В 1920-м году Эдвин Хаббл получил две вещи, позволившие ему революционизировать то, как люди видели Вселенную. Одной вещью был самый большой на тот момент телескоп в мире, а другой - интересная находка его коллеги-астронома Весто Слайфера, который увидел в туманности - то, что мы теперь называем галактиками - и был заинтригован их свечением, бывшим намного краснее, чем можно было предположить. Он связал это с красным смещением.
Представьте, что вы и другой человек стоите около длинной веревки, и каждую секунду вы её дёргаете. В это время по верёвке идёт волна, дающая другому человеку знать, что верёвка дёрнулась. Если бы вы быстрым шагом пошли прочь от этого человека, расстояние, которые вы покрываете, волне каждую секунду пришлось бы преодолевать, и, с точки зрения другого, верёвка станет дёргаться уже раз в 1,1 секунды. Чем быстрее вы идёте, тем больше времени пройдёт для другого человека между рывками.
То же самое происходит с волнами света: чем дальше источник свечения находится от наблюдателя, тем реже становятся пики волн, и это сдвигает их в красную часть светового спектра. Слайфер пришёл к выводу, что туманности кажутся красными, потому что движутся прочь от Земли.
Эдвин Хаббл
Хаббл же взял новый телескоп и начал искать красное смещение. Он обнаружил его повсеместно, но одни звёзды казались в определённой степени «краснее» других: некоторые звёзды и галактики лишь слегка смещались в сторону красного, но иногда красное смещение было максимальным. Собрав большое количество данных, Хаббл построил диаграмму, показывающую, что красное смещение объекта зависит от его удалённости от Земли.
Таким образом, в XX-м веке было доказано , что Вселенная расширяется. Большинство учёных, глядя на данные, предположили, что расширение замедляется. Некоторые считали, что Вселенная будет постепенно расширяться до некоего предела, который есть, но которого она, тем не менее, никогда не достигнет, а другие думали, что по достижении этого предела Вселенная начнёт сжиматься. Однако астрономы нашли способ решить вопрос: для этого им понадобились новейшие телескопы и небольшая помощь Вселенной в виде сверхновых типа 1А.
Поскольку мы знаем, как яркость меняется в зависимости от расстояния, то знаем и то, как далеко от нас находятся эти сверхновые и сколько лет свет путешествовал, прежде чем мы смогли его увидеть. И когда мы смотрим на красное смещение света, мы знаем, насколько Вселенная расширилась за это время.
Когда астрономы смотрели на далёкие и древние звёзды, они заметили, что расстоянии не совпадало со степенью расширения. Свет от звёзд шёл к нам дольше, чем ожидалось, как будто расширение в прошлом происходило медленнее - таким образом было установлено, что расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется.
Крупнейшие научные открытия 2014-го года
10 главных вопросов о Вселенной, ответы на которые учёные ищут прямо сейчас
Были ли американцы на Луне?
У России нет возможностей для освоения человеком Луны
10 способов, которыми открытый космос может убить человека
Посмотрите на этот впечатляющий вихрь мусора, которым окружена наша планета
Волне, как известно, свойственно распространяться. Кинетическая энергия проходит через вещество, не заменяя собой молекулы самого вещества. Она проводит вещество через фазы сжатия (сближая молекулы друг с другом) и разрежения (когда молекулы друг от друга отдаляются). Именно это происходит в динамике, вибрирующем от музыки.
Когда волны вступают в контакт друг с другом, на их пути возникает препятствие. Если волны находятся в одной фазе (сжатия или разрежения) одновременно, то происходит усиление. Если же волны находятся в разных фазах (одна старается сжать вещество, другая разредить), то происходит подавление волны. Именно так работают наушники, через которые не проникает внешний шум (шумоподавляющие наушники): они производят звуковую волну, подобную той, которая характерна для нежелательного шума, но в противоположной фазе. Этим обеспечивается эффект подавления волны молекул воздуха постороннего шума. Когда ее энергия достигает вашего уха, внешний крик будет восприниматься вами подобно шепоту, а отголосок рокота могучего мотора самолета донесется до вас слабым жужжанием.
Другим важным свойством волн является преломление (дифракция). Когда волны сталкиваются на своем пути с препятствием, они огибают его, а затем вступают друг с другом во взаимодействие. В нижеописанном эксперименте мы поставим на пути света препятствия, обеспечив проходы, которые дадут световой волне возможность преломиться. Разные точки преломления волн демонстрируют примеры конструктивных и деструктивных помех. Вы сможете наблюдать удивительное явление поглощения светом самого себя.
Необходимые материалы
Три или более грифелей для механического карандаша (подойдут диаметром 0,5 или 0,7 миллиметра), лазерная указка (красный свет неплох, но эффект от зеленого будет более наглядным), темная комната.
Ход эксперимента
Затемните комнату. Темнота должна быть близка к абсолютной. Станьте на расстоянии примерно 1 метр 20 сантиметров от стены. Разместите три грифеля между большим и указательным пальцем левой руки. Для тех, чья основная рука левая, рекомендуется размещать грифели в правой руке. Разместите их так, чтобы расстояния между ними были крайне невелики. Таким образом между грифелями образуются два небольших прохода, которые и будут каналами преломления.
Включите лазерную указку и направьте ее свет в сформированные грифелями каналы и посмотрите на отраженный от стены свет. Что вы видите? В ходе эксперимента меняйте положения грифелей и направление лазера, а также ширину каналов преломления. Если вы делаете все правильно, световой рисунок на стене будет меняться. Попробуйте использовать больше грифелей, чтобы создать больше дифракционных каналов. Как дополнительные каналы меняют световую проекцию на стене?
Наблюдения и результаты
Свет лазера проявит себя в форме двух параллельных, но сцепленных между собой, волн. Световые линии будут параллельны друг другу, если фаза волн совпадает. Свет от карманного фонарика этого эффекта не даст: лучи никогда не будут параллельны друг другу. Волны лазерного света преломляются, проходя через дифракционные каналы, образованные карандашными грифелями, порождая проекцию на стене. При перекрытии волнами друг друга они вступают во взаимодействие. В некоторых случаях это перекрытие будет конструктивным, в других деструктивным. При конструктивном взаимодействии свет на стене будет ярким. В других случаях волны будут угнетать друг друга (деструктивное взаимодействие). В этих случаях на световой проекции появятся темные промежутки.
Когда свет станет вести себя только как частица, вы сможете видеть на стене только две точки напротив каналов преломления. К современному представлению о природе света человечество шло долго. Великий английский ученый Исаак Ньютон определял свет в качестве потока частиц. В 19 столетии ученые пришли к выводу, что свет является волной. Но поскольку свет вел себя подобно частицам, высказал предположение о том, что свет на самом деле является частицей, именуемой фотоном. Физик Макс Планк запаниковал, восклицая: «теория света будет отброшена назад не на десятилетия, а на века» в случае, если научное сообщество согласится с теорией Эйнштейна. В конечном итоге научными кругами было выработано компромиссное определение: свет одновременно является и частицей (фотоном) и волной.
Размышления о волновой природе света корреспондируются с вероятностью того, что фотон будет в определенном месте в определенное время. Это позволяет более ясно понять, как можно заставить фотоны занять на стене определенные позиции, когда их волны создают друг другу помехи. Менее интуитивно понятен тот факт, что фотоны могут одновременно проходить через два канала, продолжая проявлять поведение, характерное для волны, наталкивающейся на помехи. И как отдельные фотоны способны, пройдя через два канала, прибыть в одну и ту же точку!
Этот несложный физический эксперимент, проведенный зимним вечером в кругу семьи, позволит получить массу приятных эмоций . Наука бывает не только полезной, но и крайне интересной. А продолжает неуклонно двигаться путем научно-технического прогресса, удовлетворяющего не только материальные потребности, но и потребность разумного существа в новых знаниях.
По мотивам Education.com
Международная команда физиков из Университета Гуанчжоу в Китае и Института Вейцмана в Израиле, работающая во главе с Ульфом Леонхардтом (Ulf Leonhardt) впервые продемонстрировала толкающее давление света на жидкость. Результаты исследования и выводы из своей работы учёные изложили в статье , опубликованной в издании New Journal of Physics.
Дискуссия о природе давления или, как его ещё называют физики, импульса света, восходит к 1908 году. Тогда знаменитый немецкий учёный Герман Минковский выдвинул гипотезу о том, что свет воздействует на жидкости, такие как масло или вода, притягивая их на себя. Однако в 1909 году физик Макс Абрахам (Max Abraham) опроверг эту гипотезу и теоретически доказал, что свет оказывает толкающее давление на жидкости.
"Учёные спорили на протяжении столетия о природе импульса света и его воздействия на среду. Мы обнаружили, что импульс света не является основной физической величиной, но она проявляется во взаимодействии между светом и материей и зависит от способности света деформировать материю.
Если среда движется под воздействием пучка излучения, то прав Минковский, и свет оказывает тянущее давление. Если же среда неподвижна, то прав Абрахам, и свет оказывает толкающее давление на жидкости", — рассказывает Леонхардт.
Два различных типа давления могут быть идентифицированы экспериментально, путём освещения поверхности жидкости световым лучом. Необходимо только проследить за тем, как ведёт себя жидкость — поднимается или опускается. В первом случае окажется, что свет тянет жидкую среду на себя, а во втором — наоборот. Добавим, что обе теории согласуются в пустом пространстве (когда показатель преломления среды эквивалентен единице), но расходятся в том случае, если показатель преломления больше 1.
В своём эксперименте Леонхардт и его коллеги продемонстрировали, что поверхность жидкости можно заставить изогнуться внутрь, что будет соответствовать толкающему давлению света, и сделать это при помощи относительно широкого пучка излучения в относительно крупном контейнере. Эти два фактора заставляют свет формировать структуру потока в жидкости.
Исследователи показали, что толкающее давление света проявляется как в воде, так и в масле, которые имеют различные показатели преломления. Таким образом им удалось подтвердить теорию Абрахама.
Авторы нового исследования отмечают, что в предыдущих экспериментах их коллеги доказывали лишь правоту Минковского, демонстрируя тянущее давление света. Однако, по их словам, прежде учёные использовали более узкие световые лучи и небольшие контейнеры с жидкостью.
Леонхардт и его команда решили повторить свой эксперимент и, как только они использовали узкий луч и малый контейнер, проявилось тянущее давление света. Это означает, что характер давления зависит не только от света, но и от самой жидкости, поясняют исследователи.
Чтобы понять природу импульса света, Леонхардт предлагает провести аналогию с игрой в бильярд. По его словам, импульс света несколько отличается от него по энергии, и это различие имеет важные аспекты.
"Представьте себе игру в бильярд. Игрок берёт кий и ударяет по белому шару, который, в свою очередь, должен толкнуть шар цветной, а он может толкнуть ещё несколько шаров. Во всей этой цепочке толкающих движений передаётся импульс, изначально сообщённый игроком кию.
Свет также может толкать материю, хотя эти толчки будут микроскопическими, почти незаметными. В некоторых случаях, впрочем, толчки света могут быть очень значительными для среды. К примеру, вспомним хвосты комет.
Великий астроном Иоганн Кеплер предположил сотни лет назад, что хвост кометы — это материя, вытолкнутая с поверхности её ядра светом, поскольку он смотрит всегда в противоположную сторону от Солнца. Сегодня мы знаем, что Кеплер был отчасти прав, так как материя сталкивается солнечным ветром с ядра кометы и формируется хвост.
Так вот, импульсом мы называем способность света приводить материю в движение, и это понятие действительно тесно связано с энергией света, хотя и отличается от него", — поясняет Леонхардт.
Результаты данного исследования имеют как фундаментальное, так и практическое значение для науки. С точки зрения фундаментальных теорий, физики теперь лучше будут понимать природу света. Леонхардт и его коллеги ответили на вопрос о том, увеличивается или уменьшается импульс света с увеличением показателя преломления среды: результат зависит от способности свет привести в механическое движение жидкость, и если пучок света на это способен, то импульс уменьшается, а если нет — то увеличивается.
Что же касается практического значения нового исследования, то оно может пригодиться в развитии инновационной технологии инерциально удерживаемого термоядерного синтеза, которая подразумевает использование силы светового импульса для инициации ядерного синтеза.
Последняя работа также повлияет на оптические технологии в целом, в том числе и на развитие и .
СВЕТОВЫЕ ВОЛНЫ
РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА
Уже в XVII веке возникли две, казалось бы, взаимоисключающие теории света: корпускулярная и волновая.
Корпускулярная теория, в которой свет моделируется потоком частиц, хорошо объясняет прямолинейное распространение, отражение, преломление, но не в состоянии объяснить явления интерференции и дифракции света.
Волновая теория объясняет интерференционные и дифракционные явления, но встречает трудности при объяснении прямолинейного распространения света.
В XIX веке Максвеллом, Герцем и другими исследователями доказано, что свет - это электромагнитная волна. Однако, в начале XX века было установлено, что при взаимодействии с веществом свет проявляет себя как поток частиц.
Таким образом, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: при интерференции и дифракции проявляются, главным образом, волновые свойства света, а при излучении и поглощении - корпускулярные.
ЗАКОН ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА.
Опыт показывает, что при падении света на границу раздела двух прозрачных сред свет частично отражается и частично преломляется.
Закон отражения
Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; угол отражения равен углу падения.
ЗАКОН ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА
Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой:
Если свет переходит в прозрачную среду из вакуума, то относительный показатель преломления называется абсолютным.
Абсолютный показатель преломления вакуума, очевидно, равен n вак = 1. Измерения показали, что n воз = 1,00029, то есть почти такой же, как вакуума.
Физический смысл относительного показателя преломления заключается в том, что он равен отношению скоростей света в граничащих средах (экспериментальный факт):
Отсюда следует, что
ЛИНЗЫ
1. Линза прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.
Главная оптическая ось линзы - прямая, на которой лежат центры сферических поверхностей.
Оптический центр линзы - точка, проходя через которую лучи не преломляются.
Фокус линзы - точка, в которой пересекаются вышедшие из линзы лучи светового пучка, падающего на линзу параллельно главной оптической оси.
В фокусе собирающей линзы пересекаются реальные лучи, поэтому он называется действительным, в фокусе рассеивающей линзы пересекаются не сами лучи, а их мнимые продолжения, поэтому он называется мнимым.
2.Формула тонкой линзы
где D - оптическая сила (измеряется в диоптриях), F - фокусное расстояние линзы, d и f - расстояния от оптического центра линзы до предмета и изображения соответственно.
Правила знаков:
Фокусное расстояние F собирающей линзы положительно, рассеивающей - отрицательно.
Если предмет действительный, то расстояние до него d положительно, если мнимый - отрицательно.
Если изображение действительное, то расстояние до него f положительно, если мнимое - отрицательно.
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА
Дифракционная решетка - экран с параллельными щелями равной ширины, разделенными одинаковыми непрозрачными промежутками. Период решетки d - расстояние между серединами соседних щелей.
Если дифракционную решетку осветить пучком монохроматического света, то на расположенном в фокальной плоскости линзы экране возникает дифракционная картина: центральный максимум нулевого порядка и симметричные относительно него максимумы ±1, ±2,... порядков.
Направления на максимумы дифракционной картины от решетки даются условием:
Так как при любом k , за исключением k = 0, угол зависит от длины волны, то при освещении дифракционной решетки белым светом наблюдается белый центральный максимум и спектры ±1, ±2,... порядков.
Дифракционные спектры тем шире, чем меньше период решетки, и тем качественнее, чем больше щелей содержит решетка.
Пример. Определите положение изображения предмета, находящегося на расстоянии 15 см от собирающей линзы с оптической силой 5 дптр.
Фокусное расстояние линзы F = 1/D = 1/5 = 0,2 м больше, чем расстояние d от предмета до линзы, поэтому линза дает мнимое, увеличенное и прямое изображение действительного предмета. Из формулы тонкой линзы:
Знак "-" перед обусловлен тем, что изображение мнимое. Отсюда
Ответ: предмет расположен на расстоянии 8,6 см от линзы.
Задачи и тесты по теме "Тема 11. "Оптика. Световые волны"."
- Поперечные и продольные волны. Длина волны
Уроков: 3 Заданий: 9 Тестов: 1
- Звуковые волны. Скорость звука - Механические колебания и волны. Звук 9 класс
Уроков: 2 Заданий: 10 Тестов: 1
- - Световые явления 8 класс
При выполнении задач обратите внимание на тему Алгебры "Тригонометрические функции и их преобразования" и "Производная".
Повторите тему "Движение тела по окружности" (Повторить понятия "период", "частота", "угловая скорость").
Вспомните, пожалуйста, доказательства равенства и подобия треугольников из курса Геометрии для решения задач по геометрической оптики.
Для решения задач по оптике необходим рисунок. Пожалуйста, при построении пользуйтесь линейкой, потому что неточный чертеж может исказить саму задачу. Точность и аккуратность построения поможет Вам найти правильный ход решения задачи.
На протяжении всей жизни нас окружают удивительные вещи, предметы, места. Мы видим их, но вовсе не потому, что они существуют, а благодаря свету.
Если бы не свет, то у живых существ не было бы зрения как инструмента, и нам пришлось бы довольствоваться другими органами чувств. Как кроты, проживающие под землей, довольствуются слухом. Что же представляет собой свет? Что это за понятие с точки зрения физики и какое значение он имеет для жизни на Земле?
Что такое свет?
Тайну света люди пытались раскрыть в течение многих столетий, однако приблизиться к разгадке удалось только в XVIII веке. Сначала датский физик Ганс Эрстеда выяснил, что электроток способен оказывать влияние на стрелку в магнитном компасе, а затем британский математик Джеймс Максвелл сумел доказать, что магнитные и электрические поля существуют в виде волн, распространяющихся со скоростью света.
Из этого ученые дали определение света как формы электромагнитного излучения, которое воспринимается глазом человека.
Какова природа света?
Установить природу света помогают оптические явления, изучением которых занимается оптика. Эта наука стала одним из первых разделов физики, установившим двойственную природу света. Согласно корпускулярной теории, свет – это поток частиц, называемых фотонами и квантами.
По волновой теории, свет являет собой совокупность электромагнитных волн, при этом возникающие в природе оптические эффекты становятся результатом сложения данных волн. Что интересно, и теория о потоках частиц, и теория о волнах имеют право на жизнь.
Какие характеристики имеет свет?
Как и любое природное явление, свет обладает множеством уникальных характеристик, среди которых одной из важнейших является цвет. Электромагнитное излучение, воспринимаемое нашим глазом, различается по диапазону длин и частоте волны, что, в свою очередь, влияет на световой спектральный состав. К примеру, фиолетовый цвет видится при длине волн 380–440 нм и частоте 790–680 ТГц, а желтый – при показателях 565–590 нм и 530–510 ТГц.
Помимо цвета, свет обладает способностью перемещаться в пространстве, преломляться и отражаться. Преломление света представляет собой изменение направления электромагнитных волн. В нашей обыденной жизни такое явление встречается повсеместно. Например, если посмотреть на стакан чая, в котором находится ложка, можно заметить, что на границе воздуха и жидкости она будто «преломлена».
Аналогично привычным явлением для нас является отражение света, позволяющее увидеть себя в водной глади, зеркале или на блестящих предметах. К другим характеристикам можно отнести способность света к поляризации и изменению интенсивности.
Какова скорость света?
Скорость света рассчитывается в двух субстанциях – в вакууме и прозрачной среде. В первом случае ее показатели неизменны. В космическом пространстве является фундаментальной постоянной единицей и составляет 299 792 458 метров в секунду.
Считается, что помимо света, с аналогичной скоростью в природе распространяются электромагнитные излучения (например, рентгеновские лучи или радиоволны) и, возможно, гравитационные волны. Скорость света, находящегося в прозрачной среде, может меняться в зависимости от фазы колебательных движений.
В связи с этим различают фазовую скорость, которая обычно (но необязательно) меньше скорости в вакууме, и групповую – всегда меньше скорости в вакууме.
Как свет воспринимается глазом?
Как говорилось выше, способность человека видеть окружающие предметы существует только благодаря свету. При этом мы не смогли бы воспринимать электромагнитные излучения, если бы в наших глазах не было специальных рецепторов, которые реагируют на данное излучение. Глазная сетчатка человека состоит из двух типов клеток – палочек и колбочек. Первые высоко чувствительны к освещению, поэтому могут работать только при низкой освещенности, то есть отвечают за ночное зрение. При этом они демонстрируют мир исключительно в черно-белых цветах.
Колбочки обладают пониженной чувствительностью к свету и обеспечивают дневное зрение, позволяющее видеть цветное изображение. Спектральный состав света хорошо воспринимается благодаря тому, что в наших глазах существуют 3 вида колбочек, которые различаются между собой распределением чувствительности.
