ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Физическая оптика

Самое страшное, можно сказать, позади. Теперь можно снова расслабиться, поскольку будет геометрическая оптика. А это значит, что будет минимум страшных расчётов и много достаточно понятных рисунков. Сами рисунки я здесь рисовать не буду, но как их рисовать ‑ подскажу.

Ранее было заявлено, что свет ‑ это электромагнитная волна. Но как же так, мы же можем видеть его лучи! Лучи ‑ прямые, а не какие‑то там заумные два сплетённых синуса!

Смею заверить: во‑первых, синус вовсе не означает, что именно такую загогулину мы будем видеть в воздухе ‑ это обычно означает, что лететь может всё что угодно, но что‑то в этой "летелке" будет меняться по синусу, и это "что‑то" ‑ необязательно самое заметное. Оптика вообще делится на две части как раз по этому принципу: одна часть забивает на все синусы и говорит, что свет ‑ это лучи, а вторая, наоборот, грозит пальцем лучам и тычет носом в волны. Самая лёгкая (она же первая) часть ‑ геометрическая оптика, изучает законы распространения света и получения изображений. Световой луч ‑ это модель, которая используется в геометрической оптике; лучом считают воображаемую прямую, вдоль которой распространяется световая энергия. Ясно, что таких лучиков будет бесконечно много, и все они будут лететь по прямой ‑ но только в случае однородной и изотропной среды! Почему однородной, понятно ‑ если в воздухе внезапно образуется кирпичная стена, то свет через неё дальше не пройдёт. А непонятное слово "изотропная" означает всего лишь, что во всех направлениях все основные параметры среды будут одинаковые. По большому счёту, всё наше пространство само по себе изотропно, исключения обычно попадаются в виде каких‑нибудь кристаллов, которые имеют неправильную форму, или времени, которое нельзя повернуть вспять.

Вообще, если так смотреть, свет умеет всего три вещи: распространяться, отражаться и преломляться. С распространением разобрались, отражается свет у нас от зеркал, а преломляется при проходе через воду или линзы ‑ хоть в тех же очках, хоть через контактные линзы ‑ те, которые вставляются в глаза (до сих пор не представляю, как это можно безболезненно делать). Свет отражается или преломляется так, что: во‑первых, целых 3 луча находятся в одной плоскости ‑ это падающий, отражённый (или преломлённый) и воображаемый луч, который перпендикулярен плоскости, к которой свет падает, проведённый из точки падения; во‑вторых, угол падения света равен углу отражения; в‑третьих, при преломлении света отношение синусов угла падения и преломления равно относительному показателю преломления второй среды относительно первой, это величина постоянная. Теперь, как водится, после очередного вороха умных слов ‑ их расшифровка.

Если луч света падает на что‑то плоское (например, обычное плоское зеркало), то отразится он так, что пойдёт в точности под тем же углом, под которым упал. Но угол этот, даже если считать, что упал он точно в одну точку, отложить можно кучей разных способов в кучу разных сторон ‑ или, на языке геометрии, в большой куче разных плоскостей. Но нам нужна только та, в которой находится наш падающий луч. То есть отражается он в ту же сторону, откуда и пришёл, не кривя. Примерная аналогия с каучуковым мячиком: если бросить его вперёд и вниз, то, отскочив, он продолжит лететь вперёд, а не свернёт куда‑нибудь влево или вправо, и уж тем более не повернёт обратно, назад (только если не ударится о какой‑нибудь бугорок, но мы считаем, что всё так идеально, что нет никаких неровностей, плоскость идеально плоская). Непонятный перпендикуляр здесь ставится по двум причинам: во‑первых, два луча в принципе всегда будут лежать в одной плоскости, когда они пересекаются (а наши падающий и отражённый явно пересекаются ‑ куда им деться друг от друга?), а вот если поставить ещё и третий ‑ тогда плоскость, в которой они будут лежать все втроём, будет только одна ‑ и именно она задаст то направление, куда улетит отражённый луч. И, во‑вторых, договорились считать углом падения/отражения не угол между лучом и плоскостью, а угол между лучом и перпендикуляром. То есть когда тот 0 ‑ луч падает как раз перпендикулярно и отражается обратно "в себя". Когда 90 ‑ летит точно параллельно плоскости и, скорее всего, не упадёт на неё и не отразится от неё вообще. Преломление посложнее отражения: оно происходит тогда, когда теряется однородность среды ‑ то есть как бы то же распространение, но без одного условия. Но, чтобы не валить всё совсем в кучу, о нём чуть позже, а пока добьём отражение.

Отражаться свет может, как я уже сказал, от зеркал, и обычно заставляют строить, а как же он отражается. В таких задачах обычно есть зеркало и какой‑то предмет, обычно рисуемый как стрелочка (это не вектор, просто у предметов стрелочку ставят для того, чтобы можно было понять, где у него верх, а где низ), и просят построить изображение этого предмета в зеркале. Делается это обычно так: строится изображение верхней и нижней точки, а потом их просто соединяем. А чтобы построить изображение точки, нужно провести через неё хотя бы два луча ‑ тогда отразившись от зеркала и где‑то пересёкшись, они и дадут изображение нашей точки. С плоским зеркалом всё проще всего: изображение будет симметрично относительно плоскости зеркала, причём изображение будет мнимым ‑ оно получается оттого, что сами лучи не пересекаются, а пересекутся их продолжения. Это не значит, что его нельзя увидеть в зеркале; это значит, что его нельзя будет получить на каком‑нибудь белом экране, "видящем" лучи света, отражающиеся от предмета. Когда изображение действительное (образовано пересечением лучей), то его можно увидеть не только в зеркале, но и на экране, который можно поставить за зеркалом и который будет его "видеть". Разница только в этом. И два дополнительных плюса плоского зеркала: размер изображения такой же, как и у предмета, и оно прямое. Прямое не в том смысле, что оно не кривое, а в том смысле, что не перевёрнутое. Потому что когда зеркало плоское, это нормально. А вот когда кривое, или (что обычно и используется) сферическое ‑ вогнутое или выпуклое ‑ тут начинаются искажения. У сферического ("круглого") зеркала есть такая штука, как фокус: оно собирает все лучи, которые летят в него, после отражения в одну точку, которую им и обзывают. Соответственно, здесь угол падения уже не равен углу отражения, потому что зеркало не плоское, но зато есть две точки, через которых луч обязательно пройдёт ‑ это точка его падения и фокус. И здесь по‑прежнему может быть так, что придётся соединять не сами лучи, а их продолжения.

Вкратце и поумнее: геометрическая оптика ‑ раздел физики, изучающий законы распространения света и получения изображений. Световой луч ‑ основная модель геометрической оптики, это воображаемая прямая, вдоль которой распространяется световая энергия. Закон распространения света: свет в однородной и изотропной среде распространяется прямолинейно. Два закона отражения света: при отражении света от плоской поверхности луч падающий, отражённый и перпендикуляр, восставленный из точки падения, лежат в одной плоскости; угол падения луча равен углу его отражения. Плоское зеркало даёт прямое, равное по размеру и мнимое изображение предмета. Сферическое зеркало (вогнутое или выпуклое) имеет фокус ‑ это точка, в которой собираются все лучи или их продолжения после отражения от зеркала.

 

Всё, с отражением практически разобрались ("практически" потому, что остался ещё один штришок, но о нём лучше всего писать в преломлении). Теперь будем ломать лучи света о воду и дым ‑ в пример обожают приводить весло лодки, которое выглядит изогнутым, когда погружено в воду, или "дрожащий" воздух рядом с горящим костром. Тут всё завязано на "показателе преломления". Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в той или иной среде меньше, чем в пустоте ‑ в вакууме, где свету точно ничто не помешает (n = c/v, c ‑ скорость света в вакууме, v ‑ скорость света в среде). Но по нему снова считать неудобно, поэтому ввели относительный показатель преломления, который тоже всегда будет постоянен: это отношение синуса угла падения к синусу угла преломления. Почему именно синусы, чёрт‑те его знает ‑ наверное, потому, что при падении под углом 0 (то бишь точно перпендикулярно ‑ да, здесь угол тоже отсчитывается от такого же перпендикуляра, как и при отражении) луч не преломится вообще, а преломиться под углом 0 луч никак не сможет (синус нуля ‑ ноль, и в обоих этих "крайних" случаях нулём будет либо числитель, либо знаменатель этой дроби синус/синус, что может привести к очередному делению на ноль, но на практике, как я только что написал, такого не бывает). Но какая‑то часть света при преломлении отражается назад, а не проходит прямо. Если очень внимательно присмотреться к формуле sinальфа/sinбета = n21, то можно увидеть следующее: когда n21 меньше единицы (то есть луч выходит из оптически более плотной среды в менее плотную ‑ например, из воды в воздух), то угол альфа может стать таким большим, что его синус будет больше, чем даже самый большой синус бета (единица), ещё и умноженный на относительный показатель преломления. Нет, это не деление на ноль, не конец света и не "временной парадокс" ‑ это всего лишь означает, что свет, падающий под таким углом альфа или больше, не преломится вообще, а полностью отразится ‑ даже несмотря на то, что преломиться вроде бы должен. Такое называют полным внутренним отражением.

Ну а если не ударяться в такие крайности и посмотреть, как свет обычно преломляется, то народ увидел ‑ при преломлении через плоскопараллельную пластину (например, оконное стекло) изображение не искажается, а только чуть‑чуть "сдвигается". При преломлении через треугольную призму, имеющий больший показатель преломления, чем то, в чём она находится, лучи света будут отклоняться к основанию призмы. Но, конечно, самое главное в преломлении ‑ это линза. В широком смысле это прозрачное для света тело, ограниченное двумя поверхностями. Обычно линза стеклянная, а поверхности имеют сферическую форму (круглые, проще говоря). Но для геометрии этого мало, потому что луч, идущий по "верху" или "низу" линзы, проходит меньшее расстояние, чем идущий посередине ‑ по краям она худее, а посередине толще, и из‑за этого лучики будут преломляться совсем не одинаково! Чтобы не морочить голову с такой разницей в расстоянии, решили эту линзу вытянуть до таких размеров, чтобы радиус кривизны (округлость) стал гораздо меньше, чем размер (высота) линзы. Тогда линзу можно считать тонкой, чертить как прямую с двумя стрелочками и также строить изображения.

Но тут поджидает ещё большая засада, чем с зеркалом. На первый взгляд, ход ни одного луча "просто так" не начертишь ‑ надо знать и материал линзы, и угол, под которым луч падает. Но не всё так плохо: обычные линзы могут либо "стягивать в охапку" все падающие на неё лучи, либо, наоборот, разваливать их на пучки. Первую линзу называют собирающей, вторую ‑ рассеивающей. И у обеих есть свой фокус, как и у зеркала: у собирающей линзы в ней собираются лучи, а в рассеивающей из этой воображаемой точки рассеиваются лучи (то есть там пересекаются их продолжения). Я специально опустил слово "все": тут есть ещё одна маленькая хитрость, о ней как раз дальше.

Ну хорошо, одну точку получили. А вторая? Руки тянутся к центру линзы: скорее всего, что‑то должно быть там. И там действительно есть две штуки: это оптический центр линзы, который как раз находится посередине между "верхом" и "низом" ‑ через него абсолютно любой луч проходит, не преломляясь вообще! И через него перпендикулярно линзе идёт главная оптическая ось. Любой луч, идущий параллельно этой оси, обязательно пройдёт через фокус (или через фокус пройдёт его продолжение) ‑ вот и та маленькая хитрость. Так что наши две точки: первый луч надо проводить через оптический центр ‑ он тупо пойдёт прямо, ‑ а второй пускать параллельно главной оптической оси и соединять точку преломления с фокусом. Здесь тоже могут получаться мнимые изображения из продолжений лучей, особенно их любит рассеивающая линза. У неё, кстати, фокусное расстояние (от оптического центра до точки фокуса) считается отрицательным. У собирающей ‑ положительным. У линзы есть оптическая сила ‑ это величина, обратная фокусному расстоянию. Мериться должна вроде бы в обратных метрах, но именно для линз эту размерность обзывают диоптрией (дп). Именно в них мерится "плюс" или "минус" стёкол очков или линз для дальнозорких или близоруких. У собирающей линзы оптическая сила положительна, у рассеивающих ‑ отрицательна. Отсюда нехитрое наблюдение: у дальнозорких людей ("плюс") стоят собирающие линзы, а у близоруких ("минус") ‑ рассеивающие. Чем больше оптическая сила, чем больше диоптрий ‑ тем хуже зрение без очков или линз.

В отличие от всяких плоских зеркал, линза крайне редко даёт изображение, равное по размеру ‑ если только предмет не находится точно на фокусном расстоянии от неё. Поэтому, чтобы посчитать, какого размера получится изображение, используется такая вещь, как увеличение линзы. Это отношение размера изображения предмета к размеру предмета. (Удивительно, хоть одна более‑менее понятная без объяснения величина.) Обозначается греческой буквой "гамма", но заглавной, которая пишется как наша Г: Г = f/d, где f ‑ линейный размер изображения (высота, например), а d ‑ этот же линейный размер предмета (тогда это будет тоже высота). Но мало знать, во сколько раз будет увеличено изображение ‑ нужно хотя бы знать, где оно вообще будет! Для того чтобы посчитать это, есть формула тонкой линзы, которая выводится из всей её геометрии: 1/F = 1/f + 1/d. Буквы тут означают немного другое: F ‑ это фокусное расстояние линзы, f ‑ расстояние от линзы до изображения, d ‑ расстояние от самого предмета до линзы. Единственная загвоздка ‑ в знаках. Если линза собирающая, предмет можно потрогать руками и изображение действительное ‑ всё хорошо. А если нет ‑ тогда: рассеивающая линза ‑ ставим минус перед фокусным расстоянием, мнимое изображение ‑ ставим минус перед расстоянием до изображения (f маленьким), а если мнимый сам предмет ‑ тогда отрицательным станет d. (Мнимый предмет ‑ это самая редкая ситуация, если на линзу падает какой‑то пучок лучей, который без линзы смог бы дать действительное изображение какого‑то предмета ‑ то есть в этом случае предметом будет считаться это действительное изображение, и расстояние нужно брать именно от него. Такое может быть, если нужно начертить‑посчитать изображение предмета, на который смотрят через две подряд стоящие линзы или больше.)

Вкратце и поумнее: преломление света возникает при проходе луча света через границу сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами. Абсолютный показатель преломления среды ‑ отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде, величина безразмерная. Закон преломления гласит, что отношение синусов угла падения и угла преломления равно относительному показателю преломления второй среды относительно первой. При проходе луча света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную может возникнуть полное внутреннее отражение ‑ это явление, при котором свет при падении под определённым углом или углом, его превышающим, не преломляется, а полностью отражается от границы раздела сред. При преломлении света через плоскопараллельную пластину изображение не искажается, только сдвигается. При преломлении света через треугольную призму, более оптически плотную, чем среда, в которой она находится, луч света будет отклоняться к основанию призмы. Линза ‑ это оптически прозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями. Тонкая линза ‑ это линза, размер которой много больше радиуса кривизны её поверхностей. Оптический центр линзы ‑ это точка линзы, через которую луч света проходит, не преломляясь. Главная оптическая ось ‑ это прямая, перпендикулярная плоскости линзы и проходящая через её оптический центр. Фокус линзы ‑ это точка, в которой после преломления собираются все лучи (в собирающей линзе) или их продолжения (в рассеивающей линзе), параллельные главной оптической оси. Фокусное расстояние линзы ‑ расстояние от плоскости линзы до её фокуса. Оптическая сила линзы ‑ это величина, обратная фокусному расстоянию, единица измерения ‑ диоптрий (дп). Увеличение линзы ‑ это отношение линейных размеров изображения предмета к линейным размерам самого предмета: Г = f/d. Формула тонкой линзы: 1/F = 1/f + 1/d, где F ‑ фокусное расстояние линзы, f ‑ расстояние от линзы до изображения, d ‑ расстояние от предмета до линзы. Если линза рассеивающая, то фокусное расстояние её отрицательно (собирающая ‑ положительно), если изображение мнимое ‑ расстояние от линзы до изображения отрицательно (действительное ‑ положительно), если мнимый сам предмет ‑ тогда расстояние от предмета до линзы отрицательно (действительный ‑ положительно).

 

А теперь придётся резко проститься со всеми прямыми, лучами, зеркалами и линзами, которых можно даже потрогать руками, и вернуться к непонятным волнам. Потому что в один прекрасный (или не прекрасный) момент народ стал думать, а не является ли свет волной. Стали ставить опыты, и ‑ о ужас (для нынешних школьников) ‑ опыты подтверждали это предположение. В основном речь пойдёт именно о них, а также о куче заумных слов, которые выдумали их "постановщики". Чтобы не вводить в полный ступор, всю сопутствующую математику специально опускаю практически полностью.

Свет как волна умеет делать четыре вещи, только с гораздо более мутными названиями, чем в геометрической оптике: он умеет испытывать интерференцию, дифракцию, поляризацию и дисперсию. Последние две вещи в школе почти не проходят, их только кратко обозначают и говорят, что они есть, верьте в них, их не может не быть. Попробуем аккуратно разложить эти страшные слова по полочкам.

Интерференция. Это когда две волны света накладываются друг на друга. Но если б всё было так просто! Интерференцию могут испытывать только когерентные волны. Спокойно, это последнее новое умное слово, дающее удар кувалдой по голове в этом абзаце. "Когерентные" можно перевести на нормальный русский как "синхронные", "согласованные". У когерентных волн одинаковая частота (одинаковая длина волны), плюс волны всегда идут так, что разность их фаз в любой точке пространства остаётся постоянной. То есть самый простой случай ‑ это надо взять график синуса, скопировать его и поместить точь‑в‑точь под первым. Это будут две когерентные волны. Более сложный пример ‑ вниз вместо синуса поставить косинус того же. Он будет сдвинут на 90 градусов (пи/2), но при этом разница между фазами (стадиями колебаний) всегда будет оставаться в эти 90 градусов, или пи/2, и длина волн тоже будет одинакова, так как синус и косинус берутся от одного и того же. Это тоже когерентные волны. Самый сложный пример ‑ это надо взять обычную включённую лампочку, загородить её непрозрачной ширмой, а затем в последней вырезать две одинаковых дырки. Эти две дырки тоже будут источниками двух когерентных волн света! Вот такие две волны и будут интерферировать (жуткое словечко). Означает это следующее: при наложении друг на друга такие волны будут ослаблять или усиливать интенсивность света друг от друга. Именно это явление, вместе с добавлением прилагательного "когерентные" перед словом "волны", и является интерференцией. Почему так уцепились за когерентность ‑ да потому, что обычные волны света разбросаны по частотам и фазам как хочешь, и любые две такие волны при наложении практически не будут обращать внимания друг на друга вообще. А когда у двух волн длина одинаковая, то они начинают "принюхиваться" друг к другу в каждой точке, пока бегут вместе. В одной из точек может оказаться, что одна волна пришла "в самом расцвете сил" ‑ то, что колеблется, добралось до своей амплитуды, и вторая так же. Тогда это будет интерференционный максимум ‑ свет станет в два раза ярче. А если наоборот ‑ одна волна придёт в самом расцвете сил, а другая в самом упадке сил (тоже будет в амплитуде, но со знаком "минус", выражаясь совсем мозгодробительным языком ‑ иметь сдвиг по фазе на пи относительно первой волны). Тогда эти две амплитуды "скушают" друг друга, в итоге получится ноль ‑ вместо света получится темнота. Чтобы увидеть эти "свет и тьму", достаточно на месте накладывающихся когерентных волн поставить какой‑нибудь белый экран ‑ именно так и поступил товарищ по фамилии Юнг, поставив после лампочки и ширмы с двумя дырками в ней этот самый экран. На экране можно было увидеть чередование цветных и тёмных полосок. Почему цветных? Потому, что здесь придётся вспомнить: белый ‑ это для нас цвет, а для света ‑ это смесь всех цветов радуги. Каждый из этих цветов имеет свою длину волны и будет по‑своему интерферировать. Поэтому вместо белого пятна будет немного размазанное пятно в виде радуги, дальше слева и справа от него ‑ темнота, ещё дальше ‑ снова "радуга", причём в расстояние между цветными полосками будет вкрапливаться темнота, а сами полоски будут становиться всё тусклее и тусклее ‑ волны света тоже умеют затухать.

Да, заранее хочу предупредить: самостоятельно вырезать дырки в доске и прикладывать её к лампочке можно, но такой же результат при этом не выйдет! Секрет в размерах прорезей: их диаметр они должен быть примерно равен длине волны света.

Дифракция. Это что‑то, очень похожее на интерференцию, только с добавлением условий. В самом широком смысле это круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах. Или это явление, названное "огибание волнами препятствия". Совсем по‑простому ‑ отклонение от законов геометрической оптики. По‑моему, никто до сих пор не может определить это сложное слово каким‑то более‑менее удобоваримым хотя бы с точки зрения русского языка определением. У всех это что‑то неопределённое, типа "комплекс явлений". По сути, дифракция всего лишь означает, что при проходе через ту же щель в доске каждая точка в такой щели будет источником вторичных волн, и эти вторичные волны будут когерентными и будут интерферировать. Всё! Всё остальное ‑ как в интерференции: снова радужные пятна, темнота и так далее. Разница между ними двумя в том, что когерентные волны (только интерференция) можно создать не только препятствием, но и без них ‑ например, лазером. Если включить два одинаковых лазера и направить их лучи в одну точку, то это будет только интерференция, а если делать так, как Юнг ‑ то это получится интерференция, возникшая в результате дифракции. Во как!

Поляризация. Самое сложная для представления штука, но её в школе могут даже и не проходить (разве что в школах с углублённым изучением физики и всё в том же 11‑м классе). Во‑первых, забиваем на эти страшные когерентности и щели ‑ для поляризации достаточно одной волны. Во‑вторых, поляризироваться может только поперечная волна ‑ а возникает она тогда, когда направление возмущений в ней станет меняться относительно направления её распространения. В продольной волне такого быть не может в принципе, потому что у неё эти два направления всегда совпадают. Теперь попробуем сообразить, что это за хитрая комбинация слов и что это вообще всё означает. Когда волна не поляризована, у неё есть просто колебание двух векторов E и B. Поляризоваться может каждый из них, но чтобы совсем не накручивать, представлять это лучше на примере только одного из них. Вот колеблется одна величина: сначала большая, потом всё меньше, потом вообще ноль, потом становится отрицательной, потом увеличивается, потом снова ноль, потом снова бежит к самому большому своему значению, и так далее. Что будет, если волна, в которой колеблется эта величина, станет поляризованной? Эта вещь по‑прежнему будет колебаться, но только колебаться, описывая какую‑то определённую фигуру! То есть, допустим, если взять хоть тот же маятник в виде груза на ниточке: если его качать строго влево‑вправо, то его координата будет линейно поляризована ‑ она будет "ходить" только по прямой, влево‑вправо, не уходя никуда в сторону (описывать воображаемую прямую линию). А если раскрутить его вокруг того места, где подвешена нитка, а потом отпустить ‑ тогда получится круговая поляризация: координата будет описывать воображаемый круг. В самом широком смысле есть ещё эллиптическая поляризация, если описываемая фигура ‑ эллипс, в простонародии "овал". Круг ‑ частный случай овала, кстати, так что, по сути, круговая поляризация ‑ это та же эллиптическая, только в более узком виде. Опять начинаю заплетать умными фразами...

А теперь всю матрёшку складываем обратно. Этот круг описывается колебаниями вектора амплитуды той величины, которая колеблется ‑ то бишь того же вектора напряжённости. То есть ту же кругло поляризованную волну можно представить не в виде синуса, а в виде спирали типа той, что в пружине, внутри которой при её "вращении" бегает по кругу амплитуда вектора напряжённости. Ужас! А теперь нужно добавить сюда второй вектор ‑ B ‑ и пустить их всех гулять в пространстве со своей скоростью в 300 тыщ километров в секунду. Вот это будет кругло поляризованная волна света. Честно, даже сейчас при всём богатстве воображения никак не могу это представить! Но проблема в том, что всему этому ужасу сумели найти применение! А именно: свет от солнца, проходя через наше небо, частично поляризуется ‑ какие‑то из его составляющих цветов начинает колбасить подобным образом (мы глазами этого, естественно, не видим). Но если прикрутить на фотоаппарат специальный поляризатор ‑ круглую линзу с тонкой щелью, которую можно поворачивать, ‑ то при определённом угле поворота весь свет, линейно поляризованный в плоскости, перпендикулярной плоскости щели, не сможет пройти. Итог ‑ более сочные цвета на фотографии (например, ярко‑синее небо вместо голубого или сочно‑зелёная трава вместо блеклой), уходит только "ненужное", "лишнее" освещение, которое только зря осветляет фотку.

Дисперсия. Самое мутное из всех понятий: даже в моём учебнике физики параграф про неё был помечен звёздочкой (повышенная сложность) ‑ даже при том, что школа моя с углублённым изучением физики! И исписано про эту страшную дисперсию было страниц 6 с какими‑то непонятными рисунками и формулами. Но всю эту малопонятную (мне, тогда) писанину можно свести всего лишь к одной фразе: дисперсия света ‑ это зависимость показателя преломления среды от частоты (или, что то же самое, длины волны) света. То есть красный свет преломляется "лучше", оранжевый чуть "похуже", и так далее. "Лучше" и "хуже" специально пишу в кавычках, потому что ничего хорошего или плохого в такой зависимости особо и нет. Она просто есть, и всё. Если кому‑то вдруг интересно, почему это вообще происходит, вперёд: хоть тот же учебник Пёрышкина "Физика 11" в руки ‑ и в штыковую атаку на страшный параграф со звёздочкой.

Вкратце и поумнее: свет с волновой точки зрения может испытывать интерференцию, дифракцию, поляризацию и дисперсию. Интерференция волн ‑ это увеличение или уменьшение суммарной амплитуды при наложении когерентных волн друг на друга, в случае интерференции света ‑ ослабление или усиление интенсивности света. Когерентные волны ‑ волны, которые имеют одинаковую длину, и разность фаз между которыми в любой точке пространства остаётся постоянной. Дифракция волн ‑ это комплекс явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах или при огибании ими препятствий. При дифракции на щели в препятствии и размерах щели, близких к длине волны дифрагирующей волны, такая щель становится источником вторичных когерентных волн, которые интерферируют. В случае света в результате дифракции возникает интерференционная картина, например, в опыте Юнга. Поляризация ‑ это явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне относительно направления её распространения. Различают линейную, круговую и (в общем случае) эллиптическую поляризации, в каждом из случаев вектор амплитуды поперечной волны, колеблясь, описывает соответствующую фигуру. В случае поляризации света можно также получить его линейную поляризацию, пропустив свет через поляризатор (например, узкую вертикальную щель), при повороте анализатора (другая узкая щель) можно добиться как полного пропускания поляризованного света, так и полного его непропускания (темнота). Дисперсия ‑ это явление, заключающееся в зависимости скорости волны от её частоты. В случае света это зависимость показателя преломления от длины волны света.

 

Как только не вертим этот бедный свет ‑ и прямой его представляли, и двумя переплетёнными синусами... Но и это ещё не предел! Между этими двумя представлениями вкрапливается ещё одно, к счастью, последнее: свет ‑ это поток частиц! Исторически сложилось так, что какое‑то количество народу придерживалось именно такой точки зрения (это называли корпускулярной теорией, "корпускулы" означает "частицы"), в то время как другие рьяно утверждали, что свет ‑ это волна. В итоге и одни, и другие ставили эксперименты, которые подтверждали свою теорию, опровергали теории противников и якобы разбивали последних в пух и прах. В конце концов сошлись на боевой ничьей: свет теперь считается и потоком частиц, и волной одновременно. Я не знаю, как это можно представить глазами, но современная наука отказываться от этого точно не будет и гордо величает всё это хозяйство "корпускулярно‑волновой дуализм света".

Но это так, история. А в этом абзаце речь пойдёт как раз о "частичечной" стороне света, которой, кроме всех прочих, занимался не кто иной, как сам Эйнштейн. И самая её основная (и, пожалуй, единственная изучаемая в школе) часть ‑ это явление фотоэффекта, или фотоэлектрического эффекта. Грубо говоря, это означает, что если включить в простенькую электрическую цепь, например, кусочек металла, то при его освещении по нему может как бы сам собой пойти ток. Звучит как обман? Так, да не так. Потому что не все металлы хорошо дают ток при освещении, и не любой свет даёт ток. Вообще, это правильно называется "внешний фотоэффект" ‑ выбивание электронов из металла под действием света. Есть ещё внутренний фотоэффект, когда электроны тоже выбиваются, но не с поверхности металла, а остаются внутри (откуда и куда именно выбиваются, говорить не стану, в школе всё равно это не проходят). У него есть три закона, из‑за которых не удаётся получить ток, просто светя на всё, что может проводить. Во‑первых, количество электронов, выбиваемых с поверхности металла в единицу времени, прямо пропорционально освещённости поверхности: чем больше света падает на поверхность, тем больше электронов он выбивает. Логично. Во‑вторых, энергия движения электрона (кинетическая которая) от освещённости не зависит, бОльшим количеством света электроны не разгонишь! А зависит она от частоты падающего света: красный пинает электроны еле‑еле, если ему это вообще удастся, так как у него меньшая частота (а значит, и меньшая энергия), а фиолетовый футболит всех только так ‑ у него частота наибольшая (поэтому и пинает с самой большой энергией) из видимого света. И, в‑третьих, существует такая частота, при которой фотоэффект перестаёт наблюдаться вообще, то есть световой энергии становится недостаточно для того, чтобы вышибить электрончик с поверхности металла. Такая частота называется красной границей фотоэффекта (красная потому, что у красного частота меньше всех из света ‑ то есть это самая маленькая частота света, при которой электрончики выбиваться ещё будут).

Но и это ещё не всё. Хорошо, электрон удалось вышибить с поверхности металла ‑ но физике же надо держать всё под контролем математики, как это описать цифирями? Ясен пень, что надо бросаться куда‑то в сторону закона сохранения энергии в первую очередь: он всегда должен выполняться, энергия света должна преобразоваться в энергию электрона! А чему равна энергия света? И тут же натыкаемся на тупик: очень долгое время никто не мог сообразить, как её посчитать. Некоторые товарищи решили как‑то предположить, что свет может иметь энергию только с такими значениями, каждое из которых "прыгает" по отношению к предыдущему на какую‑то величину ‑ квант. (Это можно сравнить со старыми игрушками, где персонажу нужно перепрыгнуть через несколько ям, находящихся на одинаковом расстоянии друг от друга ‑ персонаж останется жив, только если будет прыгать на расстояние со строго определённым шагом.) В физике, которая потом переросла в квантовую механику, а ещё позже ‑ в целую квантовую теорию, которая разбухла до таких размеров, которые даже не снились обычной физике, и которую проходят только в вузах (и то ‑ только механику, но даже она убивает студента наповал), эта величина определяется так называемой постоянной Планка ‑ самый маленький шаг, который может сделать энергия света, составляет 6.626*10^‑34 Дж*с. (Именем Планка, опять‑таки, назвали не просто так, а потому, что данный товарищ провёл самые убедительные эксперименты, после которых стало ясно, что предположение про квант верно. Поговаривают, что сам Планк в это не очень‑то и верил.) Обозначается эта цифирь буквой h и чем‑то напоминает постоянную Больцмана в термодинамике ‑ это "мостик", связывающий между собой частоту света и его энергию. Если представить свет как поток маленьких‑маленьких частичек ‑ квантов, то энергия каждого из них будет равна h*ню, где ню ‑ частота света (а вовсе не жанр "нагого" искусства) ‑ примерно таким же образом представляют электрический ток как поток электрончиков, у каждого из которых тоже есть элементарный, "квантующийся" заряд. Но поскольку слово "квант" может подходить не только для света, а и для любых других "шаговых" величин, решили один квантик света назвать "фотон". Свет ‑ поток фотонов.

Ладно, хватит уже мне пугать страшным словом "квант", энергию света мы с грехом пополам определили. Остаётся связать всё воедино: h*ню = m*v^2/2? Как бы не так, ведь при какой‑то ню (частоте) фотоэффект прекращается! Значит, есть какая‑то энергия, которая мешает ему произойти. Итого получаем: h*ню = m*v^2/2 + Aвых. h ‑ постоянная Планка, ню ‑ частота света, m ‑ масса электрона (она равна 9.1*10^‑31 кг), v ‑ начальная скорость электрона, с которой он вылетает с поверхности металла, Aвых называется работой выхода ‑ это минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону для того, чтобы тот покинул пределы металла и оказался на его поверхности с нулевой начальной скоростью. Для каждого вещества она своя, измеряется тоже в джоулях, как и обычная работа.

Вот это всё вышеперечисленное сумел собрать воедино Эйнштейн. И свою единственную Нобелевскую премию он получил именно за это коротенькое уравнение, а не за теорию относительности, как почти все думают. (О последней мы тоже поговорим ‑ буквально в следующем абзаце.) Отсюда всё становится понятным и объясняемым: из‑за работы выхода не у всякого света хватает энергии, чтобы вдарить током; не всякие металлы можно использовать тоже из‑за разных работ выхода; при частоте, равной красной границе фотоэффекта, электрону хватает сил ровно настолько, чтобы выползти на поверхность металла и отдышаться (в этом случае h*ню = Aвых, именно таким образом можно померить работу выхода), а при меньшей он не может прыгнуть выше головы и остаётся внутри, никому не нужный.

Другой эксперимент, подтверждающий корпускулярную природу света, ‑ это поглощение и испускание света атомом. Но это уже скорее относится к атомной физике, о коей через один абзац. (Да, запахло концом. Остался последний раздел. Крепитесь, люди ‑ скоро лето! Как в старой доброй песне.)

Вкратце и поумнее: свет обладает корпускулярно‑волновым дуализмом, то есть является и электромагнитной волной, и потоком неких частиц (квантов, впоследствии названных фотонами) одновременно. Внешний фотоэффект ‑ это выбивание электронов с поверхности металла под действием световых квантов. Три закона фотоэффекта: 1) количество электронов, выбиваемых в единицу времени с поверхности металла, прямо пропорционально освещённости поверхности; 2) кинетическая энергия электрона, выбитого с поверхности, зависит от частоты (длины волны) падающего света и не зависит от освещённости; 3) у каждого вещества существует такая частота света (или длина волны), при которой фотоэффект прекращается. Эта частота (длина волны) называется красной границей фотоэффекта. Энергия света квантуется ‑ она может принимать только значения с определённым шагом. Постоянная Планка h = 6.626*10^‑34 Дж/с ‑ определяет связь между частотой света и его энергией и "размер" этого шага. Уравнение фотоэффекта (закон Эйнштейна): h*ню = m*v^2/2 + Aвых. h ‑ постоянная Планка, ню ‑ частота света, m ‑ масса электрона (9.1*10^‑31 кг), v ‑ начальная скорость, с которой электрон выходит с поверхности металла, Aвых ‑ работа выхода металла. Работа выхода ‑ это минимальная энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы выбить его из металла с нулевой начальной скоростью.

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru