Фундаментальні досліди з квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики
Міністерство освіти і науки України
Рівненський державний гуманітарний університет
Кафедра фізики
Бакалаврська робота
на тему:
Фундаментальні досліди з квантової оптики та їх висвітлення в шкільному курсі фізики
Виконав:
Студент ФТФ
Групи ФТ-41
Васильєв Р.О.
Перевірив:
Тищук В.І.
Рівне-2006р
Зміст
Вступ
Розділ 1 Фундаментальні досліди з квантової оптики
1.1 Випромінювання Вавілова-Черенкова
1.2 Ефект Доплера
1.3 Фотонна теорія світла. Маса та імпульс фотона. Досліди Боте та Вавилова
1.4 Тиск світла. Досліди Лебедєва
1.5 Ефект Комптока
Розділ 2 Вивчення фундаментальних дослідів з квантової оптики в профільних класах
2.1 Досліди, що послужили основою виникнення хвильової теорії світла
2.2 Досліди Юнга
2.3 Досліди по поляризації світла
2.4 Проблема швидкості світла у фізичній науці
2.5 Вимірювання швидкості світла
Розділ 3
3.1 Розподіл навчального матеріалу за уроками
3.2 Рекомендації з проведення самостійних та контрольних робіт
Висновоки
Список використаної літератури
Додатки
Вступ
Оптика – розділ фізики, в якому вивчаються властивості, фізична природа світла та його взаємодія з речовиною. Поняття „світло” охоплює не тільки видиме світло, але й прилеглі до нього широкі ділянки спектра електромагнітних хвиль – інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання. Сучасна оптика вивчає ділянку спектра від м’ягкого рентгенівського випромінювання до радіохвиль міліметрового діапазону.
Питання про природу світла та закони його поширення зацікавили грецьких філософів ще до нашої ери.Так, у трактатах Евкліда „Оптика” і „Катоприка” (3 ст. До н. е. ) на основі уявлень про світло як промені, що виходять з ока, сформульовано закони прямолінійного поширення світла та рівності кутів падіння та відбивання.
Протилежну думку про природу світла висловив Лукрецій (бл. 96 – 55 до н. е. ) у поемі „Про природу речей” . Він вважав, що світло випускається світними тілами у вигляді досить малих зліпків. Птолемей (2 ст. н. е.) встановив, що для малих кутів падіння відношення кута падіння до кута заломлення є величина стала. Але сформулювати закон заломлення світла вони так і не змогли.
На початку 17 ст. було винайдено мікроскоп і зорову трубу, які широко застосовуються і зараз. Для вдосконалення цих приладів треба було знати не тільки закони відбивання, а й заломлення світла. У 1621 р. В. Снелліус (1580 - 1626) встановив кількісно закон заломлення світла, що роходить плоску межу двох середовищ, а Р.Декарт (1596 – 1650 ) математично записав цей закон у вигляді відношення синусів кутів падіння і заломлення.
Саме в той час перед фізиками постав ряд питань: що являє собою світло; що саме поширюється по прямій лінії, відбивається, заломлюється; що надає тілам колір, несе із собою тепло; що утворює, пройшовши через лінзу, зображення; що діє на сітківку ока?
Р. Декарт при виведенні законів відбивання і заломлення ввжав, що світло являє собою потік частинок. Р.Гук (1635-1703) вважав, що світло - це процес поширення імпульсів деформацій стиску раптово або з досить великою швидкістю. Й.Марці і Ф.Грімальді також вважали, що світло являє собою процес поширення хвиль із великою швидкістю.
Розрізнені відомості про природу світла було систематизовано, на основі чого створено теорію про корпускулярну природу світла, основоположником якої є І. Ньютон.
Властивість світла поширюватись прямолінійно, мабуть, спричинила те, що і Ньютон віддав перевагу корпускулярній теорії. Згідно з цією теорією світло складається з дрібних частинок (корпускул), які випромінюються світними тілами. Для опису руху курпускул І.Ньютон застосував закони механіки. За законом інерції в однорідному середовищі ці частинки мають летіти прямолінійно.
Мета роботи:
Вивчення фундаментальних дослідів з квантової оптики в шкільному курсі фізики.
Предмет дослідження:
· систематизування змісту навчального матеріалу з розділу „Квантова оптика”
Завдання дослідження:
· на виявлені теми курсу “Фізика” вивчення теми „Фундаментальні досліди з квантової оптики в шкільному курсі фізики”
· підвищити показники рівня знань учнів;
Розділ 1 Фундаментальні досліди з квантової оптики
1.1Випромінювання Вавілова – Черенкова
Вивчаючи явища люмінесценції, П. О. Черенков (1904-1990) у 1931 р. виявив випромінювання, що виникає в речовинах при русі електроні», швидкість яких перевищує: фазову швидкість V світла в цих середовищах. Значні заслуги у встановленні природи цього випромінювання належать С. І. Вавилову, тому воно називається випромінюванням Вавилова - Черепкова. Теорію цього випромінювання розвинули І. Є. Гамм (1895-1971) та І. М. Франк (н. 1908 р.) у 1937 р.
Мал.1
Для встановлення суті випромінювання Вавилова - Черенкова вважатимемо, що електрон в однорідному середовищі рухається рівномірно і швидкістю V. Під дією електричного поля електрона атоми і молекули середовища збуджуються і стають центрами випромінювання електромагнітних хвиль. При рівномірному русі електрона хвилі когерентні й будуть інтерферувати між собою.
.Коли швидкість електрона V більша за фазову швидкість світла в середовищі, то хвилі, що випромінюються атомами в різні моменти часу за певних умов, зможуть приходити в точку спостереження (рис. 1) одночасно. Якщо електрон перебував у точках А і В оменти часу t1 i t2 то хвилі досягнуть точки Р у моменти часу
та . Різниця цих часів
Для випадку, коли точка Р достатньо віддалена від точки А, можна вважати, що АР-ВРАС=АВcosӨ Оскільки то існує: кут Ө, який задовольняє умову
(1)
де с - швидкість світла у вакуумі; п - показник заломлення середовища.
У разі виконання умови (1) всі хвилі досягають точки Р одномасно й підсилюють одна одну. Отже, тільки в напрямі, що визначається умовою (1), поширюється випромінювання. З формули (1) видно, що випромінювання можливе на частотах ω, для яких , і неможливе на частотах, для яких
Випромінювання Вавилова - Черенкова спостерігається у видимій, ультрафіолетовій та інфрачервоній частинах спектра, а також у радіочастотному діапазоні Для рентгенівських променів n<1, тому таке випромінюваним для них неможливе.
Експериментально доведено, що випромінювання Павилова – Черенкова частково поляризоване й уїворюе суцільний спектр. Його електричний вектор лежить у площині, що проходить через напрям швидкості електрона І напрям поширення випромінювання. Випромінювання Вавилова - Черенкова поширюється головним чином у напрямі руху електрона і мас максимальну інтенсивність уздовж твірних конуса, вісь якої о збігається з напрямом швидкості електрона, а нахил твірної до осі визначається умовою (1).
Випромінювання Вавилова – Черенкова широко застосовується в ядерній фізиці для вимірювання швидкостей частинок високих енергій.
1.2 Ефект Доплера
При вивченні звукових хвиль встановлено, що коли джерело і приймач звуку нерухомі одне відносно одного, то частота звуку, яку генерує джерело, дорівнює частоті, яку реєструє приймач. Якщо ж вони рухаються назустріч одне одному, то частота, реєстрована приймачем звуку, вища, ніж частота, яку генерує джерело. З віддалянням джерела звуку від приймача частота звуку, яку реєструє приймач, буде нижчою від частоти коливань джерела звуку. Залежність частоти хвиль, які сприймаються приймачем, при русі джерела чи приймача, чи одного і другого разом називають ефектом Доплера. Розрізняють ефект Доплера в акустицч і в оптиці.
В акустиці частота сприйнятих хвиль залежить від швидкості руху джерела хвиль і швидкості руху приймача відносно середовища, в якому поширюється хвиля.
В оптиці ефект Доплера означає ту саму залежність частоти, але від відносної швидкості джерела і приймача. Цей ефект в оптиці вперше спостерігав А. Фізо. Він виявив зміщення спектральних ліній у випромінюванні деяких небесних світил. У лабораторних умовах дослідження ефекту Доплера вперше здійснили у 1900 р. А.А. Бєлопольський (1854-1934) і у 1907 р. Б. Б. Голіцин (1862-1916).
Ефект Доплера в оптиці добре узгоджується з гіпотезою X. Лоренца про нерухомий ефір. Оскільки існування ефіру заперечується теорією відносності, то доплерівське зміщення частоти світлових хвиль визначається тільки відносною швидкістю джерела і приймача.
Зв'яжемо початок координат системи К із джерелом світла, а систему К' - з приймачем світла. Осі Ох і О'х' спрямуємо вздовж вектора швидкості V, з якою одна система переміщується відносно іншої. Для спрощення математичних викладок вважатимемо, що світлова хвиля поширюється у вакуумі. Відомо, що при переході до будь-якої системи відліку за допомогою перетворень Лоренца одержуємо одне й те саме значення швидкості світла.
Напрям поширення світла і його частота в різних системах відліку будуть різними. Зміна частоти хвилі при переході від однієї системи відліку до іншої виражає ефект Доплера, а зміна напряму характеризується аберацією світла. Вважатимемо, що від джерела світла поширюється плоска хвиля. Рівняння цієї хвилі в системі К має вигляд
(1)
де – циклічна частота, що реєструється у системі відліку, зв'язаній з джерелом. У системі відліку, зв'язаній з приймачем, рівняння цієї хвилі має вигляд
(2)
де – циклічна частота, що реєструється приймачем у системі К'. Відповідно до принципу відносності закони природи мають однаковий вигляд в усіх інерціальних системах відліку. Оскільки йдеться про одну й ту саму хвилю, то в обох системах відліку фази коливань у рівняннях (1) і (2) однакові, тобто
(3)
де i – координати і час однієї й тієї самої події відповідно в системах відліку К і К'. Початок відліку часу в даному випадку вибрано так, що в момент збігу початку координат обох систем t=t’= 0.
Рівняння (3) перепишемо так:
(4)
Підставимо у (4) формули перетворення Лоренца (8.11) І порівняємо коефіцієнти однакових змінних. При цьому маємо
(5)
(6)
Аналогічно підстановкою формул (8.10) у (8.15) одержимо
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
