Развитие взглядов на природу света - Световые волны - Оптика

Цель: рассказать о двух гипотезах, что такое свет.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

1. Рассказ учителя.

Ответ на вопрос о природе световых волн был получен на основании длинного ряда наблюдений над особенностями световых явлений. При этом, как обычно бывает, при развитии наших научных воззрений представления о природе света менялись по мере того, как накапливались новые сведения и данные.

Два способа передачи воздействия

От источника света свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, нагревание. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приемнику). Действие одного тела на другое осуществляется двумя способами:

1) с переносом вещества;

2) с изменением состояния среды.

2. Проведение экспериментов.

Эксперимент 1

На штативе помещен колокольчик. Кидаем в него шарик. Колокольчик звенит. Здесь был перенос вещества.

Эксперимент 2

Привязать к язычку колокольчика шнурок и дернуть за него. В этом случае переноса вещества нет. Происходит изменение состояния (формы) веревки.

3. Продолжение рассказа учителя.

В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приемнику возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа.

Причем, возникли они почти одновременно в XVII веке. Одна была связана с именем X. Гюйгенса и поддерживалась Л. Эйлером, М. В. Ломоносовым и В. Франклином. А другая - с именем Ньютона.

И. Ньютон предложил придерживаться корпускулярной теории света, согласно которой свет - это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества).

Согласно предположениям Гейгенса, свет - это волны, распространяющиеся в особой, гипотетической среде - эфире, заполняющем все пространство и проникающем внутрь всех тел. Обе теории долгое время существовали параллельно. Известные в то время законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями.

На основе корпускулярной теории трудно было объяснить, почему световые пучки, пересекаясь, никак не действуют друг на друга. Волновая же теория это легко объясняла. Поверхностные волны воды свободно проходят сквозь друг друга, не оказывая взаимного влияния.

Но исходя из волновой теории трудно объяснить образование резких теней. Корпускулярная же теория объясняла это следствием закона инерции.

В дальнейшем волновая теория была развита в работах М. В. Ломоносова, А. Эйлера, Т. Юнга, О. Френеля, Дж.-К. Максвелла.

М. В. Ломоносов в своем труде «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее» (1756 г.) объясняет механизм распространения света.

Он вводит понятие о колебательном движении частиц эфира. Свет, представляет собой распространение и передачу колебательного движения в эфире - от одних частиц к соседним. В рассуждениях Ломоносова содержится идея о поперечности световых волн.

Различие цветов тел Эйлер связывал с неодинаковыми частотами колебаний. Каждому цвету соответствует определенная частота.

Большое развитие и завершенность волновая теория света получила в работах Т. Юнга и О. Френеля. Юнг определил длину световой волны. Работы этих ученых были посвящены интерференции, дифракции и поляризации света.

Электромагнитная природа света была создана Дж.-К. Максвеллом и подтверждена опытами Г. Герца. При распространении свет ведет себя как волны.

Ньютон считал, что свет состоит из световых частиц - корпускул, к движению которых он применял законы механики.

Корпускулы движутся в однородной среде с огромными скоростями. При отражении и преломлении света на корпускулы действуют силы со стороны отражающей или преломляющей среды, меняющей их скорость. Это приводит к изменению направления распространения потока частиц, т. е. света.

Однако в начале XX века представления о природе света начали коренным образом меняться.

Неожиданно оказалось, что отвергнутая корпускулярная теория все же имеет отношение к действительности. Корпускулярную теорию света в ее современном понимании создал Эйнштейн, являющийся основоположником учения о фотонной структуре света. Основу теории установил М. Планк. Большой вклад в развитие теории внес Н. Бор.

Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц.

Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения - считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света, удалось объединить в новой теории. С течением времени выяснилось, что двойственность свойств присуща не только свету, но и любой другой форме материи.

III. Подведение итогов урока

Домашнее задание

с. 171-174.

Дополнительный материал

Свет и световые явления люди начали изучать задолго до открытия электромагнитных волн. Такие известные философы древности как Пифагор (VI в. до н.э.), Аристотель (IV в. до н.э.), Евклид (III в. до н.э.) занимались изучением света. Евклид в своих трактатах обобщил ранее известные знания и изложил два закона геометрической оптики. По-видимому, Пифагор одним из первых выдвинул гипотезу о том, что тела испускают мельчайшие частицы, которые попадают в глаза, благодаря чему мы и видим окружающий мир. Одну из первых гипотез о свете как возбуждении среды выдвинул древнегреческий ученый Аристотель. Форму теории о световых волнах эта гипотеза приобрела в трудах голландского ученого-физика X. Гюйгенса (1629-1688).

Развитие взглядов на природу света и первые открытия в области физической оптики

Первые представления о том, что такое свет, относятся к древности.

В древности представления о природе света были весьма примитивными, фантастическими и к тому же весьма разнообразными. Однако несмотря на разнообразие взглядов древних на природу света, уже в то время наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в дальнейшем оформились в две конкурирующие теории - корпускулярную и волновую теории света.

Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела сначала большое число последователей. Даже такой крупнейший ученый как Евклид придерживался ее. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Евклид писал: «Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути». Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы.

Однако позже, уже в Средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу XVII в. эту точку зрения можно считать уже забытой.

Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.

Последняя точка зрения на природу света уже позже, в XVII в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом.

Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет, а как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение.

Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

В XVII в. в связи с развитием оптики вопрос о природе света вызывает все больший и больший интерес. При этом происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.

Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света хорошо объяснялось с точки зрения этой теории. Также хорошо объяснялся и закон отражения света. Да и закон преломления не противоречил этой теории.

Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В основе тогдашних представлений о строении вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII в. было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света.

В XVII в., как мы уже сказали выше, начинает развиваться и представление о волновой природе света.

Родоначальником волновой теории света нужно считать Декарта. Декарт был противником существования пустого пространства. В связи с этим он не мог считать свет потоком световых частиц. Свет, по Декарту, это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство. Эта среда получила название эфира. Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем ощущение света.

Такова точка зрения Декарта на природу света. Нужно только отметить, что в своем сочинении, посвященном специально оптике, Декарт пользуется и корпускулярной гипотезой. Но это, как он сам говорит, сделано для того, чтобы его рассуждения были более понятны. Поэтому не правы те, кто на основе только этого сочинения зачисляет Декарта в сторонники корпускулярной теории света. Ученые XVII и XVIII вв. это хорошо понимали и считали Декарта родоначальником волновой теории света.

Конечно, у Декарта нет еще представления о световых волнах. Он представляет себе свет как распространяющееся движение, или импульс в эфире. Но не это важно. Важным является то, что Декарт рассматривает свет уже не как поток частиц, а как распространение давления, или движение импульса и т. п.

Декарт пришел к отказу от корпускулярной теории света чисто умозрительным путем. Никаких опытных данных, которые говорили бы за волновую теорию света, тогда еще не было. Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди (1618-1663). Оно было опубликовано в 1665 г. после смерти ученого.

Гримальди заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с законом прямолинейного распространения света, а вместе с тем и с корпускулярной теорией. Однако он не решился полностью отказаться от этой теории.

Свет, по Гримальди, распространяющийся световой флюид (тонкая неощутимая жидкость). Когда свет встречается с препятствием, то оно вызывает волны этого флюида. Гримальди привел аналогию с волнами, распространяющимися по поверхности воды. Подобно тому как вокруг камня, брошенного в воду, образуется волна, так и препятствие, помещенное на пути света, вызывает в световом флюиде волны, которые распространяются за границы геометрической тени.

Вторым важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Простой опыт по интерференции света наблюдал Гримальди. Опыт заключается в следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один световой конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света к свету не всегда увеличивает освещенность.

Другой случай интерференции примерно в те же годы исследовал английский физик Роберт Гук (1635-1703). Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок из слюды. При этом он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки.

Гук подошел к изучению этих явлений с правильной точки зрения. Он полагал, что свет - это колебательные движения, распространяющиеся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными.

Явление интерференции света в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхности тонкой, например мыльной, пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было правильного представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний или с длиной волны, поэтому не смог разработать теорию интерференции.

Третье важное открытие, относящееся к волновой оптике, было сделано датским ученым Бартолином в 1669 г. Он открыл явление двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата. Бартолин обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенных друг относительно друга. Это явление затем исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света.

Следующий шаг в развитии волновой теории света был сделан Гюйгенсом. Гюйгенс работал над волновой теорией света в 70-х гг. XVII в. В это время он написал «Трактат о свете», содержание которого доложил Парижской академии наук. Однако опубликовано это сочинение было позже, уже после того как стали известны работы Ньютона по оптике.

Гюйгенс полагал, что все мировое пространство заполнено тонкой неощутимой средой - эфиром, который состоит из очень маленьких упругих шариков. Эфир также заполняет пространство между атомами, образующими обычные тела.

Распространение света, по Гюйгенсу, есть процесс передачи движения от шарика к шарику, подобно тому как распространяется импульс вдоль стальных шаров, соприкасающихся друг с другом и вытянутых в одну линию.

Выдвинув такую гипотезу о свете, Гюйгенс посвятил основную часть своей работы объяснению известных законов оптики: закона прямолинейного распространения света, законов отражения и преломления.

Дело в том, что в тот период от всякой теории света требовалось в первую очередь объяснить эти хорошо знакомые всем законы оптики. Эту задачу хорошо выполняла корпускулярная теория света. Но вот может ли справиться с ней волновая теория?

Ведь если свет представляет собой распространяющееся движение в эфире, то как можно объяснить закон прямолинейного распространения света? Для звука, например, волновая природа которого была ясна, такой закон, казалось, не существует. Действительно, если между наблюдателем и звучащим телом поставить небольшой экран, то ведь все равно наблюдатель будет слышать звук. Но для света это неверно. Правда, явление дифракции уже открыто, но это, очень малый эффект и на него можно не обращать внимания.

Для того чтобы показать, что волновая теория способна объяснить прямолинейное распространение света, Гюйгенс выдвигает свой известный принцип. Приведем формулировку этого принципа, данную самим Гюйгенсом.

«По поводу процесса образования этих волн следует еще отметить, что каждая частица вещества, в котором распространяется волна, должна сообщать свое движение не только ближайшей частице, лежащей на проведенной от светящейся точки прямой, но необходимо сообщает его также и всем другим частицам, которые касаются ее и препятствуют ее движению. Таким образом, вокруг каждой частицы должна образоваться волна, центром которой она является». Но каждая из этих волн чрезвычайно слаба, и световой эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая.

Но для признания волновой теории света этого было мало. Явления дифракции и интерференции не были объяснены Гюйгенсом. Но главная неудача теории Гюйгенса заключалась в том, что она была теорией бесцветного света. Вопрос о цвете в ней не рассматривался, а к тому времени Ньютон сделал новое важное открытие в оптике - он обнаружил дисперсию света.

Прежде чем перейти к изложению этого открытия, скажем еще об одном важном шаге в развитии оптики - первом определении скорости света.

Впервые скорость света была определена датским астрономом Ремером в 70-х гг. XVII в. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика. Другие же хотя и считали ее очень большой, тем не менее, конечной.

Ремер подтвердил второе мнение, проведя наблюдения над затмением спутников Юпитера. Измерив времена их затмения, он смог из полученных данных подсчитать скорость распространения света. По его подсчетам, скорость света получилась равной 300870 км/с в современных единицах.