Задание 1, страница 107 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 1

Объясните на основе корпускулярной теории явления отражения и преломления света. Почему объяснить явления интерференции и дифракции света на основе корпускулярной теории невозможно?

Объяснение явлений отражения и преломления света на основе корпускулярной теории

Корпускулярная теория, основоположником которой является Исаак Ньютон, представляет свет как поток мельчайших частиц, называемых корпускулами. Эти корпускулы, согласно теории, распространяются в однородной среде прямолинейно и с постоянной скоростью.

Отражение света: В рамках этой теории явление отражения описывается по аналогии с упругим столкновением механического объекта (например, мяча) с неподвижной преградой. Когда корпускула света падает на границу раздела двух сред, она упруго отталкивается от нее. В соответствии с законами классической механики, компонент импульса частицы, параллельный поверхности, остается неизменным, а компонент, перпендикулярный поверхности, меняет свое направление на противоположное. Из этого прямо следует, что угол падения луча света равен углу отражения, что полностью согласуется с законом отражения.

Преломление света: Для объяснения преломления Ньютон ввел гипотезу о существовании сил притяжения, действующих на световые корпускулы со стороны среды. Он предположил, что когда корпускула приближается к границе раздела с оптически более плотной средой (например, из воздуха в воду), среда притягивает ее. Эта сила действует перпендикулярно границе раздела и, следовательно, изменяет только перпендикулярную составляющую скорости корпускулы, увеличивая ее. Параллельная границе составляющая скорости при этом не изменяется.

Если $v_1$ и $v_2$ — скорости света в первой и второй средах соответственно, $\alpha$ — угол падения, а $\beta$ — угол преломления, то из условия сохранения параллельной составляющей скорости ($v_{\parallel}$) следует:

$v_{1\parallel} = v_1 \sin\alpha$

$v_{2\parallel} = v_2 \sin\beta$

$v_1 \sin\alpha = v_2 \sin\beta$

Из этого соотношения получается закон преломления Снеллиуса:

$\frac{\sin\alpha}{\sin\beta} = \frac{v_2}{v_1} = n$

Таким образом, корпускулярная теория успешно объясняет сам факт преломления света. Однако она приводит к фундаментально неверному следствию: скорость света в оптически более плотной среде ($v_2$) должна быть больше, чем в оптически менее плотной среде ($v_1$), так как для перехода из воздуха в воду показатель преломления $n > 1$. Эксперименты, проведенные позже (в частности, опыт Леона Фуко), доказали обратное: свет в более плотных средах распространяется медленнее.

Ответ: Корпускулярная теория объясняет отражение света как упругий отскок частиц-корпускул от границы раздела сред, что приводит к закону равенства углов падения и отражения. Преломление объясняется изменением скорости корпускул под действием сил притяжения со стороны более плотной среды, что изменяет направление их движения. Однако это объяснение предсказывало, что скорость света в плотных средах больше, что противоречит экспериментальным данным.

Почему объяснить явления интерференции и дифракции света на основе корпускулярной теории невозможно?

Явления интерференции и дифракции являются ключевыми доказательствами волновой природы света, и их невозможно объяснить с позиций классической корпускулярной теории.

Интерференция — это явление взаимного усиления или ослабления двух или нескольких когерентных световых волн при их наложении друг на друга. Результатом является возникновение устойчивой картины чередующихся светлых и темных полос. С точки зрения корпускулярной теории, свет — это поток частиц. Невозможно представить механизм, по которому две частицы или два потока частиц, встречаясь в одной точке, могли бы "взаимно уничтожиться" и создать полную темноту (минимум интерференции). Сложение двух потоков частиц всегда должно приводить к увеличению их суммарного количества, а значит, и к увеличению яркости, а не к ее ослаблению.

Дифракция — это явление огибания светом препятствий. Когда свет проходит через малое отверстие или вблизи края непрозрачного тела, он отклоняется от прямолинейного распространения и проникает в область геометрической тени. Корпускулярная теория утверждает, что частицы света движутся строго прямолинейно. Они либо проходят через отверстие, не меняя траектории, либо задерживаются препятствием. Теория не предполагает никакого механизма, который заставил бы частицу "обогнуть" препятствие. Попытки Ньютона объяснить дифракцию введением особых "сил отклонения", действующих у краев тел, были искусственными и не позволяли количественно описать наблюдаемую сложную дифракционную картину.

Оба этих явления находят простое и исчерпывающее объяснение в рамках волновой теории, основываясь на принципе Гюйгенса-Френеля и принципе суперпозиции волн.

Ответ: Корпускулярная теория не может объяснить интерференцию и дифракцию, потому что это чисто волновые явления. Теория частиц не может объяснить, как свет может сам себя "гасить" (деструктивная интерференция, темные полосы) или как он может огибать препятствия, отклоняясь от прямолинейного пути (дифракция). Эти эффекты напрямую связаны с понятиями фазы и сложения волн, которые отсутствуют в модели света как потока частиц.