Номер 1, страница 57, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

1. Опишите опыты П.Н. Лебедева по измерению давления света.

1. Опишите опыты П.Н. Лебедева по измерению давления света.

Опыты Петра Николаевича Лебедева, проведенные в 1899–1901 годах, стали первым в истории успешным экспериментальным подтверждением и измерением давления света, существование которого было предсказано теорией электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла. Сложность эксперимента заключалась в чрезвычайно малой величине светового давления, которое необходимо было выделить на фоне более сильных побочных эффектов.

Установка и принцип действия:

Основным прибором в опытах Лебедева были чрезвычайно чувствительные крутильные весы, помещенные в стеклянный сосуд, из которого был откачан воздух до состояния глубокого вакуума.

1. Крутильные весы: Установка представляла собой легкое коромысло, подвешенное на тонкой упругой кварцевой нити. На концах коромысла были закреплены легкие диски («крылышки»), изготовленные из платиновой фольги толщиной в несколько микрон. Одна сторона каждого диска была зачернена сажей (для поглощения света), а другая оставалась блестящей, зеркальной (для отражения света).

2. Источник света: В качестве источника света использовалась мощная электрическая дуговая лампа. Пучок света от нее направлялся через систему линз и фильтров на одно из крылышек.

3. Измерение угла закручивания: Падающий на крылышко свет создавал силу давления, которая приводила к закручиванию нити подвеса. Угол закручивания измерялся с высокой точностью оптическим методом: на подвесе было закреплено маленькое зеркальце, от которого отражался световой лучик («зайчик»). Смещение этого зайчика по удаленной шкале позволяло определить малейший поворот весов. Зная упругие свойства нити (ее модуль кручения), можно было вычислить силу давления света.

Борьба с побочными эффектами:

Главной трудностью было устранение радиометрического эффекта и конвекционных потоков воздуха, которые создают силы, в тысячи раз превосходящие силу светового давления.

• Радиометрический эффект: Возникает из-за того, что молекулы остаточного газа получают больший импульс при отскоке от более нагретой (черной) поверхности, чем от холодной. Это создает дополнительную силу. Лебедев боролся с этим эффектом, создавая в колбе глубокий вакуум. Он также провел серию экспериментов при разном давлении газа и, экстраполируя зависимость силы от давления к нулю, смог выделить «чистое» световое давление.

• Конвекционные потоки: Были устранены путем откачки воздуха из сосуда.

Ход эксперимента и результаты:

Лебедев поочередно освещал то черную, то зеркальную поверхность крылышек, измеряя соответствующий угол закручивания нити. Также он тщательно измерял энергию светового потока с помощью калориметра, чтобы сравнить экспериментальные данные с теоретическими расчетами.

Согласно теории Максвелла, давление света $\text{p}$ на идеально поглощающую поверхность равно $p = \frac{I}{c}$, а на идеально отражающую — вдвое больше: $p = \frac{2I}{c}$, где $\text{I}$ — интенсивность света, а $\text{c}$ — скорость света.

Результаты, полученные Лебедевым, с точностью около 20% совпали с теоретическими предсказаниями. Важнейшим итогом стало подтверждение того, что давление на зеркальную поверхность действительно примерно в два раза больше, чем на зачерненную.

Значение опытов:

Эксперименты Лебедева стали триумфом экспериментальной физики. Они:

1. Блестяще подтвердили одно из ключевых следствий электромагнитной теории Максвелла.

2. Доказали, что свет обладает импульсом и, следовательно, оказывает механическое воздействие на тела. Это стало важным шагом к пониманию двойственной, корпускулярно-волновой природы света.

Ответ: В своих опытах по измерению давления света П. Н. Лебедев использовал чувствительные крутильные весы с легкими дисками (одна сторона черная, другая — зеркальная), помещенные в вакуумную камеру. Направляя на диски мощный пучок света, он измерял силу давления по углу закручивания подвесной нити. Создав глубокий вакуум и применив специальные методики для устранения побочных радиометрических эффектов, Лебедев смог измерить чрезвычайно малую силу светового давления и подтвердить, что оно почти в два раза больше для отражающей поверхности, чем для поглощающей, что полностью соответствовало предсказаниям электромагнитной теории Максвелла.