VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Понимая под светом все виды излучения - видимого, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и др., отметим, что важность света как объекта окружающего нас мира содержится еще в древнем библейском: "Да будет свет!". Что же такое свет? Какова физическая природа света? Ответ на этот вопрос является принципиально важным как для понимания свойств окружающей природы, так и для развития физики в целом.

То, что свет обладает волновыми свойствами, было известно давно. Роберт Гук в своей работе "Микрография" (1665 г.) сравнивает свет с распространением волн. Христиан Гюйгенс в 1690 г. опубликовал "Трактат о свете", в котором развивает волновую теорию света [1]. Волновая теория света, исходя из такого представления о природе света, на основе общих свойств волновых процессов объяснила такие оптические явления как интерференция света, дифракция света, поляризация света и др.

Однако, уже в начале ХХ века при исследовании взаимодействия света с веществом были обнаружены такие оптические явления как фотоэффект, эффект Комптона, фотохимические реакции и др. При объяснении этих явлений представления о том, что свет есть распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны, оказались несостоятельными. Предсказания волновой теории света пришли в противоречие с наблюдаемыми в экспериментах закономерностями явлений квантовой оптики. Объясняя эти явления, в 1905 г. Эйнштейн выдвинул корпускулярную теорию света, которая, развивая идеи Ньютона о световых корпускулах, рассматривала свет как поток большого числа частиц, названных фотонами. Фотонная теория света легко объяснила все качественные и количественные закономерности явлений квантовой оптики [2].

Итак, на первый взгляд, казалось, что теперь, объединив электромагнитные волны и фотоны в одном объекте, мы и ответим на вопрос о природе света. Свет есть волны и частицы. Однако, критическое изучение такого ответа показало несостоятельность простого механического объединения волн и частиц. Оказалось, что представления об электромагнитной волне и представления о потоке частиц исключают друг друга.

В этой работе мы рассмотрим две работы, одна из котороых базируется на волновых свойствах света, а другая на корпускулярных свойствах.

Одно из волновых свойств света – дифракция. Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Использованием дифракции света можно определить длину световой волны

Дифракционная решетка представляет собой правильно чередующиеся прозрачные и непрозрачные полосы, поперечные размеры которых сравнимы с длиной световой волны.

Установили расстояние Lмежду дифракционной решеткой и щелью равным 0,3 м и 0,36 м поочередно. поместили светофильтр (красный, зелёный) перед щелью в корпусе осветителя. Посмотрев через дифракционную решетку, измерили по шкале расстояния (h/2) от нулевого максимума до максимума k – того порядка (k = 1, 2, 3).

Получили результаты

фильтры	L (mm)	k	h (mm)	tg	 (mm)	ср (mm)	∆ (mm)	∆ср (mm)	∆cp
зелёный	L1= 300	1	34	0.0567	5.67x10-4	5.63x10-4	0.04x10-4	0.045x10-4	7.99x10-3
		2	67	0.1120	5.58x10-4		0.05x10-4
	L2= 360	1	39	0.0542	5.42x10-4	5.45x10-4	0.03x10-4	0.03x10-4	5.5x10-3
		2	79	0.1097	5.48x10-4		0.03x10-4
красный	L1= 300	1	40	0.0667	6.67x10-4	6.67x10-4	0	0	0
		2	80	0.1330	6.67x10-4		0
	L2= 360	1	46	0.0639	6.39x10-4	6.35x10-4	0.03x10-4	0.03x10-4	5.5x10-3
		2	91	0.1264	6.32x10-4		0.03x10-4

Получили что длины зеленой и красной волн равны 563 нм и 667 нм. Полученные длиные волны находятся в диапазоне длин зеленой и красной волн соотвественно.[3][4]

Впервые зависимость интегральной излучательной способности абсолютно черного тела от его температуры была найдена опытным путем И. Стефаном в 1879г. В 1884г. этот закон был получен Л. Больцманом из термодинамических соображений.

Закон Стефана-Больцмана формулируется так: “Интегральная излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры”[5] где - постоянная.

Значение постоянной оказалось возможным определить теоретически только на основе закона излучения М. Планка. Известно, что излучательная способность абсолютно черного тела определяется формулой Планка:[5]

В данной лабораторной работе измерение температуры производится с помощью яркостного пирометра. Яркостные пирометры нашли широкое применение при измерении температур в диапазоне от 5*10² до 10^4оК. Простейшим яркостным пирометром является пирометр с исчезающей нитью.

Результаты:

Тя (оС)	Тя (К)	Т (К)	U (В)	I (А)	 (Вт/м2.К2)	h (Дж.с)
1410	1683	1792.88	3.200	3.5	4.40х10-8	7.20x10-34
1405	1678	1787.20	3.250	3.5	4.53х10-8	7.14x10-34
1560	1833	1964.10	4.100	4.0	4.47х10-8	7.17x10-34
1560	1833	1964.10	4.125	4.0	4.50х10-8	7.15x10-34

Т считали по формуле

где : =0,01488 м*К – 2-ая постоянная излучения, - эффективная длина волны, пропускаемая светофильтром, - коэффициент излучательной монохроматической способности исследуемого тела.

Константа Планка

[6]

Константа Стефана – Больцмана

[6]

где - сила тока, - падение напряжения на металлической пластинке, - площадь поверхности пластинки

Средние значения = 4.48х10^-8(Вт/м².К²) ≈ табличному значению = 5,6703271*10^-8 Вт/(м²*К⁴).[8]

Средние значения h= 7.16x 10^-34(Дж.с) ≈ табличному значению h=6,62617636*10^-34 Дж*с [5].

Таким образом, свет выполняет и законы для волн и законы для частиц.. Такие явления, как дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать с классической точки зрения только на основе представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами.

Список литературы

1. Ю. А. Храмов. "Физики". Биографический справочник., 1983.

2. Михайлов Л. А. “Концепции современного естествознания” 2008

3. “Красный цвет” википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/красный цвет

4. “Зеленый цвет” википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/зеленый цвет

5. Р.И. Грабовский. “Курс физики”, 2005

6. Яворский Б.И., Детлаф А. А. Курс физики. т. 3. М. ,Высшая школа, 1982г

Код для цитирования: Скопировать