Днес ще посветим разговор на такова явление като налягането на светлината. Помислете за предпоставките за откритието и последствията за науката.

светлина и цвят

Тайната на човешките способности е вълнувала хората от древни времена. Как вижда окото? Защо съществуват цветовете? Каква е причината светът да е такъв, какъвто го възприемаме? Докъде може да види човек? Експерименти с разлагане на слънчев лъч в спектър са проведени от Нютон през 17 век. Той също така постави строга математическа основа в редица различни факти, които по това време бяха известни за светлината. И Нютоновата теория предсказа много: например открития, които само квантовата физика обясни (отклонението на светлината в гравитационно поле). Но тогавашната физика не познаваше и не разбираше точната природа на светлината.

вълна или частица

Откакто учените от цял ​​свят започнаха да проникват в същността на светлината, имаше дебат: какво е радиация, вълна или частица (корпускула)? Някои факти (пречупване, отражение и поляризация) потвърдиха първата теория. Други (праволинейно разпространение при липса на препятствия, лек натиск) - вторият. Само квантовата физика обаче успя да успокои този спор, като обедини двете версии в една обща. заявява, че всяка микрочастица, включително фотон, има както свойствата на вълна, така и на частица. Това означава, че квантът светлина има такива характеристики като честота, амплитуда и дължина на вълната, както и импулс и маса. Нека направим резервация веднага: фотоните нямат маса на покой. Като квант на електромагнитното поле, те носят енергия и маса само в процеса на движение. Това е същността на понятието "светлина". Днешната физика го е обяснила достатъчно подробно.

Дължина на вълната и енергия

Концепцията за "вълнова енергия" беше спомената малко по-горе. Айнщайн убедително доказва, че енергията и масата са идентични понятия. Ако фотон носи енергия, той трябва да има маса. Квантът светлина обаче е „хитра“ частица: когато фотонът се сблъска с препятствие, той напълно предава енергията си на материята, превръща се в нея и губи индивидуалната си същност. В същото време определени обстоятелства (силно нагряване, например) могат да накарат предишните тъмни и спокойни вътрешности на метали и газове да излъчват светлина. Импулсът на фотона, пряко следствие от наличието на маса, може да се определи с помощта на налягането на светлината. изследовател от Русия убедително доказа този удивителен факт.

Опитът на Лебедев

Руският учен Петър Николаевич Лебедев през 1899 г. прави следния експеримент. На тънка сребърна нишка окачи напречна греда. Към краищата на напречната греда ученият прикрепи две плочи от едно и също вещество. Това бяха сребърно фолио, злато и дори слюда. Така се получиха своеобразни везни. Само че измерваха теглото не на товара, който притиска отгоре, а на товара, който притиска отстрани върху всяка от плочите. Лебедев постави цялата тази конструкция под стъклен капак, така че вятърът и случайните колебания в плътността на въздуха да не могат да я повлияят. Освен това бих искал да напиша, че той създаде вакуум под капака. Но по това време дори среден вакуум беше невъзможно да се постигне. Така че ние казваме, че той създаде под стъкления капак силно и последователно осветява една плоча, оставяйки другата в сянка. Количеството светлина, насочено към повърхностите, беше предварително определено. По ъгъла на отклонение Лебедев определи какъв импулс предава светлината на плочите.

Формули за определяне на налягането на електромагнитното излъчване при нормално падане на лъча

Като начало, какво е "нормално падане"? Светлината пада върху повърхност нормално, ако е насочена строго перпендикулярно на повърхността. Това налага ограничения на проблема: повърхността трябва да е идеално гладка, а радиационният лъч трябва да бъде насочен много точно. В този случай налягането се изчислява:

k е пропускливостта, ρ е коефициентът на отражение, I е интензитетът на падащия светлинен лъч, c е скоростта на светлината във вакуум.

Но вероятно читателят вече се е досетил, че такава идеална комбинация от фактори не съществува. Дори и да не вземем предвид идеалността на повърхността, е доста трудно да се организира падането на светлина строго перпендикулярно.

Формули за определяне на налягането на електромагнитното излъчване, когато пада под ъгъл

Натискът на светлината върху огледална повърхност под ъгъл се изчислява с помощта на различна формула, която вече съдържа елементи на вектори:

p= ω ((1-k)i+ρi') cos ϴ

Стойностите p, i, i' са вектори. В този случай k и ρ, както в предишната формула, са съответно коефициентите на пропускане и отражение. Новите стойности означават следното:

• ω - обемна плътност на радиационната енергия;
• i и i' - единични вектори, които показват посоката на падащия и отразения лъч светлина (задават посоките, в които трябва да се добавят действащите сили);
• ϴ е ъгълът спрямо нормалата, под който пада светлинният лъч (и съответно се отразява, тъй като повърхността е огледална).

Напомняме на читателя, че нормалата е перпендикулярна на повърхността, така че ако в задачата е даден ъгълът на падане на светлината спрямо повърхността, тогава ϴ е 90 градуса минус дадената стойност.

Приложение на феномена на налягането на електромагнитното излъчване

Ученик, който учи физика, намира много формули, понятия и явления за скучни. Защото по правило учителят разказва теоретичните аспекти, но рядко може да даде примери за ползите от определени явления. Нека не обвиняваме училищните наставници за това: те са силно ограничени от програмата, по време на урока е необходимо да се разкаже обширен материал и все пак да има време да се проверят знанията на учениците.

Въпреки това обектът на нашето изследване има много интересни приложения:

1. Сега почти всеки студент в лабораторията на своето учебно заведение може да повтори експеримента на Лебедев. Но тогава съвпадението на експерименталните данни с теоретичните изчисления беше истински пробив. Експериментът, направен за първи път с 20% грешка, позволи на учени от цял ​​свят да развият нов клон на физиката - квантовата оптика.
2. Получаване на високоенергийни протони (например за облъчване на различни вещества) чрез ускоряване на тънки филми с лазерен импулс.
3. Отчитането на натиска на електромагнитното излъчване на Слънцето върху повърхността на близки до Земята обекти, включително сателити и космически станции, позволява да се коригира тяхната орбита с по-голяма точност и да се предотврати падането на тези устройства на Земята.

Горните приложения вече съществуват в реалния свят. Но има и потенциални възможности, които все още не са реализирани, тъй като технологията на човечеството все още не е достигнала необходимото ниво. Между тях:

1. Слънчево платно. С негова помощ би било възможно да се движат доста големи товари в околоземното и дори в слънчевото пространство. Светлината дава малък импулс, но при правилна позиция на повърхността на платното, ускорението би било постоянно. При липса на триене е достатъчно да се набере скорост и да се доставят товари до желаната точка в Слънчевата система.
2. Фотонен двигател. Тази технология може би ще позволи на човек да преодолее привличането на собствената си звезда и да лети в други светове. Разликата е, че изкуствено създадено устройство, например термоядрен двигател, ще генерира слънчеви импулси.

Хипотезата за съществуването на светлинно налягане за първи път е представена от И. Кеплер през 17 век, за да обясни поведението на кометните опашки по време на полета им близо до Слънцето. През 1873 г. Максуел дава теория за налягането на светлината в рамките на своята класическа електродинамика. За първи път светлинното налягане е изследвано експериментално от П. Н. Лебедев през 1899 г. В неговите експерименти върху тънка сребърна нишка във вакуумиран съд е окачен въртящ се баланс, към лъчите на който са прикрепени тънки дискове от слюда и различни метали. Основната трудност беше да се разграничи светлинното налягане на фона на радиометрични и конвективни сили (сили, дължащи се на разликата в температурата на околния газ от осветената и неосветената страна). Чрез последователно облъчване на различни страни на крилата, Лебедев изравнява радиометричните сили и получава задоволително (±20%) съгласие с теорията на Максуел. По-късно през 1907-1910г. Лебедев провежда по-точни експерименти за налягането на светлината в газовете и също така получава приемливо съгласие с теорията.

физически смисъл

Според днешните представи светлината има корпускулярно-вълнов дуализъм, тоест проявява свойствата на частиците (фотоните) и свойствата на вълните (електромагнитното излъчване).

Ако разглеждаме светлината като поток от фотони, тогава, според принципите на класическата механика, когато частиците ударят тяло, те трябва да предадат импулс към него, с други думи, да упражнят натиск. Това налягане понякога се нарича радиационно налягане.

За да изчислите светлинното налягане, можете да използвате следната формула:

където е количеството лъчиста енергия, падаща нормално върху 1 m² повърхност за 1 s; - скорост на светлината, - коефициент на отражение.

Ако светлината пада под ъгъл спрямо нормалата, тогава налягането може да се изрази по формулата:

където е обемната енергийна плътност на излъчване, е коефициентът на отражение, е единичният вектор на посоката на падащия лъч, е единичният вектор на посоката на отразения лъч.

Например тангенциалният компонент на силата на светлинния натиск върху единица площ ще бъде равен на:

Нормалният компонент на силата на светлинния натиск върху единица площ ще бъде равен на:

Съотношението на нормалните и тангенциалните компоненти е:

Приложение

Възможни приложения са слънчево платно и разделяне на газ.

Бележки

• Въздух
• Хронометър

Вижте какво е "леко налягане" в други речници:

лек натиск- Лек натиск. Схема за разделяне на газ с помощта на резонансно светлинно налягане (честотата на лазерната светлина е равна на честотата на атомния преход). Резонансните атоми под действието на светлината, след като са получили насочен импулс от светлинни кванти, ще отидат в далечния ... ... Илюстрован енциклопедичен речник

лек натиск- налягането, създадено от светлината върху отразяващи или поглъщащи тела. Д. с. за първи път е експериментално открит и измерен от П. Н. Лебедев (1899). Стойността на D. s. дори и за най-силните източници на светлина (слънцето, електрическа дъга) е пренебрежимо малък ... ... Велика съветска енциклопедия

СВЕТЛИНА ЗА НАЛЯГАНЕ- Натискът, упражняван от светлината върху тела, които отразяват или поглъщат светлина. Налягането на светлината е резултат от предаването на импулс към тялото на фотоните, погълнати или отразени от него. Под действието на слънчевата радиация върху макроскопичните тела тя е изключително малка ... ... Голям енциклопедичен речник

СВЕТЛИНА ЗА НАЛЯГАНЕ- (виж СВЕТЛИНО НАЛЯГАНЕ). Физически енциклопедичен речник. Москва: Съветска енциклопедия. Главен редактор А. М. Прохоров. 1983... Физическа енциклопедия

лек натиск- налягането, произведено от светлина върху тела, които отразяват или поглъщат светлина, частици, както и отделни молекули и атоми. Хипотезата за светлинното налягане е предложена за първи път (1619) от И. Кеплер, за да обясни отклонението на опашките на комети, летящи близо до Слънцето. ... ... енциклопедичен речник

лек натиск- šviesos slėgis statusas T sritis Стандартизация и метрология apibrėžtis Slėgis, kurį kuria šviesa veikdama tam tikrą paviršių. атитикменис: англ. лек натиск vok. Lichtdruck, м рус. леко налягане, n; лек натиск, n pranc. натиск де… Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas

лек натиск- šviesos slėgis statusas T sritis fizika atitikmenys: англ. лек натиск vok. Lichtdruck, м рус. леко налягане, n; лек натиск, n pranc. pression de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

СВЕТЛИНА ЗА НАЛЯГАНЕ- налягане, произведено от светлина върху тела, които отразяват или поглъщат светлина, частици, както и отд. молекули и атоми. Хипотеза за Д. с. за първи път (1619 г.) И. Кеплер заяви, че обяснява отклонението на опашките на комети, летящи близо до Слънцето. В земното ..... Естествени науки. енциклопедичен речник

лек натиске налягането, упражнявано от светлината върху осветената повърхност. Играе важна роля в космическите процеси (образуване на кометни опашки, равновесие на големи звезди). D.S. е предсказан през 1619 г. от него. астроном И. Кеплер. (1571 1630) и експериментално ... ... Астрономически речник

Когато електромагнитните вълни падат върху повърхност, те упражняват натиск върху тази повърхност. Налягането на светлината може да се обясни както от електромагнитна гледна точка, така и в рамките на квантовата теория.

Нека нормално плоска електромагнитна вълна падне върху металната повърхност, тогава векторите на електрическото и магнитното поле на такава вълна са успоредни на повърхността. Под въздействието на електрическо поле д електроните започват да се движат успоредно на повърхността. В този случай за всеки електрон, движещ се със скорост , от страната на магнитното поле на светлинната вълна с индукция Силата на Лоренц работи

насочена вътре в метала перпендикулярно на повърхността му. По този начин светлинната вълна трябва да произвежда натиск върху повърхността на метала.

В рамките на теорията на квантовите фотони светлинното налягане се дължи на факта, че всеки фотон не само носи енергия, но има и импулс . Всеки погълнат фотон предава инерцията си на повърхността

Примери за решени задачи по физика на тема "налягане на светлината". Лек натиск Лек натиск върху напълно абсорбираща повърхност По-долу са условията на задачите и сканираните решения. Ако трябва да решите задача по тази тема, можете да намерите подобно условие тук и да решите своето по аналогия. Зареждането на страницата може да отнеме известно време поради големия брой изображения. Ако имате нужда от решаване на проблеми или онлайн помощ по физика, моля свържете се с нас, ще се радваме да ви помогнем. Физическото явление - налягането на светлината върху повърхността - може да се разглежда от две позиции - корпускулярна и вълнова теория на светлината. Според корпускулярната (квантовата) теория на светлината, фотонът е частица и има импулс, който, когато фотон удари повърхност, се прехвърля изцяло или частично на повърхността. Според вълновата теория светлината е електромагнитна вълна, която при преминаване през материал оказва влияние върху заредени частици (силата на Лоренц), което обяснява налягането на светлината в тази теория. Светлина с дължина на вълната 620 nm пада нормално върху почерняла повърхност и упражнява налягане от 0,1 µPa. Колко фотона падат върху повърхност с площ 5 cm2 за време от 10 s? Светлината пада нормално върху огледална повърхност и упражнява върху нея налягане от 40 µPa. Каква е енергийната осветеност на повърхността? Светлина с дължина на вълната 600 nm пада нормално върху огледална повърхност и упражнява налягане от 4 µPa. Колко фотона удрят повърхност от 1 mm2 за 10 s? Светлина с дължина на вълната 590 nm пада върху огледална повърхност под ъгъл 60 градуса. Плътността на светлинния поток е 1 kW/m2. Определете налягането на светлината върху повърхността. Източникът се намира на разстояние 10 см от повърхността. Светлинното налягане върху повърхността е 1 MPa. Намерете мощността на източника. Светлинен поток с мощност 0,8 W пада нормално върху огледална повърхност с площ 6 cm2. Намерете налягането и силата на лекия натиск. Светлинен поток от 0,9 W пада нормално върху огледална повърхност. Намерете силата на лекия натиск върху тази повърхност. Светлината пада нормално върху повърхност с коефициент на отражение 0,8. Лекият натиск, упражняван върху тази повърхност, е 5,4 µPa. Каква енергия ще донесат фотоните, падащи върху повърхност с площ 1 m2 за време от 1 s? Намерете налягането на светлината, упражнено върху почернената повърхност на крушката на лампа с нажежаема жичка отвътре. Разгледайте колбата като сфера с радиус 10 cm и вземете спиралата на лампата като точков източник на светлина с мощност 1 kW. Светлинен поток с мощност 120 W/m2 пада нормално върху повърхността и упражнява налягане от 0,5 µPa. Намерете коефициента на отражение на повърхността. Светлината пада нормално върху идеално отразяваща повърхност с площ 5 cm2.За време от 3 минути енергията на падащата светлина е 9 J. Намерете налягането на светлината. Светлината пада върху огледална повърхност с площ 4,5 cm2. Енергийната осветеност на повърхността е 20 W/cm2. Какъв импулс ще дадат повърхностните фотони за 5 s? Светлината пада нормално върху почерняла повърхност и за 10 минути носи енергия от 20 J. Повърхността е 3 cm2. Намерете енергийното осветяване на повърхността и светлинния натиск. Светлина със сила на потока 0,1 W/cm2 пада върху огледална повърхност под ъгъл на падане 30 градуса. Определете налягането на светлината върху повърхността.

Основният постулат на корпускулярната теория на електромагнитното излъчване е следният: ъъъ електромагнитно излъчване (и по-специално светлината) - това е поток час тик ,Наречен фотони . Фотоните се разпространяват във вакуум със скорост, равна на ограничаване на скоростта на разпространение на взаимодействието , с= 3 10 8 m/s, маса и енергия на покой всеки фотон нула , фотонна енергия де свързано с честотата на електромагнитното излъчване ν и дължината на вълната λ по формулата (2.7.1) Обърнете внимание, че формула (2.7.1) свързва корпускуларенхарактеристика на електромагнитното излъчване, фотонна енергия, s вълнахарактеристики – честота и дължина на вълната. Това е мост между корпускулярните и вълновите теории. Съществуването на този мост е неизбежно, тъй като и фотонът, и електромагнитна вълна - просто е два модела на един и същи обект от реалния живот –електромагнитно излъчване . Всяка движеща се частица ( корпускула) има импулс, а според теорията на относителността енергията на частицата ди нейната инерция стрсвързани с формула (2.7.2) Където – енергията на покой на частицата. Тъй като енергията на покой на фотона е равна на нула, две много важни формули следват от (2.7.2) и (2.7.1): , (2.7.3) . (2.7.4) Нека сега се обърнем към явлението светлинен натиск. Налягането на светлината е открито от руския учен П.Н. Лебедев през 1901 г. В своите експерименти той установи, че налягането на светлината зависи от интензитета на светлината и от отразяващата способност на тялото. В експериментите е използван спинер с черни и огледални венчелистчета, поставен във вакуумирана колба (фиг. 2.10). Ориз. 2.10 Нека изчислим стойността на светлинното налягане. В областта на тялото Ссветлинният поток пада с енергия , където н – броят на квантите (фиг. 2.11). Ориз. 2.11 KNквантите ще се отразяват от повърхността; (1 - К)н- да се абсорбира (фиг. 2.10), К- коефициент на отражение. Всеки погълнат фотон ще предаде инерция на тялото: . (2.7.5) Всеки отразен фотон ще даде на тялото импулс: , (2.7.6) защото . Всичко за единица време нквантите дават на тялото импулс Р: . (2.7.7) защото фотонът има инерция, тогава инерцията, предадена на тялото за една секунда, е силата на натиск - силата на единица повърхност. Тогава налягането, или Където Дже интензивността на радиацията. Тоест може да се изчисли налягането на светлината.

и всеки отразен е двоен импулс

Нека фотонният поток пада върху повърхността на някакво тяло по нормалата N f (N fе броят на фотоните, падащи върху единица площ за единица време). Ако повърхността на тялото има коефициент на отражение, тогава за единица време фотоните ще се отразяват от нея, а фотоните ще се абсорбират от повърхността. Импулсът, получен от единица телесна повърхност за единица време, е равен на

Според втория закон на Нютон съществува сила, нормална към повърхността (в този случай това е силата на натиск) и стойността - налягане. Така че лекият натиск е

Стойността, равна на произведението на енергията на фотона ħwна брой фотони N fпадане на единица площ от тялото за единица време е плътността на потока на светлинната енергия Р.Същата стойност може да се получи чрез умножаване на средната енергийна плътност във вълна със скоростта на светлината:

Вече обсъждахме тази формула за и преди, когато разглеждахме налягането на електромагнитните вълни.

Пример.Да определим налягането Рслънчева светлина върху почерняла плоча, разположена перпендикулярно на слънчевите лъчи и разположена извън земната атмосфера близо до земята.

Слънчевата константа, тоест плътността на енергийния поток на слънчевата електромагнитна радиация в близост до Земята извън нейната атмосфера, е приблизително равна на . Почернялата чиния поема почти всичко, тоест за оценка можем да поставим . Оттук и натискът

Светлинното налягане играе огромна роля в ориентацията на кометните опашки спрямо Слънцето. Праховите частици и газовите молекули, присъстващи в кометите, изпитват лек натиск от слънчевите лъчи, в резултат на което се образуват особени форми на кометни опашки, ориентирани в противоположна на Слънцето посока. (Понастоящем се приема, че феноменът на образуване на опашка на комета се определя отчасти от "протонния" вятър, излъчван от Слънцето.)

Ориз. 2.20. Лекият натиск отклонява опашката на кометата от Слънцето

Ориз. 2.21. Проектът за слънчево платно в околоземна орбита, движено от натиска на светлината

Така както електромагнитната (вълновата), така и фотонната (квантовата) теории решават проблема за механизма и закономерностите на светлинния натиск с еднакъв успех.

Нека обобщим:

Следователно трябва да признаем двойствената природа на фотона. Докато в нашия курс това необичайно свойство - дуалност вълна-частица - настроен само на светлина.