Давление света на зеркальную поверхность. Давление света. Опыты Лебедева. Смотреть что такое "Давление света" в других словарях

Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана И. Кеплером в XVII веке для объяснения поведения хвостов комет при пролете их вблизи Солнца. В 1873 г. Максвелл дал теорию давления света в рамках своей классической электродинамики . Экспериментально световое давление впервые исследовал П. Н. Лебедев в 1899 г. В его опытах в вакуумированном сосуде на тонкой серебряной нити подвешивались поворотные весы, к коромыслам которых были прикреплены тонкие диски из слюды и различных металлов. Главной сложностью было выделить световое давление на фоне радиометрических и конвективных сил (сил, обусловленных разностью температуры окружающего газа с освещённой и неосвещённой стороны). Путем попеременного облучения разных сторон крылышек Лебедев нивелировал радиометрические силы и получил удовлетворительное (±20 %) совпадение с теорией Максвелла. Позднее, в 1907-1910 гг. Лебедев провел более точные опыты по изучению давления света в газах и также получил приемлемое согласие с теорией .

Физический смысл

Согласно сегодняшним представлениям, свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом , то есть проявляет свойства частиц (фотонов) и свойства волн (электромагнитного излучения).

Если рассматривать свет как поток фотонов , то, согласно принципам классической механики , частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс , другими словами - оказывать давление. Такое давление иногда называют радиационным давлением .

Для вычисления давления света можно воспользоваться следующей формулой:

где - количество лучистой энергии, падающей нормально на 1 м² поверхности за 1 с; - скорость света , - коэффициент отражения .

Если свет падает под углом к нормали, то давление можно выразить формулой:

где - объёмная плотность энергии излучения, - коэффициент отражения, - единичный вектор направления падающего пучка, - единичный вектор направления отражённого пучка.

Например, тангенциальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно:

Применение

Возможными областями применения являются солнечный парус и разделение газов .

Примечания

• Air
• Хронометр

Смотреть что такое "Давление света" в других словарях:

Давление света - Давление света. Схема разделения газов при помощи резонансного светового давления (частота света лазера равна частоте атомного перехода). Резонансные атомы под действием света, получив направленный импульс от световых квантов, перейдут в дальнюю… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Давление света - давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Д. с. впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым (1899). Величина Д. с. даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно… … Большая советская энциклопедия

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА - Давление, производимое светом на тела, отражающие или поглощающие свет. Давление света результат передачи телу импульса поглощаемых или отражаемых им фотонов. При действии солнечного излучения на макроскопические тела оно чрезвычайно мало… … Большой Энциклопедический словарь

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА - (см. СВЕТОВОЕ ДАВЛЕНИЕ). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 … Физическая энциклопедия

давление света - давление, производимое светом на тела, отражающие или поглощающие свет, частицы, а также отдельные молекулы и атомы. Гипотезу о давлении света впервые (1619) высказал И. Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца.… … Энциклопедический словарь

давление света - šviesos slėgis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Slėgis, kurį kuria šviesa veikdama tam tikrą paviršių. atitikmenys: angl. light pressure vok. Lichtdruck, m rus. давление света, n; световое давление, n pranc. pression de … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

давление света - šviesos slėgis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. light pressure vok. Lichtdruck, m rus. давление света, n; световое давление, n pranc. pression de la lumière, f … Fizikos terminų žodynas

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА - давление, производимое светом на тела, отражающие или поглощающие свет, частицы, а также отд. молекулы и атомы. Гипотезу о Д. с. впервые (1619) высказал И. Кеплер для объяснения отклонения хвостов комет, пролетающих вблизи Солнца. В земных… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Давление света - давление, производимое светом на освещаемую поверхность. Играет большую роль в космических процессах (образование хвостов комет, равновесие крупных звезд). Д. С. предсказано в 1619 г. нем. астрономом И. Кеплером. (1571 1630) и экспериментально… … Астрономический словарь

С какой силой свет давит на предметы, которые он освещает? Почему мы не чувствуем эту силу? Как её можно применить? За счёт чего возникает давление света? В этой статье вы найдёте ответы на эти вопросы.

Учёные в различных случаях описывают свет двумя разными моделями. При распространении свет представляют как электромагнитную волну, а при взаимодействии с предметами – как маленькие частицы (корпускулы) . Эти частицы назвали фотонами . Различные интерпретации света назвали корпускулярно-волновым дуализмом . Это значит, что, если мы хотим описать как свет распространяется в пространстве (например, опыт Юнга с интерференцией света), то мы считаем свет электромагнитной волной . Но, если мы хотим описать взаимодействие света с веществом (например, внешний фотоэффект), то мы считаем свет потоком корпускул , а точнее фотонов .

А теперь представьте такую ситуацию: мячик для пинг-понга бросают сначала в бетонную стену, затем в стену, покрытую очень липким веществом. В первом случае мяч отскочит от стены почти с такой же скоростью, с какой об неё ударился, а во втором случае – прилипнет к стене. В каком из этих случаев стена «оттолкнёт» мячик с большей силой? Естественно, когда стена будет бетонной. Ведь в этом случае она не только должна остановить мячик, но и «запустить» его назад. Так как сила действия равна силе противодействия , то и мячик будет на бетонную стену действовать сильнее, чем на липкую.

Теперь проведём небольшой мысленный опыт. Представим перекладину, которая сможет вращаться вокруг вертикальной оси в горизонтальной плоскости (смотрите рисунок).
На неё по бокам повесим две круглые пластины. Одна – бетонная, вторая – липкая. Бросим одновременно в эти пластины по мячику. Так как силы удара будут разные для пластин, перекладина начнёт вращаться вокруг вертикальной оси. По её скорости вращения и по веществу пластин можно будет судить о величине сил удара. Так же поступал и великий учёный П.Н. Лебедев в своём реальном эксперименте. Только вместо мячиков он использовал свет (при взаимодействии с веществом свет описывают как поток фотонов), вместо перекладины – очень лёгкое серебряное коромысло, вместо бетонной пластины – очень лёгкое зеркальное крылышко, а вместо липкой пластины – очень лёгкое матовое крылышко. Зеркальное крылышко отталкивало назад свет, а матовое – просто его останавливало. Зная коэффициенты отражения для двух поверхностей и скорость вращения коромысла, Лебедев оценил давление света. Давление света можно рассчитать по формуле:

где J – интенсивность света , r – коэффициент отражения света , с – скорость света в вакууме . Для зеркальных поверхностей r = 1, при полном поглощении (для абсолютно черного тела) r = 0.

Заметить в обычных условиях давление света невозможно, потому что оно слишком мало. Так, сила, с которой свет Солнца действует на всю освещаемую поверхность нашей планеты, в десять тысяч миллиардов раз меньше силы, с которой Солнце притягивает к себе Землю. Свет давит на нашу планету с силой тяжести 60000 тонн. Давление света на Землю (сила, приходящаяся на 1 метр квадратный в системе СИ) – одна миллионная Паскаля. Для сравнения, давление атмосферное = 101000 Паскаль.

Вы скажете: «Зачем тогда вообще измерять настолько малые величины? Как давление света можно применить?». С теоретической точки зрения факт существования давления света является доказательством истинности некоторых утверждений электромагнитной теории света, а также подтверждает существование релятивистской массы света. А вот применение давления света можно найти в космических перелётах. Оказывается, если космический корабль с солнечным парусом начнёт своё путешествие от нашей планеты, то за несколько месяцев он достигнет Марса и Юпитера. И всё это только за счёт Солнца. Для этого потребуется солнечный парус, квадратный метр площади которого должен весить меньше 1 грамма. Его общая площадь должна быть около 1 км квадратного. Тогда у паруса будет ускорение 1 мм на секунду в квадрате. Оно мало, но за полгода скорость паруса достигнет скорости Вояджера-1, а это 17 км/сек.

Таким образом, единственной проблемой применения солнечных парусов в качестве бесплатного космического транспорта является его большие размеры и маленькая масса. Нужны новые материалы, способные решить эту проблему. Если вместо света Солнца использовать свет искусственных мощных лазеров, можно достигнуть ещё больших скоростей паруса при больших значениях его массы. Именно поэтому солнечные паруса рассматриваются учёными как лучшее средство для путешествий в космосе.

сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

При падении электромагнитных волн на какую-нибудь поверхность они оказывают давление на эту поверхность. Давление света может быть объяснено как с электромагнитной точки зрения, так и в рамках квантовой теории.

Пусть на поверхность металла падает нормально плоская электромагнитная волна, тогда векторы электрического и магнитного поля такой волны параллельны поверхности. Под действием электрического поля Е электроны начинают двигаться параллельно поверхности. При этом на каждый электрон, движущийся со скоростью , со стороны магнитного поля световой волны с индукцией действует сила Лоренца

направленная внутрь металла перпендикулярно его поверхности. Таким образом, световая волна должна производить давление на поверхность металла.

В рамках квантовой фотонной теории световое давление обусловлено тем, что каждый фотон не только несет энергию , но и обладает импульсом . Каждый поглощенный фотон передает поверхности свой импульс

а каждый отраженный - удвоенный импульс

Пусть на поверхность некоторого тела падает по нормали поток фотонов N ф (N ф - число фотонов, падающих на единичную площадку в единицу времени). Если поверхность тела имеет коэффициент отражения , то в единицу времени фотонов отразится от нее, а фотонов поглотится поверхностью. Импульс, получаемый единицей площади поверхности тела за единицу времени, равен

Согласно второму закону Ньютона, есть нормальная к поверхности сила (в данном случае это сила давления), а величина - давление. Таким образом, световое давление равно

Величина, равная произведению энергии фотона ħw на число фотонов N ф , падающих на единицу площади тела в единицу времени, есть плотность потока световой энергии R. Эту же величину можно получить, умножая среднюю плотность энергии в волне на скорость света:

Эту формулу при и мы уже обсуждали ранее, когда рассматривали давление электромагнитных волн.

Пример. Определим давление Р солнечного света на зачерненную пластинку, расположенную перпендикулярно солнечным лучам и находящуюся вне земной атмосферы вблизи Земли.

Солнечная постоянная, то есть плотность потока энергии солнечного электромагнитного излучения вблизи Земли вне её атмосферы, примерно равна . Зачерненная пластинка поглощает практически всё, то есть, для оценки, можно положить . Отсюда давление

Давление света играет огромную роль в ориентации кометных хвостов относительно Солнца. Пылевидные частицы и молекулы газов, имеющиеся в кометах, испытывают световое давление со стороны солнечных лучей, в результате которого и образуются своеобразные формы кометных хвостов, ориентированных в противоположную сторону от Солнца. (В настоящее время предполагается, что явление образования хвостов комет частично определяется «протонным» ветром, исходящим от Солнца.)

Рис. 2.20. Давление света отклоняет хвост кометы от Солнца

Рис. 2.21. Проект солнечного паруса на орбите Земли, движимого давлением света

Таким образом, и электромагнитная (волновая), и фотонная (квантовая) теории с одинаковым успехом решают вопрос о механизме и закономерностях светового давления.

Подведем итоги:

1. В явлениях распространения и отражения света (дифракция и интерференция) свет ведет себя как волна с такими типично волновыми характеристиками, как частота и длина волны . 2. В явлениях испускания и передачи энергии свет ведет себя как частица, характеризуемая энергией и импульсом . 3. Постоянная Планка численно связывает корпускулярные характеристики с волновыми.

Поэтому приходится признать за фотоном двойственную природу. Пока в нашем курсе это необычное свойство - корпускулярно-волновой дуализм - установлено только для света.

Основной постулат корпускулярной теории электромагнитного излучения звучит так : э лектромагнитное излучение (и в частности свет) – это поток час тиц , называемых фотонами . Фотоны распространяются в вакууме со скоростью, равной предельной скорости распространения взаимодействия , с = 3·10 8 м/с, масса и энергия покоя любого фотона равны нулю , энергия фотона E связана с частотой электромагнитного излучения ν и длиной волны λ формулой

(2.7.1)

Обратите внимание: формула (2.7.1) связывает корпускулярную характеристику электромагнитного излучения, энергию фотона, с волновыми характеристиками – частотой и длиной волны. Она представляет собой мостик между корпускулярной и волновой теориями. Существование этого мостика неизбежно, так как и фотон, и электромагнитная волна – это всего-навсего две модели одного и того же реально существующего объекта – электромагнитного излучения .

Всякая движущаяся частица (корпускула ) обладает импульсом, причём согласно теории относительности энергия частицы Е и ее импульс p связаны формулой

(2.7.2)

где – энергия покоя частицы. Так как энергия покоя фотона равна нулю, то из (2.7.2) и (2.7.1) следуют две очень важные формулы:

,

(2.7.3)

.

(2.7.4)

Обратимся теперь к явлению светового давления.

Давление света открыто русским ученым П.Н. Лебедевым в 1901 году. В своих опытах он установил, что давление света зависит от интенсивности света и от отражающей способности тела. В опытах была использована вертушка, имеющая черные и зеркальные лепестки, помещенная в вакуумированную колбу (рис. 2.10).

Рис. 2.10

Вычислим величину светового давления.

На тело площадью S падает световой поток с энергией , где N – число квантов (рис. 2.11).

Рис. 2.11

KN квантов отразится от поверхности; (1 – K )N – поглотится (рис. 2.10), K – коэффициент отражения.

Каждый поглощенный фотон передаст телу импульс:

.

(2.7.5)

Каждый отраженный фотон передаст телу импульс:

,

(2.7.6)

т.к. .

В единицу времени все N квантов сообщают телу импульс р :

.

(2.7.7)

Т.к. фотон обладает импульсом, то импульс, переданный телу за одну секунду, есть сила давления – сила, отнесенная к единице поверхности.

Тогда давление , или

где J – интенсивность излучения. Т. е. давление света можно рассчитать.

Страница 1
§ 36. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА. ФОТОНЫ.

Основные формулы

Давление, производимое светом при нормальном падении,

p=(E e /c)*(1+ρ), или p=(1+ρ),

где E e - облученность поверхности; с - скорость электромагнит­ного излучения в вакууме;  - объемная плотность энергии излу­чения; ρ - коэффициент отражения.

Энергия фотона

ε = hυ=hc/λ , или ε = ħ ,

где h - постоянная Планка; ħ=h/(2π); υ - частота света;  - круговая частота; λ - длина волны.

Масса и импульс фотона выражаются соответственно форму­лами

m=ε/c 2 = h/(cλ); p=mc=h/λ .
Примеры решения задач

Пример 1. Пучок монохроматического света с длиной волны λ = 663 нм падает нормально на зеркальную плоскую поверхность Поток энергии Ф е =0,6 Вт. Определить силу F давления, испытывае­мую этой поверхностью, а также число N фотонов, падающих на нее за время t=5 с

Решение Сила светового давления на поверхность равна произведению светового давления р на площадь S поверхности:

F = pS . (1)

Световое давление может быть найдено по формуле

P=E e (ρ+l)/c (2)

Подставляя выражение (2) дaвлeния света в формулу (1), получим

F= [(E e S)/c]*(ρ+1). (3)

Так как произведение облученности E e на площадь S поверх­ности равно потоку Ф энергии излучения, падающего на поверх­ность, то соотношение (3) можно записать в виде

F = (Ф е /с)*(ρ+1).

После подстановки значений Ф е и с с учетом, что ρ=1 (поверх­ность зеркальная), получим

Число N фотонов, падающих за время ∆t на поверхность, опре­деляется по формуле

N=∆W/ε = Ф е ∆t/ε ,

где ∆W - энергия излучения, получаемая поверхностью за время ∆ t

Выразив в этой формуле энергию фотона через длину волны (ε =hc/λ), получим

N = Ф е λ∆t/(hc).

Подставив в этой формуле числовые значения величин, найдем

N= 10 19 фотонов.

Пример 2. Параллельный пучок света длиной волны λ=500 нм падает нормально на зачерненную поверхность, производя давление p=10 мкПа. Определить: 1) концентрацию п фотонов в пучке, 2) число n 1 фотонов, падающих на поверхность площадью 1 м 2 за вре­мя 1 с.

Решение. 1. Концентрация п фотонов в пучке может быть найдена, как частное от деления объемной плотности энергии  на энергию ε одного фотона:

n=/ε (1)

Из формулы p=(1+ρ), определяющей давление света, где ρ-коэффициент отражения, найдем

 = p/(ρ+1). (2)

Подставив выражение для  из уравнения (2) в формулу (1), получим

n = ρ/[(ρ+1)*ε]. (3)

Энергия фотона зависит от частоты υ, а следовательно, и от длины световой волны λ:

ε = hυ = hc/λ (4)

Подставив выражение для энергии фотона в формулу (3), опре­делим искомую концентрацию фотонов:

n = (ρλ)/[(ρ+1)*ε]. (5)

Коэффициент отражения ρ для зачерненной поверхности прини­маем равным нулю.

Подставив числовые значения в формулу (5), получим

n=2,52*10 13 м -3 .

2. Число n 1 фотонов, падающих на поверхность площадью 1 м 2 за время 1 с, найдем из соотношения n 1 = N /(St ), где N - число фо­тонов, падающих за время t на поверхность площадью S. Но N = ncSt , следовательно,

n 1 =(ncSt)/(St)=nc

Подставив сюда значения п и с, получим

n 1 =7,56*10 21 м -2 *с -1 .

Пример 3 . Монохроматический (λ = 0.582 мкм) пучок света падает нормально на поверхность с коэффициентом отражения ρ = 0.7. Определить число фотонов, ежесекундно падающих на 1 см 2 этой поверхности, если давление света на эту поверхность р = 1.2мкПа. Найти концентрацию фотонов в 1 см 3 падающего светового пучка.

Решение. Давление, производимое светом на поверхность при нормальном падении, определяется формулой:

где E - энергия, падающая на единицу поверхности за единицу времени (энергетическая освещенность), с - скорость света, ρ - коэффициент отражения поверхности.

С другой стороны, энергетическая освещенность может быть выражена через число падающих фотонов N:

(2)

где
- энергия падающего фотона. Тогда на основании (1) и (2) получим:

(3)

Подставляя числовые данные, получим число фотонов, падающих на 1 м 2 поверхности в течение 1 с. Соответственно на площадку S = 1 см 2 падает число фотонов N":

(4)

Подставляя числовые данные в системе СИ (S = 10 -4 м 2), получим
фотонов.

Концентрация фотонов вблизи поверхности в падающем луче определяется формулой:

где n 0 - число фотонов в 1 м 3 . Тогда число фотонов в 1 см 3 равно

(5)

Подставляя числовые данные в (5) с учетом того, что V = 10 -6 м 3 , получим

4. На зачерненную поверхность нормально падает монохроматический свет с длиной волны λ = 0,65 мкм, производя давление p =510 -6 Па. Определить концентрацию фотонов вблизи поверхности и число фотонов, падающих на площадь S = 1 м 2 в t = 1 с.

или
, (1)

где Е е – энергетическая освещенность поверхности;

с – скорость света в вакууме; ω – объемная плотность энергии.

Объемная плотность энергии равна произведению концентрации фотонов (число фотонов в единице объема) на энергию одного фотона:

, т.е.
, откуда
. (2)

Из выражения (1) определяем объемную плотность энергии
.

Тогда
, где ρ = 0 (зачерненная поверхность).

Число фотонов, падающих на площадь S = 1 м 2 в 1 секунду, численно равно отношению энергетической освещенности к энергии одного фотона:

.

Из выражения (1) энергетическая освещенность

Интенсивность люминесценции можно вычислить по формуле:

I л = 2,3 I 0  D, откуда квантовый выход люминесценции

Рассматриваемая формула является определением квантового выхода люминесценции, подставим числа и произведём вычисления:

= .

Ответ: квантовый выход люминесценции вещества 0,6.

страница 1