Что такое свет по современным представлениям

Понятие и определение света с точки зрения физики

06 Октября 2020

В XXI веке науке известно почти все об окружающих нас явлениях. По крайней мере, она может достаточно точно ответить на вопрос, что такое свет, какие у него свойства и каким законам он подчиняется.

Что такое свет с точки зрения физики

Первую научную теорию о природе света предложил в XVIII веке Христиан Гюйгенс, утверждавший, что световое излучение распространяется в пространстве волнами. Исаак Ньютон выдвинул свою концепцию о природе этого явления, согласно которой свет — это поток мельчайших частиц.

В середине XIX-го века наука сформировала новые представления о физической природе света. Прорывом стал закон электромагнитного поля Джеймса Максвелла, который смог гармонично соединить идеи Гюйгенса и Ньютона. Ученый доказал, что световое излучение одновременно является и частицей, и волной.

Эти же представления о явлении света актуальны и для современного научного сообщества. Единицей измерения светового потока принято считать фотон — квант электромагнитного излучения.

Световое излучение — это поперечная волна. Однако в падающем от источника пучке световых волн присутствуют колебания всех возможных направлений, в том числе, и продольных.

Природа явления, какие законы его описывают

За 200 лет активных изучений световых явлений, ученые накопили достаточно информации и сформулировали основные законы распространения светового потока в пространстве.

К ним относятся:

1. Прямолинейное распространение светового луча в однородной среде.
2. Отражение светового луча от непрозрачной поверхности.
3. Преломление светового луча на границе двух разных сред.

Закон прямолинейного распространения утверждает, что видимый свет в однородной среде (воздух, вода) распространяется строго по прямой линии. Если на этой линии разместить предмет, то от него образуется тень.

В неоднородной же среде направление светового луча меняется. Одну часть фотонов поглощает среда, другая — меняет свой вектор движения.

Закон отражения одним из первых сформулирован учеными древности. Из этого закона следуют следующие свойства света:

1. Падающий световой поток и отраженный луч находятся в одной плоскости.
2. Угол падения светового луча всегда равен углу отражения.

Как действует закон преломления, каждый из нас мог наблюдать в жизни неоднократно. Мы видели как преломляется чайная ложка в прозрачном стакане воды, но не знали, что это объясняется изменением длины световых волн. Попадая в более плотную среду, скорость распространения светового потока уменьшается, и, наоборот, она увеличивается, переходя из воды в воздух. Другим примером, иллюстрирующим закон преломления света в атмосфере является радуга.

Общие определения

В физике существует специальный раздел, который занимается изучением света, его распространения в пространстве и взаимодействия с другим веществом. Этот раздел называется оптикой.

Другие важные определения, которые необходимо знать при изучении оптических явлений, это:

1. Световой поток. Это величина, равная количеству энергии, излучаемой источником света за единицу времени.
2. Сила света. Так называют плотность светового потока, распространяемого в данном направлении пространства.
3. Яркость. Это характеристика, которая показывает отношение силы света, который излучает поверхность, к площади ее проекции на перпендикулярную оси наблюдения плоскость.
4. Освещенность. Этим термином называют количество света, который падает на единицу поверхности.

Характеристики и основные свойства света

Основной характеристикой света является корпускулярно-волновой дуализм, то есть его двойственная природа, присущие ему свойства и волны, и частицы.

К основным волновым свойствам данного явления относятся:

1. Интерференция — пространственное перераспределение энергии светового излучения при наложении двух или более световых волн.
2. Дифракция. Этим термином называется свойство световой волны огибать препятствия на своем пути.
3. Поляризация — свойство световых лучей распространяться в определенном направлении (лазеры).

Квантовыми свойствами света считаются:

1. Фотоэффект — выделение веществом электронов под воздействием электромагнитного излучения.
2. Излучение черного тела. Абсолютно черным телом в физике называют тело, поглощающее все то излучение, которое на него падает.
3. Эффект Комптона. Комптон исследовал упругое рассеяние коротковолнового рентгеновского излучения на свободных электронах вещества. Открытый им эффект увеличения длины волны рассеянного излучения получил название эффект Комптона.

Спектральный состав света

Еще Ньютон в своих экспериментах доказал, что обычный белый свет является набором многих цветов или волн, имеющих различную длину, которые при взаимодействии складываются в белый. Видимый свет находится в диапазоне от 380 до 780 нанометров.

Если излучение обладает волнами, короче 380 нм, то оно относится к ультрафиолетовому свету, если излучение имеет длину волн более 780 нм — оно называется инфракрасным.

За пределами ультрафиолетового и инфракрасного излучения находятся и другие, известные науке виды:

• гамма-лучи;
• рентгеновские волны;
• микроволновой диапазон и др.

Как свет воспринимается глазом

Свет воспринимается глазами человека в диапазоне 370-790 нм. Ультрафиолетовое излучение наше зрение зафиксировать не может, зато его воздействие испытывает на себе наша кожа, на которую оно оседает в виде загара. Инфракрасное же излучение ощущается человеком как тепло. Разработки последних лет подтвердили преимущество инфракрасных обогревателей перед другими видами.

Сетчатка глаз обладает уникальной способностью улавливать фотоны и передавать эту информацию в мозг для последующей обработки. Это подтвержденный факт, который свидетельствует о том, что человек является гармоничной частью природы.

Как видите, физика и ее отдельные аспекты кажутся простыми только на первый взгляд. Для того, чтобы разобраться в сути некоторых явлений, придется потратить не один час. Если физика — это не для вас и не про вас, обязательно обращайтесь за помощью к экспертам Феникс.Хелп.

Источник

Свет: частица или волна? История развития представлений и корпускулярно-волновой дуализм.

На протяжении истории человечество задумывалось о природе такого явления, как свет. С древних времен и до наших дней представления о нем менялись и совершенствовались. Наиболее популярные гипотезы склонялись к тому, что свет — это частица или волна. Раздел современной науки, изучающий природу и поведение света, называется оптикой.

История развития представлений о свете

Согласно представлениям древнегреческих философов, например, Аристотеля, свет – это лучи, исходящие из глаз человека. Через эфир, прозрачную субстанцию, заполняющую пространство, эти лучи распространяются, позволяя человеку видеть предметы.

Вам будет интересно: История и гибель лайнера «Нормандия» (Normandie)

Другой философ, Платон, высказал предположение, что источником света на Земле является Солнце.

Философ и математик Пифагор полагал, что из предметов вылетают крошечные частицы. Попадая в глаз человека, они дают нам представление о внешнем виде этих предметов.

Несмотря на кажущуюся наивность, данные гипотезы заложили основу для дальнейшего развития мысли.

Так, в XVII веке немецкий ученый Иоганн Кеплер высказал теорию, близкую к представлениям Платона и Пифагора. По его мнению, свет – частица, или точнее, поток частиц, распространяющийся от какого-либо источника.

Корпускулярная гипотеза Ньютона

Ученый Исаак Ньютон выдвинул теорию, объединившую до некоторой степени противоречивые представления о данном явлении.

Согласно гипотезе Ньютона, свет – частица, скорость перемещения которой очень велика. Корпускулы распространяются в однородной среде, двигаясь равномерно и прямолинейно от источника света. Если поток этих частиц попадает в глаз, то человек наблюдает его источник.

По мнению ученого, корпускулы имели неодинаковые размеры, давая ощущения различных цветов. Например, крупные частицы способствуют тому, что человек видит красный цвет. Явления отражения потока света он аргументировал отскоком частиц от твердой преграды.

Белый цвет ученый объяснил сочетанием всех цветов спектра. На этом заключении построена его теория дисперсии – явления, обнаруженного им в 1666 году.

Гипотезы Ньютона нашли большое признание среди его современников, объясняя многие оптические явления.

Волновая теория Гюйгенса

Другой ученый того же времени, Христиан Гюйгенс, не согласился с тем, что свет – частица. Он выдвинул волновую гипотезу природы света.

Гюйгенс полагал, что все пространство между предметами и в самих предметах заполнено эфиром, а световое излучение – это импульсы, волны, распространяющиеся в этом эфире. Каждый участок эфира, до которого доходит световая волна, становится источником, так называемых вторичных волн. Опыты по интерференции и дифракции света подтвердили возможность волнового объяснения природы света.

Теория Гюйгенса не получила большого признания в его время, так как большинство ученых склонны были считать свет частицей. Однако она была впоследствии принята и доработана многими учеными, например, Юнгом и Френелем.

Дальнейшее развитие представлений

Вопрос, что такое свет в физике, продолжал занимать умы ученых. В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл разработал теорию, согласно которой световое излучение – это высокочастотные электромагнитные волны. Его представления основывались на факте, что скорость распространения света в вакууме равняется скорости распространения электромагнитных волн.

В 1900 году Макс Планк ввел в науку термин «квант», переводящийся как «порция», «небольшое количество». Согласно Планку, излучение электромагнитных волн происходит не непрерывно, а порционно, квантами.

Эти представления развил Альберт Эйнштейн. Он высказал мнение, что свет не только излучается, но также поглощается и распространяется частицами. Для их обозначения он использовал слово «фотоны» (термин впервые предложен Гилбертом Льюисом).

Корпускулярно-волновой дуализм

Современное объяснение природы света лежит в понятии корпускулярно-волнового дуализма. Суть данного явления состоит в том, что материи могут проявлять свойства и волны, и частицы. Свет является примером такой материи. Исследования ученых, пришедших к, казалось бы, противоположным мнениям, являются подтверждением двойственной природы света. В одно и то же время свет – частица и волна. Степень выраженности каждого из этих свойств зависит от конкретных физических условий. В определенных случаях свет проявляет свойства электромагнитной волны, подтверждая волновую теорию своего происхождения, в иных случаях, свет — это поток корпускул (фотонов). Это дает основания заявить, что свет – частица.

Свет стал первой материей в истории физики, у которой признали наличие корпускулярно-волнового дуализма. В дальнейшем это свойство было обнаружено еще у ряда материй, например, волновое поведение наблюдается у молекул и нуклонов.

Подводя итог, можно сказать, что свет – уникальное явление, история развития представлений о котором насчитывает более двух тысяч лет. Согласно современному понимаю данного явления, свет обладает двойственной природой, проявляя свойства и волн, и частиц.

Источник

Что такое свет с точки зрения физики?

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 скорость света 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.

Источник