Презентация - Опыты Лебедева по измерению давления света

Опыты Лебедева по измерению давления света

Петр Николаевич Лебедев
ЛЕБЕДЕВ Петр Николаевич (1866-1912), российский физик, создатель первой русской научной школы физиков; Профессор Московского университета (1900-11), ушел в отставку в знак протеста против притеснений студенчества; Впервые получил (1895) и исследовал миллиметровые электромагнитные волны; Открыл и измерил давление света на твердые тела (1900) и газы (1908); Количественно подтвердил электромагнитную теорию света. Имя Лебедева носит Физический институт РАН.

Опыт Лебедева
Одинаковые световые потоки направлялись на два легких металлических диска; подвешенных на тон­кой нити; Один диск был зеркальным и отражал падающий на него свет, второй был черным и поглощал падающий свет; При одновременном освеще­нии двух дисков происходил их поворот вокруг вертикальной оси; По углу закручивания упругой нити подвеса можно было изме­рить момент сил, вызывающих этот поворот. Закручивание нити подвеса происходило в таком направлении, которое соответствует большей силе давления света на зеркально отражающий диск.

Выводы из опытов Лебедева
1. Доказана справедливость следствий из электромагнитной теории Максвелла, согласно которой электромагнитные волны обладают импульсом, а потому образуют давление р=Е/с. Где: Е — плотность потока излучения (или интенсивность света), равная энергии излучения, падающей в 1 сек на 1 м2, полностью поглощающей поверхности. Единицей этой величины является 1 Дж/м2 *с. Отношение же — представляет собой объемную плотность энергии излучения (Дж/м3), численно равную давлению света (Н/м2). 2. Между массой М и энергией света Е существует связь Е = Мс2. Эта связь, впервые введенная в теорию относительности для любого физического объекта, является универсальной и представляет собой фундаментальный закон природы.

Сила светового давления
Обнаружить световое давление было очень трудно, так как оно очень мало. Сила светового давления в природных явлениях не всегда пренебрежимо мала по сравнению с другими силами. В недрах звезд потоки светового излучения настолько велики, что сила светового давления становится сравнимой с силой гравитационного взаимодействия и препятствует неограниченному сжатию звезд.

Схема опыта П.Н. Лебедева
На стеклянном стержне 1 прикреплялась легкая крестовина 2 из металлической фольги. На двух ее концах расположено но небольшому и легкому кружочку 3 (из платины, алюминия, никеля или слюды). Один из них зеркальный, другой — зачернен. Стержень подвешен к сосуду на кварцевой нити 4, на которой в свою очередь закреплено легкое зеркало 5. Из сосуда воздух откачан. При сильном освещении (от электрической дуги) одного из кружочков кварцевая нить закручивается. Угол поворота измерялся с помощью зеркального отсчета. По величине этого угла вычислялось давление света. Опытами подтверждено, что давление света на зеркальную поверхность вдвое больше, чем на зачерненную.

В одном из опытов П. Н. Лебедева было обнаружено световое давление в 3,08 • 10 -10 Н. Обнаружение и измерение в лабораторных условиях столь малых сил светового давления представляло собой исследование высокого экспериментального искусства. С. И. Вавилов писал: «Опыты П. Н. Лебедева доставили ему мировую славу и навеки вписали его имя в историю экспериментальной физики».

Лебедев писал…
«1) падающий пучок света производит давление как на поглощающие, так и на отражающие поверхности; эти пондеромоторные силы не связаны с уже известными вторичными конвекционными и радиометрическими силами, вызываемыми нагреванием; 2) силы давления света прямо пропорциональны энергии падающего света и не зависят от цвета; 3) наблюденные силы давления света, в пределах погрешностей наблюдений, количественно равны максвелл-бартолиевым силам давления лучистой энергии».

Объяснение давления света
Волновая картина. При падении световой волны по нормали к поверхности тела (рис. 2) электрическая составляющая Е электромагнитной волны действует на электрический заряд q с силой F=qE. Эта переменная по величине и направлению сила вызывает в поверхностном слое тела переменный электрический ток — направленное перемещение электронов в поверхностном слое металла (или ток поляризации в диэлектрике — смещение зарядов в атомах и молекулах).

Волновая картина
Перемещение электронов под действием силы F направлено в сторону, противоположную направлению вектора Е. Магнитная составляющая В электромагнитной волны действует на движущийся со скоростью v электрический заряд q с силой Лоренца: Fm=Bqv. Ее направление определяется по правилу левой руки. Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам магнитной индукции В и скорости v электрических зарядов, т. е. по направлению вектора скорости с распространения электромагнитной волны — внутрь тела. Магнитное поле выталкивает проводник с током и отклоняет поток электронов в вакуумной трубке. Действие на электрические заряды передается на атомы и молекулы. Так создается давление электромагнитной волны на тело. Свет производит механическое действие.

Квантовая картина.
Падая на тело, фотоны поглощаются или отражаются. Фотоны обладают массой и импульсом. При поглощении света импульсы фотонов передаются телу. Поэтому оно и испытывает давление со стороны света. При отражении света направление скорости и импульса каждого фотона меняется на противоположное. При этом тело приобретает импульс, равный изменению суммарного импульса фотонов. Происходит явление отдачи. Тело испытывает световое давление. Давлением света на газы объясняется образование кометных хвостов.

Решите задачи…
1. Почему хвост кометы направлен в сторону противоположную Солнцу? 2. Определите силу давления солнечного излучения на 1м2 земной поверхности при отвесном падении лучей, если солнечная постоянная 1,4 *10 3 Вт/м2. Отражением света пренебрегите. 3. С., № 2510 Д/З: § 90,92 ; № 2518,2514 (С),