Давление света 11 класс Урок лекция

«Открытие давления Лебедевым составило эпоху в физике»
А. Ф. Иоффе
«Вы может быть знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытом»
Признание лорда Кельвина Тимирязеву
«Лебедев владел искусством экспериментирования в такой мере, в какой едва ли кто другой владеет в наше время»
Немецкий учёный В. Вин
«Я считаю Ваш результат одним из важнейших достижений физики за последние годы…» Ф. Пашен

План лекции:
1. Объяснение светового давления с точки зрения волновой и квантовой теорий.
Расчёт светового давления в теории Максвелла.
Идея опытов П.Н. Лебедева по измерению светового давления.
Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи и способы их устранения.
Значение опытов Лебедева.
Пётр Николаевич Лебедев – уникальный физик-экспериментатор.

Что собой представляет свет с точки зрения волновой теории?
«Мгновенный снимок» электромагнитной волны, представляющей совокупность взаимодействующих между собой электрического и магнитного полей, распространяющихся в вакууме со скоростью 300000км/с
Поясните, что изображено на рисунке.

Что происходит, если электромагнитная волна падает на металлическую пластину?
При падении плоской электромагнитной волны на поверхность вещества площадью S напряжённость Е электрического поля волны вызывает в веществе направленное движение свободных зарядов, то есть в веществе возникает электрический ток, на который магнитное поле с индукцией В действует с силой Ампера. Её направление определяют с помощью правила левой руки.
Сила Ампера направлена в сторону распространения волны (это и есть сила светового давления)

Объяснение светового давления с точки зрения волновой теории
Электрическое поле волны действует на свободные заряды в пластине с переменной силой, под действием которой заряды начинают совершать колебания. На такие заряды магнитное поле действует с силой Лоренца, направление которой находят по правилу левой руки. Эта сила направлена в сторону распространения волны. Таким образом, свет оказывает давление на тела.

Расчёт светового давления в теории Д. К. Максвелла
W – энергия, поглощаемая площадкой в 1 кв. метр за 1 с (мощность волны), С – скорость света, Р – световое давление
В яркий день свет Солнца, падающий на зеркальную поверхность действует на неё с силой 4,1•10-6 Н

Идея опытов по измерению светового давления
Свет от мощного источника (дуговой лампы) надо сфокусировать на легкоподвижной крыльчатке, подвешенной на нити в баллоне, из которого выкачан воздух. Силу светового давления измерить по углу закручивания нити.
Свет

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи
Проблема:
1. Измеряемая величина очень мала. Как измерить ничтожно малое давление света?
Решение проблемы:
Размеры крыльчатки:
Высота – 4 см
Ширина – 2 см
Диаметр
крылышек – 0,5 см
Толщина
крылышек: 0,1 – 0,01 мм

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи
2. Преодоление радиометрического эффекта.
Сущность проблемы:
Нагретая светом поверхность крыльчатки испытывает со стороны отскакивающих от неё молекул газа действие большей силы, причём радиометрические силы в тысячи раз больше сил светового давления.
Решение проблемы:
Уменьшение толщины крылышек до предела
(0,1 – 0,01 мм)

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи
3. Нагревание баллона под действием света
Сущность проблемы:
От освещённой части баллона молекулы отскакивают с большими скоростями и с большей силой действуют на крылышко.
Решение проблемы:
1. Использование светофильтров, задерживающих тепловые лучи;
2. Баллон имеет большие размеры, чтобы молекулы потеряли за счёт столкновений свою скорость.

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи
4. Возникновение конвекционных токов
Сущность проблемы:
Нагретый газ у освещённой стороны крылышка поднимается вверх, на его место приходит более холодный газ с теневой стороны.
Решение проблемы:
Свет
попеременно
направляется
то на одну,
то на другую
поверхность
крылышка

Трудности, возникшие на пути к осуществлению идеи
5. Создание глубокого вакуума
Сущность проблемы:
И конвекционный, и радиометрический эффекты тем слабее, чем выше вакуум.
Решение проблемы:
Помещение в баллон капли ртути, пары которой вытесняют воздух, откачиваемый насосом, после чего баллон охлаждают. Пары ртути конденсируются, повышая вакуум.

Значение опытов П.Н. Лебедева
1. Доказали справедливость теории электромагнитного поля Д. К. Максвелла;
2. Явились одним из краеугольных камней квантовой теории света и теории относительности;
3. Доказали наличие у света импульса, а значит, и массы, то есть существование фотонов (световых частиц);
Доказали, что свет - один из видов материи, а не механические волны в эфире.

Объяснение давления света с точки зрения квантовой теории
Световые частицы – кванты, попадая на вещество, передают ему свой импульс и тем самым, действуют на него с силой, которую и называют силой светового давления.

Схема установки Лебедева по измерению светового давления на твёрдые тела

Пётр Николаевич Лебедев – выдающийся физик – экспериментатор
(1866 – 1912)
«Пётр Николаевич Лебедев наряду с М.В. Ломоносовым одна из замечательных фигур истории русской физики»
Академик С. И. Вавилов
Родился в 1866 году в семье
состоятельного коммерсанта.
В 1887 г. уезжает в Германию, где
начинает заниматься проблемой
взаимодействия электромагнитных
волн и молекул вещества.

В 1891 г. Разрабатывает гипотезу о реальном существовании светового давления.
С 1891 г. после возвращения на родину работает в Московском университете. Выполняет ряд тонких экспериментальных исследований по изучению свойств
электромагнитных волн и их действия на резонаторы. В этом же году приступает к опытам по измерению светового давления на твёрдые тела.
В 1889 г. делает первое сообщение о результатах опытов, которые согласуются с теорией Максвелла.

В этом же году приступает к опытам по измерению светового давления на газы. Через 8 лет упорного труда в 1909 году сообщает о том, что задача измерения давления света на газ им решена.
В 1911 г. в знак протеста против удушения свободы царским правительством в числе 124 лучших преподавателей уходит из университета, лишаясь
средств к существованию и научной лаборатории. Вместе с ним ушли и его ученики. Был приглашён для работы в Стокгольм. Патриот России Лебедев отвергает лестное предложение. На пожертвования передовых людей создаёт новую лабораторию. Но его силы подорваны. 14 марта 1912 г. в возрасте 46 лет он умирает.