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.

2. Чем была вызвана необходимость выдвижения гипотезы о существовании светоносного эфира?

2. Необходимость выдвижения гипотезы о существовании светоносного эфира в XIX веке была вызвана утверждением волновой теории света и аналогией с другими известными волновыми процессами.

К началу XIX века благодаря работам Томаса Юнга и Огюстена Френеля волновая природа света получила убедительные экспериментальные подтверждения (были объяснены явления интерференции и дифракции). Согласно этой теории, свет представляет собой волны.

В то время все известные науке волны (звуковые волны, волны на воде) были механическими. Для своего распространения они требовали наличия упругой среды. Например, звук распространяется в воздухе, воде или твердых телах, но не может распространяться в вакууме.

Однако свет от Солнца и далеких звезд достигает Земли, проходя через космическое пространство, которое считалось вакуумом (пустотой). Возникало противоречие: если свет — это волна, то что является средой, в которой эти волны распространяются?

Для разрешения этого парадокса была предложена гипотеза о существовании особой, всепроникающей среды — светоносного эфира. Предполагалось, что эфир заполняет всё мировое пространство, проникает внутрь всех тел и служит той самой средой, колебания которой и представляют собой световые волны.

Эфиру приписывались весьма противоречивые свойства. С одной стороны, чтобы обеспечивать огромную скорость распространения света ($c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с) и поперечность световых волн, он должен был быть чрезвычайно упругим и твердым. С другой стороны, он должен был быть абсолютно прозрачным и настолько разреженным, чтобы не оказывать никакого сопротивления движению планет и других небесных тел.

Позднее теория электромагнетизма Джеймса Клерка Максвелла показала, что свет — это электромагнитная волна. Однако и сам Максвелл, и его современники продолжали считать, что для распространения электромагнитных волн также необходим эфир.

Таким образом, гипотеза об эфире была логическим следствием механистической картины мира, доминировавшей в XIX веке, и попыткой объяснить распространение света в вакууме по аналогии с механическими волнами.

Ответ: Необходимость гипотезы о светоносном эфире была вызвана тем, что волновая теория света, доминировавшая в XIX веке, требовала наличия среды для распространения световых волн, по аналогии с известными механическими волнами (например, звуком), которые не могут распространяться в вакууме. Эфир рассматривался как гипотетическая среда, заполняющая все пространство и служащая носителем световых волн.

3. Какое предположение о природе света было сделано Максвеллом? Какие общие свойства света и электромагнитных волн явились основанием для такого предположения?

3. Какое предположение о природе света было сделано Максвеллом? Какие общие свойства света и электромагнитных волн явились основанием для такого предположения?

Джеймс Клерк Максвелл выдвинул гипотезу о том, что свет имеет электромагнитную природу, то есть является разновидностью электромагнитных волн. Эта гипотеза была ключевым выводом из его объединенной теории электричества и магнетизма.

Основанием для такого предположения послужил ряд общих свойств, теоретически выведенных для электромагнитных волн и экспериментально наблюдавшихся у света:

1) Скорость распространения: Скорость электромагнитных волн в вакууме, вычисленная Максвеллом из его уравнений ($c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}}$), оказалась с поразительной точностью равна скорости света, измеренной на опыте (около 300 000 км/с).

2) Поперечность волн: Теория Максвелла предсказывала, что электромагнитные волны являются поперечными (колебания векторов электрического и магнитного полей перпендикулярны направлению распространения). Это свойство света уже было известно из опытов по поляризации.

3) Отражение и преломление: Из уравнений Максвелла следовало, что электромагнитные волны на границе двух сред должны отражаться и преломляться по тем же законам, что и световые лучи.

4) Давление: Теория предсказывала, что электромагнитные волны должны оказывать давление на поглощающие и отражающие поверхности. Существование такого давления света было позже подтверждено в опытах П. Н. Лебедева.

Ответ: Максвелл предположил, что свет — это электромагнитная волна. Основанием для этого стало совпадение теоретически рассчитанной скорости электромагнитных волн со скоростью света, а также такие общие свойства, как поперечность, способность к отражению и преломлению, и оказание давления.

4. Как называется частица электромагнитного излучения?

Частица (или квант) электромагнитного излучения называется фотон. Эта концепция является фундаментальной для квантовой механики и была введена для объяснения явлений, которые не могла описать волновая теория, в первую очередь — фотоэлектрического эффекта. Фотон — это безмассовая элементарная частица, которая служит переносчиком электромагнитного взаимодействия.

Ответ: Фотон.

4. Как называется частица электромагнитного излучения?

Частица электромагнитного излучения называется фотон.

Фотон (от древнегреческого φῶς, что означает «свет») — это элементарная частица, которая является квантом, то есть наименьшей неделимой порцией, электромагнитного поля. Он выступает переносчиком электромагнитного взаимодействия. Это означает, что все виды электромагнитных волн, включая видимый свет, радиоволны, рентгеновские лучи и гамма-лучи, на самом деле состоят из потока фотонов.

Основные свойства фотона:

• Фотон не имеет массы покоя и электрического заряда.
• В вакууме он движется с постоянной скоростью, равной скорости света $c$ (приблизительно 299 792 458 м/с).
• Энергия фотона прямо пропорциональна частоте электромагнитной волны, что выражается формулой Планка: $E = h\nu$, где $E$ — энергия, $\nu$ — частота, а $h$ — постоянная Планка.
• Фотон обладает корпускулярно-волновым дуализмом: он может проявлять свойства как частицы (например, в явлении фотоэффекта), так и волны (например, в явлениях дифракции и интерференции).

Идея о существовании фотонов была введена Альбертом Эйнштейном в 1905 году для объяснения законов фотоэффекта, что стало одним из ключевых шагов в развитии квантовой механики.

Ответ: фотон.