Номер 1, страница 227 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Каковы были представления учёных о природе света в начале XIX в.?

1. Каковы были представления ученых о природе света в начале XIX в.?

Решение

В начале XIX века в научном сообществе существовали и конкурировали две основные теории о природе света:

1. Корпускулярная теория. Её главным сторонником был Исаак Ньютон. Согласно этой теории, свет представляет собой поток мельчайших частиц (корпускул), испускаемых источником света. Эта теория успешно объясняла прямолинейное распространение света и законы отражения. Однако для объяснения преломления света ей требовалось допущение, что скорость света в более плотной среде (например, в воде) выше, чем в менее плотной (в воздухе), что позже было экспериментально опровергнуто.

2. Волновая теория. Предложенная Христианом Гюйгенсом, эта теория рассматривала свет как волны, распространяющиеся в особой гипотетической среде — светоносном эфире. Она хорошо объясняла отражение и преломление, но долгое время не получала широкого признания, во многом из-за огромного авторитета Ньютона.

Ситуация кардинально изменилась именно в начале XIX века благодаря работам Томаса Юнга и Огюстена Френеля. В 1801 году Юнг поставил свой знаменитый опыт с двумя щелями, в котором он наглядно продемонстрировал явление интерференции света — сложение волн, которое приводило к появлению чередующихся светлых и темных полос. Это явление было невозможно объяснить с точки зрения корпускулярной теории, но оно являлось фундаментальным свойством волн. Позже Френель создал строгую математическую теорию волновой оптики, которая объясняла не только интерференцию, но и дифракцию (огибание светом препятствий). Кроме того, предположив, что световые волны являются поперечными, Френель смог объяснить и явление поляризации света.

Таким образом, в начале XIX века произошел решительный поворот от корпускулярной теории к волновой. Экспериментальные доказательства волновых свойств света стали неопровержимыми, и волновая теория заняла доминирующее положение в физике.

Ответ: В начале XIX века доминировавшая ранее корпускулярная теория света Ньютона была вытеснена волновой теорией благодаря решающим экспериментам Томаса Юнга по интерференции и теоретическим работам Огюстена Френеля, математически описавшим дифракцию и поляризацию света.

2. Чем была вызвана необходимость выдвижения гипотезы светоносного эфира?

Решение

Необходимость выдвижения гипотезы о существовании светоносного эфира была прямым следствием утверждения волновой теории света. В XIX веке все известные науке волновые процессы (звук в воздухе, волны на воде) требовали для своего распространения материальной упругой среды. Волны представлялись как колебания частиц этой среды.

Однако свет обладает свойством, которое отличает его от звука: он может распространяться в вакууме. Мы видим свет от Солнца и звезд, который проходит через практически пустое межпланетное и межзвездное пространство. Это создавало логическое противоречие: если свет — это волна, то что именно колеблется в пустоте? Какая среда передает эти колебания?

Для разрешения этого парадокса ученые постулировали существование особой, всепроникающей среды, названной светоносным эфиром (от лат. aether). Предполагалось, что эфир заполняет всё мировое пространство, пронизывает все тела, абсолютно прозрачен и не оказывает сопротивления движению планет и других объектов. При этом, чтобы объяснить огромную скорость распространения света ( $c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с), эфир должен был обладать парадоксальными свойствами: быть чрезвычайно упругим и жестким, как твердое тело, и одновременно быть абсолютно текучим, не обладающим вязкостью.

Таким образом, гипотеза эфира была логически необходимым «костылем» для волновой теории света в рамках механистической картины мира XIX века. Она позволяла сохранить аналогию световых волн с механическими и объяснить их распространение в вакууме.

Ответ: Необходимость гипотезы светоносного эфира была вызвана тем, что волновая теория света, ставшая доминирующей, требовала наличия среды для распространения колебаний, по аналогии со всеми другими известными волнами (звуковыми, на воде). Поскольку свет распространяется в вакууме, была введена гипотетическая всепроникающая среда — эфир, которая и служила бы носителем световых волн.

3. Какое предположение о природе...

Решение

(Предположительно, вопрос касается гипотезы Джеймса Клерка Максвелла о природе света)

Во второй половине XIX века, в 1860-х годах, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл совершил прорыв в понимании природы света. Он работал над созданием единой теории электрических и магнитных явлений. Обобщив все известные на тот момент законы в виде системы из четырех уравнений (ныне известных как уравнения Максвелла), он пришел к фундаментальному выводу.

Из своих уравнений Максвелл чисто математически вывел существование поперечных электромагнитных волн — взаимосвязанных колебаний электрического и магнитного полей, способных распространяться в пространстве. Более того, его теория позволяла вычислить скорость этих гипотетических волн в вакууме. Эта скорость ($c$) выражалась через две фундаментальные константы, известные из экспериментов по электричеству и магнетизму: электрическую постоянную $\epsilon_0$ и магнитную постоянную $\mu_0$.

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме определялась формулой: $c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}}$

Подставив в эту формулу экспериментальные значения $\epsilon_0$ и $\mu_0$, Максвелл получил величину скорости, которая практически идеально совпадала с уже измеренной на тот момент скоростью света. Это совпадение было слишком точным, чтобы быть случайным.

На основании этого поразительного результата Максвелл выдвинул гениальное предположение: свет представляет собой электромагнитную волну. Это была революционная идея, которая объединила оптику, электричество и магнетизм в рамках единой электромагнитной теории.

Ответ: Джеймс Клерк Максвелл, основываясь на своей теории электромагнетизма, сделал предположение, что свет является электромагнитной волной. Он показал, что скорость распространения предсказанных им электромагнитных волн совпадает с экспериментально измеренной скоростью света.