2-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

5. Волновая и квантовая оптика

УРОК 17/75

Тема. Давление света

Цель урока: объяснить физическую природу давления света с точки зрения электромагнитной и квантовой теорий.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Почему свет оказывает давление

Для объяснение светового давления рассмотрим действие электромагнитной волны, падающей на металлическую пластину перпендикулярно ее поверхности. Под действием электрического поля волны свободные электроны будут двигаться с некоторой скоростью в направлении, противоположном направлению вектора напряженности . Со стороны магнитного поля волны на движущийся электрон действует сила Лоренца. Если, воспользовавшись правилом левой руки, определить направление силы Лоренца, то увидим, что он совпадает с направлением распространения волны. Суммарная сила Лоренца, действующая на электроны пластины, и является силой давления, а отношение этой силы к площади поверхности определяет давление электромагнитной волны.

Максвелл теоретически доказал, что давление, создаваемое электромагнитной волной на абсолютно непрозрачное тело можно определить по формуле:

где R - коэффициент отражения, ωcp - средняя плотность энергии волны.

Зеркальная поверхность полностью отражает свет, поэтому R3 = 1. Черная поверхность, наоборот, полностью поглощает свет, поэтому Rч и рч = ωcp. Следовательно, давление, создаваемое светом на зеркальную поверхность вдвое больше, чем давление на черную поверхность.

Предсказано Максвеллом существования светового давления было экспериментально подтверждено П. М. Лебедевым, 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя для этого чувствительные крутильные весы. Теория и эксперимент совпали. Опыты Лебедева - экспериментальное свидетельство факта: фотоны имеют импульс.

2. Квантовое объяснение давления света

Пусть параллельный пучок монохроматического света падает на тело перпендикулярно его поверхности.

За интервал времени Δt на поверхность падает N фотонов. Каждый из поглощенных фотонов передает телу импульс, равный а каждый из отраженных -

Если R - коэффициент отражения фотонов, то RN фотонов отражается от тела, а (1 - R)N - поглощается. Суммарный импульс, передают телу все N фотонов, равна:

где W = Nhv - суммарная энергия всех фотонов.

Сила давления, согласно второму закону Ньютона, равна F = Δp/Δt, поэтому давление света определяют из соотношения:

где - объемная плотность энергии падающего света.

Таким образом, выражение для давления света, полученный в рамках квантовой теории, полностью совпадает с выражением для давления света, предусмотренным теорией Максвелла.

3. Корпускулярно-волновой дуализм

Классическая физика всегда четко разграничивало объекты, имеющие волновую природу (например, свет и звук), и объекты, имеющие дискретную корпускулярную структуру (например, системы материальных точек). Одно из наиболее значительных достижений современной физики - убеждение в ошибочности противопоставлений волновых и квантовых свойств света. Рассматривая свет как поток фотонов, а фотоны как кванты электромагнитного излучения, имеющих одновременно волновые и корпускулярные свойства, современная физика смогла объединить, казалось бы, непримиримые теории - волновую и корпускулярную. В результате возникло представление о корпускулярно-волновой дуализм, лежащий в основе всей современной физики.

Ø Корпускулярно-волновой дуализм - проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Следовательно, квант света - это не волна, но и не корпускула в понимании Ньютона. Фотоны - особые микрочастицы, энергия и импульс которых (в отличие от обычных материальных точек) выражаются через волновые характеристики - частоту и длину волны.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Что называют давлением? силой давления?

2. В каком случае давление света больше: во время его падения на зеркальную поверхность или на черную?

3. Почему давление света зависит от типа поверхности?

Второй уровень

1. Как направлены электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне?

2. Назовите отличительные свойства частиц вещества и частиц электромагнитного поля (фотонов).

3. Меняется энергия фотона при переходе из одной среды в другую?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Свет нормально падает на поверхность твердого тела. Сравните давление света на эту поверхность в трех случаях: а) поверхность зеркальная; б) поверхность черная; в) поверхность белая. Обоснуйте свой ответ.

2. Почему хвост кометы, летящей к Солнцу, направленный от Солнца?

2). Учимся решать задачи

1. Найдите импульс фотона видимого света длиной волны в вакууме 600 нм.

2. Найдите импульс фотона ультрафиолетового излучения частотой 1,5 · 1015 Гц.

3. На поверхность твердого тела нормально падает излучение лазера длиной волны 660 нм. Какой импульс передает поверхности каждый фотон, что падает? Рассмотрите два случая: а) поверхность черная; б) поверхность зеркальная.

4. На один квадратный метр поверхности тела за 1 с падает 105 фотонов с длиной волны 500 нм. Определите световое давление, если все фотоны: а) тело отражает; б) тело поглощает.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Опыты Лебедева - экспериментальное свидетельство того, что фотоны имеют импульс.

• Корпускулярно-волновой дуализм - проявление у того самого объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Домашнее задание

1. Подр-1: § 49; подр-2: § 23 (п. 3).

2. Сб.:

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.