лебедев

Опыты Лебедева по
измерению давления света
Петр Николаевич Лебедев
• ЛЕБЕДЕВ Петр Николаевич
(1866-1912), российский физик,
создатель первой русской
научной школы физиков;
• Профессор Московского
университета (1900-11), ушел в
отставку в знак протеста против
притеснений студенчества;
• Впервые получил (1895) и
исследовал миллиметровые
электромагнитные волны;
• Открыл и измерил давление
света на твердые тела (1900) и
газы (1908);
• Количественно подтвердив
электромагнитную теорию
света. Имя Лебедева носит
Физический институт РАН.
Опыт Лебедева
•
Одинаковые световые потоки
направлялись на два легких
металлических диска; подвешенных
на тонкой нити;
•
Один диск был зеркальным и отражал
падающий на него свет, второй был
черным и поглощал падающий свет;
•
При одновременном освещении двух
дисков происходил их поворот вокруг
вертикальной оси;
•
По углу закручивания упругой нити
подвеса можно было измерить момент
сил, вызывающих этот
поворот. Закручивание нити подвеса
происходило в таком направлении,
которое соответствует большей силе
давления света на зеркально
отражающий диск.
Выводы из опытов Лебедева
• 1. Доказана справедливость следствий из электромагнитной
теории Максвелла, согласно которой электромагнитные волны
обладают импульсом, а потому образуют давление р=Е/с.
Где: Е — плотность потока излучения (или интенсивность
света), равная энергии излучения, падающей в 1 сек на 1 м2,
полностью поглощающей поверхности. Единицей этой величины
является 1 Дж/м2 сек. Отношение же — представляет собой
объемную плотность энергии излучения (Дж/м3), численно
равную давлению света (Н/м2).
• 2. Между массой М и энергией света Е существует связь Е =
Мс2. Эта связь, впервые введенная в теорию относительности
для любого физического объекта, является универсальной и
представляет собой фундаментальный закон природы.
Сила светового давления
• Обнаружить световое давление было очень
трудно, так как оно очень мало.
• Сила светового давления в природных
явлениях не всегда пренебрежимо мала по
сравнению с другими силами.
• В недрах звезд потоки светового излучения
настолько велики, что сила светового
давления становится сравнимой с силой
гравитационного взаимодействия и
препятствует неограниченному сжатию
звезд.
Схема опыта П.Н. Лебедева
•
На стеклянном стержне 1
прикреплялась легкая крестовина 2 из
металлической фольги. На двух ее концах
расположено но небольшому и легкому
кружочку 3 (из платины, алюминия, никеля
или слюды). Один из них зеркальный, другой
— зачернен. Стержень подвешен к сосуду на
кварцевой нити 4, на которой в свою очередь
закреплено легкое зеркало 5. Из сосуда
воздух откачан.
•
При сильном освещении (от электрической
дуги) одного из кружочков кварцевая нить
закручивается. Угол поворота измерялся с
помощью зеркального отсчета. По величине
этого угла вычислялось давление света.
•
Опытами подтверждено, что давление света
на зеркальную поверхность вдвое больше,
чем на зачерненную.
В одном из опытов П. Н. Лебедева было
обнаружено световое давление в 3,08 • 10 -10 Н.
Обнаружение и измерение в лабораторных условиях
столь малых сил светового давления представляло
собой исследование высокого экспериментального
искусства
.
С. И. Вавилов писал: «Опыты П. Н. Лебедева доставили ему
мировую славу и навеки вписали его имя в историю
экспериментальной физики».
Лебедев писал…
• «1) падающий пучок света производит давление как
на поглощающие, так и на отражающие поверхности;
эти пондеромоторные силы не связаны с уже
известными вторичными конвекционными и
радиометрическими силами, вызываемыми
нагреванием;
• 2) силы давления света прямо пропорциональны
энергии падающего света и не зависят от цвета;
• 3) наблюденные силы давления света, в пределах
погрешностей наблюдений, количественно равны
максвелл-бартолиевым силам давления лучистой
энергии».
Объяснение давления света
• Волновая картина. При падении
световой волны по нормали к
поверхности тела (рис. 2)
электрическая составляющая Е
электромагнитной волны действует
на электрический заряд q с силой
F=qE. Эта переменная по величине
и направлению сила вызывает в
поверхностном слое тела
переменный электрический ток —
направленное перемещение
электронов в поверхностном слое
металла (или ток поляризации в
диэлектрике — смещение зарядов
в атомах и молекулах).
Волновая картина
• Перемещение электронов под действием силы F направлено в
сторону, противоположную направлению вектора Е.
• Магнитная составляющая В электромагнитной волны действует
на движущийся со скоростью v электрический заряд q с силой
Лоренца: Fm=Bqv. Ее направление определяется по правилу
левой руки. Сила Лоренца направлена перпендикулярно
векторам магнитной индукции В и скорости v электрических
зарядов, т. е. по направлению вектора скорости с
распространения электромагнитной
волны — внутрь тела.
• Магнитное поле выталкивает проводник с током и отклоняет
поток электронов в вакуумной трубке. Действие на
электрические заряды передается на атомы и молекулы. Так
создается давление электромагнитной волны на тело. Свет
производит механическое действие.
Квантовая картина.
• Падая на тело, фотоны поглощаются или
отражаются.
• Фотоны обладают массой и импульсом.
• При поглощении света импульсы фотонов
передаются телу. Поэтому оно и испытывает
давление со стороны света.
• При отражении света направление скорости и
импульса каждого фотона меняется на
противоположное. При этом тело приобретает
импульс, равный изменению суммарного импульса
фотонов.
• Происходит явление отдачи. Тело испытывает
световое давление.
• Давлением света на газы объясняется образование
кометных хвостов.
Решите задачи…
• Почему хвост кометы направлен в сторону
противоположную Солнцу?
• Определите силу давления солнечного излучения на
1м2 земной поверхности при отвесном падении
лучей. Если солнечная постоянная 1,4 *10 3 Вт/м2.
Отражением света пренебрегите.
• С., № 1715
• Д/З: § 92 ; № 1716 (С),
статья Лебедева «Световое давление» из хрестоматии
(с. 163-167)