Меню сайта

11 класс
Колебания и волны

Глава 8. Волновая оптика

Максвелл показал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме должна быть равна скорости света. На основании этого он предположил, что свет представляет собой электромагнитную волну. Кроме того, из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны являются поперечными.

После того как Герц экспериментально получил и исследовал электромагнитные волны, а также измерил их скорость, электромагнитная теория света нашла экспериментальное подтверждение. При этом оказалось, что электромагнитные волны при распространении обнаруживают те же свойства, что и световые: отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, поляризацию и др. В этой главе будут рассмотрены физические явления, связанные с волновой природой света.

§ 48. Измерение скорости света. Дисперсия света

Измерение скорости света.

Сейчас нам известно, что скорость распространения света в вакууме приближённо равна 3 ∙ 10⁸ м/с. Для определения её значения использовались различные методы. Рассмотрим лишь некоторые из них.

Скорость света впервые удалось измерить датскому астроному Олафу Рёмеру (1644—1710) в 1676 г. Он наблюдал затмения спутников Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Юпитер, в отличие от Земли, имеет не менее 60 спутников. Ближайший его спутник — Ио — стал предметом наблюдений Рёмера. Рёмер видел, как спутник проходил перед планетой, а затем заходил в её тень и пропадал из поля зрения. Затем Ио опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин. Вначале измерения проводились в то время, когда Земля при своём движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру (рис. 8.1).

Такие же измерения, проведённые шесть месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера на диаметр своей орбиты, неожиданно показали, что спутник не успел появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио.

Зная запаздывание появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость, разделив это расстояние (диаметр орбиты Земли) на время запаздывания. Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 215 000 км/с. Пo этой причине крайне трудно измерить время распространения света между двумя удалёнными точками на Земле. Ведь за 1 с свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Впервые скорость света лабораторным методом измерил французский физик Арман Ипполит Физо (1819—1896) в 1849 г. В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1 (рис. 8.2).

После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстро вращающегося зубчатого колеса. Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находившегося на расстоянии нескольких километров от колеса. Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был опять пройти между зубцами. Когда колесо вращалось медленно, свет, отражённый от зеркала, был виден. При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал.

В чём же здесь дело? Пока свет, прошедший между двумя зубцами, распространялся 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 успело повернуться настолько, что на место прежней прорези встала уже новая прорезь. Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света. В опыте Физо данное расстояние составляло 8,6 км, и для скорости света было получено значение 313 000 км/с.

Впоследствии было разработано ещё много других, более точных лабораторных методов измерения скорости света. Например, американский физик Альберт Майкельсон (1852—1931) определил скорость света с помощью вращающейся восьмигранной зеркальной призмы. Полученное значение оказалось равным 299 774 км/с. По современным данным скорость света в вакууме составляет 299 792 458 м/с ¹.

---

¹ В 1983 г. на заседании Генеральной конференции мер и весов было принято новое определение метра: «Метр есть длина пути, пройденного светом в вакууме в течение временного интервала, равного 1/299 792 458 с». Из этого определения следует, что скорость света принимается равной 299 792 458 м/с. Это сделано для того, чтобы каждый раз не менять определение метра по мере увеличения точности измерения расстояний.

Ошибка в её измерении не превышает 0,3 м/с. Отметим, что наиболее точные измерения скорости основаны не на определении времени прохождения светом определённого расстояния, а на высокоточном измерении частоты и длины электромагнитной волны.

Дисперсия света. Опыты Ньютона.

Занимаясь усовершенствованием телескопов, Ньютон обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено. Он заинтересовался этим явлением и первым «исследовал разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов, каких до того никто даже не подозревал» (слова из надписи на надгробном памятнике Ньютону). Конечно, радужную окраску изображения, даваемого линзой, наблюдали и до Ньютона. Было также замечено, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму. Пучок световых лучей, прошедших через призму, окрашивается по краям.

Рассмотрим опыты Ньютона по наблюдению и изучению прохождения белого (солнечного) света через стеклянные призмы. В одном из них он направил на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемнённую комнату через маленькое отверстие в ставне.

Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлинённое изображение с радужным чередованием цветов (оно было названо спектром). Стилизованное изображение опыта Ньютона показано на рисунке 8.3.

В спектре белого света наблюдалось семь основных цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый.

Ньютон провёл серию опытов со скрещенными призмами. Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что не призма окрашивает белый свет, как предполагалось раньше. Призма не изменяет свет, а лишь разлагает его на составные части. Белый свет имеет сложную структуру. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета. Если с помощью второй призмы, повёрнутой на 180° относительно первой, собрать все пучки спектра, то опять получится белый свет. Выделив же какую-либо часть спектра, например зелёную, и заставив свет пройти ещё через одну призму, мы уже не получим дальнейшего изменения окраски. «Вид цвета, — писал Ньютон, — свойственный каждому отдельному сорту лучей, не изменяется ни преломлением, ни отражением от естественных тел, ни какой-либо другой причиной, которую я мог бы наблюдать».

Другой важный вывод, к которому пришёл Ньютон, был сформулирован им в трактате «Оптика» (1704). «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости» (для них стекло имеет различные показатели преломления). При этом наиболее сильно преломляются лучи фиолетового цвета, а лучи красного цвета испытывают наименьшее отклонение. Благодаря тому что угол преломления в призме различен для световых лучей разного цвета, из неё они выходят разделёнными. Это означает, что показатель преломления вещества зависит от цвета падающего на него светового луча.

Зависимость показателя преломления вещества от цвета светового луча называют дисперсией.

В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель, освещённая ярким источником. За щелью располагалась линза, дающая на экране изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (рис. 8.4), то изображение щели будет растянуто в спектр.

Вам известно, что абсолютный показатель преломления n = c / υ. Луч красного цвета преломляется меньше из-за того, что он имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета — наименьшую скорость. Именно поэтому призма и разлагает свет. В вакууме скорости лучей разного цвета одинаковы.

Цвет света определяется длиной электромагнитной волны (или частотой колебаний), так как ѵ = c / λ. C учётом этого можно дать другое определение дисперсии света.

Вопросы:

1. В чём состоит астрономический метод измерения скорости света?

2. В чём заключался опыт Физо?

3. Чему равна скорость света по современным данным?

4. Опишите опыты Ньютона по наблюдению дисперсии света.

5. Лучи какого цвета преломляются в стеклянной треугольной призме наиболее сильно?

6. Чем обусловлено явление дисперсии света?

Вопросы для обсуждения:

1. Как объяснить, что при освещении солнечным светом мы видим траву зелёной, а розы — красными?

2. Какого цвета будет казаться нам зелёная трава и листья деревьев, если их рассматривать через красное стекло?

3. Почему с Земли небо видно голубым, а с Луны — чёрным?