Какие факты свидетельствуют о наличии у света волновых свойства

Естествознание, 11 класс

Урок 16. Волновые свойства света. Приборы, использующие волновые свойства света

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• какова роль знаний о волновых свойствах света для объяснения принципа действия световых приборов
• где применяется интерференция и поляризация
• какие устройства делают свет поляризованным

Глоссарий по теме:

Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.

Дифракция света – огибание электромагнитной волной препятствий соизмеримых с длиной волны.

Дифракционная решётка – оптический прибор, применяющийся для разложения светового излучения в спектр.

Поляризация света – выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией вектора напряженности электрического поля.

Полное внутреннее отражение – явление возврата светового луча в исходную среду после попадания на границу раздела двух сред при падении его из более оптически плотной среды в менее плотную.

Поляризатор – прибор, превращающий естественный свет в линейно-поляризованный.

Оптоволокно (оптические световоды) – нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Спектральный анализ – совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения.

Естественный свет – оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряженности электромагнитного поля.

Линейно–поляризованный свет – это электромагнитная волна, поляризованная таким образом, что направление вектора напряженности электрического поля остается неизменным

Основная и дополнительная литература по теме урока:

• Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 90-93.
• Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Какова роль знаний о световых явлениях и волновых свойствах света для объяснения принципов функционирования и применения световых приборов?

Начнём с интерференции света.

Интерференция света принципиально не отличается от интерференции других волн. Однако наблюдение и исследование интерференции световых волн затруднено, так как свет не является строго монохроматическим. Впервые эту проблему решил английский физик Томас Юнг.

Опыт Юнга заключался в следующем: свет падает на экран, в котором имеется узкая щель. проходя через щель, волна попадает на второй экран с двумя щелями. Каждая из этих щелей создает свою волну с одинаковыми свойствами. Эти волны могут интерферировать. Результатом интерференции является появление светлых и темных полос на третьем экране. Светлая полоса свидетельствует о том, что волны на экран пришли в одной фазе и усиливают друг друга, а темная полоса является результатом ослабления двух волн. Для усиления волн необходима одинаковая фаза. Следовательно, разность расстояний (разность хода) должна быть кратной четному числу длин полуволн.

Для ослабления волн они должны приходить в точку в противофазе. То есть для этого разность расстояний должна быть кратной нечетному числу длин полуволн.

Если интерференционной картине сопоставить график интенсивности света I, то он будет иметь вид синусоиды.

Положение максимумов и минимумов синусоиды будет зависеть от длины волны света, падающего на щель.

Как мы уже говорили ранее, белый свет полихроматический, т.е. включает спектр цветов от красного до фиолетового. Поэтому при интерференции мы наблюдаем максимумы не белого цвета, а всего спектра. Положение цветной полоски зависит от длины волны каждого света, входящего в белый.

Таким образом, не только с помощью призмы, но и с помощью интерференции можно разложить свет на спектр.

Наиболее эффективно для разложения света использовать не одну, а несколько щелей. Устройство, состоящее из многих равноотстоящих щелей, стали называть дифракционной решёткой. И чем больше щелей и чем они плотнее, тем больше эффективность дифракционной решетки как спектрального прибора. С помощью дифракционной решётки можно определить длину световой волны.

k·λ=d·sinφ,

k – номер рассматриваемого максимума

λ – длина световой волны

d – период дифракционной решётки

Следующее волновое свойство света, которое мы рассмотрим – это поляризация

Свет представляет собой электромагнитную волну, свойства которой таковы, что вектор напряженности электрического поля всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля и оба этих вектора перпендикулярны скорости распространения волны.

В то же время в разных точках пространства и в разные моменты времени векторы E и B, оставаясь перпендикулярными друг другу и вектору скорости, могут изменять направления. Такой свет называется естественным.

При помощи специальных приборов, называемых поляризаторами, из такого естественно поляризованного света можно выделить волну, в которой направления векторов E и В будут оставаться неизменными. Такая волна называется линейно поляризованной.

Обычно поляризаторы представляют собой пластины, сделанные из прозрачного материала, например, из турмалина, герапатита, исландского шпата.

Через поляризатор проходят только те волны, вектор напряженности которых параллелен оси кристалла. В результате прохождения через поляризатор свет из естественного превращается в линейно-поляризованный.

Если же на пластину направить линейно-поляризованный свет, то интенсивность света на выходе будет зависеть от положения оси кристалла относительно направления вектора напряженности. В частности, если ось кристалла перпендикулярна вектору напряженности, то свет не пройдет через эту пластину.

Линейно-поляризованный свет можно получить также при помощи лазерных источников

Давайте вспомним из курса физики еще одно свойство света, которое широко используется человеком. Это явление полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения наблюдается, когда свет переходит из более плотной оптической среды в менее плотную.

Явление полного внутреннего отражения нашло применение в современных устройствах.

Допустим, нам нужно передать луч света на некоторое расстояние вдоль некоторого извилистого пути (подобно тому, как по проводу передается ток). Создают двойную стеклянную трубку из материалов с различной оптической плотностью.

Сердцевину делают из оптически более плотного вещества, а внешнюю трубку из вещества с меньшим показателем преломления. Подобная трубка называется оптическим световодом. Ее также называют оптическим волокном.

Оптические световоды применяются в настоящее время для передачи информации с очень высокой плотностью.

Компьютеры, к которым подключена оптоволоконная связь, работают гораздо эффективнее, чем, например, компьютеры, подключенные к сети при помощи телефонной линии.

Сегодня на уроке мы изучили волновые свойства света и рассмотрели приборы, использующие их свойства. Это дифракционная решётка, поляризатор, оптический световод.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Текст задания 1:

Используя конспект урока, найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали понятия.

1. Огибание волнами препятствий
2. С помощью этого оптического прибора можно естественный свет превратить в плоско-поляризованный
3. Волновое свойство света, применяемое в дифракционных решётках
4. В этом приспособлении для передачи информации используется явление полного внутреннего отражения

Правильный вариант: дифракция, поляризатор, интерференция, оптоволокно.

Текст задания 2:

Вставьте пропущенные слова.

Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие __________ __________ ___________.

Правильный вариант: полного внутреннего отражения.

Основное волновое явление при распространении света – интерференция. При прохождении светом, например, сквозь систему из множества параллельных щелей, получается интерференционная картинка – чередование светлых и тёмных полос. Волновая теория легко объясняет эту картинку. Волновой фронт, проходя сквозь эти щели, дробится на множество участочков, которые становятся источниками вторичных волн. Складываясь, эти вторичные волны либо усиливают друг друга, либо, наоборот, гасят – в соответствии с разностью фаз, которая зависит от направления распространения света за щелями. Там, где волны складываются синфазно, получаются светлые полосы, а там, где они складываются противофазно – тёмные. Но как объяснить эту картинку, если представлять свет летящими фотонами? Если фотон – полноценная частица, то он должен пролетать сквозь какую-то одну щель, а не сквозь несколько щелей сразу. Откуда же тогда взяться интерференционной картинке? Кстати: чем больше щелей, тем эта картинка резче. Что же, фотон пролетает сквозь одну щель, но чувствует все остальные?

Поразительно, но даже этот простейший случай ортодоксальная наука до сих пор не может объяснить – на основе концепции летящих фотонов. Сначала говорили, что каждый фотон проходит сквозь какую-то одну щель, но полосы получаются, когда фотонов пролетает много. После щелей они, якобы, накладываются друг на друга – вот, мол, и получаются полосы, как и в случае волн… Нет, так не пойдёт! Если фазы у фотонов при прохождении щелей распределены случайным образом – а это обычное дело при нелазерных источниках света – то никакой системы светлых и тёмных полос не получится: чтобы она получилась, нужна одна и та же фаза при прохождении щелей. Но ведь эта система полос успешно получается! Значит, можно заподозрить, что дело здесь вовсе не в наложении фотонов друг на друга. И точно, известны опытные факты, свидетельствующие о том, что интерференционная картинка получается отнюдь не в результате взаимодействия фотонов друг с другом. Были специально поставлены опыты при сверхслабых световых потоках: фотоны летели, практически, поодиночке – и, лишь после длительной экспозиции, на результирующей фотопластинке можно было что-то разглядеть. Выяснилось: картинки, полученные при обычных световых потоках и малых временах экспозиции, идентичны картинкам, полученным при сверхслабых световых потоках и достаточно длительных экспозициях. Ну, и чего? Помогли эти результаты ортодоксам понять, что в концепции летящих фотонов – что-то очень не так? Да ничуть. Наоборот, вот куда понесло иных теоретиков: «Раз уж полосы получаются даже тогда, когда фотоны летят поодиночке, то имеем право предположить, что каждый фотон рисует сразу всю картинку, только очень слабенькую. А с каждым новым фотоном вся эта картинка усиливается и усиливается!» И до сих пор пропагандируют эту чушь – о том, что фотон может размазываться на всю фотопластинку! А ведь точно известно, что фотопластинки состоят из микроскопических зёрнышек. И точно известно: чтобы это фотографическое зёрнышко сработало, в нём должна произойти фотохимическая реакция – а она происходит при приобретении необходимой энергии возбуждения, т.е. при поглощении фотона целиком! Неужели отсюда не ясно, что каждый фотон попадает в одну точку на фотопластинке? И неважно, обычный при этом световой поток, или сверхслабый! Просто в первом из этих случаев светлые и тёмные полосы получаются быстренько, а во втором – нужно долго ждать, пока они нарисуются. Из отдельных точек! Но это значит, что если фотонам присущи волновые свойства, то они присущи каждому фотону в отдельности. Тогда повторяем вопрос: каким образом фотон «чувствует» систему щелей, через которую он проходит? Ответа как не было, так и нет!

Или вот ещё – тоже замечательное волновое явление. В биноклях и фотоаппаратах широко используется т.н. просветлённая оптика – у которой, по сравнению с обычными линзами, меньше обратное отражение, и, соответственно, лучше пропускание. Известно, что нужно сделать, чтобы оптика получилась просветлённая – но её работа, в рамках концепции летящих фотонов, выглядит непостижимым чудом. На поверхность линзы, отражение от которой требуется уменьшить, наносят тонкое покрытие. Его толщина делается такой, чтобы, для света из желаемого спектрального диапазона, при отражениях волнового фронта от двух поверхностей – «воздух-покрытие» и «покрытие-линза» – разность фаз соответствовала нечётному числу полуволн, т.е. чтобы волны, отражённые от этих двух поверхностей, гасили друг друга. В результате, как известно, отражение и вправду уменьшается, а пропускание увеличивается. Но не гасят же здесь друг друга фотоны, отражённые от этих двух поверхностей – иначе каким чудесным образом они, после этого, перескакивали бы из отражённого потока в проходящий? Да и, кроме того, «погасить» друг друга могли бы лишь те фотоны, которые ещё до отражения имели бы определённую разность фаз – но, в условиях естественного освещения, фазы фотонов распределены случайно, а просветлённая оптика всё равно работает! Значит, опять же, каждый фотон должен индивидуально, независимо от других фотонов, попадать в проходящий поток! Но как фотон может это делать? Неужели он отражается от тех двух поверхностей сразу, из-за чего гасит сам себя и перескакивает из отражённого потока в проходящий? Или, ещё лучше: неужели он заранее знает, что, отразившись, он погасит сам себя, поэтому он не рискует и по-простому летит вперёд?

Бессилие концепции летящих фотонов применительно к этим простейшим волновым явлениям – просто поражает. Намучившись досыта неудачными попытками объяснить происхождение волновых свойств у фотонов, отчаявшиеся теоретики притянули эти свойства за уши, приписав каждому фотону «волновую функцию». Что это такое, они сами толком не понимают – даже после грандиозной дискуссии о её физическом смысле. Но, не требуя никакого понимания, волновая функция фотона позволяла описать и, какое хочешь, его размазывание по пространству, и ту же интерференцию. Правда, конфуз всё же вышел. Спрашивается: если фотон размазан по пространству, скажем, на пару десятков метров, как это описывает его волновая функция, то означает ли это, что и энергия фотона размазана на ту же пару десятков метров? Если не размазана, то все разговоры о волновой функции и её физическом смысле – это, извиняемся, просто трёп. А если размазана – то каким же дивным образом она схлопывается в точку при поглощении фотона фотографическим зёрнышком или светочувствительной клеткой глаза? Ответа на этот вопрос так и не выработали. Лишь придумали высоконаучный термин для такого схлопывания: «редукция волнового пакета». А как происходит эта «редукция» – не придумали. Ни ума не хватило, ни фантазии. А чтобы прикрыть своё бессилие, изобрели ещё один восхитительный термин: «корпускулярно-волновой дуализм». В переводе на общепонятный язык этот термин означает, что у фотона имеются свойства и частицы, и волны – но как они уживаются друг с другом, совершенно не ясно. Поэтому, если кто-то что-то недопонял про фотоны, то пусть предъявляет претензии не к теоретикам, а к корпускулярно-волновому дуализму. Главное, мол, к этому дуализму хорошо привыкнуть – и тогда, мол, будет полное понимание природы света!

Теперь самое время изложить альтернативу этому лепету официальной науки. По логике «цифрового» мира, световая энергия не движется по пространству между атомами – ни в виде волн, ни в виде фотонов – а перебрасывается непосредственно с атома на атом программными манипуляциями. Поскольку при распространении света нет физического посредника, переносящего энергию возбуждения с атома на атом, то нет и физического носителя свойств, приводящих к волновым эффектам при распространении света. По логике вышеизложенного, к этим волновым эффектам приводят особенности работы Навигатора (3.4), прокладывающего путь квантам энергии возбуждения атомов.

Что же это за особенности? Как отмечалось выше (3.4), Навигатор сканирует пространство вокруг возбуждённого атома в поисках атомов-адресатов, находящихся в тех местах, в которые вероятность квантового переброса энергии возбуждения оказывается максимальной. При этом Навигатор методично обрабатывает все имеющиеся разветвления путей волн расчётных вероятностей. Эти разветвления возникают там, где происходят нарушения невозмущённого движения «волнового фронта»: на отражающих и преломляющих поверхностях, на делительных пластинках, на различных препятствиях, дробящих «волновой фронт» – в частности, на той же системе параллельных щелей. Пусть разветвлённые пути волн расчётных вероятностей затем где-то пересекаются. В областях этих пересечений, по логике работы Навигатора, результирующие расчётные вероятности определяются наложением этих волн друг на друга. Таким образом, «интерферируют» именно волны расчётных вероятностей. В частности, светлые полосы на экране за системой параллельных щелей появляются на тех местах, для которых итоговые вероятности переброса квантов энергии возбуждения оказываются наибольшими. При этом лишён смысла вопрос о том, сквозь какую щель прошёл тот или иной квант, попавший в ту или иную светлую полосу на экране. Сквозь щели «проходили» волны расчётных вероятностей. А квант мог быть переброшен непосредственно с атома источника света на атом экрана – без прохождения по пространству между ними и, значит, без прохождения сквозь систему щелей. Это непривычно, но это реалии «цифрового» мира!

Здесь требуется важное уточнение. Для каждого возбуждённого атома работает индивидуальный канал Навигатора, который ищет атома-адресата только для этого возбуждённого атома. И «интерферировать» могут лишь те волны расчётных вероятностей, которые продуцируются одним и тем же каналом Навигатора, т.е. лишь те, с помощью которых устанавливается какая-то одна пара «атом-отправитель – атом-получатель». Сам принцип работы Навигатора основан на том, что расчёты вероятностей переброса для каждого кванта производятся независимо от расчётов для других квантов. Поэтому «интерференция» волн расчётных вероятностей в каждом канале Навигатора происходит независимо от работы других его каналов. Это и является причиной того, что пересекающиеся пучки света совершенно не мешают друг другу.

«Нет-нет, – скажут ортодоксы. – Это при слабых световых потоках они не мешают друг другу. Фотонов летит мало, вот они и не сталкиваются! А при мощных световых потоках фотоны рассеиваются друг на друге! Мы даже считаем сечения этого рассеяния!» Друзья, считать вы можете что угодно – до посинения. Но где вы видели рассеяние фотонов друг на друге? В фокусе лазерного луча, что ли – где возникает пробой воздуха и вспыхивает искра? Так там без вещества не обходится! А вот в сверхвысоком вакууме лабораторных установок – никаких подобных спецэффектов не наблюдается! Куда же при этом деваются способности фотонов рассеиваться друг на друге? Давайте, друзья, посерьёзнее!

Повторяем: учёт того, что различные каналы Навигатора работают независимо – для каждого кванта индивидуально – одним махом объясняет все волновые явления при распространении света. В том числе – те интерференционные явления, которые имеют место при сверхслабых световых потоках, когда кванты передаются поодиночке. У каждого кванта здесь имеется повышенная вероятность быть переброшенным в любую точку из тех мест, где получатся светлые полосы. Но попадёт он, конечно, в какую-то одну точку. И, лишь когда квантов перебросится достаточно много, светлые полосы станут заметны. Как можно видеть, тривиально устраняются парадоксы с «самоинтерференцией» одиночного фотона, с редукцией его волновой функции, и т.п.

О том, что всё это – правда, свидетельствует ещё одна тонкость в интерференции световых волн, которую наука тщательно скрывает. Вот у волн в вещественных средах – например, звуковых волн или волн на поверхности воды – есть характерная особенность. Эти волны, будучи порождаемы различными независимыми источниками, отлично интерферируют – тем лучше, чем лучше совпадают частоты вибраций их источников. Но мало кто знает, что в случае световых волн это не так: интерференции света от независимых источников нет, как бы здорово ни совпадали их спектральные линии. Даже – в случае лазерных источников света, когда их совпадающие спектральные линии являются исключительно узкими. Те, кто пытались получить интерференционную картинку, смешивая свет от двух однотипных лазеров (одночастотных!), мучились долго, упорно, и безуспешно. Желающие могут повторить. Только не сделайте ошибочку, подменяя интерференционную картинку биениями частот. Чтобы получить биения частот двух лазеров, долго мучиться не нужно: направляете лучи на достаточно быстродействующий фотодиод, и снимаете сигнал на разностной частоте. Этот сигнал получается оттого, что освещённость мордочки диода периодически изменяется. Мы же говорим об интерференционной картинке, которая, по определению, является статической – например, статическая система светлых и тёмных полос – при которой изменений освещённости мордочки фотодиода нет. Казалось бы, чепуха какая-то – когда интерференция света имеет место, получаются великолепные статические картинки, как и положено! Нет, это не чепуха. Все без исключения интерферометры работают так: они расщепляют свет от одного и того же источника, прогоняют его по различным путям, а затем вновь сводят. Только так получаются световые интерференционные картинки! Да почему же? А потому, что каналы Навигатора для различных квантов работают независимо, и «интерферировать» могут лишь те волны расчётных вероятностей, которые порождаются одним и тем же каналом Навигатора. Вот почему интерференции света от различных независимых источников – даже лазерных – не может быть в принципе.

Как можно видеть, логика «цифрового» мира, в применении к явлениям интерференции света, даёт разумное и непротиворечивое устранение парадоксов, нагромождаемых ортодоксальным подходом.

Следует добавить пару слов ещё об одном ключевом волновом явлении при распространении света – дифракции. Это явление заключается в том, что у света, встречающего препятствия на своём пути, происходят соответствующие отклонения от прямолинейности распространения. Так происходит потому, что точки на краях препятствий становятся источниками вторичных волн, которые интерферируют с волнами, прошедшими рядом с краями. А об интерференции мы уже сказали выше.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: