§ 23. ДОСЛІДЖУЄМО СВІТЛО

• Назад до змісту довідника

Назад до змісту підручника

ДОСЛІДЖУЙ

Установи відповідність між властивістю світла (1–8) та відповідною ілюстрацією (мал. 23.1, а – е).

Чому світло називають у науці «темною плямою»?

Світло називають «темною плямою», тому що майже три століття вчені сперечалися про його сутність і не могли звести властивості світла до однієї теорії. Корпускулярна теорія пояснювала прямолінійність і відбиття, але не могла пояснити дифракцію та інтерференцію, тоді як хвильова теорія не могла пояснити явище фотоефекту. Лише на початку XX століття фізики з’ясували подвійну природу світла — корпускулярно-хвильовий дуалізм.

ДУМАЙ

1. За допомогою схеми на малюнку 23.2 поясни, як виникає випромінювання фотона.

Атом отримує порцію енергії ззовні під час нагрівання, розряду чи зіткнення, тому його електрон переходить на вищий нестабільний енергетичний рівень. Цей збуджений стан триває дуже короткий час, після чого електрон повертається на свій початковий нижчий рівень і випускає надлишок енергії у вигляді кванта світла — фотона.

2. Назви природні та штучні джерела світла. Які з них є гарячими, а які — холодними?

Природні джерела світла створені природою: Сонце, зорі, блискавка, північне сяйво, жуки-світляки. Штучні джерела виготовила людина: лампи розжарювання, світлодіоди, свічки, неонові трубки. Гарячими (тепловими) джерелами є Сонце, зорі, полум’я багаття та вольфрамова лампа розжарювання. Холодними (люмінесцентними) джерелами є північне сяйво, гниляки, світляки, екран смартфона та люмінесцентні газорозрядні лампи.

3. Чим відрізняється випромінювання праски чи кип’ятильника від випромінювання електричної лампи розжарювання?

Праска та кип’ятильник нагріті до відносно невисокої температури, тому вони випромінюють невидимі інфрачервоні теплові хвилі. Вольфрамова нитка лампи розжарювання нагрівається до температури понад $2000\ ^\circ\text{C}$, тому значна частка її випромінювання потрапляє у видимий діапазон спектра і сприймається людським оком як яскраве світло.

4. Чому вченим було складно визначити природу світла?

Світло одночасно виявляє суперечливі властивості: під час поширення воно поводиться як хвиля (заломлюється, відбивається, розсіюється й огинає перешкоди), а під час взаємодії з речовиною (випромінювання, поглинання, фотоефект) виявляє властивості потоку неподільних частинок. Поєднати ці хвильові та корпускулярні прояви в єдину несуперечливу картину вдалося лише завдяки квантовій фізиці.

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. За який приблизно час світло проходить відстань 150 млн км від Сонця до Землі?

Дано:

• $s = 150\text{ млн км} = 150 \cdot 10^6\text{ км} = 1{,}5 \cdot 10^{11}\text{ м}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:
Швидкість світла у вакуумі є сталою величиною, тому час поширення світлового сигналу визначаємо за формулою рівномірного прямолінійного руху:
$t = \dfrac{s}{c}$
$t = \dfrac{1{,}5 \cdot 10^{11}\text{ м}}{3 \cdot 10^8\text{ м/с}} = 500\text{ с}$

Відповідь: $t = 500\text{ с}$ (що становить $8\text{ хв } 20\text{ с}$).

2. Однією з одиниць довжини, яку застосовують в астрономії, є світловий рік. Скільки метрів становить світловий рік, якщо він дорівнює відстані, яку долає за один рік світло у вакуумі? Якою є відстань від Сонця до Землі у світлових роках?

Дано:

• $t_1 = 1\text{ рік} \approx 365{,}25\text{ діб} \approx 3{,}156 \cdot 10^7\text{ с}$
• $c = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$
• $s = 1{,}5 \cdot 10^{11}\text{ м}$

Знайти:

• $l_{\text{св. р.}} - ?$
• $s_{\text{св. р.}} - ?$

Розв’язання:
Світловий рік за означенням дорівнює шляху, який світло проходить у вакуумі за один рік:
$l_{\text{св. р.}} = c \cdot t_1$
$l_{\text{св. р.}} = 3 \cdot 10^8\text{ м/с} \cdot 3{,}156 \cdot 10^7\text{ с} \approx 9{,}46 \cdot 10^{15}\text{ м}$

Відстань від Сонця до Землі у світлових роках обчислюємо через відношення відстані $s$ до величини одного світлового року:
$s_{\text{св. р.}} = \dfrac{s}{l_{\text{св. р.}}}$
$s_{\text{св. р.}} = \dfrac{1{,}5 \cdot 10^{11}\text{ м}}{9{,}46 \cdot 10^{15}\text{ м}} \approx 1{,}6 \cdot 10^{-5}\text{ св. р.}$

Відповідь: $l_{\text{св. р.}} \approx 9{,}46 \cdot 10^{15}\text{ м}$; $s_{\text{св. р.}} \approx 1{,}6 \cdot 10^{-5}\text{ св. р.}$

3. Зоря Вега розташована на відстані 26,4 св. року від Землі. Скільки років летів би до неї космічний апарат з постійною швидкістю 30 км/с?

Дано:

• $s = 26{,}4\text{ св. р.}$
• $v = 30\text{ км/с} = 3 \cdot 10^4\text{ м/с}$
• $c = 300\,000\text{ км/с} = 3 \cdot 10^8\text{ м/с}$

Знайти:

• $t - ?$

Розв’язання:
Світло долає відстань $s = 26{,}4\text{ св. р.}$ зі швидкістю c за час $t_0 = 26{,}4\text{ року}$.
Оскільки апарат рухається рівномірно зі швидкістю v, час його польоту у стільки разів більший за час польоту світла, у скільки разів його швидкість менша від швидкості світла:
$t = t_0 \cdot \dfrac{c}{v}$
$t = 26{,}4\text{ років} \cdot \dfrac{300\,000\text{ км/с}}{30\text{ км/с}} = 26{,}4 \cdot 10\,000\text{ років} = 264\,000\text{ років}$

Відповідь: $t = 264\,000\text{ років}$.

4. Переглянь дослід випромінювання та поглинання світла за симуляцією 23.2.

Під час роботи з інтерактивною симуляцією спостерігаємо модель атома Бора: зовнішнє випромінювання передає атому енергію, внаслідок чого електрон миттєво переходить на віддалену орбіталь (стан збудження). За короткий проміжок часу електрон повертається на стаціонарний рівень ближче до ядра і випромінює квант світла у вигляді хвильового пакета — фотона певної частоти та кольору.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Скористайся додатковими джерелами інформації та дізнайся, хто і в який спосіб виміряв швидкість поширення світла.

Першу спробу виміряти швидкість світла здійснив Галілео Галілей за допомогою двох спостерігачів із закритими ліхтарями на пагорбах, проте через величезну швидкість світла цей дослід завершився безрезультатно.

У 1676 році данський астроном Оле Ремер уперше успішно виміряв швидкість світла астрономічним методом. Він спостерігав за затемненнями супутника Юпітера Іо та зафіксував запізнення появи супутника з тіні тоді, коли Земля рухалася орбітою від Юпітера. Отримане ним значення становило близько $220\,000\text{ км/с}$.

У 1849 році французький фізик Арман Іпполіт Фізо провів перше точне лабораторне вимірювання на Землі без використання космічних тіл. Він спрямував світловий промінь крізь зубці колеса, що швидко оберталося, на віддалене дзеркало (відстань близько 8,6 км). Світло поверталося назад і потрапляло в око спостерігача або перекривалося сусіднім зубцем при збільшенні частоти обертання. За частотою обертання та відстанню Фізо обчислив швидкість світла, яка дорівнювала приблизно $313\,000\text{ км/с}$. Пізніше Леон Фуко та Альберт Майкельсон замінили зубчасте колесо системою гранованих обертових дзеркал і встановили сучасне значення з високою точністю.