Электромагнитная теория света
Классическая электромагнитная теория света (волновая теория света) является одной из ключевых теорий в физике, которая объясняет природу света и его взаимодействие с материей. Она устанавливает связь между электрическими и магнитными полями и распространением света как электромагнитной волны.
Основной постулат электромагнитной теории света заключается в том, что свет — это электромагнитная волна, распространяющаяся в пространстве с определенной скоростью. Эта теория была развита в результате исследований Джеймса Клерка Максвелла в 19 веке.
Учебный лабораторный стенд для изучения характеристик и схем подключения различных электрических источников света
В основе электромагнитной теории света лежат следующие ключевые идеи:
- Все заряженные частицы, будь то электроны или протоны, создают электрическое поле вокруг себя. Это электрическое поле описывается величиной, называемой электрическим зарядом. Изменения в электрическом поле вызывают электрические силы и взаимодействия между заряженными частицами.
- Ток, который представляет движение заряженных частиц, создает магнитное поле вокруг проводника. Магнитное поле порождается изменением электрического поля и взаимодействует с другими магнитными полями и заряженными частицами.
- Максвелл установил, что электрическое поле изменяется в пространстве и времени, вызывая появление магнитного поля. В свою очередь, изменения в магнитном поле порождают электрическое поле. Таким образом, электрические и магнитные поля взаимосвязаны и взаимодействуют друг с другом.
- По мере распространения электрических и магнитных полей в пространстве они создают электромагнитную волну, которая является переносчиком электромагнитной энергии и информации.
- Электромагнитные волны могут иметь различные частоты и длины волн, и их поведение определяется уравнениями Максвелла, которые описывают взаимодействие электрических и магнитных полей (смотрите — История открытия электромагнитного и его физические свойства).
Важным результатом электромагнитной теории света является вывод о том, что свет является электромагнитной волной. Световые волны могут распространяться в вакууме со скоростью света, которая составляет примерно 299 792 458 метров в секунду. Они могут иметь различные длины волн, что определяет их цветовые свойства.
Свет — это электромагнитное излучение, видимое для человеческого глаза. Он состоит из маленьких энергетических частиц, называемых фотонами, которые распространяются в виде волн. Свет имеет волновую природу, и его волны распространяются в пространстве, подобно волнам на воде. Свет возникает, когда электроны в атомах или молекулах переходят на более высокие или более низкие энергетические уровни. Когда электроны возвращаются на свои исходные энергетические уровни, они испускают энергию в виде фотонов света определенной длины волны.
С помощью электромагнитной теории света можно объяснить множество явлений, связанных со светом и его взаимодействием с материей. Например, отражение и преломление света, дисперсия (распределение света по спектру) и интерференция (взаимодействие волн) могут быть объяснены с помощью электромагнитной теории света.
Электромагнитная теория света позволяет понять различные оптические явления и она является основой для развития различных областей науки и техники, связанных с использованием света, включая оптические приборы, лазеры, оптоволокно и фотонику.
Подключение натриевой лампы высокого давления
Классическая электромагнитная теория света (волновая теория света) играет важную роль в понимании и объяснении природы света и его взаимодействия с окружающим миром. Она предоставляет фундаментальную основу для развития светотехники, светодизайна, оптики, фотоники и других дисциплин, связанных с изучением и применением света.
Световые волны
Итак, световые волны имеют ту же природу, что и радиоволны. Подобно источнику света, антенна передающей радиостанции излучает во все стороны электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью 155 300 000 км/сек. Эти волны, однако, не воспринимаются нашим глазом.
Скорость распространения света в пустоте равна 300 000 км/сек. Скорость света в воздухе практически не отличается от скорости в пустоте, в стекле она равна 200 000 км/сек, в воде 225 000 км/сек.
Длины световых волн очень малы. Их можно измерить в лаборатории, применяя специальную аппаратуру. Красная часть спектра, простирается до длин волн приблизительно в 0,0008 мм, фиолетовая — до 0,0004 мм.
Отдельные цвета отличаются друг от друга длиной световой волны. Каждому цвету соответствует вполне определенная длина волны.
Белый свет можно разложить на все цвета от красного до фиолетового, т. е. на волны длиной от 0,0008 до 0,0004 мм. Длины световых волн видимой области спектра: 0,0008 — 0,0004 мм.
Световые волны возникают в результате периодических движений мельчайших электрически заряженных частичек (электронов) внутри атомов светящегося тела.
Как связаны электромагнитная теория света и электрическое освещение
Электромагнитная теория света является основой для понимания и объяснения явлений, связанных с распространением света и его взаимодействием с материей.
Она описывает свет как электромагнитную волну, которая состоит из электрического и магнитного поля, колеблющихся перпендикулярно друг другу и распространяющихся в пространстве.
Электрическое освещение, в свою очередь, является процессом использования искусственного света для освещения помещений, объектов и поверхностей. Оно играет важную роль в нашей повседневной жизни, обеспечивая нам комфортное и безопасное окружение.
Связь между электромагнитной теорией света и электрическим освещением заключается в том, что электрический ток, протекающий через проводники, создает электрическое поле, которое в свою очередь взаимодействует с электромагнитными волнами и их распространением.
Учебный лабораторный стенд для изучения схем подключения бытовых источников света, электрических розеток и выключателей
В электрическом освещении применяются различные источники света, такие как лампы накаливания, люминесцентные лампы, газоразрядные лампы высокого давления, светодиоды и т.д. Все они основаны на использовании электрического тока, который приводит к излучению энергии в виде световых волн.
Например, в случае лампы накаливания, электрический ток протекает через нить накаливания, нагревая ее до высокой температуры и вызывая излучение видимого света.
В случае светодиодов, электрический ток приводит к электронным переходам в полупроводниковом материале, что вызывает излучение света определенной длины волны.
Таким образом, электромагнитная теория света обеспечивает физическое объяснение процессов, связанных с электрическим освещением. Она помогает понять, как источники света, светотехнические приборы и другие компоненты системы освещения взаимодействуют между собой и с окружающей средой, чтобы создать нужную освещенность и обеспечить качественные показатели освещения.
А здесь смотрите что такое свет подробно с примерами и картинками: Физическая природа света и цвета
Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram «Современное освещение» и погружайтесь в мир инновационных технологий и стильного дизайна света! Подписывайтесь, чтобы быть в курсе последних трендов: Современное освещение в Telegram
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
PhysBook:Электронный учебник физики
Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.
Учебники
Механика
Кинематика
Динамика
Законы сохранения
Статика
Механические колебания и волны
Термодинамика и МКТ
МКТ
Термодинамика
Электродинамика
Электростатика
Электрический ток
Магнетизм
Электромагнитные колебания и волны
Оптика. СТО
Геометрическая оптика
Волновая оптика
Фотометрия
Квантовая оптика
Излучение и спектры
СТО
Атомная и ядерная
Атомная физика. Квантовая теория
Ядерная физика
Общие темы
Новые страницы
Запрос не дал результатов.
Свет — электромагнитная волна. Химическое действие света.
Свет — это электромагнитная волна (λ = 4 . 10 -7 – 8 . 10 -7 м), которую излучает атом.
По второму постулату Бора возможные частоты излучения
водорода равны:
где R — постоянная Ридберга, равная 3,2 . 10 15 с -1 ; п и k — номера орбит.
Таким образом, источниками света являются возбужденные
атомы и молекулы, свет генерируется при переходе атомов (молекул) из одного возбужденного состояния в другое, частота генерируемого света пропорциональна разности энергий уровней, свет излучается и поглощается в виде квантов.
Виды излучений
Тепловое
При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет (Солнце, лампа накаливания, пламя и др.).
Электролюминесценция
При разряде в газе электрическое поле увеличивает кинетическую энергию электронов. Быстрые электроны возбуждают атомы в результате неупругого соударения с ними. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн (трубки для рекламных надписей, северное сияние и др.).
Катодолюминесценция
Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой этих тел электронами (электронно-лучевые трубки телевизоров).
Хемилюминесценция
Электроны возбуждаются от химических реакций (светлячки и другие живые организмы, бактерии, насекомые, многие рыбы).
Фотолюминесценция
Падающий на вещество свет возбуждает атомы вещества, после чего они излучают свет (светящиеся краски).
Распределение энергии в спектре.
Все источники не дают свет строго определенной длины волны. Распределение излучения по частотам характеризуется спектральной плотностью интенсивности излучения Iν
Тогда интенсивность излучения с небольшого спектрального интервала Δν равна Iν . Δν.
Распределение энергии в видимой части спектра электрической дуги.
Химическое действие света
Под действием света могут происходить следующие процессы: присоединение атомов к молекулам, диссоциация, фотохимическая реакция, реакция синтеза.
Фотосинтез — процесс образования углеводов под действием света с выделением кислорода растениями и некоторыми микроорганизмами. Обеспечивает круговорот кислорода в природе.
Фотохимическая реакция разложения бромистого серебра AgBr составляет основуфотографии.
Процесс получения фотографии
Процесс получения фотоснимка состоит из четырех операций: фотосъемки, проявления фотопленки, ее закрепления (фиксирования) и фотопечати.
Фотосъемка — получение действительного изображения объекта в светочувствительном слое (эмульсия) фотопленки.
Фотоэмульсия: желатин, мелкие зерна AgBr. Квант энергии hν отрывает электроны от некоторых ионов брома, которые захватываются ионами серебра. В зернах AgBr образуются нейтральные атомы, количество которых пропорционально освещенности пленки. Эти атомы образуют скрытое изображение объекта съемки.
Проявление фотопленки: проявитель гидрохинон или метон восстанавливает бромистое серебро в свободное металлическое серебро.
В процессе закрепления в растворе тиосульфата натрия Na2S2O3 происходит удаление из фотослоя всех светочувствительных зерен солей серебра, не успевших разложиться . Закрепление завершается промывкой в воде.
Фотопечать -перенос изображения с фотопленки на светочувствительную фотобумагу. Негативное изображение с фотопленки проецируют на фотобумагу, где образуется скрытое позитивное изображение. Фотобумагу проявляют, фиксируют, промывают, сушат и получают фотографию.
Конспект урока» Свет как электромагнитная волна»
Образовательная: усвоение студентами знаний об электромагнитной природе света, установление зависимости между длиной волны и частотой электромагнитного излучения, знание диапазона световых волн, принципа Гюйгенса.
Воспитательная: формирование научного мировоззрения, системы взглядов на мир, интерес к познанию законов природы, умение применять полученные знания на практике.
Развивающая: развитие теоретического мышления, основных логических операций (умения сравнивать, обобщать, анализировать, делать выводы), развитие интеллекта.
Оборудование: учебник, лекция.
1 этап – Организационный момент (5 мин).
2 этап – Актуализация опорных знаний (10мин).
3 этап — Изучение нового материала ( 15 мин).
4 этап -Закрепление (10 мин).
5 этап — Выдача домашнего задания (5 мин).
Организационный момент
Проверка посещаемости студентов и их подготовленности к уроку: наличие учебников и тетрадей. Проверка готовности аудитории к занятию.
Актуализация опорных знаний
Для актуализации знаний проводится индивидуальный опрос.
1) Что такое электромагнитная волна?
Возможный ответ: это периодически повторяющееся изменение электрического и магнитного полей.
2) Кем впервые были обнаружены электромагнитные волны?
Возможный ответ: электромагнитные волны были обнаружены в опыте, проведенным Г. Герцом.
3) Кем была разработана теория электромагнитного поля?
Возможный ответ: теория электромагнитного поля была разработана Дж. Максвеллом.
4) Что такое колебательный контур?
Возможный ответ: это электрическая цепь, состоящая из соединенных между собой катушки индуктивности и конденсатора.
5) Что называют электромагнитным излучением?
Возможный ответ: это электромагнитные волны, создаваемые колебательным контуром.
6) Назовите способы передачи воздействия одного тела на другое.
Возможный ответ: действие одного тела на другое может осуществляться двумя способами — переносом вещества от одного тела к другому; посредством волнового процесса — перенос энергии без переноса вещества.
Изучение нового материала
Студенты записывают тему занятия «Свет как электромагнитная волна» и план лекции.
1) Краткая история развития представлений о природе света.
2) Электромагнитная природа света. Зависимость между длиной волны и частотой электромагнитного излучения. Диапазон световых волн.
3) Принцип Гюйгенса.
Вопрос 1 (студенты делают краткий конспект лекции)
История развития представлений о природе света берет свое начало еще в античности. Работы ученых древности помогли открыть следующее:
— прямолинейность распространения света — закон прямолинейного распространения света открыт Евклидом (300 г. до н.э.) — в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно;
— явление отражения света и закон отражения;
— явление преломления света;
— фокусирующее действие вогнутого зеркала.
В середине 17 века появились 2 гипотезы о природе света, которые отличались друг о друга способами передачи энергии. И. Ньютон предложил корпускулярную теорию света, по которой свет есть поток частиц, выбрасываемых с большой скоростью светящимися телами.
Основные идеи этой гипотезы:
1) Свет состоит из малых частичек вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям. Если лучи попадают в глаз, то мы видим их источник;
2) Световые корпускулы имеют разные размеры. Самые крупные дают красный цвет, самые мелкие — фиолетовый;
3) Белый цвет — смесь всех цветов;
4) Отражение света от поверхности происходит вследствие отражения корпускул от стенки по закону абсолютно упругого удара;
5) Явление преломления света объясняется тем, что корпускулы притягиваются частицами среды. Чем оптически плотнее среда, тем угол
Другую теорию — волновую — предложил Х. Гюйгенс, по которой свет представляет собой продольные колебательные движения особой светоносной среды — эфира — возбуждаемой колебаниями частиц светящегося тела.
Основные идеи данной гипотезы:
1) Свет — распространение упругих механических апериодических импульсов в эфире. Эти импульсы продольны.
2) Эфир — гипотетическая среда, заполняющая небесное пространство и промежутки между частицами тел. Не подчиняется закону всемирного тяготения, обладает большой упругостью.
3) Принцип распространения колебаний эфира таково, что каждая его точка, до которой доходит возбуждение, является центром вторичных волн. Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность — фронт волны.
Обе эти теории существовали параллельно, но, ни одна из них не могла одержать окончательную победу. Однако в начале 20 века были открыты такие свойства света, как излучение и поглощение. Эти свойства относятся к свету, если является потоком частиц. В настоящее время считается, что свет в одних случаях ведет себя как поток частиц (корпускул), в других — как электромагнитная волна. Такая природа света называется корпускулярно-волновой дуализм.
Важную роль в объяснении природы света сыграло опытное определение скорости распространения света.
Опыт Галилея
Впервые скорость света попытался Галилео Галилей в 1607 году. Он пытался измерить скорость света по времени прохождения светом известного расстояния между вершинами двух холмов. На вершине одного из холмов Галилей поставил своего ассистента, на вершине другого встал сам. Ассистенту было наказано снять крышку со своего фонаря в тот момент, когда он увидит вспышку света фонаря Галилея. Галилей измерил промежуток времени между вспышкой своего фонаря и моментом, когда он увидел вспышку фонаря ассистента. Этот промежуток оказался столь коротким, что Галилей счёл его характеризующим только быстроту реакции человека и заключил, что скорость света должна быть беспредельно велика.
Опыт Рёмера
Скорость света впервые удалось измерить датскому астроному Оле Рёмер в 1675 году. Когда Земля, вращаясь вокруг Солнца, находилась на своей орбите в положении А, Оле Рёмер наблюдал затмения одного из спутников планеты Юпитера.
Из этих наблюдений Оле Рёмер определил период обращения спутника вокруг Юпитера и рассчитал моменты затмений его на год вперёд. Проверив свои расчёты полгода спустя, Рёмер обнаружил, что затмения спутника Юпитера запаздывают относительно расчётных приблизительно на 22 мин. Такое запаздывание Оле Рёмер объяснил тем, что свет, имеющий конечную скорость распространения, проходит увеличивающееся расстояние между Юпитером и Землей за большее время. Разделив диаметр земной орбиты на время запаздывания, было получено значение скорости света:
Лабораторные методы измерения скорости света
Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику Арманом Физо в 1849 г.
В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рисунок 1). После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстровращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находящегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала , свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал. Т.о., пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.
При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым. Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало в этом случае повернуться настолько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь.
Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо при расстоянии, равном 8,6 км, для скорости света было получено значение 313 000 км/с.
Другие опыты по измерению скорости света проводил американский физик Альбертом Майкельсон. Он разработал метод определения скорости света с применением вращающихся зеркал.
Принятое в настоящее время значение скорости света с в вакууме составляет 299792458 м/с. Обычно оно округляется до 3*10 8 м/с.
Оптика — раздел физики, изучающий световые явления, выясняющий природу света, устанавливающий свойства света, закономерности его излучения, распространения и взаимодействия с веществом. Оптика подразделяется на следующие разделы:
Изучение оптики мы начнем именно с геометрической оптики. Геометрическая оптика — раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и законы его отражения от зеркальных поверхностей на основе представления о световой луче.
Распространение света в прозрачных средах рассматривается на основе представлений о свете как о совокупности световых лучей.
Световой луч — линия, указывающая направление, вдоль которого распространяется световая энергия. В действительности в природе существуют световые пучки.
Закон прямолинейного распространения света: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.
Необходимо вспомнить, как находится длина волны. Согласно электромагнитной теории света любое световое излучение является электромагнитными волнами. При этом к световым волнам относятся только те, которые вызывают у человека зрительные ощущения. Вспомним формулу, по которой можно вычислить скорость распространения любой волны:
где λ — длина волны, ν — частота волны.
Из этой формулы можно получить формулу, по которой можно вычислить длину световой волны в вакууме (заменив на ):
Из формулы можно отметить следующую закономерность: чем больше длина волны, тем меньше ее частота. При этом если световое излучение переходит из одной среды в другую, то его цвет сохраняется, т.к. сохраняется частота излучения. Цвет характеризует длину световой волны в вакууме.
Данная закономерность справедлива для любых видов волн.
Некоторые свойства, как преломление света и давление, объясняются двумя гипотезами.
Введем общий принцип, который описывает поведение волн, из которого в дальнейшем выведем законы отражения и преломления света. Этот принцип впервые был выдвинут современником Ньютона Христианом Гюйгенсом и называется принципом Гюйгенса:
Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скорость распространения волны в среде.
Эти волны слабы, и эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая поверхность — фронт волны. Фронт волны — совокупность точек, колеблющихся в одинаковой фазе.
Для того чтобы, зная положение волновой поверхности (фронта волны) в момент времени t, найти ее положение в следующий момент времени t + t , нужно каждую точку фронта рассматривать как источник вторичных волн. Точки М1, M2, M3 и т. д. являются такими источниками. Поверхность, касательная к фронтам вторичных волн, представляет собой фронт первичной волны в следующий момент времени. Этот принцип в равной мере пригоден для описания распространения волн любой природы: механических , световых и т. д. Гюйгенс сформулировал его первоначально именно для световых волн.
Закрепления изученного материала
Для закрепления изученного материала проводится групповой опрос.
1) Расскажите об истории развития представлений о природе света.
2) В чем заключается электромагнитная природа света?
3) В чем отличие световых волн от механических?
4) Как зависит длина волны от частоты электромагнитного излучения?
5) Перечислите диапазон световых волн.
6) Сформулируйте принцип Гюйгенса.
7) В чем заключается двойственная природа света?
8) Перечислите волновые свойства света.
Домашнее задание
Студенты записывают домашнее задание: прочитать параграфы из учебника «Физика» Г.Я.Мякишев § 45; выучить записанный конспект.