Страница 269 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

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

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

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

• Корпускулярная теория, главным сторонником которой был Исаак Ньютон, утверждала, что свет представляет собой поток мельчайших частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Эта теория хорошо объясняла прямолинейное распространение света и законы отражения, но сталкивалась с трудностями при объяснении явлений дифракции и интерференции. Благодаря огромному авторитету Ньютона эта теория была доминирующей вплоть до начала XIX века.
• Волновая теория, предложенная Христианом Гюйгенсом, рассматривала свет как волновой процесс, распространяющийся в особой гипотетической среде — светоносном эфире. Она успешно описывала отражение и преломление, но долгое время оставалась на втором плане.

Ключевым моментом, изменившим ситуацию, стали эксперименты английского учёного Томаса Юнга (1801 г.) и французского физика Огюстена Френеля (1815-1818 гг.). Опыты Юнга по интерференции и детальные математические расчёты Френеля, объясняющие дифракцию, предоставили неопровержимые доказательства в пользу волновой природы света. Френель также показал, что световые волны являются поперечными (а не продольными, как считалось ранее), что позволило объяснить явление поляризации света. Таким образом, в первой четверти XIX века произошел переход от доминирования корпускулярной теории к окончательному утверждению волновой теории света.

Ответ: В начале XIX века представления о природе света были переходными: корпускулярная теория Ньютона, доминировавшая ранее, уступала место волновой теории Гюйгенса благодаря решающим экспериментальным доказательствам явлений интерференции и дифракции, полученным Томасом Юнгом и Огюстеном Френелем.

2. Чем была вызвана необходимость выдвижения гипотезы (электромагнитной природы света)?

Несмотря на триумф волновой теории, она оставляла открытым фундаментальный вопрос: что именно представляет собой световая волна и в какой среде она распространяется? Гипотеза о существовании всепроникающего светоносного эфира обладала рядом внутренних противоречий: для объяснения огромной скорости распространения света эфир должен был быть чрезвычайно упругим и твёрдым, но при этом не оказывать никакого сопротивления движению планет и других тел.

Необходимость выдвижения новой, электромагнитной, гипотезы была вызвана несколькими ключевыми открытиями и теоретическими разработками в середине XIX века:

1. Объединение электричества и магнетизма. Работы Майкла Фарадея по исследованию электрических и магнитных полей были математически обобщены Джеймсом Клерком Максвеллом. Он создал единую теорию электромагнитного поля, выраженную системой из четырёх уравнений, которые полностью описывали все известные на тот момент электромагнитные явления.
2. Теоретическое предсказание электромагнитных волн. Из своих уравнений Максвелл чисто математически вывел, что должны существовать распространяющиеся в пространстве поперечные электромагнитные волны — периодические колебания векторов напряжённости электрического ($E$) и магнитной индукции ($B$) полей.
3. Совпадение скоростей. Самым поразительным результатом теории Максвелла стало вычисление скорости распространения этих гипотетических волн в вакууме. Скорость $c$ определялась через электрическую ($\varepsilon_0$) и магнитную ($\mu_0$) постоянные: $c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$. Рассчитанное значение этой скорости с высокой точностью совпало с экспериментально измеренной скоростью света.

Это удивительное совпадение позволило Максвеллу в 1865 году выдвинуть гипотезу о том, что свет и есть электромагнитная волна. Эта гипотеза элегантно решала проблему эфира (электромагнитным волнам не нужна специальная механическая среда для распространения, они могут распространяться в вакууме) и объединяла оптику, казавшуюся отдельной областью физики, с учением об электричестве и магнетизме в единую стройную теорию.

Ответ: Необходимость выдвижения гипотезы об электромагнитной природе света была вызвана, с одной стороны, нерешёнными проблемами механической волновой теории (противоречивая концепция эфира), а с другой — созданием Максвеллом единой теории электромагнетизма, из которой следовало существование электромагнитных волн, скорость распространения которых в вакууме оказалась равна скорости света.

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

Чем была вызвана необходимость выдвижения гипотезы о существовании светоносного эфира?

К XIX веку в физике утвердилась волновая теория света, которая успешно объясняла явления интерференции, дифракции и поляризации. Все известные в то время волновые процессы, такие как звук или волны на поверхности воды, представляли собой колебания частиц упругой среды и не могли распространяться в пустоте.

По аналогии с этими механическими волнами, учёные пришли к выводу, что свет, будучи волной, также нуждается в среде-носителе для своего распространения. Однако свет от Солнца и других звезд доходит до Земли через безвоздушное пространство, которое считалось вакуумом. Чтобы разрешить это явное противоречие — распространение волн в пустоте — была предложена гипотеза о существовании особой, всепроникающей среды, названной светоносным эфиром.

Предполагалось, что эфир заполняет всё мировое пространство, пронизывает все тела и служит той самой упругой средой, колебания которой и представляют собой световые волны. Эта гипотеза получила дополнительную поддержку после того, как Джеймс Клерк Максвелл создал свою теорию электромагнетизма, в которой свет был представлен как поперечная электромагнитная волна.

Ответ: Необходимость выдвижения гипотезы о светоносном эфире была вызвана доминированием волновой теории света и аналогией с механическими волнами, которым для распространения необходима упругая среда. Поскольку свет распространяется в вакууме, была постулирована гипотетическая среда (эфир), заполняющая всё пространство и служащая носителем световых волн.

3. Какое предположение о при-

Для того чтобы светоносный эфир мог выполнять свою роль переносчика световых волн, ему пришлось приписать ряд уникальных и, как оказалось, противоречивых свойств:

• Всепроникаемость. Эфир должен был заполнять абсолютно всё пространство Вселенной, включая вакуум, и проникать сквозь все вещества, так как свет проходит через прозрачные тела.
• Абсолютная прозрачность. Он должен был быть невидимым и никак не проявлять себя, кроме как при переносе света.
• Высочайшая упругость. Скорость распространения волн в среде определяется её упругостью и плотностью (например, $v = \sqrt{\frac{E}{\rho}}$). Чтобы объяснить огромную скорость света ($c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с), эфир должен был обладать невероятно высокой жёсткостью (упругостью), значительно превосходящей жёсткость стали.
• Крайне низкая плотность. Несмотря на колоссальную жёсткость, эфир не должен был оказывать заметного сопротивления движению планет и других космических тел. Это требовало, чтобы его плотность была пренебрежимо малой.
• Свойства твёрдого тела. Из явления поляризации света следовало, что световые волны являются поперечными. Механические поперечные волны могут существовать только в твёрдых телах, но не в жидкостях или газах. Следовательно, эфир должен был вести себя как упругое твёрдое тело.

Совместить эти свойства — быть одновременно сверхжёстким твёрдым телом и сверхтекучей средой с нулевой плотностью — оказалось невозможным. Этот внутренний парадокс, а также отрицательный результат знаменитого эксперимента Майкельсона-Морли, который не смог обнаружить "эфирный ветер", в конечном итоге привели к отказу от гипотезы эфира в пользу специальной теории относительности.

Ответ: Было сделано предположение, что светоносный эфир должен обладать набором противоречивых свойств: быть всепроникающей, абсолютно прозрачной средой с чрезвычайно низкой плотностью (чтобы не тормозить планеты), но при этом обладать огромной упругостью и свойствами твёрдого тела (чтобы обеспечивать поперечность световых волн и их колоссальную скорость распространения).

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

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

Английский физик Джеймс Клерк Максвелл, обобщив все известные на тот момент законы электричества и магнетизма в виде системы уравнений, сделал фундаментальное предположение о том, что свет имеет электромагнитную природу, то есть является частным случаем электромагнитных волн.

Основанием для такого вывода послужили следующие общие свойства и характеристики, присущие как свету, так и теоретически описанным электромагнитным волнам:

• Скорость распространения в вакууме. Самым весомым аргументом стало поразительное совпадение скорости распространения электромагнитных волн, вычисленной Максвеллом из его уравнений ($c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_0 \mu_0}}$), со скоростью света, которая была к тому времени уже достаточно точно измерена экспериментально. Оба значения составляли примерно $300\,000$ км/с.
• Поперечность волн. Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны являются поперечными: векторы напряженности электрического поля ($\vec{E}$) и магнитной индукции ($\vec{B}$) колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Это свойство полностью соответствовало экспериментальным данным о поляризации света, которые доказывали, что световые волны также являются поперечными.
• Отражение, преломление, интерференция и дифракция. Все волновые явления, которые наблюдались у света (отражение от поверхностей, преломление на границе сред, интерференция и дифракция), должны были быть свойственны и электромагнитным волнам.
• Давление. Теория Максвелла предсказывала, что электромагнитные волны должны оказывать давление на препятствия. Позднее существование светового давления было экспериментально подтверждено русским физиком П. Н. Лебедевым, что стало еще одним доказательством правоты Максвелла.

Ответ: Максвелл предположил, что свет — это электромагнитная волна. Основания: совпадение расчетной скорости электромагнитных волн со скоростью света, а также поперечный характер как световых, так и электромагнитных волн.

4. Как называют частицу электромагнитного излучения?

Частицу (или квант) электромагнитного излучения называют фотоном. Это фундаментальное понятие квантовой физики, описывающее двойственную природу света и других электромагнитных волн (корпускулярно-волновой дуализм). Фотон представляет собой безмассовую (масса покоя равна нулю) и электрически нейтральную элементарную частицу, которая всегда движется со скоростью света в вакууме. Фотон является переносчиком электромагнитного взаимодействия.

Энергия фотона $E$ прямо пропорциональна частоте $\nu$ соответствующей ему электромагнитной волны и определяется по формуле Планка: $E = h\nu$, где $h$ — постоянная Планка.

Ответ: Фотон.

4. Как называют частицу электромагнитного излучения?

Частицу электромагнитного излучения называют фотоном. Это фундаментальная (элементарная) частица, представляющая собой квант электромагнитного поля. Другими словами, фотон — это наименьшая, неделимая порция энергии электромагнитного излучения, такого как видимый свет, радиоволны, рентгеновские лучи и т. д.

Понятие фотона было введено Альбертом Эйнштейном в 1905 году для объяснения явления фотоэффекта, основываясь на гипотезе Макса Планка о том, что энергия излучается и поглощается дискретными порциями (квантами). Эта концепция стала одной из основ квантовой механики.

Основные свойства фотона:

• Не имеет электрического заряда.
• Масса покоя фотона равна нулю. Вследствие этого фотон в вакууме всегда движется со скоростью света, $c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с.

• Энергия фотона $E$ прямо пропорциональна частоте $\nu$ электромагнитного излучения. Эта зависимость выражается формулой Планка-Эйнштейна: $E = h\nu$

  где $h$ — постоянная Планка ($h \approx 6.626 \cdot 10^{-34}$ Дж·с).

• Фотон обладает импульсом $p$, величина которого связана с длиной волны $\lambda$: $p = \frac{E}{c} = \frac{h\nu}{c} = \frac{h}{\lambda}$
• Является переносчиком электромагнитного взаимодействия.

Существование фотонов объясняет корпускулярно-волновой дуализм света: в одних явлениях (например, интерференция и дифракция) свет ведет себя как волна, а в других (например, фотоэффект и эффект Комптона) — как поток частиц.

Ответ: Фотон.