Давление света

МБОУ «СОШ №5»

 

 

 

 

 

 

 

 

Давление  света.

 

 

 

 

 

Выполнила: Ким  Полина,

Ученица 11А  класса

Проверила: Михальченко  Л. Н.,

Учитель физики

 

 

 

 

 

 

 

 

г. Братск, 2012 г.

  Давление света- давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела.

Гипотеза о существовании давления света была впервые высказана И. Кеплером в 17 в. для объяснения отклонения хвостов комет от Солнца. Теория давление света в рамках классической электродинамики дана Дж. Максвеллом  в 1873. В ней давление света тесно связано с рассеянием и поглощением электромагнитной волны частицами вещества. В рамках квантовой теории давление света - результат передачи импульса фотонами телу.

При нормальном падении света на поверхность твердого тела давление света определяется формулой p = S(1 - R)/c, где S - плотность потока энергии (интенсивность света), R - коэффициент отражения света от поверхности.

Экспериментально давление света  на твердые тела было впервые исследовано П.Н.Лебедевым в 1899.   В 1900 г. он измерил давление света на твердые тела, а в 1907—1910 гг. — давление света на газы.

Прибор, созданный Лебедевым  для измерения давления света, представлял  собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы). Его подвижной  частью являлась подвешенная на тонкой кварцевой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками — светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги (рис. 1,2). Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух.

Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски  разное давление. В результате на рамку  действовал вращающий момент, который  закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити определялось давление света. 

Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрическихи конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Кроме того поскольку в то время не были разработаны вакуумные насосы, отличные от простых механических, Лебедев не имел возможности проводить свои опыты в условиях даже среднего, по современной классификации, вакуума.

 Сущность этого явления в следующем. Сторона крылышек, обращенная к источнику света, нагревается сильнее противоположной стороны. Поэтому молекулы воздуха, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны. Так появляется дополнительный вращающий момент. Сущность этого явления в следующем. Сторона крылышек, обращенная к источнику света, нагревается сильнее противоположной стороны. Поэтому

Схема установки Лебедева для измерения давления света  на газы изображена на рисунке 3. Свет, проходящий сквозь стеклянную стенку А, действует на газ, заключенный в цилиндрическом канале В. Под давлением света газ из канала В перетекает в сообщающийся с ним канал С. В канале С находится легкий подвижный поршень D, подвешенный на тонкой упругой нити Е, перпендикулярной плоскости чертежа. Световое давление рассчитывалось по углу закручивания нити.

Теория Максвелла.

Давление света согласно теории Максвелла возникает из-за действия силы Лоренца на электроны  вещества, колеблющиеся под действием  электрического поля электромагнитной волны (рис. 4)

 

Электрическая составляющая электромагнитного поля действует  на все заряженные частицы в веществе, но в первую очередь на электроны (масса ионов много больше массы  электронов, они связаны в кристаллической  решётке вещества и «раскачать»  их труднее, чем электроны).Образуется электрический ток. Этот ток направлен вдоль напряжённости электрического поля. На упорядоченно движущиеся электроны действует сила Лоренца со стороны магнитного поля, направленная в сторону распространения волны. Это и есть сила светового давления.

Давление света можно  объяснить и с другой точки  зрения. Представим, что световое излучение  представляет поток частиц (корпускул), падающих на поверхность вещества. Тогда давление появляется благодаря  передаче телу импульсов этих частиц при их поглощении. Согласно закону сохранения импульса импульс тела равен  импульсу поглощенных фотонов. Поэтому  покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

Давление света играет большую  роль в астрономических и атомных  явлениях. В астрофизике давление света наряду с давлением газа обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитации. Действием давления света объясняются некоторые формы кометных хвостов. К атомным эффектам относится т. н. световая отдача, которую испытывает возбужденный атом при испускании фотона.

Ядро кометы состоит из смеси  пылинок, твёрдых кусочков вещества и замёрзших газов(метан, аммиак, углекислый газ). При приближении кометы к Солнцу ядро прогревается и из него выделяются газы и пыль. Они создают газовую оболочку – голову кометы. Газ и пыль, входящие в состав головы, под действием давления солнечного излучения и корпускулярных потоков образуют хвост кометы, всегда направленный в сторону противоположную Солнцу( рис. 5)

Физический  смысл

Давление  электромагнитного излучения является следствием того, что оно, как и  любой материальный объект, обладающий энергией E и движущийся со скоростью v, также обладаетимпульсом p = Ev/c². А поскольку для электромагнитного излучения v = c, то p = E/c.

В электродинамике  давление электромагнитного излучения  описывается тензором энергии-импульса электромагнитного поля.

Корпускулярное  описание

Если  рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление.

Волновое  описание

С точки  зрения волновой теории света электромагнитная волна представляет собой изменяющиеся и взаимосвязанные во времени и пространстве колебания электрического и магнитного полей. При падении волны на отражающую поверхность, электрическое поле возбуждает токи в приповерхностном слое, на которые действует магнитная составляющая волны. Таким образом, световое давление есть результат сложения многих сил Лоренца, действующих на частицы тела.

 

                                     

                Рис. 1                                                                                 Рис. 2

   

                                Рис. 3                                                                             Рис. 4

 

Рис. 5

Теория Лебедева

 

Теория Максвелла