Конспект урока по теме "Давление света"

Тема: "Давление света. Химическое действие света". 11-й класс

Фролов Юрий Викторович, учитель физики

Цель урока.

Ввести понятие давление света как экспериментальное доказательство, что фотоны обладают импульсом; ознакомить учащихся с историей открытия светового давления; познакомить учащихся с применением химического действия света. 2) Воспитывающая: продолжить формирование научного мировоззрения путем ознакомления с историей открытия светового давления;

Ход урока

1. Организационный момент

2. Повторение пройденной темы:

• В чем состоит различие между внешним и внутренним фотоэффектом?

• От чего зависит чувствительность фотоэлемента к падающему на него свету?

• Какие фотоэлементы используются в цепи переменного тока?

• При какой длине волны излучения масса фотона равна массе покоя электрона?

3. Изучение нового материала.

Учитель.

Что значит свет,
Кто дал ответ?
Максвелл считал, что свет — волна,
С громадной скоростью бежит она.
Планк доказал, что свет — фотон, 
И излучается нагретым телом он.
И наконец, ученые дошли своим умом,
Что свет обладает дуализмом.
А Лебедев уж доказал нам без сомненья,
Что свет оказывает на тела давленье.

На прошлых уроках мы выяснили, что свет обладает своеобразным дуализмом, двойственностью свойств. Сегодня на уроке мы поговорим о световом давлении попытаемся теоретически доказать его проявление.

В 1873 г. Максвелл, исходя из представлений об электромагнитной природе света, пришел к выводу: свет должен оказывать давление на препятствия.

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^-?6Па.

Тем не менее, световое давление сыграло большую роль в развитии физики, особенно такого его важного раздела, как теория электромагнитного поля.

Прослушаем небольшое сообщение о том, какую роль играет световое давление в различных явлениях космического масштаба.

Ученик. Световое давление, обусловленное солнечным излучением у поверхности Земли, составляет менее 0,0001 Па. Этим и объясняется тот факт, что в обычных условиях давление света заметным образом себя не проявляет.

Но давлением света объясняют тот факт, что хвосты комет обычно направлены от ядра кометы в сторону, противоположную Солнцу.

Световое давление вызывает изменение орбит искусственных спутников Земли.

Если в космосе развернуть щиты и управлять ими как парусами, то с их помощью можно перемещать корабль с одной космической орбиты на другую.

Ученые рассчитали, что в районе Земли на каждый 1 м² поверхности будет действовать сила от солнечных лучей порядка 0,9 мг. Казалось бы, ну что эта за сила? И все же ею не пренебрегают, когда речь заходит о межпланетных полетах. Если не сделать соответствующие поправки, то , например, станция типа “Венера” при приземлении на поверхность планеты могла бы промахнуться на 1000 км.

Получается, что световое давление является источником помех в космических полетах.

Учитель. Позднее мы ознакомимся с опытами Лебедева, а пока рассмотрим вопрос о давлении света теоретически.

Как объяснить возникновение светового давления с позиций квантовой теории света?

Ученик. Свет — это поток фотонов, каждый из фотонов обладает импульсом р= mc. При поглощении веществом фотон перестает существовать, но импульс его, по закону сохранения импульса, не может исчезнуть бесследно. Он предается телу, значит на тело действует сила.

Учитель. Приведенное рассуждение будет абсолютно верным, если считать, что свет только веществом поглощается. Но разве это всегда так?

Ученик. Нет, свет еще может отражаться телами, а если тело прозрачно, то может проходить сквозь него.

Учитель. Что же наблюдается в реальных условиях?

Ученик. В реальных условиях свет частично отражается телом, частично поглощается, а если это, например, стекло, то свет проходит сквозь него.

Учитель. Вы объяснили, как возникает давление света при его поглощении. Но как будет обстоять дело, если поверхность зеркальная? Возникает световое давление в данном случае?

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

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

Я думаю, 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.

Учитель. К какому выводу мы приходим, сравнивая импульс поглощенный с импульсом отраженным?

Ученик. Импульс, получаемый телом при отражении фотона, будет в 2 раза больше импульса, получаемого телом при поглощении фотона.

Учитель. А что можно сказать о силе светового давления в том и в другим случае?

Ученик. Сила давления света в случае отражения будет в 2 раза больше, чем в случае поглощения.

Учитель. Таким образом, световое давление в реальных условиях обусловлено как поглощением, так и отражением фотонов.

Чем обусловлено световое давление, если поверхность черная?

Ученик. Световое давление в этом случае обусловлено в основном поглощением фотонов.

Учитель. А если поверхность зеркальная или белая?

Ученик. Световое давление обусловлено отражением фотонов от данной поверхности.

Учитель. 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?

Ученик. Тоже по нормали в сторону распространения света.

Учитель. Откуда это следует? Какова природа этой силы с точки зрения волновой теории? Начнем издалека. Из чего все тела?

Ученик. Из молекул, атомов.

Учитель. А атомы?

Ученик. Из электронов, протонов и нейтронов.

Учитель. Будут ли на эти частицы действовать какие-либо силы при прохождении электромагнитной волны?

Ученик. На заряженные частицы будут действовать силы со стороны электрического поля волны. Эта сила равна F=lE.

Учитель. А магнитная составляющая электромагнитной волны будет оказывать силовое воздействие на заряженные частицы?

Ученик. На движущиеся в магнитном поле заряженные частицы будут действовать сила Лоренца.

Учитель. А как определить модуль и направление силы Лоренца?

Ученик. Сила Лоренца рассчитывается по формуле F=gVBsina, а направление этой силы определяется по правилу левой руки.

Учитель. Итак, электромагнитная волна может оказывать воздействие только на заряженные частицы. Как же объяснить световое давление?

Ученик. Действием световой волны на заряженные частицы, находящиеся в теле.

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

Ученик. В волне эти векторы взаимно перпендикулярны.

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

Ученик. Электрическая сила F=lE будет действовать в сторону вектора напряженности электрического поля. Значит, в ту же сторону начнет смещаться заряд под действием электрической силы.

Учитель. Но эта сила не совпадает по направлению с силой светового давления.

Ученик. Так как заряд под действием электрической силы начнет двигаться, то наго будет действовать магнитное поле волны. Возникает сила Лоренца.

Учитель. Как определить направление силы Лоренца?

Ученик. Надо применить правило левой руки. Чтобы определить направление силы Лоренца, надо левую руку расположить так, чтобы вектор В входил в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены в сторону движения частицы, тогда отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление силы Лоренца.

Учитель. 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. Действует ли на них сила Лоренца?

Ученик. На них тоже действует сила Лоренца.

Учитель. В каком направлении движутся электроны?

Ученик. Электроны должны двигаться против поля Е, так как имеют отрицательный заряд.

Учитель. Верно. Теперь, применяя правило левой руки и учитывая знак электрона, определите направление силы Лоренца.

Ученик. На электроны сила Лоренца будет действовать в ту же сторону, то есть внутрь тела.

Учитель. Эти силы Лоренца в совокупности и создают световое давление. Световое давление наблюдается и при падении света на диэлектрик, где под действием электрической силы также происходит некоторое смещение электрических зарядов в атомах и молекулах и при этом возникает сила Лоренца.

А теперь остановимся непосредственно на опытах Лебедева. Прослушаем небольшие доклады по данному вопросу. Итак, опыты Лебедева по определению светового давления.

Ученик. 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.

Ученик. Лебедев проделывая данный опыт, столкнулся с побочными явлениями. В частности, наблюдался радиометрический эффект, который сводился к следующему.

Под действием света крылышки нагреваются. 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 глубоким вакуумом и взял очень большой сосуд и очень тонкие крылышки.

Учитель. Результаты, полученные Лебедевым в 1900 году, совпали со значением светового давления, полученным теоретически, и подтвердили расчеты Максвелла.

Итак, световое давление реально существует.

Сегодня мы смогли теоретически выяснить, как оно создается, сумели объяснить световое давление как с точки зрения корпускулярной теории, так и с точки зрения волновой теории света.

Химическое действие света

Помимо светового давления при попадании на вещество свет может оказывать и химическое действие . Переносчик лучистой энергии – фотон, обладающий энергией hϑ. Энергия фотона видимого и ультрафиолетового диапазона излучений может расщепить молекулы. А это – химический процесс. Наиболее известные примеры такого светового действия – выцветание (ткани, обои, картины) и образование загара. Химическое действие света лежит и в основе фотографии.

Химическое действие света проявляется в том, что существует целый ряд химических превращений, происходящих только под действием света. Химические реакции, протекающие под действием света, называют фотохимическими. Многие фотохимические реакции играют большую роль в природе и технике.

Важнейшие фотохимические реакции происходят в зеленых листьях деревьев и травы, в иглах хвои и во многих микроорганизмах. Листья поглощают из воздуха углекислый газ и расщепляют его молекулы на составные части: углерод и кислород. 

Химическое действие света происходит и при фотографировании.

Процесс фотографирования – освещение чувствительного фотослоя пластинки или пленки и её последующая химическая обработка.

Светочувствительный слой фотопластинки – кристаллики бромида серебра AgBr, внедренные в желатин. Под действием света происходит фотохимическая реакция разложения. Попадание световых квантов в кристаллик приводит к отрыву электронов от атома брома. Электроны захватываются ионами серебра, в кристаллике образуются нейтральные атомы. Распад молекулы происходит по схеме

где Ag* — энергетически возбужденный атом серебра. Вr⁺ — положительный ион брома, e^- — электрон. Под действием проявителя бром растворяется, а оставшиеся атомы серебра дают негативное изображение. Металлическое серебро выделяется, образуя скрытое изображение.

Эра фотографии началась 7 апреля 1839 года. В этот день французский физик Доминик Араго доложил Парижской академии наук о необычайном и удивительном изобретении Нисефора Ньепса и Луи Дагера – возможности фиксировать на плоских металлических листах оптическое изображение предмета.

Знаменитый русский художник Илья Репин был в эти годы в Париже. Все его знакомые были увлечены фотографией. Репин тоже решил попробовать. Фотоаппараты и операторы для фотографирования накрывались черным сукном. Илья Ефимович попытался снять знакомого., но процесс ему очень не понравился: « Тут же задохнуться можно! Зачем выдумывать такой страшный аппарат, если гораздо проще нарисовать чудесный портрет!»

Для получения кадра необходимо фотопластинку химически обработать: проявить, промыть, поместить в фиксаж (закрепить изображение), ещё раз промыть – и негативное изображение готово! Оно обратно реальному объекту по свету и теням. Наиболее засвеченные места фотопластинки чернеют больше, мало освещенные меньше. Место светлых участков занимают темные и наоборот.

Для получения фотоснимка пластину накладывают на фотобумагу и после освещения и аналогичной обработки получают позитивное изображение.

Слово «фотография» произошло от греческих «фото» – свет и «графо» – пишу, рисую. То есть фотография – рисование светом, светопись.

На заседании Академии Араго торжественно доложил ученому собранию об удивительном изобретении Дагера, заявив, что «отныне луч солнца стал послушным рисовальщиком всего окружающего». Ученые одобрительно приняли известие, и этот день навсегда вошел в историю как день рождения фотографии. Араго от имени Академии выступил в палате депутатов французского парламента, где было принято решение сделать фотографию достоянием всего народа, а Дагеру и наследникам Ньепса назначить за открытие пожизненную пенсию.

В России первые фотографические изображения получил выдающийся русский химик и ботаник, академик Юлий Федорович Фрицше (1808 – 1871). Это были фотограммы листьев растений. Доклад Фрицше на заседании Петербургской Академии наук в 1839 г. представлял собой первую исследовательскую работу по фотографии в нашей стране и од.

Современная фотография находит все большее применение в науке, технике и повседневной жизни. А ведь начиналось все довольно скромно, можно сказать, на бытовом уровне и невозможно было предположить, насколько широко будут возможности использования фотографического метода. С помощью фотографии били получены снимки планет, изображения живой клетки и кристаллической решетки минералов, изображения элементарных частиц, составляющих атом.

Фотография сочетает в себе оптику, точную механику и тонкую химическую

технологию, а со стороны технической и художественной – теорию композиции,

эстетику и теорию восприятия.

Межу тем надо заметить, что фотография стала еще и очень перспективным рынком: на сегодня этот бизнес считается одним из самых прибыльных. Он стоит на четвертом месте в мировой табели о рангах, обгоняя по доходности книгоиздание, туризм и даже автомобильную промышленность.

ну из первых исследовательских работ по фотографии в мире.

4.Рефлексия.

5. Подведение итогов урока.

6. Домашнее задание: §72.