Давление света при зеркальном отражении. Объяснение светового давления с точки зрения волновой теории

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:

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

Ниже размещены условия задач и отсканированные решения. Если вам нужно решить задачу на эту тему, вы можете найти здесь похожее условие и решить свою по аналогии. Загрузка страницы может занять некоторое время в связи с большим количеством рисунков. Если Вам понадобится решение задач или онлайн помощь по физике- обращайтесь, будем рады помочь.

Физическое явление - давление света на поверхность - можно рассматривать с двух позиций - корпускулярной и волновой теорий света. Согласно корпускулярной(квантовой) теории света, фотон является частицей и имеет импульс, который при попадании фотона на поверхность полностью или частично передается поверхности. Согласно волновой теории, свет является электромагнитной волной, которая при прохождении через материал оказывает действие на заряженные частицы(сила Лоренца), чем и объясняется давление света в этой теории.

Свет длиной волны 620 нм падает нормально на зачерненную поверхность и оказывает давление 0,1 мкПа. Какое количество фотонов падает на поверхность площадью 5 см 2 за время 10с?

Свет падает нормально на зеркальную поверхность и оказывает на нее давление 40 мкПа. Какова энергетическая освещенность поверхности?

Свет длиной волны 600 нм падает нормально на зеркальную поверхность и оказывает давление 4 мкПа. Какое количество фотонов попадает на поверхность площадью 1 мм 2 за время 10с?

Свет с длиной волны 590 нм падает на зеркальную поверхность под углом 60 градусов. Плотность светового потока 1 кВт/м2. Определить давление света на поверхность.

Источник находится на расстоянии 10 см от поверхности. Давление света на поверхности равно 1 мПа. Найти мощность источника.

Световой поток мощностью 0,8 Вт падает нормально на зеркальную поверхность площадью 6 см2. Найти давление и силу давления света.

Световой поток мощностью 0,9 Вт падает нормально на зеркальную поверхность. Найти силу давления света на эту поверхность.

Свет падает нормально на поверхность с коэффициентом отражения 0,8. Давление света, оказываемое на эту поверхность, равно 5,4 мкПа. Какую энергию принесут падающие на поверхность площадью 1 м2 фотоны за время 1с?

Найти давление света, оказываемое на зачерненную поверхность колбы лампы накаливания изнутри. Колбу считать сферой радиуса 10см, спираль лампы принять точечным источником света мощностью 1 кВт.

Световой поток мощностью 120 Вт/м2 падает нормально на поверхность и оказывает давление 0,5 мкПа. Найти коэффициент отражения поверхности.

Световой падает нормально на идеально отражающую поверхность площади 5 см2.За время 3 мин энергия упавшего света 9 Дж. Найти давление света.

На зеркальную поверхность площадью 4,5 см2 падает свет. Энергетическая освещенность поверхности 20 Вт/см2. Какой импульс передадут фотоны поверхности за время 5с?

Свет падает нормально на зачерненную поверхность и за время 10 мин приносит энергию 20 Дж. Площадь поверхности 3 см2. Найти энергетическую освещенность поверхности и давление света.

Свет с мощностью потока 0,1 Вт/см2 падает на зеркальную поверхность под углом падения 30 градусов. Определить давление света на поверхность.

Даже Вы достигшие высот,

Знайте и примите то в расчет,

Что и Солнце в небе не гордится

И Земле свои лучи несет!

(Мирза-Шафи Вазех)

Вот здесь мы подошли к тому моменту, когда настало время разобраться со второй трудностью – это давление света , указанной в статье: .

Две трудности, которые не позволяли признать фотон в качестве переносчика гравитации.

Напомню, первая трудность – это отдача, с которой мы разбирались на протяжении нескольких статей « », « », « », « ».

Вторая трудность связана с явлением, которое вошло в научную среду как «давление света».

Солнце, с одной стороны, притягивает Землю, а с другой, создает на нее давление! Согласитесь – парадоксальное явление.

Впервые мысль о существовании светового давления высказал И.Кеплер для объяснения отклонения кометных хвостов от Солнца. Позднее Д. Максвелл, после разработки теории электромагнетизма, вывел математические принципы существования светового давления.

По всем расчетам получается, что сила этого давления мала, солнечный свет должен давить на квадратный метр черной поверхности, расположенной перпендикулярно лучам, с силой F=4,5·10 -6 Н . Измерить такую силу на опыте очень трудно, но эти трудности в 1900 году попытался преодолеть русский физик П.Н. Лебедев. С помощью крутильных весов, зеркал и источника света ему, якобы, удалось подтвердить гипотезу Максвелла (рис. 1). В физике укоренилось мнение, что несмотря на то, что давление света на 11 порядков величины меньше атмосферного, тем не менее, именно оно удерживает Солнце от гравитационного коллапса, а также направляет хвосты комет от Солнца. По этой причине иногда кометы летят хвостом вперед.

Про кометы, которые своими хвостами прокладывают курс вокруг Солнца, а сейчас все внимание на высказанный парадокс и трудности, которые мы вроде бы преодолеваем, но тем самым создаем другие, т.к. они начинают множиться.

Во всех учебниках и не совсем учебниках, переписанных друг у друга, говорится, что если фотон имеет массу и импульс, то он должен оказывать данной массой и импульсом давление.

Характерная фраза из учебной литературы: «Результаты опытов Лебедева, Комптона, а также опытов по изучению фотоэффекта подтвердили, что фотоны обладают импульсом».

А уж коли фотоны наделены этим импульсом, то они должны этим импульсом на что-то воздействовать. Поэтому все объяснения светового давления сводятся к аналогам механических систем как в макромире: «Если рассматривать свет как поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами - оказывать давление».

У меня совершенно противоположное толкование принципа передачи энергии. Фотоны это не механические частицы, которые как метеориты могут ударить в землю и она получит импульсы отдачи. Здесь механика не проходит, т.к. фотоны внедряются не упруго, они внедряются в родственную им среду – в электромагнитный эфир вещества. Взаимодействие фотона с атомами данного вещества происходит на полевом уровне. Импульс движения в веществе действительно возникает, только не отдачи, а наоборот – придачи (навстречу движения фотона), (см. «).

Давление света сопоставляют с давлением электромагнитного излучения внутри звезд, где оно может достигать громадного значения и это ставят ему в заслугу. Поскольку якобы силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль во внутризвёздных процессах. Безусловно, давление внутри звезд зашкаливает, но давление не создается само собой – его создает гравитация. Не давление создает гравитацию, а давление есть производная от гравитации. А это, уже – две большие разницы.

Все источники, излагающие тему о давлении света, о его экспериментальной проверке, отправляют к Лебедеву. Но со времени знаменитого эксперимента прошло 113 лет. И что, за эту сотню с лишним лет ни одна лаборатория не удосужилась перепроверить данный опыт? Я думаю, что сегодня, когда мы строим такие мастодонты науки, как БАК (большой адронный коллайдер), то изготовить копеечные крутильные весы, не составило бы особых затрат. поэтому повторение опыта по существованию давления света для науки было бы весьма полезно.

В то же время не исключаю, что такие опыты уже были проведены, а может и неоднократно, но результатов не было. Поэтому ни опровержения, ни подтверждения, мы сегодня не имеем.

Могу предположить, почему экспериментаторы не публиковали свои отчеты. Элементарно, побоялись – засмеют! Данный опыт довольно тонкий и степень ошибки велика. А потом, авторитет Лебедева продолжает давлеть, поэтому проще промолчать, чем, не дай Бог, не в том знаке поставить запятую.

Теперь по поводу парадокса одновременности притяжения и отталкивания. Природа в своей сущности не такая «умная», как человек. только ученый физик, глядя на Солнце, может сказать: Солнце ослепительный источник белого света и в то же время добавить, что Солнце абсолютно черное тело. В природе никогда не наблюдается антагонизмов и противоположностей одновременно. Звуковые, оптические волны всегда исходят из центра генерации и никогда не наоборот. Холодное тело никогда не может нагреть горячее. Даже ветер никогда не дует навстречу тому же ветру, несмотря на то, что постоянно меняет направление. Противопоставление «дуализма фотона», в данном случае это явление не является антагонизмом, а проявление одних и тех же свойств, но выявленные разными приборами.

Наука, после опытов Лебедева, уже более века пребывает в каком-то благодушии, несмотря парадоксальное противоречие. Две силы, создаваемые одним источником, не могут и не должны быть направлены противоположно или навстречу друг другу. Притом, одна сила, с помощью которой Солнце притягивает Землю, превосходит вторую (силу давления) в 10 13 (десять триллионов) раз.

Исходя из таких логических посылок можно сделать вывод: в природе должно быть только одно либо притяжение, либо отталкивание (давление). В природе не может быть парадоксов, там все логически сбалансировано, поэтому, чтобы не существовало данное противоречие, необходимо одну из сил исключить. Что будем исключать? Давление света или само притяжение Земли к Солнцу? Понятно, что силу притяжения не может отменить даже сам Бог, а силу давления света , можно исключить. Не волнуйтесь – это не волюнтаризм. Давление света необходимо исключить по причине – как не доказанное!

Пардон, а как же Петр Лебедев, с его изящным опытом?

Считаю, что, несмотря на все ухищрения и трудности по преодолению радиационного влияния на конечный результат, Лебедеву, в его опытах, так и не удалось от него отстроиться. Вакуум в экспериментах Лебедева составлял около 10 -4 мм рт. ст. – по нынешним меркам это уже не вакуум. Поэтому, считаю, что данный эксперимент не подтверждает присутствие такого явления, как давление света. И в этом понимании я не одинок. Я сейчас призову на помощь лорда Кельвина, который никогда не верил в существование давления света. Как пишут историки, он якобы неохотно сдался после того, как Лебедев выступил с докладом в Париже по оглашению своих результатов.

В интернете есть публикации, авторы которых также недоуменно вопрошают по данному вопросу, доколе? Например, Гришаев А.А. , с которым мы сходимся во мнениях пожалуй только по этой проблеме. Он в конце параграфа своей статьи «Опыты Лебедева по исследованию светового давления» делает следующий вывод: «Как можно видеть, для маятника N2 отношение средних величин эффектов для чернённых и зеркальных мишеней составило всего-то 1.2, а для маятника N3 – 1.3. Эти цифры говорят о том, что Лебедев имел дело не с «максвелловским давлением», а, по-видимому, с остаточными радиометрическими силами. Ещё более странное впечатление производит работа Лебедева, в которой он исследовал «давление света» на газы».

В этой же статье автором довольно подробно описаны эффекты Комптона и Мёссбауера. Автор приходит к выводу, что рентгеновские и γ-кванты не переносят импульс, тем самым и нет «отдачи». Не буду полемизировать с автором насчет первого постулата, с коим я не согласен, как говорят, время рассудит. Что касается второго посыла, то моя платформа строится именно на отсутствии отдачи, но с непременным присутствием - придачи.

Здесь уместно привести еще один источник, где прямо указывается на «придачу» (Сайт: энциклопедия физики и техники) . Вот выдержка из данной статьи: «Специфические особенности Д. с. (давление света) обнаруживаются в разреженных атомных системах при резонансном рассеянии интенсивного света, когда частота лазерного излучения равна частоте атомного перехода. Поглощая фотон, атом получает импульс в направлении лазерного пучка и переходит в возбуждённое состояние. Далее, спонтанно испуская фотон, атом приобретает импульс (световая отдача) в произвольном направлении. При последующих поглощениях и спонтанных испусканиях фотонов произвольно направленные импульсы световой отдачи взаимно гасятся, и, в конечном итоге, резонансный атом получает импульс, направленный вдоль светового луча - резонансное Д. с. (Конец цитаты).

Небольшое замечание относительно давления света на кометные хвосты. Эта тема требует более детального разбирательства, как было отмечено выше, по данной проблеме будет написана отдельная статья. Сейчас просто для читателей хочу заострить следующий вопрос. Некоторые кометные хвосты могут вытягиваться более чем на сотни миллионов километров. Вопрос: почему кометные хвосты уходят в тень головы кометы? Их туда загоняет световое давление? Но в тени нет того самого света, а хвосты проходят по более удаленным траекториям, а значит и с гораздо большей скоростью, чем их головы, мало того, они их еще и обгоняют. Тогда куда смотрит световое давление, когда хвост несется впереди ядра кометы. Почему на отстающий хвост давление света жестко реагирует, а на обгоняющий хвост не обращает внимания? Что, очередной парадокс?

Все попытки объяснить давление света, в соответствии с классической механикой, я считаю не корректными. Поэтому нужно поставить тот же опыт, что и у Лебедева, только с другой целью.

Анти давление света

Притяжение света

Лебедев в своих экспериментах для отрезания тепловых волн ставил водяной фильтр (поз. 5, рис. 1), он предполагал, что можно отфильтровать тепловую составляющую.

В данном направлении хочу добавить свои соображения, возможно будущие или настоящие исследователи меня поправят. Никакие фильтры не помогут избавиться от теплового воздействия на ход данного эксперимента. Если вы отрежете красную область, то эксперимент будет не полным. С другой стороны, весь спектр света, попадая на вещество или те же «крылышки Лебедева» будет генерировать в них свою теплоту, такова природа.

А теперь тема и задача для будущих Нобелевских лауреатов, предлагаю несколько изменить конструкцию крылышек Лебедева. Нужно пойти в противоположном направлении – не уменьшать толщину мишени, а увеличить ее, притом сделать сэндвич. С освещенной стороны абсолютно черная мишень 1, а с обратной стороны – теплоотражатель 2 (рис. 2). В этом случае должен возникнуть обратный эффект – крылышко должно двинуться навстречу световому потоку, невзирая на «давление света». Тем самым Вы докажете обратный эффект анти давления света, или притяжения света. А если сказать обобщенно, то вращение черных крылышек по вектору приходящего света (источника), будет доказательством того, что гравитацию порождает теплота.

Безусловно вакуум должен быть 100-процентный. Возможно источник света следует разместить в той же колбе, что и приемник, только колба должна быть большого объема.

Желаю исследователям полного успеха.

На чем основаны мои предположения, что мишень будет двигаться на источник. В физике есть несколько аналогий такого рода. Например, фотоэффект, рентгеновское излучение, γ-излучение. При фотоэффекте, электроны, вылетающие из катода устремляются навстречу УФ излучению. При тормозном рентгеновском излучении генерируются фотоны (кванты), также вылетающие встречно излучателю. Все они частицы, волны несут импульсы энергии. Но в отличие от электрона, фотоны безмассовые частицы и при подводе внешней энергии вылетают без отдачи, но зато прихватывают с собой импульс вещества. Вещество получает импульс придачи - « ». Мишень должна двинуться на источник.

К вышесказанному хочу добавить, что, в свое время астрофизик Н.А. Козырев для экспериментов использовал разноплечие крутильные весы (об этом я коснусь в статье «квантовая гравитация»). Так вот, этот прибор чутко реагировал на тепло и холод. Часть этих опытов мне удалось повторить, действительно, эффект присутствует.

Хочу обратить внимание школьников – в видео вертушка крутится не из-за действия давления света на ее крылышки, а по воле программиста. В эксперименте П. Лебедева ничего не крутилось, а только немного поворачивалось. А вот какая сила поворачивала крылышки? Я уже об этом высказался.

Предлагаю отщипнуть 0,01% от бюджета БАК и это будет около 1 млн долларов. Думаю для повторения эксперимента Лебедева будет достаточно.

Ау! Научное сообщество! Необходимо, наконец-то, поставить точку в вопросе: давит или не давит на нас свет, а то каждый человек до конца своей жизни так и не может узнать возникал ли у него лишний вес, когда он выходил из тени на Солнце?

Свет не только поглощается и отражается веществом, но и создает давление на поверхность тела. Еще в 1604 г. немецкий астроном И. Кеплер объяснял форму хвоста кометы действием светового давления (рис. 1). Английский физик Дж. Максвелл 250 лет спустя вычислил световое давление на тела, использовав разработанную им теорию электромагнитного поля. По расчетам Максвелла выходило, что если за $1$ с перпендикулярно единичной площадке с коэффициентом отражения $R$ падает световая энергия $E,$ то свет оказывает давление $p,$ выражающееся зависимостью: $p=\frac{E}{c}(1+R)$ Н/м 2 - скорость света. Эту формулу можно получить также, рассматривая свет как поток фотонов, взаимодействующих с поверхностью (рис. 2).

Некоторые ученые сомневались в теоретических расчетах Максвелла, а опытным путем проверить полученный им результат долгое время не удавалось. В средних широтах в солнечный полдень на поверхности, отражающей полностью световые лучи, создается давление, равное всего $4,7⋅10^{−6}$ Н/м 2 . Впервые световое давление в 1899 г. измерил русский физик П. Н. Лебедев. Он подвесил на тонкой нити две пары крылышек: поверхность у одной из них была зачерненной, а у другой - зеркальной (рис. 3). Свет практически полностью отражался от зеркальной поверхности, и его давление на зеркальное крылышко было вдвое большим ($R=1$), чем на зачерненное ($R=0$). Создавался момент сил, поворачивающий устройство. По углу поворота можно было судить о силе, действовавшей на крылышки, а значит измерить световое давление.

Опыт осложняют посторонние силы, возникающие при освещении устройства, которые по величине превосходят в тысячи раз давление света, если не принять особых предосторожностей. Одна из таких сил связана с радиометрическим эффектом. Этот эффект возникает благодаря разности температур освещенной и темной сторон крылышка. Нагретая светом сторона отражает молекулы остаточного газа с большей скоростью, чем более холодная, неосвещенная сторона. Поэтому молекулы газа передают освещенной стороне больший импульс и крылышки стремятся повернуться в том же направлении, что и под действием светового давления, - возникает ложный эффект. Радиометрическое действие П. Н. Лебедев свел к минимуму, изготовив крылышки из тонкой, хорошо проводящей тепло фольги и поместив их в вакууме. В результате уменьшились и разница в импульсах, передаваемая отдельными молекулами черной и блестящей поверхностей (благодаря меньшему перепаду температур между ними), и общее число молекул, падающих на поверхности (благодаря малому давлению газа).

Экспериментальные исследования Лебедева подкрепили предположение Кеплера о природе кометных хвостов. С уменьшением радиуса частицы притяжение её Солнцем убывает пропорционально кубу, а световое давление - пропорционально квадрату радиуса. Частицы малого размера будут испытывать отталкивание от Солнца независимо от расстояния $r$ от него, так как плотность излучения и гравитационные силы притяжения убывают по одинаковому закону $1/r^2.$ Световое давление ограничивает предельный размер звезд, существующих во Вселенной. С увеличением массы звезды растет тяготение её слоев к центру. Поэтому внутренние звездные слои сильно сжимаются, и их температура возрастает до миллионов градусов. Естественно, что при этом значительно увеличивается направленное наружу световое давление внутренних слоев. У нормальных звезд возникает равновесие между гравитационными силами, стабилизирующими звезду, и силами светового давления, стремящимися её разрушить. Для звезд очень большой массы такого равновесия не наступает, они неустойчивы, и их не должно быть во Вселенной. Астрономические наблюдения подтвердили: самые «тяжелые» звезды обладают как раз той предельной массой, которую еще допускает теория, учитывающая равновесие гравитационного и светового давления внутри звезд.

«Давление 7 класс» - Актуализация знаний учащихся. Способы увеличения и уменьшения давление. Посмотрите в окно вдаль 1 минуту. Пора садиться на диету! Закладка фундамента здания. Увеличение давления в природе. Вес тела. Зубы у крокодила. Железная дорога. Повторите 5 раз. Что ответит зайчик лошадке? Сила упругости. Прежде, чем приступить к решению задач, проведем "Гимнастику для глаз".

Объясните, почему зубную пасту легко выдавить из тюбика? 1. Актуализация опорных знаний. Тема: Решение задач по теме: «Давление твердых тел, жидкостей и газов». Содействовать воспитанию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира. Дать определение давления в твердых телах.

«Световые явления» - Лунное затмение. Как распространяется свет в однородной среде? Как называется линия, по которой движется тело? Почему понятия «покой» и «движение» относительны? На сколько цветов разлагается белый свет? А – полное солнечное затмение. Рассвет и закат – световые явления. Что такое отражение? Назовите световые явления.

«Световое давление» - , Действующие на ток. – Коэффициент отражения от данной поверхности. Конец лекции по данной теме. Импульс, сообщаемый 1 м2 абсолютно поглощающей поверхности за 1 с, равен. Векторы. Под действием силы. Начало XVII в. Ряды приходят в направленное движение вдоль поверхности, образуя поверхностный ток I.

«Объяснение электрических явлений» - Эбонит. Мини – конференцию по защите проектов. Атомов. Если заряжен, какой знак имеет шарик? Тела состоят. Диэлектрики. Ответ обоснуйте. Основная задача урока. Электрон. Почему электроны переходят с шерсти на эбонит, а не наоборот? Объяснение электрических явлений. Итоги урока. Протон. Т е л о. Шерсть.

«Световые явления в физике» - Полное солнечное затмение собирает множество учёных и туристов. 1704 год: «Оптика». Свет – поток частиц. Затмение можно наблюдать только в определённых точках земной поверхности. Спектр можно увидеть и на обычном лазерном диске. В презентации использованы личные фотографии. Источники света могут быть естественными и искусственными.