Головна ⇒ 📌Плани-конспекти уроків по фізиці ⇒ Тиск світла

Тиск світла

2-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

5. Хвильова й квантова оптика

УРОК 17/75

Тема. Тиск світла

Мета уроку: пояснити фізичну природу тиску світла з погляду електромагнітної й квантової теорій.

Тип уроку: комбінований урок.

ПЛАН УРОКУ

Контроль знань

15 хв.

Самостійна робота № 11 “Квантові властивості світла. Закони фотоефекту”.

Вивчення нового матеріалу

25 хв.

1. Чому світло чинить тиск.

2. Квантове пояснення тиску світла.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Закріплення вивченого матеріалу

5 хв.

1. Якісні питання.

2. Навчаємося розв’язувати задачі.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Чому світло чинить тиск

Для пояснення світлового тиску розглянемо дію електромагнітної хвилі, що падає на металеву пластину перпендикулярно до її поверхні. Під дією електричного поля хвилі вільні електрони будуть рухатися з деякою швидкістю в напрямку, протилежному до напрямку вектора напруженості . З боку магнітного поля хвилі на рухомий електрон

діє сила Лоренца. Якщо, скориставшись правилом лівої руки, визначити напрямок сили Лоренца, то побачимо, що він збігається з напрямком поширення хвилі. Сумарна сила Лоренца, що діє на електрони пластини, і є силою тиску, а відношення цієї сили до площі поверхні визначає тиск електромагнітної хвилі.

Максвелл теоретично довів, що тиск, створюваний електромагнітною хвилею на абсолютно непрозоре тіло можна визначити за формулою:

Де R – коефіцієнт відбиття, ?cp – середня густина енергії хвилі.

Дзеркальна поверхня повністю відбиває світло, тому R3 = 1. Чорна поверхня, навпаки, повністю поглинає світло, тому Rч і рч = ?cp. Отже, тиск, створюваний світлом на дзеркальну поверхню, удвічі більший, ніж тиск на чорну поверхню.

Передбачене Максвеллом існування світлового тиску було експериментально підтверджене П. М. Лебедєвим, що 1900 р. виміряв тиск світла на тверді тіла, використовуючи для цього чутливі крутильні ваги. Теорія й експеримент збіглися. Досліди Лебедєва – експериментальне свідчення факту: фотони мають імпульс.

2. Квантове пояснення тиску світла

Нехай паралельний пучок монохроматичного світла падає на тіло перпендикулярно до його поверхні.

За інтервал часу? t на поверхню падає N фотонів. Кожний з поглинених фотонів передає тілу імпульс, що дорівнює а кожний з відбитих –

Якщо R – коефіцієнт відбиття фотонів, то RN фотонів відбивається від тіла, а (1 – R)N – поглинається. Сумарний імпульс, що передають тілу все N фотонів, дорівнює:

Де W = Nhv – сумарна енергія всіх фотонів.

Сила тиску, відповідно до другого закону Ньютона, дорівнює F = ?p/?t, тому тиск світла визначають зі співвідношення:

Де – об’ємна густина енергії падаючого світла.

Таким чином, вираз для тиску світла, отриманий у рамках квантової теорії, повністю збігається з виразом для тиску світла, передбаченим теорією Максвелла.

3. Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Класична фізика завжди чітко розмежовувала об’єкти, що мають хвильову природу (наприклад, світло й звук), і об’єкти, що мають дискретну корпускулярну структуру (наприклад, системи матеріальних точок). Одне з найбільш значних досягнень сучасної фізики – переконання в помилковості протиставлень хвильових і квантових властивостей світла. Розглядаючи світло як потік фотонів, а фотони як кванти електромагнітного випромінювання, що мають одночасно хвильові й корпускулярні властивості, сучасна фізика змогла об’єднати, здавалося б, непримиренні теорії – хвильову й корпускулярну. У результаті виникло уявлення про корпускулярно-хвильовий дуалізм, що лежить в основі всієї сучасної фізики.

O Корпускулярно-хвильовий дуалізм – проявлення у поводженні того самого об’єкта як корпускулярних, так і хвильових властивостей.

Отже, квант світла – це не хвиля, але й не корпускула в розумінні Ньютона. Фотони – особливі мікрочастинки, енергія й імпульс яких (на відміну від звичайних матеріальних точок) виражаються через хвильові характеристики – частоту й довжину хвилі.

ПИТАННЯ ДО УЧНІВ У ХОДІ ВИКЛАДУ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

Перший рівень

1. Що називають тиском? силою тиску?

2. У якому випадку тиск світла більше: під час його падіння на дзеркальну поверхню чи на чорну?

3. Чому тиск світла залежить від типу поверхні?

Другий рівень

1. Як напрямлені електричне й магнітне поля в електромагнітній хвилі?

2. Назвіть відмітні властивості частинок речовини й частинок електромагнітного поля (фотонів).

3. Чи змінюється енергія фотона під час переходу з одного середовища в інше?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. Світло нормально падає на поверхню твердого тіла. Порівняйте тиск світла на цю поверхню в трьох випадках: а) поверхня дзеркальна; б) поверхня чорна; в) поверхня біла. Обгрунтуйте свою відповідь.

2. Чому хвіст комети, що летить до Сонця, напрямлений від Сонця?

2). Навчаємося розв’язувати задачі

1. Знайдіть імпульс фотона видимого світла довжиною хвилі у вакуумі 600 нм.

2. Знайдіть імпульс фотона ультрафіолетового випромінювання частотою 1,5 – 1015 Гц.

3. На поверхню твердого тіла нормально падає випромінювання лазера довжиною хвилі 660 нм. Який імпульс передає поверхні кожний фотон, що падає? Розгляньте два випадки: а) поверхня чорна; б) поверхня дзеркальна.

4. На один квадратний метр поверхні тіла за 1 с падає 105 фотонів довжиною хвилі 500 нм. Визначте світловий тиск, якщо всі фотони: а) тіло відбиває; б) тіло поглинає.

ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ НА УРОЦІ

– Досліди Лебедєва – експериментальне свідчення того, що фотони мають імпульс.

– Корпускулярно-хвильовий дуалізм – проявлення у того самого об’єкта як корпускулярних, так і хвильових властивостей.

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 49; підр-2: § 23 (п. 3).

2. Зб.:

Рів1 № 15.1; 15.2; 15.7; 15.9.

Рів2 № 15.24; 15.28; 15.29; 15.30.

Рів3 № 15.40, 15.41; 15.42; 15.43.