ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 11 класс · § 14
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 14. Электромагнитная природа света

Что происходит с частотой, длиной волны и скоростью света в веществе?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Что происходит с частотой, длиной волны и скоростью света в веществе?

Наблюдаем и объясняем

Свет внутри прозрачной среды

Сравни длину волны, скорость и время при неизменной частоте.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

1.5
600 нм
0.3 м

Монохроматический свет, постоянный фазовый показатель. Расчёт времени d/v — идеализированная недиспергирующая среда; границы неподвижны.

01

История моделей: наблюдение проверяет объяснение

Прямолинейное распространение и тень удобно описываются лучами. Интерференция и дифракция требуют волнового описания. Электромагнитная теория объединяет свет с другими волнами поля, а квантовые явления позже потребовали учитывать порционный обмен энергией.

Модели отвечают на разные вопросы. Луч не является материальной нитью, а синусоида поля не изображает траекторию фотона. Выбор описания определяется наблюдаемым явлением и нужной точностью, а не желанием объявить одну картинку универсальной.

Наблюдение

Тень, интерференция, взаимодействие

Подходящая модель

Лучи, волны или кванты

Проверка

Сопоставление с измерениями

Геометрическая, волновая и квантовая оптика имеют разные области применения.

Почему для обычной тени часто достаточно лучей?

Размеры препятствий обычно намного больше длины волны, и дифракционные отклонения малы вдали от границ тени.

02

Скорость: вакуум и прозрачная среда

В вакууме свет распространяется со скоростью c. Абсолютный показатель преломления n = c/vф связывает её с фазовой скоростью в среде. Для обычной прозрачной оптики n > 1, поэтому фазовая скорость меньше c.

Свет не перестаёт быть электромагнитным при попадании в стекло: поле взаимодействует с веществом. Для импульсов и сильно диспергирующих сред нужно различать фазовую и групповую скорости; простая школьная модель считает n постоянным для выбранного цвета.

Показатель

n = c/vф

Скорость

vф = c/n

Пример n = 1,5

vф ≈ 2,00·10⁸ м/с

Показатель преломления характеризует распространение в среде и может зависеть от частоты.

Меняется ли фундаментальная скорость c при внесении стекла?

Нет. Меняется скорость распространения в веществе, а c остаётся скоростью света в вакууме.

Солнечный спектр после прохождения стекла

Разные спектральные составляющие могут разделяться из-за дисперсии. Стекло меняет направления распространения; частоты на неподвижных границах сохраняются.

Pittigrilli · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.

Преломление света линзой

Собирающая линза меняет направления лучей. Точное схождение зависит от положения предмета и ограничений параксиальной модели.

白露为霜 at Chinese Wikipedia · Public domain · Источник. Без изменений.

03

Граница: частота сохраняется, длина меняется

При прохождении неподвижной границы частота света сохраняется: колебания по обе стороны должны согласовываться во времени. Поскольку v = λν, уменьшение скорости приводит к уменьшению длины волны. Для среды λ = λ₀/n, где λ₀ — вакуумная длина волны.

Свет с λ₀ = 600 нм в среде n = 1,5 имеет λ = 400 нм, но его частота остаётся 5·10¹⁴ Гц. Нельзя объявить такой свет «фиолетовым» только из-за числа 400 нм внутри стекла: цвет обычно связывают с частотой или вакуумной длиной волны.

Граница: частота сохраняется, длина меняется: сравнение
ВеличинаНа неподвижной границе
Частота νСохраняется
Скорость vМожет измениться
Длина волны λМеняется вместе со скоростью
НаправлениеМожет измениться при наклонном падении

Уменьшение длины волны в стекле не означает изменения частоты источника.

Что нужно уточнить возле значения длины волны?

В какой среде она измерена; обозначение λ₀ обычно относится к вакууму.

04

Модель: один источник и разные расстояния между фронтами

Интерактив сравнивает волну в вакууме и в среде. Меняй n и вакуумную длину волны: частота определяется источником, а шаг пространственного рисунка в веществе сокращается. Масштаб рисунка не воспроизводит нанометры в натуральную величину.

Для вычисления времени в однородном образце толщины l при нормальном прохождении t = nl/c. Например, для 0,30 м и n = 1,5 время около 1,5 нс. Дополнительная задержка по сравнению с вакуумом составляет 0,5 нс.

Найти частоту источника

ν = c/λ₀

Учесть среду

v = c/n, λ = λ₀/n

Найти время

t = l/v

Расчёт скорости, длины волны и частоты должен удовлетворять v = λν в каждой среде.

Почему время прохождения нельзя найти по одной частоте?

Нужно знать расстояние и свойства среды, определяющие скорость.

Соберём главное

Шесть выводов

01Геометрическая, волновая и квантовая оптика имеют разные области применения.
02Показатель преломления характеризует распространение в среде и может зависеть от частоты.
03Уменьшение длины волны в стекле не означает изменения частоты источника.
04Расчёт скорости, длины волны и частоты должен удовлетворять v = λν в каждой среде.
05Число нанометров без указания среды может привести к ошибке в интерпретации цвета.
06Для коротких импульсов простая модель постоянного n может быть недостаточна.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Абсолютный показатель преломления равен…
2. При n = 1,5 скорость примерно…
3. На неподвижной границе сохраняется…
4. λ₀ = 600 нм, n = 1,5. В среде λ…
5. Станет ли такой свет фиолетовым только из-за 400 нм внутри среды?
6. При λ₀ = 600 нм частота примерно…
7. Слой 0,3 м при v = 2·10⁸ м/с проходит за…
8. Задержка этого слоя относительно вакуума…
9. Если n возрастает при прежней частоте, λ…
10. Для какого описания v = c/n используется в конспекте?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 11 класс», § 14. Тема и содержание сверены с файлом «11 класс. Физика — § 14. Электромагнитная природа света.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…