Страница 274 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вспомните, как явление фотосинтеза объясняли на уроках биологии.

На уроках биологии явление фотосинтеза объясняют как сложный химический процесс, в ходе которого зелёные растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют энергию света в химическую энергию органических веществ. Этот процесс является основой жизни на Земле, так как обеспечивает практически все живые организмы пищей и кислородом.

Основные аспекты фотосинтеза, изучаемые в школьном курсе, включают:

Место протекания

Фотосинтез происходит в специализированных органеллах растительных клеток — хлоропластах. Хлоропласты содержат зелёный пигмент хлорофилл, который способен поглощать световую энергию. Именно хлорофилл придаёт растениям их характерный зелёный цвет.

Необходимые условия (реагенты)

Для фотосинтеза необходимы три основных компонента:

• Свет: Солнечный свет служит источником энергии.
• Углекислый газ ($CO_2$): Растения поглощают его из атмосферы через специальные поры на листьях — устьица.
• Вода ($H_2O$): Растения получают её из почвы через корневую систему.

Продукты фотосинтеза

В результате процесса образуются:

• Органические вещества (глюкоза, $C_6H_{12}O_6$): Являются источником энергии и строительным материалом для самого растения. Глюкоза затем может превращаться в другие органические соединения, например, в крахмал для запасания.
• Кислород ($O_2$): Является побочным продуктом и выделяется в атмосферу. Этот кислород используется большинством живых организмов для дыхания.

Фазы фотосинтеза

Процесс принято делить на две основные стадии:

• Световая фаза: Протекает только на свету в мембранах тилакоидов хлоропластов. Энергия света, уловленная хлорофиллом, используется для расщепления молекул воды (фотолиз). При этом образуются молекулы АТФ (аденозинтрифосфат) и НАДФ·Н — это богатые энергией соединения, а в качестве побочного продукта выделяется кислород.
• Темновая фаза (Цикл Кальвина): Протекает в строме хлоропластов и не требует непосредственного участия света (но зависит от продуктов световой фазы). В этой фазе углекислый газ связывается с органическими молекулами и с использованием энергии АТФ и НАДФ·Н восстанавливается до глюкозы.

Суммарное уравнение

Общий процесс фотосинтеза можно выразить следующим химическим уравнением:
$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Значение фотосинтеза

• Создание органического вещества, которое служит пищей для всех гетеротрофных организмов (животных, грибов, большинства бактерий).
• Насыщение атмосферы кислородом, необходимым для дыхания.
• Поглощение углекислого газа из атмосферы, что влияет на климат планеты.

Ответ: Фотосинтез — это процесс, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии на свету с помощью пигмента хлорофилла преобразуют неорганические вещества (углекислый газ и воду) в органические (глюкозу) и выделяют кислород как побочный продукт. Процесс состоит из световой и темновой фаз и является ключевым для поддержания жизни на Земле, обеспечивая организмы пищей и кислородом.

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.

2. Как объяснить давление света на основе квантовой теории света?

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

Решение

Согласно волновой теории, предложенной Дж. К. Максвеллом, свет представляет собой электромагнитную волну. Эта волна состоит из колеблющихся и взаимно перпендикулярных электрического ($\vec{E}$) и магнитного ($\vec{B}$) полей, которые перпендикулярны направлению распространения волны.

Когда световая волна падает на поверхность какого-либо тела, ее электрическое поле воздействует на заряженные частицы в этом теле (в основном на электроны), заставляя их совершать вынужденные колебания. Скорость $\vec{v}$ этих колебаний совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля $\vec{E}$.

На движущиеся в магнитном поле волны заряды действует сила Лоренца: $\vec{F_L} = q(\vec{v} \times \vec{B})$, где $q$ — заряд частицы. Направление этой силы, согласно правилу векторного произведения, перпендикулярно как скорости частиц $\vec{v}$, так и вектору магнитной индукции $\vec{B}$. Анализ направлений векторов показывает, что сила Лоренца всегда направлена вглубь вещества, по направлению распространения световой волны.

Это связано с тем, что векторы $\vec{E}$ и $\vec{B}$ в электромагнитной волне колеблются синфазно. Когда вектор $\vec{E}$ меняет направление на противоположное, одновременно меняет направление и вектор $\vec{B}$, а также скорость $\vec{v}$ зарядов. В результате направление силы Лоренца $\vec{F_L}$ остается неизменным.

Эта постоянно действующая сила передается от электронов всему телу (например, ионам кристаллической решетки). Сумма всех этих микроскопических сил и создает макроскопическую силу давления, а ее отношение к площади поверхности — давление света. Величина давления $p$ зависит от интенсивности света $I$ и коэффициента отражения поверхности $\rho$. Для полного поглощения ($ \rho=0 $) давление равно $p = I/c$, а для полного отражения ($ \rho=1 $) — $p = 2I/c$, где $c$ — скорость света.

Ответ: В рамках волновой теории давление света объясняется как результат действия силы Лоренца со стороны магнитной компоненты световой волны на заряженные частицы вещества, которые были приведены в колебательное движение электрической компонентой той же волны. Эта сила всегда направлена по ходу распространения света и создает давление на поверхность.

2. Как объяснить давление света на основе квантовой теории света?

Решение

С точки зрения квантовой теории, свет — это поток частиц, называемых фотонами. Каждый фотон, не имея массы покоя, обладает энергией $E = h\nu$ и импульсом $p_{\text{ф}} = E/c = h/\lambda$, где $h$ — постоянная Планка, $\nu$ и $\lambda$ — частота и длина волны света, а $c$ — скорость света.

Давление света в этой модели объясняется передачей импульса от фотонов к поверхности, с которой они взаимодействуют. Это можно представить как "бомбардировку" поверхности частицами света.

Рассмотрим основные случаи взаимодействия:

1. Полное поглощение. Когда фотон поглощается поверхностью (например, черной), он полностью передает ей свой импульс $p_{\text{ф}}$. Поток фотонов, поглощаемых поверхностью, создает силу давления. Давление в этом случае равно $p = I/c$, где $I$ — интенсивность света.
2. Полное отражение. При зеркальном отражении от поверхности импульс фотона меняет свое направление на противоположное. Изменение импульса одного фотона составляет $2p_{\text{ф}}$. По закону сохранения импульса, именно такой импульс ($2p_{\text{ф}}$) передается поверхности. В результате давление света на зеркальную поверхность вдвое больше, чем на поглощающую: $p = 2I/c$.

В общем случае, если поверхность имеет коэффициент отражения $\rho$, то доля фотонов $\rho$ отражается, а доля $(1-\rho)$ поглощается. Суммарное давление будет складываться из давления от поглощенных и отраженных фотонов: $p = (1-\rho)\frac{I}{c} + \rho\frac{2I}{c} = (1+\rho)\frac{I}{c}$.

Данное объяснение является более наглядным и интуитивно понятным, при этом оно приводит к тем же количественным результатам, что и волновая теория.

Ответ: Квантовая теория объясняет давление света как результат передачи импульса фотонами веществу. При поглощении или отражении от поверхности каждый фотон передает ей определенный импульс. Суммарное действие потока фотонов на поверхность создает силу светового давления.

3. Какой свет — красного или фиолетового цвета — оказывает большее давление на идеально отражающую поверхность?

Решение

Давление света является следствием того, что фотоны, кванты электромагнитного излучения, обладают импульсом. Когда свет падает на поверхность, фотоны передают ей свой импульс, что и создает силу давления.

Импульс одного фотона $p$ связан с его энергией $E$ и скоростью света $c$ следующим соотношением:

$p = \frac{E}{c}$

Энергия фотона, в свою очередь, прямо пропорциональна частоте света $\nu$ (и обратно пропорциональна длине волны $\lambda$):

$E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$

Здесь $h$ — это постоянная Планка.

Объединив эти две формулы, мы можем выразить импульс фотона через частоту света:

$p = \frac{h\nu}{c}$

В видимом спектре фиолетовый свет имеет самую высокую частоту, а красный — одну из самых низких. Таким образом:

$\nu_{фиолетовый} > \nu_{красный}$

Из этого следует, что импульс одного фотона фиолетового света больше, чем импульс одного фотона красного света:

$p_{фиолетовый} > p_{красный}$

Давление $P$, которое свет оказывает на поверхность, зависит от суммарного импульса, передаваемого всеми фотонами в единицу времени на единицу площади. Для идеально отражающей поверхности, на которую свет падает перпендикулярно, изменение импульса каждого фотона равно удвоенному начальному импульсу ($\Delta p_{photon} = 2p$). Если на площадь $S$ за время $\Delta t$ падает $N$ фотонов, то давление вычисляется как:

$P = \frac{N \cdot \Delta p_{photon}}{S \cdot \Delta t} = \frac{N}{S \cdot \Delta t} \cdot 2p = \frac{N}{S \cdot \Delta t} \cdot \frac{2h\nu}{c}$

Величина $\frac{N}{S \cdot \Delta t}$ представляет собой плотность потока фотонов (количество фотонов, падающих на единицу площади в единицу времени).

Чтобы корректно сравнить давление от красного и фиолетового света, нужно задать условие, при котором проводится сравнение. Чаще всего в таких задачах подразумевается сравнение при одинаковой плотности потока фотонов. В этом случае давление света оказывается прямо пропорциональным его частоте:

$P \propto \nu$

Поскольку частота фиолетового света больше частоты красного, то при одинаковом количестве падающих фотонов фиолетовый свет будет оказывать большее давление.

Ответ: При условии, что на поверхность падает одинаковое число фотонов (одинаковая плотность потока фотонов), большее давление оказывает фиолетовый свет, так как его фотоны обладают большей частотой и, следовательно, большим импульсом.

4. Какие реакции называются фотохимическими?

4. Фотохимическими реакциями называют химические реакции, которые протекают под действием света (видимого, ультрафиолетового или инфракрасного излучения). В этих реакциях энергия световых квантов (фотонов) поглощается молекулами реагирующих веществ, что приводит к их переходу в возбужденное состояние. Возбужденные молекулы обладают избыточной энергией и высокой реакционной способностью, что инициирует их дальнейшие химические превращения.

Ключевые особенности фотохимических реакций:
– Инициирование светом: Реакция начинается только при облучении светом определенной длины волны. Согласно первому закону фотохимии (закон Гротгуса-Дрейпера), химическое действие может произвести только тот свет, который поглощается системой. Энергия поглощаемого фотона $E$ должна быть достаточной для возбуждения молекулы. Она связана с частотой света $\nu$ и длиной волны $\lambda$ соотношением Планка: $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$, где $h$ — постоянная Планка, а $c$ — скорость света.
– Селективность: Подбирая определенную длину волны света, можно избирательно возбуждать молекулы одного типа в смеси веществ или даже конкретные химические связи внутри молекулы. Это позволяет проводить реакции с высокой селективностью, которые трудно осуществить термическими методами.
– Слабая зависимость от температуры: Скорость фотохимических реакций, как правило, слабо зависит от температуры, поскольку основная энергия активации сообщается молекулам за счет поглощения фотонов, а не за счет энергии теплового движения.

Примерами фотохимических реакций служат многие природные и технологические процессы:
Фотосинтез: важнейший биохимический процесс на Земле, в ходе которого зеленые растения и некоторые бактерии используют энергию солнечного света для синтеза органических веществ (глюкозы) из неорганических (углекислого газа и воды).
$6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{свет, хлорофилл}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$
Образование и разрушение озона в стратосфере: Молекулы кислорода под действием жесткого ультрафиолетового излучения Солнца распадаются (фотодиссоциируют) на атомы, которые затем, соединяясь с другими молекулами кислорода, образуют озон.
$\text{O}_2 + h\nu \rightarrow \text{O} + \text{O}$
$\text{O} + \text{O}_2 \rightarrow \text{O}_3$
Зрение: процесс восприятия света в глазу основан на фотохимической реакции изомеризации молекулы ретиналя в фоторецепторных клетках сетчатки.
Фотография: в основе классической пленочной фотографии лежит реакция разложения галогенидов серебра (например, бромида серебра AgBr) под действием света с образованием металлического серебра, которое формирует скрытое изображение.
$2\text{AgBr} \xrightarrow{h\nu} 2\text{Ag} + \text{Br}_2$
Синтез витамина D: в коже человека и животных под действием ультрафиолетовых лучей из 7-дегидрохолестерина образуется витамин D₃.

Ответ: Фотохимические реакции — это химические реакции, которые инициируются, ускоряются или в целом протекают под действием поглощенного веществом света (электромагнитного излучения).

5. Что такое фотосинтез?

Фотосинтез (от древнегреческих слов φῶς — «свет» и σύνθεσις — «синтез») — это сложный биохимический процесс, в ходе которого автотрофные организмы (зелёные растения, водоросли, некоторые бактерии) преобразуют энергию света в энергию химических связей органических веществ. Главным пигментом, участвующим в этом процессе у растений, является хлорофилл, который и придает им зелёный цвет.

Для осуществления фотосинтеза необходимы три ключевых компонента:
1. Свет — источник энергии для всех реакций.
2. Углекислый газ ($CO_2$) — источник углерода, из которого строятся органические молекулы. Растения поглощают его из атмосферы через устьица на листьях.
3. Вода ($H_2O$) — источник электронов и протонов. Растения получают её в основном через корневую систему из почвы.

У растений и водорослей фотосинтез происходит в специализированных клеточных органеллах — хлоропластах.

Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:
$6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{энергия света, хлорофилл}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2$
Таким образом, из неорганических веществ (углекислого газа и воды) на свету синтезируется органическое вещество (глюкоза $C_6H_{12}O_6$), которое используется организмом для питания и роста, а в качестве побочного продукта в атмосферу выделяется кислород ($O_2$).

Весь процесс фотосинтеза принято делить на две последовательные стадии:

1. Световая фаза. Эта стадия протекает только при наличии света на внутренних мембранах хлоропластов (тилакоидах). В ходе этой фазы энергия света поглощается хлорофиллом, что приводит к возбуждению его молекул. Эта энергия используется для синтеза богатых энергией молекул АТФ и НАДФ·Н. Также на этой стадии происходит фотолиз воды — её расщепление под действием света на протоны, электроны и молекулярный кислород, который и выделяется в атмосферу.

2. Темновая фаза (цикл Кальвина). Эта стадия происходит в строме (внутреннем пространстве) хлоропласта и не требует прямого участия света, однако использует продукты световой фазы (АТФ и НАДФ·Н). В ходе цикла реакций темновой фазы происходит фиксация углекислого газа: молекулы $CO_2$ связываются и с использованием накопленной энергии восстанавливаются до углеводов, в первую очередь глюкозы.

Значение фотосинтеза для биосферы Земли невозможно переоценить. Он является основным источником органического вещества, формируя основу большинства пищевых цепей. Кроме того, фотосинтез — главный процесс, поставляющий в атмосферу кислород, необходимый для дыхания подавляющего большинства живых существ, включая человека.

Ответ: Фотосинтез — это процесс, осуществляемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями, в ходе которого под действием энергии солнечного света из неорганических веществ (углекислого газа и воды) создаются органические вещества (например, глюкоза) и выделяется кислород. Этот процесс состоит из двух фаз, световой и темновой, и является основой для существования большей части жизни на Земле, обеспечивая организмы пищей и кислородом для дыхания.