Конспект урока по физике. Группа № 91 профессия «Машинист крана (крановщик)», 1 курс. Тема: «Давление света». Интернет ресурсы: видео урок по теме «Давление света» https://www.youtube.com/watch?v=6NBRnmYUYDc. Ход работы. Основной этап

Преподаватель:Ракова Н.С. rakovanatasha@yandex.ru

Конспект урока по физике

Дата: 12.05.2020


17.04	23.04	12.05	2.05

Группа № 91 профессия «Машинист крана (крановщик)», 1 курс

Тема: «Давление света»

Форма работы: индивидуальная, электронное обучение

Тип урока:урок изучения и закрепление нового материала

Цель урока:изучить понятие давление света, ознакомить обучающихся с историей открытия давления света.

Используемая литература:Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика 11 класс, Издательство Просвещение, 2018

https://uchebnikionline.ru/uchebniki/11-klass/fizika-11-klass-myakishev-buhovcev-charugin

Интернет ресурсы: видео урок по теме «Давление света» https://www.youtube.com/watch?v=6NBRnmYUYDc

Ход работы

1. Организационный этап.Здравствуйте, ребята! На этом уроке мы изучим новую тему: «Давление света», познакомимся с историей открытия давления света.

2. Основной этап

В 1873 г. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствия. Впервые гипотеза о световом давлении была высказана еще в 1619 г. немецким ученым И. Кеплером (1571-1630) для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца.

Предсказанное Максвеллом существование светового давления было экспериментально подтверждено Лебедевым, который в 1900 г. измерил давление света на твердые тела, используя чувствительные крутильные весы. Оно оказалось чрезвычайно малым, 4*10^-26Па. Тем не менее, световое давление сыграло большую роль в развитии физики, особенно такого его важного раздела, как теория электромагнитного поля.

Как объяснить возникновение светового давления с позиций квантовой теории света?

Свет — это поток фотонов, каждый из фотонов обладает импульсом:

При поглощении веществом фотон перестает существовать, но импульс его, по закону сохранения импульса, не может совсем исчезнуть. Он передается телу, значит, на тело действует сила. Это верно, когда свет веществом поглощается. Свет еще может отражаться телами, а если тело прозрачно, то может проходить сквозь него. Что же наблюдается в реальных условиях? В реальных условиях свет частично отражается телом, частично поглощается, а если это, например, стекло, то свет проходит сквозь него. Но как будет обстоять дело, если поверхность зеркальная? Возникает ли световое давление в данном случае?

Для простоты предположим, что свет падает перпендикулярно к поверхности зеркала.

Мы знаем, что при абсолютном ударе какого-либо тела о стенку она получает импульс, модуль которого равен удвоенному модулю импульса тела, то есть 2mυ.

Здесь будет то же самое. Отражаясь, фотон летит с той же скоростью, но в противоположном направлении. Значит, при отражении фотона от зеркала его импульс изменяется на 2mc.

Такое же изменение импульса, но в противоположном направлении, получит зеркало. Сила давления света в случае отражения будет в 2 раза больше, чем в случае поглощения. Таким образом, световое давление в реальных условиях обусловлено как поглощением, так и отражением фотонов.

Световое давление принадлежит к числу тех оптических явлений, которые могут быть объяснены с позиций, как квантовой теории света, так и волновой.

Как же объяснить световое давление на основе волновой теории?

Предположим, что световая волна падает на поверхность тела по нормали. Как будет направлена тогда сила светового давления? Тоже по нормали в сторону распространения света. Откуда это следует? Какова природа этой силы с точки зрения волновой теории? Все тела состоят из молекул, атомов, а атомы из электронов, протонов и нейтронов.

На эти частицы при прохождении электромагнитной волны будут действовать силы со стороны электрического поля волны. Эта сила равна F=qE.. На движущиеся в магнитном поле заряженные частицы будут действовать сила Лоренца. Сила Лоренца рассчитывается по формуле F=q𝞾Bsina, а направление этой силы определяется по правилу левой руки.

Итак, электромагнитная волна может оказывать воздействие только на заряженные частицы. Световое давление объясняется действием световой волны на заряженные частицы, находящиеся в теле.

А сейчас постараемся выяснить, какие силы, электрические или магнитные, или те и другие, вызывают световое давление. Разберемся в этом с помощью рисунка. Как мы знаем, вектор напряженности электрического поля и вектор магнитной индукции в электромагнитной волне взаимно перпендикулярны.

Рассмотрим в начале действие электромагнитной волны на положительный заряд. Какие силы будут действовать на заряд?

Электрическая сила F=qE будет действовать в сторону вектора напряженности электрического поля. Значит, в ту же сторону начнет смещаться заряд под действием электрической силы. Но эта сила не совпадает по направлению с силой светового давления. Так как заряд под действием электрической силы начнет двигаться, то наго будет действовать магнитное поле волны. Возникает сила Лоренца. Чтобы определить направление силы Лоренца, надо левую руку расположить так, чтобы вектор входил в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены в сторону движения частицы, тогда отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление силы Лоренца. Значит, сила Лоренца направлена внутрь тела, а световое давление представляет собой сумму Лоренцовых сил, действующих на все положительные заряды, находящиеся в теле.

Но в теле есть и отрицательные электроны.

На них тоже действует сила Лоренца. Электроны должны двигаться против поля Е, так как имеют отрицательный заряд, и, применяя правило левой руки, выясняем, что на электроны сила Лоренца будет действовать в ту же сторону, то есть внутрь тела.

Эти силы Лоренца в совокупности и создают световое давление.

А теперь остановимся непосредственно на опытах Лебедева.

В экспериментальной установке Лебедев на тонкой упругой кварцевой нити было подвешено коромысло с крылышками на концах. Крылышки были сделаны из тонкой металлической фольги. Одно крылышко было покрыто слоем сажи. Крылышки облучались мощным источником света. При поглощении света черной поверхностью крылышко получит от волны импульс р. При отражении волны от блестящей поверхности крылышко получит от волны импульс 2р. Поэтому световое давление на черное крылышко в 2 раза меньше, чем на блестящее. Это приводит к повороту крылышка и закручиванию упругой нити. Зная угол поворота коромысла, его длину, площадь крылышек и упругие свойства нити Лебедев определил световое давление. Угол поворота коромысла определялся по отклонению светового луча. Однако Лебедев, проделывая данный опыт, столкнулся с побочными явлениями. В частности, наблюдался радиометрический эффект: под действием света крылышки нагреваются и при этом черное крыло нагревается сильнее блестящего. Так как температура черного крылышка выше температуры блестящего, то черное крылышко передает молекулам окружающего воздуха больший суммарный импульс, чем блестящее, и по закону сохранения импульса само получает больший импульс противоположного направления. В результате возникает закручивающий момент примерно в 1000 раз больше закручивающего момента, обусловленного световым давлением. Чтобы устранить радиометрический эффект, Лебедев поместил прибор в сосуд с вакуумом и взял очень большой сосуд и очень тонкие крылышки.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство существования давления света и того, что фотоны обладают импульсом. Результаты, полученные Лебедевым в 1900 году, совпали со значением светового давления, полученным теоретически, и подтвердили расчеты Максвелла. Расчеты силы давления света на основе фотонной и электромагнитной теорий света дали одинаковые результаты.

Домашнее задание:Стр. 268, § 72, сообщение: биография П.Н. Лебедева