Що таке світло у фізиці — опис, властивості, природа світла

Питання, що таке світло у фізиці, є ключовим для багатьох галузей діяльності науки і техніки, оскільки воно викликає живий інтерес як фахівців, так і просто любителів все знати.

Використання слова “світло” у фізиці досить умовно, бо воно не передає ніяких властивостей і характеристик окремо взятого типу випромінювання. Це загальне визначення, яке зручно використовувати для такого ж загального опису природного явища.

Світло – це те явище, з яким ми стикаємося постійно, і завдяки чому взагалі існує все живе на землі.

Частинки так званого “світла” рухаються від Сонця через величезні комічні простори на Землю, висвітлюють її і надають предметам, що оточують людину, видимість і багато властивостей. На це явище можна дивитися далеко не з однієї точки зору, тому дане питання варто розглянути більш детально.

Що таке світло у фізиці

Суперечки навколо того, що ж таке світло, йшли у фізиці і науковому середовищі багато століть. Різні діячі висували найрізноманітніші теорії, що саме являє собою дане явище природи, але ніяк не могли зійтися в єдиній думці. Теорії з’являлися, як гриби після дощу, то спростовуючи, то доповнюючи одна одну.

Був створений цілий розділ фізики – оптика, завдання якого полягало у вивченні розглянутого явища.

До вивчення природи світла доклали свої талановиті руки всі видатні діячі науки, починаючи з 17 століття. Такі європейські світила, як Декарт, Гук, Юнг, Ньютон, Гейгенс, Ампер і багато інших робили багато спроб зрозуміти, чим є видиме нам випромінювання: хвилею або ж потоком частинок.

Саме це протиріччя, до якого приводили досліди, ставило дослідників у глухий кут. Вченим була ніяк не зрозуміла сполучуваність: як в одному експерименті явище може поводитися, як потік частинок, а в іншому – як електромагнітне випромінювання.

На сьогодні дане питання певною мірою вирішене. Нові знання дозволили вникнути в суть речей більш глибоко. Корпускулярну і хвильову теорію пізніше доповнила електромагнітна, далі спеціальна теорія відносності Ейнштейна, пізніше квантова теорія і, нарешті, квантова електродинаміка.

Хвильові властивості світла

Те, що світло – це хвиля випромінювання з певними хвильовими властивостями, почали припускати вчені ще в 17-18 століттях. Досліди Юнга, Френеля, Ньютона виразно показали, що хвильові характеристики виражаються у двох ключових явищах:

Саме вони мають значення при доказі того, що ми маємо справу з хвилею.

Промінь видимого діапазону випромінювання здатний як би огинати перешкоди будь-якої форми і засвічувати навіть ту область, яка нібито знаходиться в тіні. Відхилення від прямолінійного поширення, яке неможливе для твердих частинок, отримало назву дифракції.

Також доведено, що випромінювання може накладатися один на одного і як би доповнювати хвилі аналогічної природи, або ж «гасити», зменшуючу їх інтенсивність. Це явище отримало назву інтерференції.

Воно активно застосовується, наприклад, при виробництві автомобільних фар – в їх склах є спеціальна фактура, яка дозволяє використовувати інтерференцію і максимально збільшувати інтенсивність світіння.

Але твердження, що світло – це лише хвиля, також знаходить протести. Оскільки інші досліди, скажімо, вченого Вавилова, показують, що світлу властива двоїста характеристика.

Електромагнітна природа світла

Те, що звичайний сонячний промінь є електромагнітною хвилею, є доведеним науковим фактом. Над цим працювали багато вчених, зокрема, Ейнштейн, Вавилов та інші. Не один розділ фізики присвячений доказу того факту, що світло виникає в результаті різних збуджень в атомах і молекулах.

Це може бути тепловий, хімічний або електромагнітний вплив. При проходженні різних процесів в атомі він випромінює кванти енергії у всьому видимому діапазоні.

Визначення електромагнітної природи випромінювання доведено багатьма експериментами, а також теорією. Найповніший опис даних питань дав відомий вчений Максвелл у своїх рівняннях з електромагнетизму.

Як показав у своїх експериментах англійський натураліст Ньютон, звичайне біле світло – це набір багатьох кольорів, тобто хвиль з різною довжиною, які в результаті взаємодії складаються в один білий. Довжина хвиль видимого спектра лежить в діапазоні 380-780 нанометрів.

Наука змогла довести, що практично будь-який варіант випромінювання не є монохроматичним – тобто таким, що складається з хвиль тільки однієї довжини. Майже будь-яке джерело світла випускає певний спектр випромінювання, в якому є розкладання по довжинах хвиль.

• Якщо випромінювання має короткі хвилі, менше ніж 380 нм, то вони належать до ультрафіолетового світла.
• Якщо більше 780 нм – інфрачервоного.

За їх межами зверху і знизу є й інші типи випромінювання:

• гамма-промені;
• рентгенівські хвилі;
• мікрохвильовий діапазон.

Закон прямолінійного поширення світла

Будь-який школяр, який перейшов в 9-11 клас, повинен знати, що світло в однорідному середовищі поширюється по прямолінійній траєкторії, а його швидкість дорівнює 3х10⁸ м/с. З такою швидкістю промінь долітає від Землі до Місяця (відстань між якими 384 000 кілометрів) всього, приблизно, за 1,2-1,3 секунди!

Виходячи з прямолінійного поширення світла, виводяться багато понять, таких як:

• тінь;
• кут падіння і відбивання, і багато іншого.

Різні розділи науки по-різному використовують ці дані, але вони мають велике значення в техніці і теорії.

Підсумовуючи скажемо, що лексичне значення грецького слова “фотон” чітко передає його сенс – це світло.

Світло одночасно є і електромагнітною хвилею, і потоком частинок фотонів, які поширюються від джерела випромінювання і заповнюють собою весь навколишній простір за законами прямолінійного поширення, дифракції, інтерференції і т. д.

І природне, і штучне освітлення має однакові властивості, за винятком, хіба що довжини хвилі, її амплітуди та інших, більш конкретних характеристик кожної хвилі.

Розуміння імпульсу у фізиці

Імпульс — це похідна величина, яка обчислюється множенням маси, m (скалярна величина), помноженої на швидкість, v (векторна величина). Це означає, що імпульс має напрямок, і цей напрямок завжди збігається зі швидкістю руху об’єкта. Змінна, яка використовується для представлення імпульсу, це p . Рівняння для обчислення імпульсу показано нижче.

Рівняння імпульсу

Одиницями імпульсу в СІ є кілограми на метри за секунду, або кг * м / с .

Компоненти вектора та імпульс

Як векторну величину імпульс можна розбити на складові вектори. Коли ви розглядаєте ситуацію на тривимірній координатній сітці з напрямками, позначеними x , y та z. Наприклад, ви можете говорити про компонент імпульсу, який рухається в кожному з цих трьох напрямків:

Потім ці складові вектори можна відновити разом за допомогою методів векторної математики , яка включає базове розуміння тригонометрії. Не вдаючись у специфіку тригонометрії, основні векторні рівняння показані нижче:

Збереження імпульсу

Одна з важливих властивостей імпульсу і причина, чому він такий важливий у фізиці, полягає в тому, що він є величиною , що зберігається . Загальний імпульс системи завжди залишатиметься незмінним, незалежно від того, через які зміни зазнає система (тобто до тих пір, поки не з’являться нові об’єкти, що несуть імпульс).

Причина, чому це так важливо, полягає в тому, що це дозволяє фізикам проводити вимірювання системи до та після зміни системи та робити висновки про це без необхідності знати кожну конкретну деталь самого зіткнення.

Розглянемо класичний приклад зіткнення двох більярдних куль. Такий тип зіткнення називається пружним зіткненням . Можна подумати, що для того, щоб зрозуміти, що станеться після зіткнення, фізику доведеться ретельно вивчити конкретні події, які відбуваються під час зіткнення. Насправді це не так. Натомість ви можете обчислити імпульс двох куль до зіткнення ( p _1i та p _2i , де i означає «початковий»). Їх сума є загальним імпульсом системи (назвемо його p _T , де «T» означає «загальний», а після зіткнення — загальний імпульс дорівнюватиме цьому, і навпаки. Імпульси двох куль після зіткнення дорівнюють p _1f і p _1f , де f означає « кінцевий.” Це призводить до рівняння:

Якщо вам відомі деякі з цих векторів імпульсу, ви можете використовувати їх для обчислення відсутніх значень і побудови ситуації. У базовому прикладі, якщо ви знаєте, що кулька 1 перебувала в стані спокою ( p _1i = 0), і ви вимірюєте швидкості куль після зіткнення та використовуєте це для обчислення їх векторів імпульсу, p _1f і p _2f , ви можете використовувати ці три значення для точного визначення імпульсу p _2i повинні були бути. Ви також можете використовувати це для визначення швидкості другої кулі до зіткнення, оскільки p / m = v .

Інший тип зіткнення називається непружним зіткненням , і він характеризується тим, що під час зіткнення втрачається кінетична енергія (зазвичай у формі тепла та звуку). Однак у цих зіткненнях імпульс зберігається , тому загальний імпульс після зіткнення дорівнює повному імпульсу, як і при пружному зіткненні:

Коли в результаті зіткнення два об’єкти «злипаються», це називається абсолютно непружним зіткненням , оскільки втрачається максимальна кількість кінетичної енергії. Класичним прикладом цього є постріл кулею в дерев’яний брусок. Куля зупиняється в дереві, і два об’єкти, які рухалися, стають одним об’єктом. Отримане рівняння:

Подібно до попередніх зіткнень, це змінене рівняння дозволяє використовувати деякі з цих величин для обчислення інших. Таким чином, ви можете вистрілити в дерев’яний блок, виміряти швидкість, з якою він рухається під час пострілу, а потім обчислити імпульс (і, отже, швидкість), з яким куля рухалася до зіткнення.

Фізика імпульсу та другий закон руху

Другий закон руху Ньютона говорить нам, що сума всіх сил (ми будемо називати це F – _сумою , хоча звичайне позначення містить грецьку літеру сигма), які діють на об’єкт, дорівнює масі, помноженій на прискорення об’єкта. Прискорення — швидкість зміни швидкості. Це похідна швидкості за часом, або dv / dt , у термінах числення. Використовуючи деякі основні обчислення, ми отримуємо:

Іншими словами, сума сил, що діють на об’єкт, є похідною від імпульсу за часом. Разом із законами збереження, описаними раніше, це є потужним інструментом для обчислення сил, що діють на систему.

Фактично, ви можете використовувати наведене вище рівняння, щоб вивести закони збереження, які обговорювалися раніше. У закритій системі сумарні сили, що діють на систему, дорівнюватимуть нулю ( F _sum = 0), а це означає, що dP _sum / dt = 0. Іншими словами, загальна кількість усіх імпульсів у системі не зміниться з часом. , що означає, що загальний імпульс P _sum повинен залишатися постійним. Це збереження імпульсу!