Давление света. Опыты Лебедева - СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ - КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Задачи урока: сформировать понятие о давлении света; объяснить давление света с точки зрения волновых и квантовых представлений; познакомить с историческими опытами Лебедева и раскрыть их значение для науки; организовать самостоятельную работу на уроке.

Ход урока

I. В начале урока двум-трём школьникам предлагают письменную работу — решение задачи. У доски самостоятельно решает задачу вызванный ученик.

Оцените, какое число фотонов падает за секунду на 1 см² поверхности Земли, перпендикулярной солнечным лучам. Солнечная постоянная 1,4 ∙ 10³ Вт/м², средняя длина волны солнечного света 5,5 ∙ 10^-7 м.

II. Примерное содержание краткого рассказа учителя.

1. Гипотеза о существовании светового давления высказывалась учёными неоднократно. Впервые же существование светового давления теоретически обосновал в 1873 г. Дж. Максвелл на основе электромагнитной теории света и рассчитал это давление для солнечного света на Земле. Оно оказалось очень малым — приблизительно равным 4 ∙ 10^-6 Па. Как же объясняется существование светового давления с точки зрения волновой теории света? (Ответ — по учебнику.)

2. Квантовая физика также предсказывает и позволяет рассчитать световое давление. При этом расчёт прост и нагляден. Световой поток представляет собой поток фотонов. При падении света на вещество фотоны поглощаются, передавая свою энергию и импульс веществу. Энергия фотонов идёт на увеличение энергии хаотичного движения атомов или молекул вещества, и вещество нагревается. Передача же фотонами импульса телу за время Δt соответствует, согласно второму закону Ньютона, силе действующей на тело. Так как

а давление равно силе, действующей на единицу поверхности тела:

то световое давление равно импульсу, приносимому фотонами на единицу поверхности тела в единицу времени.

3. Полученные формулы для светового давления важно проверить на опыте: совпадение теоретических и экспериментальных результатов докажет верность волновых и квантовых идей о природе света. Впервые измерение давления света осуществил в 1900 г. знаменитый русский физик П. Н. Лебедев (1866— 1912).

Световое давление для обычных источников света на Земле, даже самых ярких (кроме лазеров), очень мало, поэтому обнаружить его очень трудно. Опыты Лебедева были большим достижением для своего времени. Известный английский физик Дж. Дж. Томсон так оценил эти эксперименты: “Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами” [20, с. 116].

4. Идея опыта проста. Свет дуговой лампы, проходя через систему линз и воду (поглощение инфракрасной части излучения), фокусировался на крыльчатке (рис. 124). Поворот крыльчатки под действием света (с учётом исключения побочных эффектов) и позволил измерить световое давление. Количественно результат хорошо совпал с выводами Максвелла. Квантового объяснения светового давления в то время ещё не было.

III. Формирование представлений о давлении света продолжается при решении задач.

1. Почему хвост кометы направлен в сторону, противоположную Солнцу?

2. Определите силу давления солнечного излучения на 1 м² земной поверхности при отвесном падении лучей, если солнечная постоянная 1,4 ∙ 10³ Вт/м². Отражением света можно пренебречь.

IV. При подведении итогов урока повторяют главные его моменты. Дополнительно обсуждают проблемы: какое значение имеет давление света на газы? Почему опыты Лебедева имеют важное историческое значение в физике?

Домашнее задание: § 72 (часть), 73* (5); статья П. Н. Лебедева “Световое давление” из Хрестоматии (с. 163—167).