Щелкнуть пальцами! За то время, которое потребовалось для этого, луч света смог пройти почти весь путь до Луны. Если вы еще раз щёлкнете пальцами, у вас будет время, чтобы закончить путешествие. Дело в том, что свет распространяется очень, очень быстро.
Свет распространяется быстро, но его скорость не бесконечна, как полагали люди до 17-го века. Однако скорость слишком велика, чтобы ее можно было измерять с помощью ламп, взрывов или других средств, которые зависят от остроты зрения человека и времени реакции человека. Спроси Галилея.
Световые эксперименты
В 1638 году Галилей разработал эксперимент с использованием фонарей, и лучший вывод, который он смог сделать, заключался в том, что свет «необычайно быстр» (другими словами, действительно, очень быстр). Он не смог придумать число, даже если бы он даже попробовал эксперимент. Однако он рискнул сказать, что, по его мнению, свет распространяется как минимум в 10 раз быстрее звука. На самом деле, это больше в миллион раз быстрее.
Первое успешное измерение скорости света, которое физики повсеместно представляют строчной буквой с, было сделано Оле Ремером в 1676 году. Он основывал свои измерения на наблюдениях спутников Юпитера. С тех пор физики использовали наблюдения звезд, зубчатых колес, вращающихся зеркал, радиоинтерферометров, резонаторов резонаторов и лазеров для уточнения измерений. Теперь они знают с такой точностью, что Генеральный совет по мерам и весам основал на нем измеритель, который является основной единицей длины в системе СИ.
Скорость света является универсальной константой, так что формулы скорости света как таковой нет . Фактически, если бы c отличался, все наши измерения должны были бы измениться, потому что метр основан на этом. У света действительно есть волновые характеристики, которые включают частоту ν и длину волны λ , и вы можете связать их со скоростью света с помощью этого уравнения, которое вы можете назвать уравнением для скорости света:
Измерение скорости света по астрономическим наблюдениям
Ремер был первым, кто придумал число для скорости света. Он сделал это, наблюдая затмения лун Юпитера, особенно Ио. Он будет наблюдать, как Ио исчезает за гигантской планетой, а затем время, которое требуется, чтобы появиться снова. Он полагал, что это время может отличаться на целых 1000 секунд, в зависимости от того, насколько близко Юпитер был к земле. Он придумал значение для скорости света 214 000 км / с, что находится на том же уровне, что и современное значение, почти 300 000 км / с.
В 1728 году английский астроном Джеймс Брэдли рассчитал скорость света, наблюдая звездные аберрации, которые являются их очевидным изменением в положении из-за движения Земли вокруг Солнца. Измеряя угол этого изменения и вычитая скорость Земли, которую он мог рассчитать по данным, известным в то время, Брэдли придумал гораздо более точное число. Он рассчитал скорость света в вакууме, равную 301 000 км / с.
Сравнивая скорость света в воздухе со скоростью в воде
Следующим человеком, который измерил скорость света, был французский философ Арманд Ипполит Физо, и он не полагался на астрономические наблюдения. Вместо этого он сконструировал аппарат, состоящий из светоделителя, вращающегося зубчатого колеса и зеркала, расположенного в 8 км от источника света. Он мог регулировать скорость вращения колеса, чтобы луч света проходил к зеркалу, но блокировал обратный луч. Его расчет c , который он опубликовал в 1849 году, составил 315 000 км / с, что было не так точно, как у Брэдли.
Год спустя французский физик Леон Фуко усовершенствовал эксперимент Физо, заменив вращающееся зеркало на зубчатое колесо. Значение Фуко для c составляло 298 000 км / с, что было более точным, и в процессе Фуко сделал важное открытие. Вставив трубку с водой между вращающимся зеркалом и неподвижным, он определил, что скорость света в воздухе выше скорости в воде. Это противоречило тому, что предсказала корпускулярная теория света и помогла установить, что свет — это волна.
В 1881 году А. А. Майкельсон усовершенствовал измерения Фуко, построив интерферометр, который смог сравнить фазы исходного и обратного лучей и отобразить интерференционную картину на экране. Его результат составил 299 853 км / с.
Майкельсон разработал интерферометр, чтобы обнаружить присутствие эфира , призрачного вещества, через которое, как считается, распространяются световые волны. Его эксперимент, проведенный с физиком Эдвардом Морли, провалился, и он заставил Эйнштейна сделать вывод, что скорость света является универсальной постоянной, одинаковой во всех системах отсчета. Это было основой Специальной Теории Относительности.
Используя уравнение для скорости света
Ценность Майкельсона была общепринятой, пока он сам не улучшил ее в 1926 году. С тех пор эта ценность была улучшена рядом исследователей, использующих различные методы. Одним из таких методов является метод резонатора резонатора, в котором используется устройство, генерирующее электрический ток. Это правильный метод, потому что после публикации уравнений Максвелла в середине 1800-х годов физики пришли к соглашению о том, что свет и электричество являются явлениями электромагнитной волны и движутся с одинаковой скоростью.
Фактически, после того как Максвелл опубликовал свои уравнения, стало возможным измерять c косвенно, сравнивая магнитную проницаемость и электрическую проницаемость свободного пространства. Два исследователя, Роза и Дорси, сделали это в 1907 году и вычислили скорость света в 299 788 км / с.
В 1950 году британские физики Луи Эссен и А.С. Гордон-Смит использовали резонатор резонатора для расчета скорости света путем измерения его длины волны и частоты. Скорость света равна расстоянию, на которое проходит свет d, деленному на время, которое требуется ∆t : c = d / ∆t . Предположим, что время для одной длины волны λ, чтобы пройти точку, является периодом формы волны, который является обратной величиной частоты v , и вы получите формулу скорости света:
Устройство, которое использовали Эссен и Гордон-Смит, известно как резонатор резонатора резонатора . Он генерирует электрический ток известной частоты, и они смогли рассчитать длину волны путем измерения размеров вольтметра. Их расчеты дали 299 792 км / с, что было самым точным определением на сегодняшний день.
Современный метод измерения с использованием лазеров
Один из современных методов измерения возрождает метод расщепления лучей, используемый Физо и Фуко, но использует лазеры для повышения точности. В этом методе импульсный лазерный луч расщепляется. Один луч направляется на детектор, а другой движется перпендикулярно зеркалу на небольшом расстоянии. Зеркало отражает луч обратно ко второму зеркалу, которое отклоняет его ко второму детектору. Оба детектора подключены к осциллографу, который записывает частоту импульсов.
Пики импульсов осциллографа разделены, потому что второй луч проходит большее расстояние, чем первый. Измеряя расстояние между вершинами и расстоянием между зеркалами, можно определить скорость светового луча. Это простая техника, и она дает довольно точные результаты. Исследователь из Университета Нового Южного Уэльса в Австралии зафиксировал значение 300 000 км / с.
Измерение скорости света больше не имеет смысла
Измерительным стержнем, используемым научным сообществом, является метр Первоначально он был определен как одна десятая миллионная расстояния от экватора до Северного полюса, и позже определение было изменено, чтобы быть определенным числом длин волн одной из линий излучения криптона-86. В 1983 году Генеральный совет по мерам и весам отменил эти определения и принял следующее:
Определение метра в терминах скорости света в основном фиксирует скорость света на уровне 299 792 458 м / с. Если эксперимент дает другой результат, это просто означает, что аппарат неисправен. Вместо того чтобы проводить больше экспериментов по измерению скорости света, ученые используют скорость света для калибровки своего оборудования.
Использование скорости света для калибровки экспериментального устройства
Скорость света проявляется во множестве контекстов в физике, и технически возможно рассчитать ее из других измеренных данных. Например, Планк продемонстрировал, что энергия кванта, такого как фотон, равна его частоте, умноженной на постоянную Планка (h), которая равна 6, 6262 x 10 -34 Дж / с. Поскольку частота равна c / λ , уравнение Планка можно записать в терминах длины волны:
Обстреливая фотоэлектрическую пластину светом известной длины волны и измеряя энергию выброшенных электронов, можно получить значение для c . Этот тип калькулятора скорости света не является необходимым для измерения с, однако, потому что с определен, чтобы быть тем, чем он является. Тем не менее, он может быть использован для тестирования устройства. Если Eλ / h не оказывается c, что-то не так с измерениями энергии электронов или длины волны падающего света.
Скорость света в вакууме — универсальная постоянная
Имеет смысл определить измеритель в терминах скорости света в вакууме, поскольку он является самой фундаментальной постоянной во вселенной. Эйнштейн показал, что он одинаков для каждой контрольной точки, независимо от движения, и это также самое быстрое, что может путешествовать во вселенной — по крайней мере, что-нибудь с массой. Уравнение Эйнштейна и одно из самых известных в физике уравнений E = mc 2 дают представление о том, почему это так.
В своей наиболее узнаваемой форме уравнение Эйнштейна применимо только к покоящимся телам. Общее уравнение, однако, включает в себя фактор Лоренца γ , где γ = 1 / √ (1- v 2 / c 2) . Для тела, движущегося с массой m и скоростью v , уравнение Эйнштейна должно быть записано в виде E = mc 2 γ . Когда вы посмотрите на это, вы увидите, что когда v = 0, γ = 1 и вы получаете E = mc 2 .
Однако, когда v = c, γ становится бесконечным, и вы должны сделать вывод, что для ускорения любой конечной массы до этой скорости потребуется бесконечное количество энергии. Другой способ взглянуть на это — масса становится бесконечной со скоростью света.
Текущее определение измерителя делает скорость света стандартом для наземных измерений расстояния, но она давно используется для измерения расстояний в космосе. Световой год — это расстояние, которое свет проходит за один земной год, и получается 9, 46 × 10 15 м.
Это много метров — это слишком много, чтобы понять, но световой год легко понять, и поскольку скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета, это надежная единица расстояния. Он сделан чуть менее надежным, поскольку основан на годе, который не имеет отношения к кому-либо с другой планеты.
Длина, скорость и частота электромагнитной волны.
Онлайн калькулятор перевода длины волны в частоту для широкого диапазона частот, включая радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение,
видимый свет, ультрафи- олетовое излучение, рентгеновские и гамма лучи.
Электромагнитные колебания — это взаимосвязанные колебания электрического и магнитного полей, проявляющиеся в периодическом изменении
напряжённости (E) и индукции (B) поля в электроцепи или пространстве. Эти поля перпендикулярны друг другу в направлении движения волны
(Рис.1) и, в зависимости от частоты, представляют собой: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое
излучение, рентгеновские либо гамма-лучи.
Рис.1
Длина волны, обозначаемая буквой λ и измеряемая в метрах —
это расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе.
Другими словами, это расстояние, на котором фаза электромагнитной волны вдоль направления распространения меняется на 2π.
Время, за которое волна успевает преодолеть это расстояние (λ), т. е. интервал времени, за который периодический колебательный процесс
повторяется, называется периодом колебаний, обозначается буквой ፐ (тау) или Т и измеряется в метрах.
Частота электромагнитных колебаний связана с периодом простейшим соотношением:
f (Гц) = 1 / T (сек).
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (v) равна скорости
света и составляет величину:
v = С = 299792458 м/сек.
В среде эта скорость уменьшается: v = С / n, где
n > 1 — это показатель преломления среды.
Абсолютный показатель преломления любого газа (в том числе воздуха) при обычных условиях мало чем отличается от единицы, поэтому
с достаточной точностью его можно не учитывать в условиях распространения электромагнитных волн в воздушном пространстве.
Соотношение, связывающее длину волны со скоростью распространения в общем случае, выглядит следующим образом:
λ (м) = v (м/сек) *Т (сек) = v (м/сек) / f (Гц).
И окончательно для воздушной среды:
λ (м) = 299792458 *Т (сек) = 299792458 / f (Гц).
Прежде чем перейти к калькуляторам, давайте рассмотрим шкалу частот и длин волн непрерывного диапазона электромагнитных волн,
которая традиционно разбита на ряд поддиапазонов. Соседние диапазоны могут немного перекрываться.
| Диапазон | Полоса частот | Длина волны |
| Сверхдлинные радиоволны | 3…30 кГц | 100000…10000 м |
| Длинные радиоволны | 30…300 кГц | 10000…1000 м |
| Средние радиоволны | 300…3000 кГц | 1000…100 м |
| Короткие радиоволны | 3…30 МГц | 100…10 м |
| Метровый радиодиапазон | 30…300 МГц | 10…1 м |
| Дециметровый радиодиапазон | 300…3000 МГц | 1…0,1 м |
| Сантиметровый СВЧ диапазон | 3…30 ГГц | 10…1 см |
| Микроволновый СВЧ диапазон | 30…300 ГГц | 1…0,1 см |
| Инфракрасное излучение | 0,3…405 ТГц | 1000…0,74 мкм |
| Красный цвет | 405…480 ТГц | 740…625 нм |
| Оранжевый цвет | 480…510 ТГц | 625…590 нм |
| Жёлтый цвет | 510…530 ТГц | 590…565 нм |
| Зелёный цвет | 530…600 ТГц | 565…500 нм |
| Голубой цвет | 600…620 ТГц | 500…485 нм |
| Синий цвет | 620…680 ТГц | 485…440 нм |
| Фиолетовый цвет | 680…790 ТГц | 440…380 нм |
| Ультрафиолетовое излучение | 480…30000 ТГц | 400…10 нм |
| Рентгеновское излучение | 30000…3000000 ТГц | 10…0,1 нм |
| Гамма излучение | 3000000…30000000 ТГц | 0,1…0,01 нм |
А теперь можно переходить к калькуляторам.
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ДЛИНЫ ВОЛНЫ ПО ЧАСТОТЕ
|
Частота электромагнитных колебаний f |
||
Показатель преломления среды (по умолч. 1) |
||
Длина волны |
КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ЧАСТОТЫ ПО ДЛИНЕ ВОЛНЫ
|
Длина электромагнитной волны в вакууме λ |
||
Частота |
В радиочастотной практике имеет распространение величина Kp, называемая коэффициентом укорочения. Однако здесь
существует некоторая путаница. Одни источники интерпретируют эту величину, как отношение длины волны в среде к длине волны в вакууме,
т. е. численно равной Kp = 1/n, где n — это, как мы помним, показатель преломления среды.
Другие, наоборот — как отношение длины волны в вакууме к длине волны в среде, т. е. Kp = n.
Поэтому надо иметь в виду — если Kp > 1, то значение показателя преломления среды, которое следует подставлять в калькулятор n = Kp, а
если Kp < 1, то n = 1/Kp.
Ничто во Вселенной не может быть быстрее скорости света. Узнайте в этой статье, что представляет собой эта особая величина и как на самом деле можно измерить скорость света.
Скорость света c — это одна из самых важных фундаментальных констант в физике. Значение скорости света — 299 792 458 м / (с точностью до ±1,2 м/с) [1] (что примерно равно 300 000 километров в секунду). Это означает, что за одну секунду свет преодолевает расстояние в 300 000 километров. Например, если вы стоите на Луне и светите сильным источником света в сторону Земли, свет проходит 1,25 секунды, прежде чем его можно будет увидеть здесь.
На самом деле, это значение скорости является точным, поскольку, по международному соглашению, определение метра гласит, что один метр — это длина, которую свет проходит в вакууме за 1 / 299792458 секунд.
Заметим, однако, что это действительно только скорость света в вакууме. Если свет проходит через среду, даже если это всего лишь воздух, эта скорость уменьшается.
Помните! Скорость света c точно определена как 299 792 458 метров в секунду. Ничто не движется быстрее света.
Насколько велика скорость света?
Трудно представить, насколько велика скорость света. Лучше всего представить себе это в сравнении со скоростями, которые вам более знакомы. В следующей таблице рассмотрим, как быстро движутся другие вещи в нашей повседневной жизни по сравнению со скоростью света.
| Объект | Скорость в м/с (с округлением) |
| Человек | 1,5 |
| Гоночный автомобиль | 100 |
| Звуковые волны | 343 |
| Сверхзвуковой самолет | 400 |
| Скорость света | 300 000 000 |
Однако это скорость света в вакууме (например, в космическом пространстве). Если свет движется в среде, такой как воздух, его скорость иногда значительно уменьшается.
Скорость света — это максимальная скорость всей материи и информации. На обычных путях ничто не движется быстрее, чем скорость света в вакууме c. Это означает, что не только свет, но и все остальное подчиняется этому ограничению скорости. К ним относятся, например, электромагнитное излучение и гравитационные волны. Такие волны и частицы движутся со скоростью света, независимо от скорости и направления их источника. Это относится и к движущемуся объекту. Например, если поезд едет с включенными фарами, свет все равно будет двигаться со скоростью света, независимо от того, насколько быстро движется поезд. Частицы и материя, чья масса не равна нулю, могут приближаться к скорости света, но никогда не достигают ее.
Скорость света в различных средах
В прозрачных средах, таких как воздух или стекло, свет распространяется медленнее, чем скорость света в вакууме. То же самое относится и к электромагнитным волнам в проводниках. Они также движутся медленнее скорости света. Это отношение скорости света c к скорости в среде v называется показателем преломления n= c / v.
Скорость света в воздухе.
В воздухе этот показатель преломления для видимого света составляет 1,0003. Поэтому в воздухе свет проходит на около 90 километров в секунду медленнее, чем в вакууме, то есть c / 1,0003 ≈ 299910 км / с .
Скорость света в воде.
В воде коэффициент преломления составляет около 1,3 , поэтому скорость света снижается до 230 769 километров в секунду, то есть c / 1,3 ≈ 230 769 км / с .
Скорость света в стекле.
В стекле коэффициент преломления равен 1,5. Если вы рассчитаете это, как и раньше, то получите скорость около 200 000 километров в секунду, то есть c / 1,5 ≈ 200 000 км / с .
Измерение скорости света
Когда вы включаете дома свет, кажется, что свет сразу же заполняет комнату. Но если смотреть на него на очень больших расстояниях и с помощью более совершенных измерительных приборов, чем ваш невооруженный глаз, конечная скорость света становится очевидной.
Существует множество подобных экспериментов. Однако в одном интересном варианте в качестве мишени используется наша Луна.
Представьте, что вы поместили зеркало на поверхность Луны. Теперь вы используете лазер, чтобы направить свет с Земли на это зеркало, и ждете, сколько времени пройдет, пока вы увидите отраженный свет. Только примерно через 2,5 секунды вы увидите вспышку зеркала.
Так с какой скоростью v движется свет вашего лазера?
Вы можете рассчитать её. Луна находится на расстоянии 384 400 километров от Земли. Ваш лазерный свет должен преодолеть это расстояние дважды. Один раз, чтобы добраться от вашего местонахождения до Луны, а затем еще раз, чтобы вернуться от Луны обратно к вам. Лазеру требуется 2,5 секунды, чтобы преодолеть это расстояние.
v = расстояние / время = 2 * 384 400 км / 2,5 с = 307 520 км / с .
Это не совсем соответствует реальному значению около 300 000 километров в секунду, но очень близко. С помощью более точных измерительных приборов можно более точно определить скорость света.
Кстати, свету требуется еще больше времени, чтобы пройти путь от Солнца до Земли. Свету, излучаемому Солнцем, требуется в среднем 8 минут и 17 секунд, чтобы достичь нас на Земле.
Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль. Была не только выяснена природа света, но и установлено, что никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Это стало ясно после создания теории относительности.
[2]
Единицы измерения
Теперь вы увидели, что скорость указывается в метрах в секунду, а также в километрах в секунду или километрах в час. С помощью простых вычислений вы можете самостоятельно перевести значения в соответствующие единицы измерения.
Чтобы было легче вычислить, мы округлим и скажем, что скорость света составляет 300 000 000 метров в секунду (300 000 000 м/с).
Скорость света в км / с .
Пересчет в километры в секунду относительно прост. В одном километре 1000 метров. Вы знаете, что свет распространяется со скоростью 300 000 000 метров в секунду, тогда 300 000 000 м / 1000 = 300 000 км.
Это означает, что за одну секунду ваш свет распространяется на 300 000 километров.
Скорость света в км / ч .
Теперь вы знаете, какое расстояние проходит свет за одну секунду. Теперь вам просто нужно экстраполировать это на часы. В часе 60 минут. В одной минуте 60 секунд, тогда 60 * 60 с = 3600 с. Таким образом, в одном часе 3600 секунд.
В итоге получаем: ( 300 000 км * 3600 ) / ( 1 c * 3600 ) = 1 080 000 000 км / 3600 с = 1 080 000 000 км / ч.
Поэтому свет распространяется в вакууме со скоростью примерно 1 080 000 000 000 км/ч (километров в час).
Скорость света в электродинамике
Классическая физика описывает свет как тип электромагнитной волны. Кроме того, уравнения Максвелла описывают классическое поведение электромагнитных волн.
Законы Максвелла предскажут волны в пустоте со скоростью: c = 1 / ε0 * μ0 , где ε0 — электрическая постоянная и μ0 — магнитная постоянная.
В современной квантовой физике теория квантовой электродинамики (КЭД) описывает электромагнитное поле. В этом случае свет является фундаментальным возбуждением (также называемым квантом) электромагнитного поля. Это возбуждение принимает форму фотона. В рамках КЭД фотоны являются безмассовыми частицами. Поэтому, согласно специальной теории относительности, они движутся через вакуум со скоростью света.
Список использованных источников
- Википедия
- Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М. : Просвещение, 2010. — 399 с.
- Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
Фотоэффект. Законы Столетова. Формула Эйнштейна
Изучение закономерностей теплового излучения привело к чрезвычайно важному выводу о существовании квантов энергии, о дискретном характере электромагнитного излучения. Гипотезу о квантах излучаемой энергии М. Планк выдвинул в 1900 г. Несколько позже А. Эйнштейн выдвинул гипотезу о том, что свет не только излучается, но и распространяется в пространстве и поглощается также в виде квантов дискретного электромагнитного излучения. Кванты видимого излучения получили название фотонов.
К физическим явлениям, подтверждающим квантовую природу излучения, относится фотоэффект. Фотоэффект – это явление вырывания электронов из атомов и молекул вещества под действием света (электромагнитного излучения). Если выбитые электроны вылетают за пределы вещества, то фотоэффект называется внешним и наблюдается, главным образом, у металлов. Если же оторванные от своих атомов и молекул электроны остаются внутри освещаемого вещества в качестве свободных электронов, то фотоэффект называется внутренним. Он наблюдается у некоторых полупроводников и, в меньшей степени, диэлектриков. Это явление обнаружено Герцем в 1887 г., изучено Столетовым в 1888-89 г.г., т.е. до появления гипотезы Планка. Герц обнаружил, а Столетов изучил и установил, что
испускаемые заряды имеют отрицательный знак;
наибольшее действие на выход электронов оказывают ультрафиолетовые лучи — величина испущенного заряда пропорциональна поглощенной телом энергии.
Схема опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рис. 162. В вакуумной трубке помещают исследуемую пластинку К (катод) и вспомогательный электрод А (анод).
Электроды А и К через потенциометр П подключены к источнику напряжения Е. Напряжение между электродами, называемое анодным, измеряется вольтметром V, а ток в цепи гальванометром Г. Если пластинка К не освещается, то ток в цепи отсутствует, т.к. вакуумный промежуток между катодом и анодом тока не проводит. Если же исследуемую пластинку осветить светом через окно С, то свет вырвет из пластинки электроны, которые получили название фотоэлектронов. Под действием электрического поля, созданного анодным напряжением, фотоэлектроны будут двигаться к аноду А и далее по замкнутой цепи через гальванометр Г к катоду К. Гальванометр покажет наличие тока, который получил название фототока. При помощи потенциометра П можно изменять величину и знак анодного напряжения. Следует иметь в виду, что ток в цепи существует и в том случае, когда анодное напряжение равно нулю, и даже при небольшом отрицательном (задерживающем) напряжении. Объясняется это тем, что вылетевшие из катода фотоэлектроны обладают кинетической энергией, за счет которой совершается работа против сил поля и они достигают анода. На графике на рис. 161 показана типичная зависимость силы фототока от анодного напряжения (т.н. вольт-амперная характеристика) при неизменном световом потоке для двух значений светового потока Ф, когда Ф1 < Ф2. Из графика видно, что:
При некотором небольшом напряжении фототок достигает насыщения – все электроны попадают на анод;
При U = 0 фототок не исчезает, значит электроны покидают катод со скоростью, отличной от нуля;
Для того, чтобы фототок стал равным нулю, нужно приложить задерживающее напряжение Uз.
Измерив Uз, можно определить максимальную скорость фотоэлектронов, покидающих катод
.
Исследования Столетова привели к установлению 3-х основных законов фотоэффекта:
Сила фототока насыщения Iн прямо пропорциональна падающему световому потоку Ф
где к – коэффициент пропорциональности.
Скорость фотоэлектронов увеличивается с увеличением частоты (с уменьшением длины волны) падающего света и не зависит от интенсивности светового потока
Независимо от интенсивности светового потока фотоэффект начинается при определенной для данного вещества минимальной частоте (максимальной длине) световой волны, называемой красной границей фотоэффекта.
2-й и 3-й законы фотоэффекта противоречат представлениям волновой теории света. Согласно этим представлениям электроны вещества должны совершать колебания с амплитудой, пропорциональной амплитуде падающей световой волны. При достаточной амплитуде связь электрона с веществом может быть нарушена и электроны будут вылетать наружу со скоростью, величина которой будет зависеть от амплитуды, т.е. интенсивности падающего света. В действительности такой зависимости нет, скорость электронов зависит только от частоты падающего света.
Для объяснения этого факта Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет не только испускается, но и распространяется и поглощается дискретными порциями – квантами. По Эйнштейну квант энергии (света) поглощается полностью одним электроном и энергия кванта hν расходуется на работу по вырыванию электрона из вещества Авых и на сообщение электрону кинетической энергии
hν = Авых+ 
Эта формула получила название формулы Эйнштейна для фотоэффекта.
Работа выхода зависит от рода вещества, состояния и чистоты поверхности и других факторов, экспериментально определена и для некоторых веществ приводится в справочниках. Из формулы Эйнштейна вытекает второй закон фотоэффекта
= hν — Авых.
Видно, что максимальная скорость фотоэлектронов, так же как и задерживающий потенциал зависят от частоты света и работы выхода электронов из металла, и не зависят от интенсивности светового потока.
Максимальная начальная энергия фотоэлектрона обращается в нуль при значении частоты света
соответствующей красной границе фотоэффекта. Учитывая, что частота 
и длина волны
излучения связаны отношением
, где с – скорость света в вакууме, получаем выражение для длины волны
красной границы фотоэффекта
.
Фотоэффект безинерционен, т.е. фототок начинается сразу же как на катод попадает свет с частотой ν ≥ νкр , тогда как по классическим волновым представлениям требуется довольно значительное время для того, чтобы электромагнитная волна заданной интенсивности могла передать электрону энергию , достаточную для совершения работы выходы.
При очень больших интенсивностях света, достижимых в настоящее время с помощью лазеров, наблюдается многофотонный фотоэффект, когда электрон может одновременно получить энергию не одного, а N фотонов. Для этого случая
и красная граница фотоэффекта 
Как найти скорость фотоэлектронов
КВАНТОВАЯ ОПТИКА И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Найти максимальную скорость фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла светом с длиной волны λ = 180 нм . Красная граница фотоэффекта λ0 = 275 нм
Дано:
Решение:
Зная красную границу фотоэффекта, найдем работу выхода 
Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта
Откуда максимальная кинетическая энергия
Максимальная скорость фотоэлектронов
Ответ: 
;
Фотоэффект в физике и его применение — формулы и определение с примерами
На основе волновой теории света можно предположить, что:
- – свет любой длины волны должен вырывать электроны из металла;
- – на вырывание электрона из металла требуется определенное время;
- – число вырванных электронов и их энергия должны быть пропорциональны интенсивности света.
Александр Григорьевич Столетов (1839–1896) – русский физик. Исследовал внешний фотоэффект, открыл первый закон фотоэффекта. Исследовал газовый разряд, критическое состояние, получил кривую намагничивания железа.
Современная установка для исследования фотоэффекта
Современная установка для изучения фотоэффекта представляет собой два электрода, помещенных в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (рис. 210). На один из электродов через кварцевое «окошко» падает свет. В отличие от обычного стекла кварц пропускает ультрафиолетовое излучение. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра R и измерять вольтметром V. К освещаемому электроду К − катоду подсоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света катод испускает электроны, которые направляются электрическим полем к аноду, создается электрический ток. Значение силы тока фиксируется миллиамперметром.
Законы фотоэффекта Столетова
Исследования, проведенные русским ученым А.Г. Столетовым и немецким ученым Ф. Ленардом, показали, что законы фотоэффекта не соответствуют классическим представлениям.
На рисунке 211 представлена вольтамперная характеристика, полученная в результате измерений при различных значениях напряжения между электродами.
Из графика следует, что:
1. Сила фототока не зависит от напряжения, если оно достигает некоторого значения 
Максимальное значение силы тока 
называют током насыщения.
Сила тока насыщения − это максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами за единицу времени:
где n − число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, е − заряд электрона.
2. Сила фототока отлична от нуля при нулевом значении напряжения.
3. Если изменить направление электрического поля, соединив катод с положительным полюсом источника тока, а анод − с отрицательным, то скорость фотоэлектронов уменьшится, об этом можно судить по показаниям миллиамперметра: сила тока уменьшается при увеличении отрицательного значения напряжения. При некотором значении напряжения 
который называют задерживающим напряжением, фототок прекращается. Согласно теореме об изменении кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:
При известном значении можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.
Исследование фотоэффекта при освещении катода световыми потоками равной частоты, но различной интенсивности дал результат, представленный вольтамперными характеристиками, изображенными на рисунке 212.
Сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света.
Вспомните! Фотоэффект – это испускание электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения.
Величина запирающего напряжения от интенсивности света не зависит, для всех потоков она имеет одно и то же значение.
Освещение катода светом одной и той же интенсивности, но разной частоты дало серию вольтамперных характеристик, представленных на рисунке 213. Как следует из графиков, величина задерживающего напряжения 
увеличивается с увеличением частоты падающего света, при уменьшении частоты падающего света уменьшается, и при некоторой частоте 
задерживающее напряжение равно нулю: 
При меньших частотах 
фотоэффект не наблюдается.
Минимальную частоту падающего света 
, при которой еще возможен фотоэффект, называют красной границей фотоэффекта.
На основании экспериментальных данных Столетовым были сформулированы законы фотоэффекта:
- Сила фототока прямо пропорциональна интенсивности светового потока.
- Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от интенсивности.
- Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света
(максимальная длина ), при которой возможен фотоэффект, если то фотоэффект не происходит.
(максимальная длина 
), при которой возможен фотоэффект, если 
то фотоэффект не происходит.Квантовая теория фотоэффекта
Теоретическое обоснование фотоэффекта было дано в 1905 г. А. Эйнштейном. Он предположил, что свет не только излучается квантами, как утверждал М. Планк, но и распространяется и поглощается порциями, представляет собой поток частиц − фотонов, энергия которых равна 
Сам фотоэффект состоит в том, что световые частицы, сталкиваясь с электронами металла, передают им свою энергию и импульс и сами при этом исчезают. Если энергия квантов падающего света больше той работы, которую электрон должен совершить против сил притяжения к положительно заряженным частицам вещества, то электрон вылетает из металла. Становится понятным смысл красной границы фотоэффекта: для вырывания электрона из металла энергия квантов должна быть не меньше, чем 
Эта энергия и равна работе выхода электрона из данного металла. В случае, когда энергия падающих квантов больше работы выхода, максимальная кинетическая энергия электронов равна разности энергии фотона и работы выхода:
Это и есть формула Эйнштейна для фотоэффекта. Обычно ее пишут в виде:
Зависимость силы фототока от интенсивности света Эйнштейн объяснил следующим образом: число вылетающих в единицу времени электронов пропорционально интенсивности света, поскольку интенсивность определяется числом квантов, испускаемых источником в единицу времени. Мощная лампа испускает больше квантов, следовательно, число вырванных электронов светом такой лампы будет больше, чем светом менее мощной лампы.
Энергия вылетающих электронов зависит не от силы света лампы, а от того, какой частоты свет она испускает, от этого зависит энергия фотона и кинетическая энергия фотоэлектрона.
Фотоны, энергия, масса и импульс фотона
Фотон – это частица света. Он не делится на части: испускается, отражается, преломляется и поглощается целым квантом. У него нет массы покоя, неподвижных фотонов не существует.
Энергия фотона
− постоянная Планка, 
циклическая частота.
Масса фотона
Массу фотона определяют, исходя из закона о взаимосвязи массы и энергии:
Измерить массу фотона невозможно, ее следует рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией.
Импульс фотона
Фотон – частица света, следовательно, ее импульс равен:
Применение фотоэффекта в технике
Фотоэлементы:
Приборы, принцип действия которых основан на явлении фотоэффекта, называют фотоэлементами. Устройство фотоэлемента изображено на рисунке 214. Внутренняя поверхность К (катод) стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем с небольшим прозрачным для света участком для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо А (анод). От электродов сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи. В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету.
Фотоэлементы используют для автоматического управления электрическими цепями с помощью световых пучков.
Фотореле:
Фотоэлектрическое реле срабатывает при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент (рис. 215). Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют полупроводниковый триод, и электромагнитного реле, включенного в цепь коллектора транзистора. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока 
а на транзистор − от источника тока 
Между базой и эмиттером транзистора включен нагрузочный резистор R.
Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор R, идет слабый ток, потенциал базы транзистора выше потенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует.
Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, переход эмиттер – база открывается для основных носителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток. Реле срабатывает, и его контакты замыкают исполнительную цепь. Ее функциями могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека, выдвигание преграды в турникете метро, автоматическое включение освещения на улицах.
Пример решения задачи
Определите постоянную Планка h, если известно, что электроны, вырываемые из металла светом с частотой 
Гц, полностью задерживаются разностью потенциалов 
а вырываемые светом с частотой 
− разностью потенциалов 
Дано:
Решение: Запишем уравнение Эйнштейна для электрона, вырванного из металла светом с частотами 
соответственно: 
Вычитая первое равенство из второго, получим 
откуда 
Выполним расчеты: 
Ответ: h = 6,6 · 10 –34 Дж · с.
При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org
Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи
Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей
Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.
Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.
Как найти скорость света
Скорость света — самая высокая из скоростей, достижимых во Вселенной. Она во много раз больше даже скорости звука. Найти эту скорость можно как расчетным, так и экспериментальным путем.
Инструкция
Все электромагнитные волны свободно проходят через поверхность, а особенно через вакуум. Скорость распространения таких волн в безвоздушном пространстве считается самой большой из всех достижимых во Вселенной скоростей. Однако, если свет проходит через любую другую среду, скорость его распространения несколько снижается. Степень ее снижения зависит от показателя преломления вещества. Рассчитать скорость света в веществе с известным показателем преломления можно следующим образом:
sinα/sinβ=v/c=n, где n — показатель преломления среды, v — скорость распространения света в этой среде, c -скорость света в вакууме.
Данное свойство света было известно ученым еще в 17 веке. В 1676 году О.К. Ремёр смог определить скорость света по промежуткам времени между затмениями спутников Юпитера. Позднее Ж.Б. Л. Фуко положил начало многочисленным попыткам измерения скорости света с помощью вращающегося зеркала. В основе таких опытов лежит использование отражения светового луча от зеркала, расположенного на значительном расстоянии от источника света. Замерив это расстояние и зная частоту вращения зеркала, Фуко сделал вывод, что скорость света приблизительно равна 299796,5 км/с.
Показатели преломления газов очень близки к аналогичному показателю вакууму. У жидкостей же они заметно отличаются. Так, например, при прохождении светового луча через воду его скорость существенно снижается. Еще сильнее она снижается при прохождении излучения через твердые вещества. Если частица пролетает через вещество со скоростью, которая меньше скорости света в вакууму, но больше скорости света в этом веществе, возникает так называемое свечение Черенкова. Очень быстрые частицы могут вызывать такое свечение даже в воздухе, но обычно в исследовательских реакторах оно наблюдается в воде. Немедленно покидайте место его обнаружения, чтобы не подвергнуться облучению.
Современные технологии и экспериментальные установки позволяют измерить скорость света значительно точнее. В обычной физической лаборатории можно измерить ее, например, используя генератор, частотомер и волномер с антенной с изменяющейся длиной. Также в большинстве случаев, зная длину волны λ и частоту излучения ν, которая равна ν=с/λ , можно рассчитать скорость распространения излучения математическим путем.
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.