Как найти силу давления света

Писатели-фантасты в своих произведениях описывают космические путешествия на кораблях, приводимых в движение солнечным ветром. На самом деле, это не такая уж и фантастика. Свет действительно способен оказывать давление на предметы, на которые он падает.

Что значит давление света

Если на лист бумаги направить струю воздуха, легко увидеть, что поток газа оказывает давление на поверхность. Если на бумагу или любую другую поверхность направить световой поток, то и в этом случае будет оказываться давление, хотя и намного меньшее.

Объяснить это можно с точки зрения двух теорий.

В современной физике считается, что частицы света – фотоны – имеют дуальные свойства:

1. Свойства электромагнитной волны (волновая теория света).
2. Свойства материальной частицы (корпускулярная теория).

Согласно первой теории, электромагнитные волны, попадая на поверхность предметов (или в толщу газов), возбуждает в ней токи. Эти токи взаимодействуют с магнитной составляющей волны. Возникающие при этом силы Лоренца складываются, создавая воздействие на облучаемый предмет.

Согласно корпускулярной теории, фотоны бомбардируют поверхность, подобно летящим мячам. Частицы передают свой импульс облучаемому предмету. Таким образом создается давление.

Кто первый измерил силу давления света

Считается, что давление света открыл русский физик Петр Николаевич Лебедев. На самом деле, это явление предсказал еще в 17 веке Иоганн Кеплер по результатам своих астрономических наблюдений. Создатель классической электродинамики Максвелл теоретически обосновал, что световой поток может оказывать давление, и объяснил это с точки зрения волновой теории света.

Величайшая заслуга Лебедева перед мировой физикой в том, что он экспериментальным путем доказал, что давление света существует, а также смог измерить величину этого давления. До этого ученый мир был разделен на две группы:

• одни считали, что подобное явление существует, но с помощью технических средств того времени доказать это было невозможно;
• другие (включая авторитетнейшего Уильяма Томсона) считали, что свет давления не производит.

И у той, и у другой стороны были весомые на то время аргументы. Разрешить спор мог только удачный эксперимент, результаты которого признали бы все.

Формула для расчета

В 1873 году Максвелл в своем «Трактате по электричеству и магнетизму» вывел теоретическую формулу давления света:

, где:

• E – энергия светового потока за единицу времени, отнесенная к площади поверхности;
• R – коэффициент отражения;
• с – скорость света в вакууме.

Задачей экспериментаторов стало измерить величины, входящие в эту формулу и подтвердить или опровергнуть выводы Максвелла.

Опыты Лебедева

Попытки провести опыты, доказывающие правоту той или иной стороны, заканчивались неудачей, хотя идея была проста. На легкое крылышко, подвешенное в вакууме, надо было направить световой поток, а по углу отклонения крылышка вычислить искомую величину.

При облучении светом поверхностей возникали иные силы, искажавшие результаты экспериментов. Например, часть излучения поглощалась, что вызывало нагрев освещаемого предмета. Этот нагрев практически всегда носил неравномерный характер, поэтому окружающий газ также нагревался неравномерно. Возникающие при этом конвекционные явления вызывали дополнительное воздействие, превышающее силу светового потока. Для этого приходилось помещать облучаемый предмет в прозрачный сосуд, из которого откачивался воздух. При этом возникала еще одна проблема – неравномерный нагрев стенок сосуда, вызывавший дополнительные конвекционные явления, ведь создавать глубокий вакуум при существовавшем тогда уровне техники было крайне сложно.

Лебедев смог решить все проблемы, хотя для этого понадобилось 4 года напряженной работы. Сначала он научился эффективно, для того времени, удалять воздух из сосуда. Чтобы снизить конвекцию, он применил сосуды большого объема, что привело к практическому устранению влияния движения разреженного воздуха. Нагрев сосуда удалось нивелировать, благодаря применению светофильтров, «вырезающих» часть светового спектра, наиболее поглощаемую стеклянными стенками. Удалось побороть и другие факторы, влияющие на точность измерения.

Лебедев облучал видимым светом «вертушку» из крылышек из платиновой фольги различной толщины. Часть поверхностей была отполирована до зеркального состояния, часть – зачернена. Посредством этого приема можно было проверить гипотезу о том, что при отражении свет оказывает большее давление, чем при поглощении.

«Вертушки» подвешивались внутри сосуда на нити. По углу закручивания этой нити можно было определить силу светового давления. Для измерения этого угла использовалось зеркальце со шкалой.

На тот момент доминирующей являлась электромагнитная теория света, давление объяснялось с максвелловской точки зрения. Из этой теории следует, что сила давления пропорциональна энергии светового пучка. Чтобы измерить эту энергию физик применил калориметр, который временно помещался на место вертушки. Опыты Лебедева доказали верность Максвелловских взглядов, и результаты экспериментов совпали с расчетными данными в пределах 20%. На тот момент это был прорыв.

Через несколько месяцев русский ученый усовершенствовал экспериментальную установку, получив расхождение с теорией менее 1%.

Через короткое время в мире физики получила распространение и подтверждение теория и корпускулярной (наряду с электромагнитной) природы света. Опыты Лебедева ей не противоречили, и во многом ее подтверждали.

Для наглядности видео.

Вывод

Существование давления света, как физического явления, давно никем не оспаривается. При точных расчетах траекторий спутников, например, учитывается величина давления солнечного света.

Практическое же применение этого эффекта достаточно ограничено. Хотя мечты фантастов о космических путешествиях под солнечным парусом, приводимым в движение давлением солнечного света, остаются пока мечтами, экспериментальный исследовательский объект к Венере, движущийся по подобному принципу, уже запущен. Для дальнейшего развития таких движителей придется подождать появления легких, но прочных материалов.

Еще это физическое явление применяется в ядерной физике для разгона мельчайший объектов до подсветовых скоростей. Перспективным, но не очень широко применимым, выглядит и изобретение «светового пинцета» для микроскопических объектов. Но ведь и электричество, и телевидение, и многое другое, что прочно вошло в жизнь современного человека, тоже сначала выглядело бесполезными игрушками. Подождем развития технологий.

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 см² 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 мм² 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. 

Также предлагаем вам посмотреть видеоурок по данной теме:

Давлением света
называется
давление, которое производят световые
волны, падающие на поверхность какого-либо
тела. С точки зрения квантовой оптики
давление является следствием того, что
у фотона имеется импульс р_ф.
При столкновении фотона с поверхностью
тела этот импульс передается частицам
вещества.

Можно
показать, что давление света на зеркальную
поверхность должно быть в два раза
больше давления на черную поверхность,
поглощающую свет.

Явление
светового давления было обнаружено
опытным путем русским физиком Петром
Лебедевым. Он установил, что давление,
оказываемое светом на единицу площади
поверхности в единицу времени, равно:

,

где
Е_е
– интенсивность падающего светового
потока (облученность поверхности); с
– скорость света; ρ – коэффициент
отражения поверхности.

Концентрацию
фотонов в световом пучке определим как

;

а
полную энергию W
падающего излучения – через энергию
фотона ε_ф
= hν:

,

или
через поток энергии Ф_е
и облученность поверхности Е_е:

,

где
N
– число фотонов, падающих на поверхность
за время t;
ν и λ – частота и длина волны падающего
света; S
– площадь поверхности.

Задачи

1. На зачерненную
пластинку падает нормально параллельный
пучок света с длиной волны λ = 500 нм,
производя давление p
= 10 мкПа. Определить концентрацию n
фотонов в
пучке.

2.
Монохроматическое излучение с длиной
волны λ = 500 нм падает нормально на плоскую
зеркальную поверхность и давит на нее
с силой F
=
10 нН. Определить число N
фотонов, ежесекундно падающих на эту
поверхность.

3. Определить
облученность Е_е
зеркальной
поверхности,
если световое давление p
при перпендикулярном падении лучей
равно 10 мкПа.

4. Определить силу
давления F,
испытываемого
зеркальной плоской поверхностью,
расположенной перпендикулярно пучку
монохроматического света
с длиной волны λ = 663 нм. Поток энергии
излучения Ф_е
= 0,6 Вт.

5. Давление
p
монохроматического света
с длиной волны λ = 600 нм на зачерненную
поверхность,
расположенную перпендикулярно падающим
лучам, равно 0,1 мкПа. Определить число
N
фотонов, ежесекундно падающих за время
t
=
1 c
на поверхность
площадью S
= 1 см².

6. На
зеркальную поверхность
площадью S
= 5 см²
за время t
=
3 мин падает
нормально
монохроматический свет
с энергией W
= 9 Дж. Определить световое давление,
оказываемое на поверхность.

7. Монохроматический
свет с длиной волны λ = 500 нм
падает нормально на зачерненную
поверхность. Число N
фотонов, ежесекундно падающих на
поверхность площадью S
= 1 см²,
равно 9,05·10¹⁹.
Определить
давление, оказываемое светом на
поверхность.

8. На
зеркальную поверхность
падает нормально
монохроматический свет
с длиной волны λ = 0,55 мкм. Поток энергии
излучения Ф_е
= 0,45 Вт.
Определить световое давление, оказываемое
на поверхность.

9. Параллельный
пучок монохроматического света с длиной
волны λ
= 662 нм падает на зачерненную поверхность.
Концентрация n
фотонов
в пучке равна 10¹²
м^–3.
Определить давление, оказываемое светом
на поверхность.

10. Давление p
монохроматического света на зачерненную
поверхность площадью S
= 40 см²,
расположенную перпендикулярно падающему
излучению, равно 0,15 мкПа. Число N
фотонов, ежесекундно падающих на
поверхность, равно 4,52·10¹⁷.
Определить длину волны падающего света.