Номер 1, страница 114 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 33. Давление и импульс электромагнитных волн. Глава 4. Излучение и приём электромагнитных волн радио и СВЧ - диапазона - номер 1, страница 114.

В О П Р О С Ы

1. Каков механизм давления электромагнитной волны на объекты, встречающиеся на пути её распространения?

Каков механизм давления электромагнитной волны на объекты, встречающиеся на пути её распространения?

Решение

Давление электромагнитной волны (также известное как световое давление) можно объяснить с двух точек зрения, которые дополняют друг друга: классической (электродинамической) и квантовой.

Классическое объяснение (согласно теории Максвелла)

В рамках классической электродинамики, электромагнитная волна — это распространяющиеся в пространстве и времени колебания взаимосвязанных электрического ($\vec{E}$) и магнитного ($\vec{B}$) полей. Эти поля перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.

Механизм возникновения давления следующий:

1. Когда электромагнитная волна падает на поверхность объекта, её электрическое поле $\vec{E}$ действует на заряженные частицы в веществе (свободные электроны в металлах, электроны и ионы в диэлектриках). Под действием этой электрической силы ($ \vec{F}_э = q\vec{E} $) заряды начинают совершать вынужденные колебания. Это упорядоченное движение зарядов представляет собой электрический ток.
2. На эти движущиеся со скоростью $\vec{v}$ заряды одновременно действует магнитное поле $\vec{B}$ волны. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называется силой Лоренца: $ \vec{F}_L = q(\vec{v} \times \vec{B}) $.
3. Направление силы Лоренца, согласно правилу векторного произведения (или правилу левой руки), всегда совпадает с направлением распространения электромагнитной волны.
4. Эта сила, действующая на отдельные заряды, передается кристаллической решетке или структуре вещества в целом. Сумма сил Лоренца, действующих на все заряды в приповерхностном слое, создает результирующую силу, которая и оказывает давление на объект.

Таким образом, давление света возникает из-за совместного действия электрического и магнитного полей волны на заряды в веществе.

Квантовое объяснение (согласно теории фотонов)

С точки зрения квантовой физики, электромагнитное излучение можно представить как поток дискретных частиц — фотонов. Каждый фотон обладает энергией $E = h\nu$ (где $h$ — постоянная Планка, $\nu$ — частота волны) и, что ключевое для объяснения давления, импульсом.

Импульс фотона $p$ направлен по вектору его движения и по величине равен $ p = \frac{E}{c} = \frac{h\nu}{c} $, где $c$ — скорость света в вакууме.

Когда фотоны сталкиваются с поверхностью объекта, они передают ему свой импульс, подобно тому как шарики, ударяясь о стенку, передают ей свой импульс. Возможны два крайних случая:

• Полное поглощение: Если поверхность полностью поглощает фотон (является абсолютно черным телом), то фотон прекращает свое существование, и поверхность получает импульс, равный импульсу фотона: $ \Delta p_{тела} = p $.
• Полное отражение: Если поверхность идеально отражает фотон (является идеальным зеркалом), то импульс фотона меняет свое направление на противоположное. Изменение импульса фотона составляет $ \Delta p_{фотона} = p_{конечный} - p_{начальный} = (-p) - p = -2p $. Согласно закону сохранения импульса, тело получает импульс, равный по модулю и противоположный по знаку изменению импульса фотона: $ \Delta p_{тела} = 2p $. Таким образом, при отражении передается вдвое больший импульс, чем при поглощении.

Непрерывный поток фотонов, падающих на поверхность, создает постоянную силу давления. Величина давления $P$ (сила на единицу площади) зависит от интенсивности света $I$ и коэффициента отражения поверхности $\rho$ (доля отраженной энергии): $ P = \frac{I}{c}(1 + \rho) $.

Ответ:

Механизм давления электромагнитной волны на объекты заключается в передаче импульса от волны к веществу. Существует два способа описания этого механизма. С классической точки зрения, давление возникает из-за силы Лоренца, действующей со стороны магнитного поля волны на заряды в веществе, которые приводятся в колебательное движение электрическим полем волны; эта сила направлена по ходу распространения волны. С квантовой точки зрения, давление объясняется тем, что фотоны (кванты электромагнитной волны) обладают импульсом и передают его объекту при столкновении (поглощении или отражении).