Номер 3, страница 157 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Творческие задания. § 44. Дифракция света на щели. Дифракционная решётка. Глава 5. Волновые свойства света - номер 3, страница 157.

3. Подготовьте доклад «Астрономические открытия, которые невозможно было бы сделать без развития волновой оптики».

Волновая оптика — это раздел физики, который описывает свет как электромагнитную волну. В отличие от геометрической оптики, которая рассматривает свет в виде прямолинейных лучей, волновая оптика объясняет фундаментальные явления, такие как дифракция (огибание волнами препятствий), интерференция (сложение волн) и поляризация (ориентация колебаний волны). Эти явления стали основой для революционных методов исследования Вселенной, которые привели к открытиям, немыслимым в рамках старых представлений о свете.

Основные астрономические открытия, ставшие возможными благодаря волновой оптике:

1. Спектральный анализ: определение химического состава и физических свойств небесных тел

В начале xix века Йозеф Фраунгофер, используя призму, обнаружил темные линии в спектре Солнца. Позже Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен доказали, что эти линии соответствуют определенным химическим элементам, поглощающим свет на конкретных длинах волн. Это положило начало астроспектроскопии. Однако настоящий прорыв в этой области связан с применением дифракционных решеток. Дифракционная решетка представляет собой поверхность с огромным количеством параллельных штрихов. Свет, проходя через решетку, дифрагирует на каждом штрихе, и дифрагировавшие волны интерферируют между собой. В результате свет разлагается в спектр с гораздо более высоким разрешением, чем при использовании призмы. Этот процесс является прямым следствием волновой природы света. Благодаря высокоточному спектральному анализу ученые смогли определить не только химический состав звезд, планет и галактик, но и их температуру, давление, плотность и скорость вращения.

Ответ: Открытие химического состава звезд и других космических объектов стало возможным благодаря спектральному анализу, который в своей современной форме основан на явлении дифракции и интерференции света на дифракционных решетках — ключевых концепциях волновой оптики.

2. Измерение расширения Вселенной: красное смещение и закон Хаббла

В 1920-х годах американский астроном Эдвин Хаббл, основываясь на наблюдениях Весто Слайфера, обнаружил, что спектры далеких галактик смещены в красную сторону. Это явление, известное как "красное смещение", является проявлением эффекта Доплера для световых волн. Согласно этому эффекту, длина волны света, испускаемого удаляющимся от нас объектом, увеличивается. Хаббл установил, что скорость удаления галактики пропорциональна расстоянию до нее: $v = H_0 d$, где $v$ — скорость галактики, $d$ — расстояние до нее, а $H_0$ — постоянная Хаббла. Это открытие было бы невозможно без спектроскопии, позволяющей с высокой точностью измерять смещение спектральных линий. Эффект Доплера — это чисто волновое явление, неприменимое к модели света как потока частиц в классической механике. Открытие Хаббла стало наблюдательным фундаментом теории Большого Взрыва и современного представления о расширяющейся Вселенной.

Ответ: Доказательство расширения Вселенной основано на измерении красного смещения в спектрах галактик, которое является проявлением эффекта Доплера — фундаментального свойства волн, изучаемого волновой оптикой.

3. Открытие экзопланет методом лучевых скоростей

Один из самых успешных методов обнаружения планет у других звезд — метод лучевых скоростей, или доплеровская спектроскопия. Планета, вращаясь вокруг звезды, своим гравитационным полем заставляет звезду совершать небольшие колебания. Эти колебания приводят к тому, что звезда то немного приближается к нам, то удаляется. Это движение вызывает периодическое смещение линий в спектре звезды из-за эффекта Доплера: смещение в синюю сторону при приближении и в красную — при удалении. Измеряя эти крошечные смещения, астрономы могут не только обнаружить планету, но и оценить ее минимальную массу и параметры орбиты. Точность современных спектрографов, достигаемая благодаря использованию стабилизированных дифракционных решеток и других достижений волновой оптики, позволяет регистрировать изменения скорости звезды порядка нескольких сантиметров в секунду.

Ответ: Обнаружение тысяч экзопланет стало возможным благодаря методу доплеровской спектроскопии, который целиком и полностью базируется на волновом явлении — эффекте Доплера — и требует высочайшей точности, обеспечиваемой современными приборами, созданными на принципах волновой оптики.

4. Астрономическая интерферометрия: получение изображений сверхвысокого разрешения

Разрешающая способность любого телескопа ограничена явлением дифракции света на его апертуре (объективе или зеркале). Минимальный угловой размер объекта, который можно различить, определяется критерием Рэлея: $ \theta \approx 1.22 \frac{\lambda}{D} $, где $ \lambda $ — длина волны, а $ D $ — диаметр апертуры. Чтобы видеть более мелкие детали, нужно увеличивать $D$. Однако создание гигантских телескопов сопряжено с огромными техническими и финансовыми трудностями. Выход был найден с помощью интерферометрии — метода, при котором свет от нескольких разнесенных в пространстве телескопов объединяется. Это позволяет синтезировать "виртуальный" телескоп с диаметром, равным расстоянию между самыми дальними телескопами (базе). Метод основан на анализе интерференционной картины, возникающей при сложении световых волн. Именно так Телескоп Горизонта Событий (EHT), представляющий собой глобальную сеть радиотелескопов, в 2019 году получил первое в истории изображение тени сверхмассивной черной дыры.

Ответ: Получение изображений с разрешением, недостижимым для одиночных телескопов, включая знаменитый снимок тени черной дыры, стало реальностью только благодаря интерферометрии — методу, основанному на фундаментальных принципах волновой оптики: интерференции и дифракции.

5. Изучение межзвездной среды и магнитных полей: поляриметрия

Свет, испускаемый звездами, как правило, неполяризован. Однако, проходя через облака межзвездной пыли, он может стать частично поляризованным. Это происходит потому, что вытянутые пылинки под действием межзвездных магнитных полей ориентируются определенным образом и пропускают преимущественно световые волны с колебаниями в одной плоскости. Поляризация — это свойство, присущее исключительно поперечным волнам, которым и является свет. Геометрическая оптика не может объяснить это явление. Измеряя степень и направление поляризации света от далеких звезд (этот метод называется поляриметрия), астрономы могут картографировать структуру и напряженность магнитных полей внутри нашей Галактики. Эти поля играют важнейшую роль в процессах звездообразования и динамике галактик.

Ответ: Исследование структуры межзвездных магнитных полей стало возможным благодаря изучению поляризации света, которая является исключительно волновым свойством и не имеет аналогов в геометрической оптике.