Розвиток уявлень про природу світла

Світлові хвилі та їх основні властивості, швидкість світла, світловий вектор. Інтенсивність світлових хвиль.

СВІТЛОВА ХВИЛЯ - електромагнітна хвиля видимого діапазону довжин хвиль. Частота світлової хвилі (або набір частот) визначає "колір". Енергія, що переноситься світловою хвилею, пропорційна квадрату її амплітуди.

Основні властивості СВІТЛОВОЇ хвилі, що відрізняють її від хвиль взагалі - це, по-перше, те, що це ЕЛЕКТРОМАГНІТНА хвиля, те, що вона поперечна, і, отже, має поляризацію, та й діапазон частот (довжин хвиль), який і визначає, що вона світлова, а не радіо та не рентген :-). Крім того, її властивістю є постійна швидкість поширення у вакуумі (с), залежність швидкості від властивостей речовини та від частоти (дисперсія), особливий вираз для енергії-імпульсу (вектор Пойнтінга)

Основні властивості ХВИЛЬ ЗАГАЛЬНО - інтерференція, диффракція, відбиток, заломлення. Проте заломлення - це наслідок залежності швидкості від властивостей середовища.

Швидкість світла у вакуумі - абсолютна величина швидкості поширення електромагнітних хвиль у вакуумі

СВІТЛОВИЙ ВЕКТОР - вектор щільності світлового потоку, що визначає величину та напрямок перенесення світлової енергії. Абс. величина С. в.- відношення світлової енергії, що переноситься через майданчик, перпендикулярну напрямку перенесення, в одиницю часу, до величини цього майданчика.

Інтерференція світла. Умови максимуму та мінімуму. Когерентність та монохроматичність світлових хвиль.

Інтерференціясвітла - перерозподіл інтенсивності світла внаслідок накладання (суперпозиції) кількох когерентних світлових хвиль. Це супроводжується що чергуються у просторі максимумами і мінімумами інтенсивності. Її розподіл називається інтерференційною картиною.

Умова максимуму: Різниця ходу хвиль дорівнює цілому числу довжин хвиль (інакше парному числу довжин напівхвиль).

Умова мінімуму: Різниця ходу хвиль дорівнює непарному числу довжин напівхвиль.

КОГЕРЕНТНІСТЬ (від лат. cohaerentio - зв'язок, зчеплення) - узгоджене протікання у просторі та в часі кількох коливальних або хвильових процесів, при якому різниця їх фаз залишається постійною. Це означає, що хвилі (звук, світло, хвилі на поверхні води та ін. ) поширюються синхронно, відстаючи одна від одної на цілком певну величину. При складанні когерентних коливань виникає інтерференція; амплітуду сумарних коливань визначає різницю фаз. Монохроматичність світлових хвиль означає незмінність у часі їх довжин та частот коливань

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії речовини. Гази, рідини та тверді тіла. Статистичний та термодинамічний методи дослідження.

Молекулярно-кінетичною теорієюназивають вчення про будову та властивості речовини на основі уявлення про існування атомів та молекул як найменших частинок хімічних речовин.

В основі молекулярно-кінетичної теорії лежать три основні положення:

Усі речовини – рідкі, тверді та газоподібні – утворені з найдрібніших частинок – молекул, які складаються з атомів Молекули хімічної речовини може бути простими і складними, тобто. складатися з одного чи кількох атомів. Молекули і атоми є електрично нейтральні частинки. Припевних умов молекули і атоми можуть набувати додаткового електричного заряду і перетворюватися на позитивні або негативні іони.
Атоми та молекули перебувають у безперервному хаотичному русі.
Частинки взаємодіють одна з одною силами, що мають електричну природу. Гравітаційна взаємодія між частинками дуже мало.

Тверді тіла

Відповідно до молекулярно-кінетичної теорії речовина складається з найдрібніших частинок (молекул, атомів або іонів), стабільність яких підтримують внутрішньомолекулярні сили. У твердому тілі ці сили досить великі у тому, щоб утримати молекули разом, надаючи цій речовині його жорстку форму. Молекули в твердому тілі здійснюють безперервний коливальний рух біля деякого середнього становища. Вони не переміщуються усередині об'єму твердого тіла. У міру підвищення температури амплітуда коливань молекул збільшується, а водночас зростає кількість молекул, що відірвалися від середнього становища, навколо якого вони коливали.

Рідини

Внутрішньомолекулярні сили в рідинах менші, ніж у твердому тілі, і тому рідини набувають форми судини, в якій вони знаходяться. Молекули рідин також здійснюють коливальні рухи, але оскільки вони рухаються більш вільно, ніж молекули твердого тіла, то за тієї ж температури вони переміщаються з досить великою швидкістю і на великі відстані всередині самої рідини. Молекули в рідинах перебувають у великих відстанях друг від друга, ніж у твердому тілі.

Гази

У газах внутрішньомолекулярні сили набагато слабші, ніж у твердих тілах та рідинах, і молекули можуть займати будь-яке вільне місце. Молекули газів рухаються безладно з досить високою швидкістю, що становить принормальних температурі та тиску

400 м/с. Молекули в газах за нормальних умов приблизно в 10 разів далі відстоять один від одного, ніж у двох інших станах речовини. Наслідком інтенсивного молекулярного руху є те, що гази дуже легко змішуються.

Процеси, вивчені молекулярної фізикою, є результатом сукупного впливу великої кількості молекул. Закони поведінки величезного числа молекул, будучи статистичними закономірностями, вивчаються за допомогою статистичного методу. Цей метод заснований на тому, що властивості макроскопічної системи в кінцевому рахунку визначаються властивостями частинок системи, особливостями їх руху і усередненими значеннями динамічних характеристик цих частинок. (швидкості, енергії тощо). Наприклад, температура тіла визначається швидкістю хаотичного руху його молекул, але оскільки будь-якої миті часу різні молекули мають різні швидкості, вона може бути виражена лише через середнє значення швидкості руху молекул. Не можна говорити про температуру однієї молекули. Таким чином, макроскопічні характеристики тіл мають фізичний зміст лише у разі великої кількості молекул.

Термодинаміка - розділ фізики, що вивчає загальні властивості макроскопічних систем, що перебувають у стані термодинамічної рівноваги, та процеси переходу між цими станами. Термодинаміка не розглядає мікропроцеси, що лежать в основі цих перетворень.Цим термодинамічний методвідрізняється від статистичного. Термодинаміка базується на двох засадах – фундаментальних законах, встановлених у результаті узагальнення дослідних даних.

Розвиток уявлень про природу світла. Фотометричні величини: світловий потік, сила світла, освітленість, світність та яскравість світла.

РозвитокУявлення про природу світла Перші уявлення про природу світла виникли у давніх греків та єгиптян. У міру винаходу та вдосконалення різних оптичних приладів (параболічного дзеркала, мікроскопа, зорової труби) ці уявлення розвивалися та трансформувалися. Наприкінці XVII століття виникли дві теорії світла: корпускулярна (І. Ньютон) та хвильова (Р. Гук та Х. Гюйгенс).

Відповідно до корпускулярної теорії, світло є потік частинок (корпускул), що випромінюються світними тілами. Ньютон вважав, що рух світлових корпускул підпорядковується законам механіки. Так, відображення світла розумілося аналогічно відображенню пружної кульки від площини. Заломлення світла пояснювалося зміною швидкості корпускул при переході з одного середовища до іншого. Для випадку заломлення світла на межі вакуум-середовище корпускулярна теорія призводила до наступного виду закону заломлення:

де c - швидкість світла у вакуумі, - швидкість поширення світла в середовищі. Оскільки n > 1, з корпускулярної теорії випливало, що швидкість світла в середовищах повинна бути більшою за швидкість світла у вакуумі. Ньютон намагався пояснити появу інтерференційних смуг, допускаючи певну періодичність світлових процесів. Таким чином, корпускулярна теорія Ньютона містила у собі елементи хвильових уявлень.

Найважливішу роль з'ясуванні природи світла зіграло досвідчене визначення його швидкості. Починаючи з кінця XVII століття, робилися неодноразові спроби вимірювання швидкості світла різними методами (астрономічний метод А. Фізо, метод А. Майкельсона). Сучасна лазерна техніка дозволяє вимірювати швидкість світла з дуже високою точністю на основі незалежних вимірювань довжини хвилі λ та частоти світла ν (c = λ · ν). Таким шляхом було знайдено значення, що перевищуєточності все раніше отримані значення більш ніж на два порядки.

Світло відіграє надзвичайно важливу роль у нашому житті. Переважна кількість інформації про навколишній світ людина одержує за допомогою світла. Однак, в оптиці як розділі фізики під світлом розуміють не тільки видиме світло, але й широкі діапазони спектру електромагнітного випромінювання, що примикають до нього, - інфрачервоний (ІЧ) і ультрафіолетовий (УФ). За своїми фізичними властивостями світло принципово не відрізняється від електромагнітного випромінювання інших діапазонів - різні ділянки спектру відрізняються один від одного тільки довжиною хвилі λ і частотою ν. .

Електромагнітна теорія світла дозволила пояснити багато оптичних явищ, таких як інтерференція, дифракція, поляризація і т. д. Проте, ця теорія не завершила розуміння природи світла. Вже на початку XX століття з'ясувалося, що ця теорія є недостатньою для тлумачення явищ атомного масштабу, що виникають при взаємодії світла з речовиною. Для пояснення таких явищ, як випромінювання чорного тіла, фотоефект, ефект Комптон та ін. потрібно введення квантових уявлень. Наука знову повернулася до ідеї корпускул – світлових квантів. Той факт, що світло в одних дослідах виявляє хвильові властивості, а в інших – корпускулярні, означає, що воно має складну подвійну природу, яку прийнято характеризувати терміном корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Світловий потік – величина, що дорівнює світловій енергії (оцінюється за зоровим відчуттям), що проходить через задану поверхню за одиницю часу: де W – кількість світлової енергії, що проходить через задану поверхню за час t. Одиницею світлового потоку в СІ є люмен (лм).градусах. - це коли сферична хвиля, а кандели - це квадратних метрів - тобто. хвиля плоска.

Сила світла - фізична величина, одна з основних світлових фотометричних величин [1]. Характеризує величину світлової енергії, що переноситься у певному напрямі за одиницю времени[2]. Кількісно дорівнює відношенню світлового потоку, що поширюється всередині елементарного кута тілесного, до цього куту.

Освітлення — відношення світлового потоку, що падає на малу ділянку поверхні, до його площі.

У фотометрії, світність — це світловий потік випромінювання, що випускається з малої ділянки поверхні, що світиться одиничної площі. Вона дорівнює відношенню світлового потоку, що виходить від малої ділянки поверхні, що розглядається, до площі цієї ділянки

Яркість джерела світла - це світловий потік, що посилається в даному напрямку, поділений на малий (елементарний) тілесний кут поблизу цього напрямку і на проекцію площі джерела на площину, перпендикулярну до осі спостереження. Інакше кажучи - це відношення сили світла, що випромінюється поверхнею, до площі її проекції на площину, перпендикулярну до осі спостереження.