бесплатно рефераты скачать
  RSS    

Меню

Быстрый поиск

бесплатно рефераты скачать

бесплатно рефераты скачатьБорьба концепций в процессе становления и развития науки о свете

монохроматическом свете было видно их несколько десятков. Это явление

представлялось значительно более эффектным, если кольца, полученные в

белом свете, рассматривать через призму: в этом случае каждое радужное

кольцо как бы состояло из бесконечной системы колец различного цвета,

смещенных относительно друг друга.

Многочисленные опыты с этим явлением и точные измерения позволили

Ньютону открыть различные закономерности, оставшиеся справедливыми и по

настоящее время: радиусы колец (светлых и темных) растут

пропорционально квадратному корню из их порядкового номера, так что

радиус четвертого кольца вдвое больше радиуса первого кольца, а радиус

девятого кольца – втрое больше; кольца расположены тем ближе, чем

больше степень преломляемости света, т.е. радиусы колец одного и того

же порядкового номера регулярно уменьшаются при переходе от красного

цвета к фиолетовому; темные кольца образуются всегда при толщинах

слоев, кратных некоторому наименьшему значению, зависящему от цвета;

толщина, соответствующая красным кольцам, составляет 14/9 толщины,

соответствующей фиолетовым кольцам того же порядка; кольца сближаются,

если пространство между обеими линзами заполняется водой.

Весь этот комплекс количественных экспериментальных результатов не

мог не вызвать полнейшего изумления и не мог не привести в мысли о

наличии некоторой периодичности, характерной для каждого цвета. Поэтому

Ньютон был вынужден дать хотя бы формальные объяснение этой

периодичности. С этой целью он прежде всего замечает, что материю

следует считать весьма «пористой», т.е. состоящей из отдельных

крупинок, погруженных в пустое пространство, подобно тому как туман

состоит из капелек воды, окруженных воздухом. Отсюда следует, что

отражение света не может быть обусловлено упругим ударом частиц света о

вещество, и, согласно Ньютону, многие оптические явления подтверждают

эту точку зрения. Как же тогда объяснить отражение?

«Каждый луч света при своем прохождении через любую преломляющую

поверхность приобретает некоторое преходящее строение или состояние,

которое при продвижении луча возвращается через равные интервалы и

располагает луч при каждом возвращении к легкому прохождению через

ближайшую преломляющую поверхность, а между возвращениями – к легкому

отражению».

Определив «приступы» отражения или преломления как периодическое

возвращение предрасположения луча к отражению или преломлению, а

периоды приступов как промежутки времени между двумя последовательными

приступами, Ньютон следующим образом отвечает на вопрос, почему свет,

попадающий на границу раздела двух сред, частично отражается, а

частично преломляется:

«Свет находится в состоянии приступов легкого отражения и легкого

преломления и до падения на прозрачные тела. И, вероятно, он получил

такие приступы при первом испускании от светящегося тела, сохраняя их

во время своего пути».

Что же в конце концов – эти приступы свойственны свету, присущи ему

с самого момента его излучения или же они являются приобретенным

свойством, т.е. приобретаются в момент прохождения света через тела?

Ньютон считает свойства света то внутренними, то приобретенными, в

зависимости от того, что более удобно. Ньютон чувствовал

противоречивость и затруднительность своей позиции, но настаивал на

том, что не выдвигает никаких гипотез и что приступы – это просто

констатация факта, какова бы ни была их природа. Тут же он добавляет,

правда, что те, кто любит строить гипотезы картезианского типа, могут

представить себе, что, так же как камни падая в воду, вызывают в ней

определенное колебательное движение, так и световые корпускулы,

ударяясь об отражающие поверхности, возбуждают колебания,

распространяющиеся быстрее самих частиц света и потому обгоняющие их;

эти волны, действуя на корпускулы определяют и обусловливают приступы

легкого отражения.

Верна или ошибочна эта гипотеза, Ньютон не хочет разбирать:

«Я довольствуюсь простым открытием, что лучи света благодаря той или

иной причине попеременно располагаются к отражению или преломлению во

многих чередованиях».

Несмотря на противоречия, неясности и поправки, теория приступов

является весьма глубоким представлением, которое теперь, в свете

волновой механики, может быть лучше понятно и точнее оценено.

РАБОТЫ ГЮЙГЕНСА. ВОЛНОВАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА.

Фундаментальные работы Ньютона, вошедшие потом в «Оптику» оказали

большое влияние на современников. Мышление Гюйгенса находится под

воздействием этих работ. Действительно, будучи приверженцем теории

цветов Гука, он после работ Ньютона, восхищаясь их экспериментальной

стороной, но не разделяя его теоретической интерпретации, пришел к

выводу, что «явление окрашивания остается еще весьма таинственным из-за

трудности объяснения этого разнообразия цветов с помощью какого-либо

физического механизма».

Поэтому он счел наиболее целесообразным вообще не рассматривать

вопроса о цветах в своем трактате.

Эта небольшая работа, занимающая лишь 77 страниц в его полном

собрании сочинений, состоит из шести глав. В первой рассматривается

прямолинейное распространение света, во второй отражение, в третьей –

преломление, в четвертой – атмосферная рефракция, в пятой – двойное

лучепреломление и в шестой – формы линз.

Работа начинается с критики предшествующих теорий Декарта и Ньютона.

Если свет состоит из корпускул, то как же он может распространяться

прямолинейно в телах, не испытывая отклонения? И как это может быть,

чтобы два пересекающихся пучка лучей, т.е. два потока частиц, не

возмущали друг друга путем взаимных соударений? Но достаточно

вспомнить, что свет возникает от огня и пламени, т.е. от тел,

находящихся в очень быстром движении; что свет, сконцентрированный

зеркалом, способен сжигать предметы, т.е. разъединять их части, «что

служит убедительным признаком движений, по крайней мере для истинной

философии»; что зрительное ощущение возникает при возбуждении окончания

зрительного нерва; что, как и в случае соударений, два или несколько

движений могут накладываться, не возмущая друг друга; что

распространение звука происходит путем движения. Достаточно, говорит

Гюйгенс, учесть все эти факты, чтобы прийти к безусловному выводу:

«Нельзя сомневаться в том, что свет состоит в движении какого-то

вещества».

Но в какой же среде распространяется свет? Еще раз установив

параллель между звуком и светом, Гюйгенс замечает, что этой средой не

может служить воздух, поскольку опыты с пневматической машиной

показали, что свет в отличие от звука распространяется и в пустоте, и

постулирует существование некоторой эфирной материи, которая заполняет

всю Вселенную, проникает во все тела, чрезвычайно разрежена, так что

она не проявляет никаких свойств тяжести, но очень жесткая и упругая.

Как видно, Декарт нашел достойного последователя!

Приняв существование такого вещества, Гюйгенс рассматривает механизм

распространения движения. Он начинает с примера пламени. Каждая точка

пламени сообщает движение частицам окружающего эфира, т.е. создает свою

собственную волну, а каждая частица эфира, которой достигла волна,

становится в свою очередь центром другой, меньшей волны. Таким образом,

это движение распространяется от частицы к частице через посредство

вторичных сферических волн, подобно тому, как распространяется пожар.

Может показаться странным и почти невероятным, что волнообразное

движение, вызываемое столь малыми движениями и частицами, способно

распространяться на такие огромные расстояния, как отделяющие нас от

звезд. На это Гюйгенс отвечает:

«Но это число перестает быть удивительным, если принять во внимание,

что бесконечное число волн, исходящих правда, из различных точек

святящегося тела, на большом расстоянии от него соединяются для нашего

ощущения только в одну волну, которая, следовательно, и должна обладать

достаточной силой, чтобы быть воспринятой».

Это и есть принцип построения огибающей волны, сделавшей бессмертным

имя Гюйгенса. Он поясняет его рисунком, какой можно увидеть чуть ли не

в каждом современном учебнике физики. Ясно, что при таком понимании

исчезает световой луч древних греков, исчезает и луч света Ньютона.

Лейбниц сразу понял значение концепции и писал Гюйгенсу 22 июня 1964

года:

«Безусловно, господин Гук никогда бы не пришел к объяснению законов

преломления с помощью построенной им картины волновых движений. Вся

суть в том, каким образом вы рассматриваете каждую точку луча как

излучающую и складываете основную волну со всеми вспомогательными

волнами»

К сожалению, при новом подходе исчезает и непосредственное

интуитивное представление о прямолинейном распространении света.

Гюйгенс выдвигает объяснение, утверждая, что за препятствием

распространяющиеся там элементарные волны не имеют огибающей и потому

остаются незаметными, и делает вывод:

«В этом смысле можно принимать лучи света за прямые линии».

Однако это утверждение остается голословным, так что его можно с

равным правом принять или отвергнуть.

Неудовлетворительное объяснение прямолинейного распространения света

Гюйгенс возместил блестящим объяснением с помощью своего механизма

частичного отражения, преломления и полного внутреннего отражения –

явлений, интерпретация которых вынудила Ньютона осложнять свою теорию,

нагромождая одну теорию на другую. По существу эти объяснения Гюйгенса

и сейчас приводятся во всех учебниках. Новая теория обладала также тем

преимуществом, что для объяснения преломления она в соответствии со

здравым смыслом требовала меньшей скорости в боле плотной среде.

РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ВОЛНОВУЮ ПРИРОДУ СВЕТА .

РАБОТЫ ФРЕНЕЛЯ.

Молодой дорожный инженер Огюстен Френель (1788-1827),

присоединившийся волонтером к роялистским войскам, которые должны были

преградить дорогу Наполеону во время его возвращения с острова Эльба, в

период Ста дней был уволен со службы и вынужден был удалиться в Матье,

близ Каэне, посвятил себя исследованию дифракции, имея в своем

распоряжении лишь случайное и примитивное экспериментальное

оборудование. Два мемуара, представленных им 15 октября 1815 г.

Парижской Академии наук, были первым результатом этих трудов. Френель

был приглашен в Париж для повторения своих опытов в более благоприятных

условиях.

Френель начал исследовать тени, отбрасываемые небольшими

препятствиями на пути лучей, и обнаружил образование полос не только

снаружи, но и внутри тени, что до него уже наблюдал Гримальди и о чем

умолчал Ньютон. Исследование тени, образуемой тонкой проволокой,

привело Френеля к вторичному открытию принципа интерференции. Его

поразило, что, если край экрана был расположен вдоль одной стороны

проволоки, внутренние полосы исчезали. Итак, подумал он сразу, раз

прерывание света от одного из краев проволоки приводит к исчезновению

внутренних полос, значит для их образования необходимо совместное

действие лучей, приходящих с обеих сторон проволоки.

«Внутренние каемки не могут образовываться от простого смешения этих

лучей, потому что каждая сторона проволоки в отдельности направляет

тень только на непрерывный поток света; следовательно, каемки

образуются в результате перекрещивания этих лучей. Этот вывод, который

представляет собой, так сказать, перевод явления на понятный язык,

полностью противоречит гипотезе Ньютона и подтверждает теорию

колебаний. Легко можно догадаться, что колебания двух лучей, которые

скрещиваются под очень малым углом, могут действовать в противоположные

стороны в тех случаях, когда узлы одних волн соответствуют пучностям

других».

В Париже Френель узнал об опытах Юнга с двумя отверстиями, которые

по его мнению, были вполне подходящими для иллюстрации волновой

природы света. Тем не менее, для исключения всякой возможности

истолкования этого явления как действия краев отверстий Френель

придумал известный «опыт с двумя зеркалами», о котором он сообщает в

1816г., а затем в 1819 г. «опыт с бипризмой», ставший с тех пор

классическим методом демонстрации принципа интерференции.

Взяв на вооружение принцип интерференции, волновая теория

располагала теперь тремя принципами: принципом элементарных волн,

принципом огибающей и принципом интерференции. Это были три отдельных

принципа, которые Френель гениально решил слить воедино. Таким образом,

для Френеля огибающая волн не просто геометрическое понятие, как для

Гюйгенса. В произвольной точке волны полный эффект представляет собой

алгебраическую сумму импульсов, создаваемых каждой элементарной волной;

полная сумма всех этих импульсов, складывающихся согласно принципу

интерференции, может быть, в частности равна нулю. Френель произвел

такой расчет, хотя и не вполне строгим способом, и пришел к выводу, что

влияние сферической волны во внешней точке сводится к влиянию

небольшого сегмента волны, центр которой находится на линии,

соединяющей источник света с освещенной точкой; остальная часть волны

дает в сумме нулевой эффект в рассматриваемой точке.

Тем самым было определено препятствие, стоявшее в течение веков на

пути утверждения волновой теории – согласование прямолинейного

распространения света с его волновым механизмом. Каждая точка вне волны

получает свет лишь от очень небольшой ее области, прилегающей к точке,

ближайшей к рассматриваемой; все происходит так, как если бы свет

распространялся по прямой линии от источника к освещенной точке.

Действительно, волны должны огибать препятствия, но это утверждение не

следует понимать грубо качественно, поскольку отклонение волны за

препятствием зависит от длины волны. Зная длину волны, можно

рассчитать, как и насколько отклонится свет за препятствием.

Рассматривая явление дифракции, Френель произвел такой расчет, и его

результаты прекрасно совпали с экспериментальными данными.

После нескольких лет перерыва в исследованиях Френель вновь излагает

свою теорию в обширном мемуаре о дифракции, представленном в 1818 г. на

конкурс Парижской Академии наук. Этот мемуар рассматривался комиссией,

состоявшей из Лапласа, Био, Пуассона, Араго и Гей-Люссака. Трое первых

были убежденные ньютонианцы, Араго был настроен в пользу Френеля, а Гей-

Люссак, по существу, не был компетентен в рассматриваемом вопросе, но

был известен своей честностью. Пуассон заметил, что из теории Френеля

можно вывести следствия, находящиеся как будто в явном противоречии со

здравым смыслом, поскольку из расчета следует, что в центре

геометрической тени непрозрачного диска надлежащих размеров должно

наблюдаться светлое пятно, а в центре конической проекции небольшого

круглого отверстия на определенном расстоянии легко вычисляемом

расстоянии должно наблюдаться темное пятно. Комиссия предложила Френелю

доказать экспериментально выводы из его теории, и Френель блестяще это

выполнил, доказав, что «здравый смысл» в этом случае ошибается. После

этого по единодушному предложению комиссии Академия наук присудила ему

премию, а в 1823 г. он был избран ее членом.

После установления теории дифракции Френель перешел к исследованию

явления поляризации. Корпускулярная теория вынужденная для

интерпретации многочисленных явлений, открытых в первое пятнадцатилетие

XIX века, вводить одну за другой различные гипотезы, совершенно

необоснованные и порой противоречивые, к этому времени невообразимо

усложнилась. В своем опыте с двумя зеркалами, расположенными под углом,

Френель получил с помощью одного источника света два мнимых источника,

всегда строго когерентных. Он попытался также видоизменить этот прибор,

используя два луча, получающихся при двойном лучепреломлении одного

луча, и компенсируя надлежащим образом разносить оптических путей обоих

лучей. Однако ему никак не удавалось добиться интерференции этих

поляризованных лучей.

Тот факт, что луч, поляризованный при отражении, обладает двумя

плоскостями симметрии, ортогональными друг другу и проходящими через

луч, мог натолкнуть на мысль о том, что колебания эфира происходят в

этих плоскостях перпендикулярно направлению луча. Эта идея была

высказана Френелю Ампером еще в 1815 г., но Френель не воспользовался

ею. Юнгу, едва лишь он узнал об опытах Френеля и Араго с поляризованным

светом, тоже пришла мысль о поперечных колебаниях, однако то ли из-за

неуверенности, то ли благоразумия он говорил об этом как о

«воображаемом поперечном движении», т.е. как о понятии чисто

фантастическом, - столь бессмысленными с механической точки зрения

представлялись ученым того времени поперечные колебания эфира.

После того как в течение многих лет Френель пользовался языком

теории продольных колебаний, в 1821 году он, не найдя другого пути

интерпретации поляризованных явлений, решился принять теорию

поперечности колебаний. В том же году он пишет:

«Лишь несколько месяцев тому назад, размышляя с большим вниманием по

этому поводу, я признал весьма вероятным, что колебательные движения

световых волн осуществляются только в плоскости волн, как для простого,

так и для поляризованного света… Я постараюсь показать, что гипотеза,

которую я представляю, не содержит ничего физически невозможного и что

она уже не может служить для объяснения основных свойств

поляризованного света».

Страницы: 1, 2, 3, 4


Новости

Быстрый поиск

Группа вКонтакте: новости

Пока нет

Новости в Twitter и Facebook

  бесплатно рефераты скачать              бесплатно рефераты скачать

Новости

бесплатно рефераты скачать

© 2010.