Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов icon

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов





Скачать 181.41 Kb.
НазваниеИркутская городская конференция учащихся 10-11 классов
Зубкова А.В
Дата конвертации09.04.2013
Размер181.41 Kb.
ТипИсследовательская работа
ИРКУТСКАЯ ГОРОДСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

УЧАЩИХСЯ 10-11 КЛАССОВ


«В МИР ПОИСКА, В МИР ТВОРЧЕСТВА, В МИР НАУКИ»


КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ


Исследовательская работа


Автор: Зубкова А.В.

Россия, г. Иркутск,

МОУ гимназия №44, 11 класс

Научный руководитель: Гафнер А.Е.


2006г.


«Корпускулярно-волновой дуализм»


Зубкова А.В.

Россия, г. Иркутск,

МОУ гимназия №44, 11 класс


Что же такое свет – волна или поток частиц-фотонов? Для ответа на этот вопрос автор подробно рассмотрел явления, связанные с распространением света, а именно, описал его корпускулярные и волновые свойства, на которых базируется современная физика.


Содержание



1 Актуальность темы и цель работы 4

2 Введение. 5

3 Волновые явления. 6

3.1 Интерференция света. 6

3.2 Дифракция света. 7

3.3 Поляризация света при отражении и преломлении. 9

4 Корпускулярные явления. 10

4.1 Фотоэффект 10

4.2 Давление света 12

4.3 Эффект Комптона 13

5 Принцип дополнительности Бора. 14

6 Заключение 15

7 Список использованной литературы 16



1Актуальность темы и цель работы



Лауреат Нобелевской премии Жорес Иванович Алфёров, выступая перед учителями физики в начале 2000 года, сказал: «Двадцатый век называют веком физики. И это правильно. Однако я бы всё же сказал, что это век квантовой физики, поскольку именно она определила лицо уходящего века».

Действительно, именно на её основе стала исключительно понятной окружающая нас реальность, в том числе неразрешимая вековая проблема: имел ли наш мир начало, или он существовал всегда, конечен он или нет, плоский он или сферический? И т.п. Не поддавались объяснению даже физические свойства твёрдых тел, такие как ферромагнетизм, электропроводность, теплоёмкость и другие.

Все эти проблемы удалось решить на основе квантовой физики, фундаментом которой является закон, названный корпускулярно-волновым дуализмом. Таким образом, целью моей работы является рассмотрение двух свойств света – корпускулярного и волнового.


2Введение.



Уже в древности наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории – корпускулярную и волновую теории света.

Большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела большое число последователей (Эвклид). Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Эвклид писал: “Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути”. Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. К началу XVII в. эту точку зрения можно считать забытой. Другие считали, что лучи, испускающиеся светящимся телом, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались Демокрит, Эпикур, Лукреций. Последняя точка оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет - поток каких-то частиц, испускаемых светящимся телом. Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. В дальнейшем, в XVII в., его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

К середине XVII века накопились факты, которые толкали научную мысль за пределы геометрической оптики. Одним из первых ученых, подтолкнувшим научную мысль к теории волновой природы света, был чешский ученый Марци. Его работы известны не только в области оптики, но также и в области механики и даже медицины. В 1648 г. им открыто явление дисперсии света. В XVII веке в связи с развитием оптики вопрос о природе света стал вызывать все больший и больший интерес. Постепенно происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой. Для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света, а также законы отражения и преломления хорошо объяснялись с точки зрения этой теории. Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В то время в основе взглядов на строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света. В это же время начинает развиваться представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта.

3 Волновые явления.

3.1Интерференция света.


Интерференция света – частный случай общего явления интерференции волн, заключающийся в пространственном перераспределении энергии светового излучения при суперпозиции электромагнитных волн. Необходимым условием интерференции любых волн является их когерентность – согласованное протекание во времени и пространстве нескольких волновых процессов. Строго когерентными могут быть лишь монохроматические волны – неограниченные в пространстве волны с постоянными во времени длиной волны, амплитудой и начальной фазой. Эти характеристики для монохроматических волн остаются постоянными сколь угодно долгое время. Свет, излучаемый любым реальным источником, не обладает данными свойствами. Имеет место перераспределение энергии в пространстве, следовательно:

Свет, излучаемый реальными источниками, весьма далёк по своим свойствам от рассматриваемого нами в рамках монохроматической идеализации. Поэтому сама возможность осуществления интерференции на практике выглядит неразрешимой задачей. Однако наблюдать интерференцию света от реальных (некогерентных) источников можно, если свет от одного и того же источника разделить на два (или несколько) пучка и затем свести эти пучки вместе. Способов разделения волны от первичного источника на две когерентные между собой волны два: деление волнового фронта и деление амплитуды.

Если рассмотреть деление световой волны при прохождении её через границу раздела двух сред и отражении от зеркал, то мы получим, что в точке P будет наблюдаться либо максимум интенсивности света (колебания приходят в точку Р с одинаковой фазой), либо минимум (в точке Р колебания находятся в противофазе). (В точке Р волны соединяются).



Интерференция – это явление сложения монохроматических, когерентных волн, при котором наблюдается перераспределение энергии колебательного движения в пространстве.


3.2Дифракция света.


Дифракцией света – это ещё одно свойство, каким обладает волна.

Дифракцией света называется огибание волнами препятствий, встречающихся на их пути, или в более широком смысле – любое отклонение при распространении волн от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшие отверстия в экранах и т.д.

Явление дифракции можно объяснить, используя принцип Гюйгенса. С этой целью рассмотрим падение плоской волны на преграду с отверстием. Когда волновой фронт доходит до преграды, то каждая точка отверстия становится, согласно принципу Гюйгенса, источником вторичных волн, а огибающая этих волн задаёт фронт волны после прохождения отверстия. Из рисунка следует, что этот фронт волны плоский только в средней части, а у границ происходит загибание волнового фронта, то есть волны проникают в область геометрической тени. Однако если продолжать построение волнового фронта по этому принципу и дальше, то мы увидим, что при этом будет наблюдаться расплывание энергии волны вдоль плоскости преграды.



Явление дифракции характерно для любых волновых процессов. Поэтому раз свет является волновым процессом, то для него также должна наблюдаться дифракция. Однако предметы, освещаемые светом от точечного источника, дают резкую тень и, следовательно, лучи не отклоняются от их прямолинейного направления распространения. Откуда же возникает эта резкая тень? Принцип Гюйгенса ответа на этот вопрос не даёт. Принцип Гюйгенса не затрагивает также вопрос об амплитуде, а, следовательно, об интенсивности волн, распространяемых по разным направлениям.

На все эти вопросы удалось ответить Френелю, который пересмотрел принцип Гюйгенса и вложил в него физический смысл, дополнив его идеей интерференции вторичных волн.

Согласно принципу Гюйгенса – Френеля: световая волна, возбуждаемая каким – либо источником S, может быть представлена как результат суперпозиции когерентных вторичных волн, «излучаемых» фиктивными источниками.

Такими источниками могут служить физически бесконечно малые элементы любой замкнутой поверхности, охватывающей поверхность S. Таким образом, волны, распространяющиеся от источника, являются результатом интерференции всех когерентных вторичных волн. Френель, кроме того, исключил возможность возникновения обратных вторичных волн, «отражённых» от преграды и предложил, что если между источником и точкой наблюдения находится экран с отверстием, то на поверхности экрана амплитуда вторичных волн равна нулю, а в плоскости отверстия такая же, как и при отсутствие экрана. Учёт амплитуд и фаз вторичных волн позволяет в каждом когерентном случае найти амплитуду (интенсивность) результирующей волны в любой точке пространства, т.е. определить закономерности распространения света.


3.3Поляризация света при отражении и преломлении.


Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломлённого лучей анализатор, убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи поляризованы; при повороте анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается или ослабевает (полного гашения не наблюдается). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, а в преломленном – колебания, параллельные плоскости падения.






стекло




Степень поляризации зависит от угла падения и показателя преломления.

Степень поляризации отраженного и преломленного света при различных углах падения можно рассчитать из уравнений Максвелла, если учесть граничные условия для электромагнитного поля на границе раздела двух изотропных диэлектриков.

Если пропустить частично поляризованный свет через поляризатор, то при вращении прибора вокруг направления луча интенсивность прошедшего света будет изменяться, и переход от одного значения к другому будет совершаться при повороте на угол, равный (за один полный поворот два раза будет достигаться максимальное и два раза минимальное значение интенсивности). Нужно отметить, что понятие степени поляризации относиться только к плоско поляризованному свету. У эллиптически поляризованного света колебания полностью упорядочены.

Таким образом, в процессе поляризации света, также как при интерференции и дифракции, наблюдаются волновые свойства света.


4Корпускулярные явления.

4.1Фотоэффект


В конце XIX века было открыто оптическое явление, не укладывающееся в рамки законов классической физики. Это – явление фотоэлектрического эффекта, или фотоэффекта. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэффектом называют испускание электронов веществом (металлом, полупроводником, диэлектриком) под действием электромагнитного излучения.

Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления

фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887 г. немецким физиком Генрихом Герцем (он заметил, что ультрафиолетовое излучение в области искрового промежутка облегчает разряд). Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины. При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение. В 1888 г. Гальвакс установил, что причиной этого является появление при облучении свободных зарядов. Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским учёным А.Г.Столетовым. Два электрода в вакуумной трубке подключены к батарее так, чтобы с помощью потенциометра можно измерять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом, измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своего значения до нашего времени:

-наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;

-под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;

-сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Томпсон (1898 г.) измерил удельный заряд частиц, испускаемых под действием света. Эти измерения показали, что под действием света вырываются электроны.

Внешний фотоэффект подчиняется следующим законам, полученных из обобщения опытных данных:

1. Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой .

3. Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т.е. минимальная частота света зависит от природы вещества и состояния его поверхности, ниже которой фотоэффект невозможен.

Второй и третий законы фотоэффекта не удаётся объяснить на основе волновых представлений. В самом деле, согласно волновой теории, вырывание электронов из металла должно происходить благодаря их «раскачиванию» в электронном поле световой волны. Тогда неясно, почему максимальная начальная скорость вылетающих электронов зависит от частоты света, а не от амплитуды колебаний вектора световой волны и связанной с амплитудой интенсивностью волны. Наличие «красной границы» также несовместимо с волновой теорией, т.к. свет любой частоты, но большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла.

Объяснение фотоэффекта было дано на основе квантовой теории. Эйнштейн пошёл значительно дальше Планка, предполагавшего, что излучение осуществляется порциями – квантами. Корпускулярные свойства Эйнштейн приписал самому излучению, и отдача энергии при излучении объясняется тем, что никаких других порций излучения (частоты ) существовать в природе не может.

Монохроматическое излучение частоты состоит всегда из целого числа фотонов, энергия каждого равна . При поглощении излучения частоты веществом каждый из электронов может поглотить один фотон, приобретая при этом энергию . Если эта энергия достаточна, чтобы электрон совершил работу выхода, то будет наблюдаться фотоэффект.

Эйнштейн предложил для описания фотоэффекта использовать уравнение: , где , т.е. действительно определяется только частотой света и не зависит от интенсивности. Из этого уравнения получается значение минимальной для данного вещества частоты («красной границы»), при котором фотоэффект становится возможным:









Описанный выше фотоэффект является внешним. При этом падающий на поверхность металла свет испытывает поглощение свободными электронами в очень тонком слое вещества. Поглотив фотоны, электроны приобретают энергию, достаточную для преодоления работы выхода, и часть из них вырывается наружу в вакуум или газ. Кроме того, фотоэффекты бывают внутренним и вентильным. Внутренним фотоэффектом называют появление свободных электронов и узлов в полупроводнике в результате разрыва связей между атомами за счет энергии света, падающего на полупроводник. Вентильным фотоэффектом называют возникновение под действием света электродвижущей силы в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников или полупроводника и металла.


4.2Давление света


Рассмотрим механическое действие света – давление, оказываемое им на встречные тела. Максвелл, исходя из разработанной им теории электромагнетизма, впервые показал необходимость существования светового давления.

Р










Качественно механизм давления можно пояснить следующим образом.

Пусть на плоскую поверхность Р тела падает нормально электромагнитная волна. Пусть векторы и лежат в плоскости поверхности Р. Рассмотрим, их воздействие на электрические заряды тела. Под действием силы со стороны электрической напряженности электромагнитной волны , положительный заряд смещается вдоль поверхности по направлению , а отрицательный – против направления . Такое смещение зарядов представляет собой поверхностный ток , параллельный . В телах со свободными зарядами (проводники) это будет ток проводимости, а в диэлектриках – поляризационный ток смещения. Магнитные силы , действующие на ток , будут направлены по закону Ампера перпендикулярно и , т.е. внутрь тела. Независимо от их знака, заряды, расположенные на поверхности и связанные с его атомами, «вдавливаются» в тело. Ускорение и скорость пропорциональны величине . Магнитные же силы пропорциональны [*], а оно пропорционально плотности электромагнитной энергии падающей волны . Точный расчет величины давления света Р по теории Максвелла приводит к выражению: , где - коэффициент отражения от данной поверхности.

Давление света можно также объяснить исходя из гипотезы световых фотонов (квантов энергии). Согласно гипотезе световых квантов Эйнштейна свет испускается, распространяется и поглощается квантами – фотонами. Энергия кванта и его масса нам известна (массу можно найти из закона взаимосвязи массы и энергии). Импульс фотона можно получить, если в общей формуле теории относительности положим массу покоя равную нулю. Тогда если фотоны обладают импульсом, то свет, падающий на тело, должен оказывать на него давление. С точки зрения квантовой теории, давление света на поверхность обусловлено передачей каждого фотона при соударении с поверхностью своего импульса. Если рассчитать световое давление на поверхность тела потоком монохроматического излучения с частотой , падающего перпендикулярно поверхности, то: . Эта формула, выведенная на основе квантовых представлений, совпадает с выражением, полученным из волновой теории Максвелла.

4.3Эффект Комптона


Наиболее ярко корпускулярные свойства света проявляются в эффекте Комптона. Американский физик А. Комптон, изучая в 1923г. рассеяние монохроматических рентгеновских лучей на лёгких атомах (парафин, бор), обнаружил, что в составе рассеянного излучения наряду с излучением первоначальной длины волны наблюдается также излучение более длинных волн.

Таким образом, эффект Комптона можно определить как упругое рассеяние коротковолнового электромагнитного излучения (рентгеновского и гамма-излучений) на свободных (или слабосвязанных) электронах вещества, сопровождающееся увеличением длины волны. Этот эффект не укладывается в рамки волновой теории, согласно которой длина волны при рассеянии изменяться не должна: под действием периодического поля световой волны электрон колеблется с частотой поля и поэтому излучает рассеянные волны той же частоты. Исходя из квантовых представлений можно рассматривать эффект Комптона как результат упругого соударения рентгеновских фотонов со свободными электронами вещества (для лёгких атомов электроны слабо связаны с ядром, поэтому их можно считать в первом приближении свободными). В процессе этого столкновения фотон передает электрону часть своей энергии и импульса в соответствие с законами сохранения.

Эффект Комптона наблюдается не только на электронах, но и на других заряженных частицах, например протонах, однако из-за большой массы протона его отдача «просматривается» лишь при рассеянии фотонов очень высоких энергий. Как эффект Комптона, так и фотоэффект на основе квантовых представлений обусловлены взаимодействием фотонов с электронами. В первом случае фотон рассеивается, во втором - поглощается. Рассеяние происходит при взаимодействии фотона со свободными электронами, а фотоэффект – со связанными электронами. Можно показать, что при столкновении фотона со свободными электронами не может произойти поглощения фотона, так как это находится в противоречии с законами сохранения импульса и энергии. Поэтому при взаимодействии фотонов со свободными электронами может наблюдаться только их рассеяние, т.е. эффект Комптона.


5Принцип дополнительности Бора.


Фотоэффект, эффект Комптона и другие эксперименты составили прочную основу фотонной (или корпускулярной) теории света. Но как быть с классическими опытами Юнга и других исследователей по интерференции и дифракции, доказавшими, что волновая теория света также имеет прочную экспериментальную основу.

Перед нами дилемма: одни эксперименты свидетельствуют о том, что свет ведет себя как волна, другие – что свет ведет себя как поток частиц. На первый взгляд кажется, что волновая и корпускулярная теории света несовместимы, но обе теории подтверждаются экспериментом. В конце концов, физики пришли к заключению, что двойственную природу света следует принять как непреложный факт. Именно эту двойственную природу света имеют в виду, когда говорят о корпускулярно – волновом дуализме. Ясно, что свет оказался более сложным явлением, чем просто волна или поток частиц.

Для выхода из этой ситуации великий датский ученый Нильс Бор выдвинул свой знаменитый принцип дополнительности. Этот принцип утверждает, что для объяснения данного эксперимента следует использовать либо волновые, либо корпускулярные представления, но не те и другие одновременно. Однако для полного понимания природы света необходимо учитывать как волновые, так и корпускулярные свойства света. Оба этих аспекта взаимно дополняют друг друга.


6Заключение



Наглядно представить корпускулярно – волновой дуализм невозможно.

Мы не в силах вообразить сочетание волновых свойств с корпускулярными. Следует осознать, что волновой и корпускулярный аспекты поведения света – это различные стороны его природы, проявляющиеся в экспериментах.

Отчасти трудности восприятия дуализма обусловлены особенностями нашего мышления. Наши зрительные образы (или модели) основаны на том, что мы видим в повседневной жизни. Мы применяем к свету понятие волны и частицы, поскольку опыт подсказывает нам, что в окружающем мире энергию переносят либо волны, либо частицы. Мы не можем непосредственно узнать, что представляет собой свет – волну или частицу, и полагаемся на косвенные эксперименты. Для трактовки этих экспериментов мы используем либо представление о волнах, либо представление о частицах. Но и то и другое – это абстракции нашего разума. Когда мы пытаемся постичь, что же такое свет «на самом деле», речь идет, в сущности, о наглядных представлениях. Между тем не существует причин, по которым природа света должна следовать одной из этих моделей (или зрительных образов), заимствованных из макроскопического мира. «Истинная» природа света не поддается наглядной интерпретации. В лучшем случае мы лишь осознаем, что наше знание ограничено косвенными экспериментами и что свет на повседневном языке и в рамках обычных представлений обнаруживает свойства и волны, и частицы.

Следует подчеркнуть, что формула Эйнштейна сама по себе связывает корпускулярные и волновые свойства света: энергия в левой части равенства относится к частице, а частота - к соответствующей волне.


7Список использованной литературы



1. Гафнер А.Е., Душутин Н.К. Квантовая физика. Иркутск, 2002г.

2. Гафнер А.Е., Душутин Н.К. Оптика Квантовая физика. Иркутск, 2002г. 3. Сайт из Интернета: www.refport.ru 4. Энциклопедия Аванта+. Физика. М.: Аванта+, 2002 г.


Добавить документ в свой блог или на сайт
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconМуниципальная Интернет-конференция учащихся «Мой помощник компьютер»

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconЭкзаменационные вопросы для учащихся 9 классов

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconЗаочная олимпиада по биологии для учащихся 9-х классов

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconПрограмма Открытой олимпиады по физике для учащихся 9 классов

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconВопросы к экзамену по физике для учащихся 8-х классов в 2010/2011 уч году

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconТема: Использование аэробики для совершенствования физических качеств учащихся старших классов

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconМетодические рекомендации и сборник задач по электродинамике для учащихся 8-х классов авторы: А. В. Беликович

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconФункциональная адаптация сердечно-сосудистой системы учащихся младших классов (по данным проспективного наблюдения) 03. 00. 13 Физиология

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов icon«Теплоёмкость идеального газа»
Экзаменационные билеты по физике для учащихся 10-х классов мбоу «Физико-математический лицей»

Иркутская городская конференция учащихся 10-11 классов iconПодвижные игры как средство совершенствования координации у учащихся начальных классов специальной (коррекционной)школы 8 вида



База данных защищена авторским правом © 2016
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
поиск