm n \lambda\) ( condición máxima), (12)
y luego A = a 1 + a 2, y
\(~\Delta l = \pm (2n +1) \dfrac(\lambda)(2)\) ( condición mínima), (13)
y luego a = 0.
Literaturas
- Myakishev G.Ya. Física: Óptica. la física cuántica. 11° grado: Educativo. para un estudio en profundidad de la física / G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov. – M.: Avutarda, 2002. – 464 p.
- Burov L.I., Strelchenya V.M. Física de la A a la Z: para estudiantes, aspirantes, tutores. – Mn.: Paradoja, 2000. – 560 p.
Gimnasio 144
Ensayo
Velocidad de la luz.
Interferencia de la luz.
Ondas estacionarias.
estudiante de 11º grado
Korchagin Serguéi
San Petersburgo 1997.
Luz - onda electromagnética.
En el siglo XVII surgieron dos teorías de la luz: ondulatoria y corpuscular. La teoría corpuscular 1 fue propuesta por Newton y la teoría ondulatoria por Huygens. Según las ideas de Huygens, la luz son ondas que se propagan en un medio especial: el éter, y llenan todo el espacio. Las dos teorías existieron en paralelo durante mucho tiempo. Cuando una de las teorías no explicaba un fenómeno, lo explicaba otra teoría. Por ejemplo, la propagación rectilínea de la luz, que conduce a la formación de sombras nítidas, no podría explicarse basándose en la teoría ondulatoria. Sin embargo, en principios del XIX Siglo, se descubrieron fenómenos como la difracción 2 y la interferencia 3, lo que dio lugar a la idea de que la teoría ondulatoria finalmente derrotó a la teoría corpuscular. En la segunda mitad del siglo XIX, Maxwell demostró que la luz es un caso especial de ondas electromagnéticas. Estos trabajos sirvieron de base para la teoría electromagnética de la luz. Sin embargo, a principios del siglo XX se descubrió que la luz cuando se emite y se absorbe se comporta como una corriente de partículas.
Velocidad de la luz.
Hay varias formas de determinar la velocidad de la luz: métodos astronómicos y de laboratorio.
La velocidad de la luz fue medida por primera vez por el científico danés Roemer en 1676, utilizando el método astronómico. Calculó el tiempo que la mayor de las lunas de Júpiter, Io, estuvo a la sombra de este enorme planeta. Roemer tomó medidas en el momento en que nuestro planeta estaba más cerca de Júpiter y en el momento en que estábamos un poco (en términos astronómicos) más lejos de Júpiter. En el primer caso, el intervalo entre brotes fue de 48 horas 28 minutos. En el segundo caso, el satélite llegó con un retraso de 22 minutos. De esto se concluyó que la luz necesitaba 22 minutos para recorrer la distancia desde la observación anterior hasta la observación actual. Conociendo la distancia y el tiempo de retardo de Ío, calculó la velocidad de la luz, que resultó ser enorme, aproximadamente 300.000 km/s 4 .
La velocidad de la luz fue medida por primera vez mediante un método de laboratorio por el físico francés Fizeau en 1849. Obtuvo un valor para la velocidad de la luz igual a 313.000 km/s.
Según datos modernos, la velocidad de la luz es 299.792.458 m/s ±1,2 m/s.
Interferencia de la luz.
Es bastante difícil obtener una imagen de la interferencia de las ondas luminosas. La razón de esto es que las ondas de luz emitidas por diferentes fuentes no son consistentes entre sí. Deben tener las mismas longitudes de onda y una diferencia de fase constante en cualquier punto del espacio 5. La igualdad de longitudes de onda es fácil de lograr utilizando filtros de luz. Pero es imposible lograr una diferencia de fase constante debido al hecho de que los átomos de diferentes fuentes emiten luz independientemente unos de otros 6 .
Sin embargo, se pueden observar interferencias de luz. Por ejemplo, un arco iris de colores sobre una pompa de jabón o sobre una fina película de queroseno o aceite sobre agua. El científico inglés T. Young fue el primero en tener la brillante idea de que el color se explica por la adición de ondas, una de las cuales se refleja en la superficie exterior y la otra en la interior. En este caso se produce una interferencia de 7 ondas de luz. El resultado de la interferencia depende del ángulo de incidencia de la luz sobre la película, su espesor y longitud de onda.
Ondas estacionarias.
Se observó que si balanceas un extremo de la cuerda con la frecuencia seleccionada correctamente (su otro extremo está fijo), entonces una onda continua correrá hacia el extremo fijo, que luego se reflejará con la pérdida de media onda. La interferencia entre las ondas incidentes y reflejadas dará como resultado una onda estacionaria que parece estacionaria. La estabilidad de esta onda satisface la condición:
L=nl/2, l=u/n, L=nu/n,
Donde L es la longitud de la cuerda; norte * 1,2,3, etc .; u es la velocidad de propagación de la onda, que depende de la tensión de la cuerda.
Las ondas estacionarias se excitan en todos los cuerpos capaces de oscilar.
La formación de ondas estacionarias es un fenómeno resonante que ocurre en las frecuencias resonantes o naturales de un cuerpo. Los puntos donde se anula la interferencia se denominan nodos y los puntos donde se intensifica la interferencia se denominan antinodos.
La luz es una onda electromagnética……………………………………..2
Velocidad de la luz……………………………………………………2
Interferencia de la luz……………………………………………………………….3
Ondas estacionarias…………………………………………………………3
Física 11 (G.Ya.Myakishev B.B.Bukhovtsev)
Física 10 (N.M.Shakhmaev S.N.Shakhmaev)
Notas de apoyo y tareas de prueba(G.D. Luppov)
1 palabra latina"corpúsculo" traducido al ruso significa "partícula".
2 La luz se dobla alrededor de los obstáculos.
3 El fenómeno de fortalecimiento o debilitamiento de la luz cuando se superponen haces de luz.
4 El propio Roemer obtuvo un valor de 215.000 km/s.
5 Las ondas que tienen la misma longitud y una diferencia de fase constante se llaman coherentes.
6 Las únicas excepciones son las fuentes de luz cuánticas: los láseres.
7 La suma de dos ondas, como resultado de lo cual se observa una intensificación o un debilitamiento sostenido en el tiempo de las vibraciones luminosas resultantes en diferentes puntos del espacio.
La luz puede considerarse como una onda electromagnética, cuya velocidad de propagación en el vacío es constante, o como una corriente de fotones: partículas con cierta energía, momento, momento angular intrínseco y masa cero.
En óptica, la luz se refiere a ondas electromagnéticas de un rango bastante estrecho. A menudo se entiende por luz no sólo la luz visible, sino también las regiones de amplio espectro adyacentes a ella. Históricamente, el término " luz invisible» — luz ultravioleta, luz infrarroja, ondas de radio. Longitudes de onda luz visible se encuentran en el rango de 380 a 760 nanómetros.
Una de las características de la luz es su color, que viene determinado por la frecuencia de la onda luminosa. luz blanca Es una mezcla de ondas de diferentes frecuencias. Se puede descomponer en ondas de colores, cada una de las cuales se caracteriza por una frecuencia específica. Estas ondas se llaman monocromáticas.
Velocidad de la luz
Según las últimas mediciones, la velocidad de la luz en el vacío
Medir la velocidad de la luz en varios sustancias transparentes demostró que siempre es menor que en el vacío. Por ejemplo, en el agua la velocidad de la luz disminuye 4/3 veces.
La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en la materia se llama indicador absoluto refracción de la materia.
(25)
Cuando una onda de luz pasa del vacío a la materia, la frecuencia permanece constante (el color no cambia). Longitud de onda en un medio con índice de refracción. norte cambios:
Las ondas electromagnéticas son la propagación de campos electromagnéticos en el espacio y el tiempo.
Consideremos las propiedades básicas de las ondas electromagnéticas.1. Se emiten ondas electromagnéticas. vacilante cargos.
Aceleración disponible- la condición principal para la radiación de ondas electromagnéticas.
2. Estas ondas pueden propagarse no sólo en gases, líquidos y medios sólidos, pero también en el vacío.
3. La onda electromagnética es transversal.
4. La velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío c = 300.000 km/s.
5. Al pasar de un entorno a otro la frecuencia de la onda no cambia.
6. Las ondas electromagnéticas pueden ser absorbido sustancia. Esto es debido (25)
Absorción resonante de energía por partículas cargadas de materia. Si la frecuencia natural de oscilación de las partículas dieléctricas es muy diferente de la frecuencia de la onda electromagnética, la absorción se produce débilmente y el medio se vuelve transparente a la onda electromagnética.
7. Al chocar contra la interfaz entre dos medios, parte de la onda se refleja y otra parte pasa a otro medio. refractando. Si el segundo medio es metal, entonces la onda que pasa al segundo medio decae rápidamente y La mayoría de la energía se refleja en el primer medio (los metales son opacos a las ondas electromagnéticas).
Para las ondas electromagnéticas, así como para las mecánicas, son válidas las propiedades de difracción, interferencia, polarización y otras.
Una persona percibe la mayor parte de la información sobre el mundo que le rodea a través de los órganos de la visión. Pero los propios ojos son capaces de ver sólo un tipo de energía: la electromagnética, e incluso en un rango de luz muy estrecho. Entonces ¿qué es la luz? ¿Cuáles son las fuentes famosas? radiación visible utiliza una persona? ¿Cuál es la naturaleza dual de la luz? ¿Y cuáles son sus principales propiedades? Ahora descubramos las respuestas a estas preguntas.
La luz como onda electromagnética
La luz se considera una onda electromagnética que el ojo humano puede ver. Para ello, la longitud de esta onda no debe ir más allá de los límites de 380-400 nm a 760-780 nm. Después de 780 nm comienza el rango infrarrojo, que una persona puede sentir como calor, y antes del espectro visible llega la radiación ultravioleta. Algunos insectos y pájaros pueden verlo, y la piel humana puede reaccionar bronceándose. El propio rango visible de radiación electromagnética se divide en segmentos, cada uno de los cuales es percibido por una persona como luz de un determinado color. Por ejemplo, el violeta corresponde a una longitud de onda de 380 a 440 nm, el verde a 500 a 565 nm y el rojo a 625 a 740 nm. En total, hay 7 colores primarios del espectro visible que se pueden observar al mirar un arco iris. Pero la luz blanca es una mezcla de todos los colores del espectro.
fuentes de luz
Una fuente de luz es una sustancia calentada a una determinada temperatura o excitada. La luz llega a la Tierra desde el Sol, otras estrellas, algunos planetas calientes, cometas y otros cuerpos celestes. En nuestro planeta, la fuente de luz puede ser el fuego: el fuego, la llama de una vela, antorcha o lámpara de aceite, así como una sustancia calentada. El hombre inventó y fuentes artificiales radiación visible, en particular, una lámpara incandescente, donde la luz es emitida por un filamento de tungsteno calentado por una corriente eléctrica, una lámpara fluorescente, en la que brilla una capa de fósforo, excitada por una descarga eléctrica en el gas que llena el matraz, una lámpara halógena, lámpara de mercurio y otros.
Propiedades de la luz
Reflexión
Visible radiación electromagnética Se propaga en el vacío y en medios transparentes homogéneos de forma rectilínea con una velocidad igual a aproximadamente 300.000 km/s. Al mismo tiempo, la luz tiene muchas otras propiedades. Por ejemplo, la luz se refleja en superficies opacas y el ángulo de incidencia igual al ángulo reflexiones. Como resultado, la luz reflejada por los objetos es percibida por el ojo y permite verlos. También tenga en cuenta que la Luna y algunos planetas no son fuentes de luz, pero los vemos porque estos cuerpos celestiales reflejan la radiación del sol.
Refracción
Al pasar entre dos medios con diferentes densidades ópticas, la luz es capaz de refracción. Por ejemplo, cuando un rayo pasa del aire al agua, debido a diferentes densidad óptica Estos medios cambian la velocidad y dirección del movimiento de la luz en ellos. Por eso una cuchara en un vaso de agua parece un poco rota y los guijarros en el fondo del lago parecen más cerca de lo que realmente están.
Interferencia y difracción
La naturaleza ondulatoria de la luz se manifiesta en sus propiedades como la interferencia y la difracción. La primera propiedad es la capacidad de varias ondas de sumarse para formar una onda resultante, cuyos parámetros son diferentes puntos aumentar o disminuir notablemente. El resultado de la interferencia de la luz se puede observar en forma de un juego de patrones de arco iris en burbujas de jabón, manchas de aceite o alas de insectos. Y la difracción es la capacidad de una onda de luz para rodear un obstáculo y caer en la región de su sombra geométrica, por ejemplo, la dispersión de la luz sobre gotas de agua en forma de nubes de arco iris.
Luz como una corriente de partículas.
Al mismo tiempo, la luz no sólo ha propiedades de las olas, y en algunos casos se comporta como una corriente de partículas: fotones. En particular, las leyes del fenómeno del efecto fotoeléctrico, cuando la luz que incide sobre una sustancia arranca electrones de ella, sólo pueden explicarse desde el punto de vista de la teoría corpuscular de la luz, que representa la radiación electromagnética en forma de corriente de fotones. Sin embargo, onda y teoría del fotón Las luces no sólo no se contradicen, sino que se complementan. En la comunidad científica se habla de la dualidad onda-partícula de la luz, lo que explica qué es la luz y revela sus propiedades como onda y como corriente de partículas.
La luz es una onda electromagnética. A finales del siglo XVII, dos hipótesis científicas sobre la naturaleza de la luz - corpuscular Y ola. Según la teoría corpuscular, la luz es una corriente de diminutas partículas luminosas (corpúsculos) que vuelan a enorme velocidad. Newton creía que el movimiento de los corpúsculos ligeros obedece a las leyes de la mecánica. Así, la reflexión de la luz se entendía como similar a la reflexión de una bola elástica desde un avión. La refracción de la luz se explica por el cambio en la velocidad de las partículas al pasar de un medio a otro. La teoría ondulatoria consideraba la luz como un proceso ondulatorio similar a las ondas mecánicas. De acuerdo a ideas modernas, la luz tiene una naturaleza dual, es decir. se caracteriza simultáneamente por propiedades corpusculares y ondulatorias. En fenómenos como la interferencia y la difracción pasan a primer plano las propiedades ondulatorias de la luz, y en el fenómeno del efecto fotoeléctrico, las corpusculares. En óptica, la luz se refiere a ondas electromagnéticas de un rango bastante estrecho. A menudo se entiende por luz no sólo la luz visible, sino también las regiones de amplio espectro adyacentes a ella. Históricamente, apareció el término "luz invisible": luz ultravioleta, luz infrarroja, ondas de radio. Las longitudes de onda de la luz visible oscilan entre 380 y 760 nanómetros. Una de las características de la luz es su color, que está determinada por la frecuencia de la onda de luz. La luz blanca es una mezcla de ondas de diferentes frecuencias. Se puede descomponer en ondas de colores, cada una de las cuales se caracteriza por una frecuencia específica. Estas ondas se llaman monocromo. Según las últimas mediciones, la velocidad de la luz en el vacío se llama la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en la materia. índice de refracción absoluto sustancias.
Cuando una onda de luz pasa del vacío a la materia, la frecuencia permanece constante (el color no cambia). Longitud de onda en un medio con índice de refracción. norte cambios:
Interferencia de luz- La experiencia de Jung. La luz de una bombilla con un filtro luminoso, que genera una luz casi monocromática, pasa a través de dos rendijas estrechas y adyacentes, detrás de las cuales está instalada una pantalla. En la pantalla se observará un sistema de franjas claras y oscuras (franjas de interferencia). EN en este caso una única onda de luz se divide en dos y proviene de diferentes rendijas. Estas dos ondas son coherentes entre sí y, cuando se superponen, dan un sistema de máximos y mínimos de intensidad luminosa en forma de franjas oscuras y claras del color correspondiente.
Interferencia de luz- condiciones máximas y mínimas. condición máxima: Si la diferencia óptica en la trayectoria de las ondas contiene un número par de medias ondas o un número entero de ondas, entonces se observa un aumento en la intensidad de la luz (máx.) en un punto determinado de la pantalla. , donde está la diferencia de fase de las ondas agregadas. Condición mínima: Si la diferencia en la trayectoria de la onda óptica se ajusta número impar medias ondas, entonces en el punto hay un mínimo.
