Номер 1, страница 274 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. Дайте объяснение давления света на основе волновой теории света.

1. В рамках волновой теории света, предложенной Джеймсом Клерком Максвеллом, свет представляет собой электромагнитную волну. Эта волна состоит из двух взаимосвязанных и перпендикулярных друг другу полей: переменного электрического поля (с вектором напряженности $\vec{E}$) и переменного магнитного поля (с вектором индукции $\vec{B}$). Оба этих поля колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.

Когда электромагнитная волна падает на поверхность какого-либо вещества, она взаимодействует с заряженными частицами этого вещества (электронами и атомными ядрами). Рассмотрим этот процесс поэтапно:

1. Действие электрического поля. Переменное электрическое поле волны $\vec{E}$ действует на заряженные частицы в веществе с силой $\vec{F_E} = q\vec{E}$. Эта сила заставляет свободные электроны (в проводниках) или связанные электроны (в диэлектриках) совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте световой волны. Направление этих колебаний совпадает с направлением вектора $\vec{E}$.
2. Действие магнитного поля. Поскольку электроны пришли в движение под действием электрического поля, на них начинает действовать и магнитное поле $\vec{B}$ световой волны. Движущийся в магнитном поле заряд испытывает действие силы Лоренца, которая определяется выражением $\vec{F_B} = q(\vec{v} \times \vec{B})$, где $q$ — заряд частицы, а $\vec{v}$ — скорость ее движения.
3. Направление результирующей силы. Вектор скорости $\vec{v}$ колеблющихся электронов направлен вдоль вектора $\vec{E}$. Вектор магнитной индукции $\vec{B}$ перпендикулярен вектору $\vec{E}$ и направлению распространения волны. Согласно правилу векторного произведения (и правилу левой руки для отрицательно заряженных электронов), сила Лоренца $\vec{F_B}$ будет направлена в ту же сторону, что и направление распространения световой волны. Хотя векторы $\vec{E}$ и $\vec{B}$ меняют свое направление на противоположное в течение каждого периода колебаний, направление силы Лоренца остается неизменным — она всегда направлена "вглубь" вещества. Это происходит потому, что при смене направления вектора $\vec{E}$ на противоположное, одновременно и синфазно меняется направление вектора $\vec{B}$, а также направление скорости $\vec{v}$ электронов. В результате направление результирующей силы $\vec{F_B}$ сохраняется.
4. Возникновение давления. Эта постоянная по направлению сила, действующая на электроны, передается ионам кристаллической решетки вещества. Суммарное действие силы Лоренца на все заряженные частицы на поверхности и создает макроскопическую силу, которая и является силой светового давления. Давление света — это отношение этой силы к площади поверхности, на которую падает свет.

Таким образом, давление света с точки зрения волновой теории — это результат совместного действия электрического и магнитного полей электромагнитной волны на заряды в веществе. Электрическое поле "раскачивает" заряды, а магнитное поле "толкает" эти движущиеся заряды в направлении распространения волны.

Величина давления зависит от интенсивности света $I$ и от оптических свойств поверхности.

• При полном поглощении света поверхностью (например, абсолютно черным телом) давление равно $p = \frac{I}{c}$, где $c$ - скорость света в вакууме.
• При полном отражении света (например, от идеального зеркала) давление удваивается, так как изменение импульса волны в два раза больше: $p = \frac{2I}{c}$.

Ответ: Давление света с точки зрения волновой теории объясняется следующим образом. Свет является электромагнитной волной, состоящей из колеблющихся электрического ($\vec{E}$) и магнитного ($\vec{B}$) полей. Падая на вещество, электрическое поле волны вызывает вынужденные колебания заряженных частиц (в основном электронов). На эти движущиеся заряды действует магнитное поле той же волны. Возникающая в результате сила Лоренца, усредненная по времени, всегда направлена в сторону распространения волны. Эта сила, действующая на заряды, передается всему телу и создает макроскопическое давление на его поверхность.