Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 класс. Углублённый уровень
Покупка
ФПУ
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Просвещение
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 483
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
Среднее общее образование
ISBN: 978-5-09-101645-1
Артикул: 815948.01.99
В учебнике изложены фундаментальные вопросы оптики, квантовой физики и специальной теории относительности, представлены основные технические применения законов физики, рассмотрены методы решения задач. Учебник дополнен вопросами и заданиями, направленными на формирование познавательных интересов на основе интеллектуальных и творческих способностей учащихся, на овладение навыками самостоятельного приобретения новых знаний. Книга адресована учащимся физико-математических классов и школ, слушателям и преподавателям подготовительных отделений вузов, а также читателям, занимающимся самообразованием.
Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего общего образования. Включён в Федеральный перечень учебников в составе завершённой предметной линии.
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Мякишев, Геннадий Яковлевич. Физика. Оптика. Квантовая физика. 11 класс : углублённый уровень : учебник : издание в pdf-формате / Г. Я. Мя- кишев, А. З. Синяков. — 11-е изд., стер. — Москва : Просвещение, 2022. — 478, [2] с. : ил. ISBN 978-5-09-101645-1 (электр. изд.). — Текст : электронный. ISBN 978-5-09-087188-4 (печ. изд.). В учебнике изложены фундаментальные вопросы оптики, квантовой физики и специальной теории относительности, представлены основные технические применения законов физики, рассмотрены методы решения задач. Учебник дополнен вопросами и заданиями, направленными на формирование познавательных интересов на основе интеллектуальных и творческих способностей учащихся, на овладение навыками самостоятельного приобретения новых знаний. Книга адресована учащимся физико-математических классов и школ, слу шателям и преподавателям подготовительных отделений вузов, а также чи тателям, занимающимся самообразованием. Учебник соответствует Федеральному государственному образовательному стандарту среднего общего образования. Включён в Федеральный перечень учебников в составе завершённой предметной линии. УДК 373.167.1:53+(075.3) ББК 22.3я721 М99 УДК 373.167.1:53+(075.3) ББК 22.3я721 М99 ISBN 978-5-09-101645-1 (электр. изд.) ISBN 978-5-09-087188-4 (печ. изд.) © АО «Издательство «Просвещение», 2021 © Художественное оформление. АО «Издательство «Просвещение», 2021 Все права защищены Учебник допущен к использованию при реализации имеющих государственную аккредитацию образовательных программ начального общего, основного общего, среднего общего образования организациями, осуществляющими образовательную деятельность, в соответствии с Приказом Министерства просвещения Российской Федерации № 254 от 20.05.2020 (в редакции приказа № 766 от 23.12.2020). Издание выходит в pdf-формате. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ОПТИКА В этом разделе мы продолжим изучение электромагнитных волн, но только более коротких, чем до сих пор. Такие волны называют светом. РАЗВИТИЕ ВЗГЛЯДОВ НА ПРИРОДУ СВЕТА Первые представления древних учёных о том, что такое свет, были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Останавливаться подробно на подобных воззрениях сейчас, разумеется, нет нужды. Мы проследим вкратце за развитием научных представлений о том, что такое свет. Два способа передачи воздействий От источника света, например лампочки, свет распространяется во все стороны и падает на окружающие предметы, вызывая, в частности, их нагревание. Попадая в глаз, он вызывает зрительное ощущение — мы видим. Можно сказать, что при распространении света происходит передача воздействий от одного тела (источника) к другому (приёмнику). Вообще же действие одного тела на другое может осуществляться двумя различными способами: либо посредством переноса вещества от источника к приёмнику, либо посредством изменения состояния среды между телами (без переноса вещества). Можно, например, заставить зазвенеть колокольчик, находящийся на некотором расстоянии, удачно попав в него шариком. Здесь мы имеем дело с переносом вещества. Но можно поступить иначе: привязать шнур к языку колоколь- З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
чика и заставить колокольчик звучать, посылая по шнуру волны, раскачивающие его язык. В этом случае переноса вещества не происходит. По шнуру распространяется волна, т. е. изменяется состояние (форма) шнура. Таким образом, действие от одного тела к другому может передаваться посредством волн. Корпускулярная и волновая теории света В соответствии с двумя возможными способами передачи действия от источника к приёмнику возникли и начали развиваться две совершенно различные теории о том, что такое свет, какова его природа. Причём возникли они почти одновременно в XVII в. Одна из этих теорий связана с именем Ньютона, а другая — с именем Гюйгенса. Ньютон придерживался так называемой корпускулярной* теории света, согласно которой свет — это поток частиц, идущих от источника во все стороны (перенос вещества). Согласно же представлениям Гюйгенса свет — это волны, распространяющиеся в особой гипотетической среде — эфире, заполняющем всё пространство и проникающем внутрь всех тел. Обе теории длительное время существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Лишь авторитет Ньютона заставлял большинство учёных отдавать предпочтение корпускулярной теории. Известные в то время из опыта законы распространения света более или менее успешно объяснялись обеими теориями. На основе корпускулярной теории было трудно объяснить, почему световые пучки, пересекаясь в пространстве, никак не действуют друг на друга. Ведь световые частицы должны сталкиваться и рассеиваться. Волновая же теория это легко объясняла. Волны, например на поверхности воды, свободно проходят друг сквозь друга, не оказывая взаимного влияния. Однако прямолинейное распространение света, приводящее к образованию за предметами резких теней, трудно объяснить, исходя из волновой теории. По корпускулярной же теории прямолинейное распространение света является просто следствием закона инерции. Такое неопределённое положение относительно природы света длилось до начала XIX в., когда были открыты явления * От латинского слова korpusculum — «частица». З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
дифракции света (огибание светом препятствий) и интерференции света (усиление или ослабление света при наложении световых пучков друг на друга). Эти явления присущи исключительно волновому движению. Объяснить их с помощью корпускулярной теории нельзя. Поэтому казалось, что волновая теория одержала окончательную и полную победу. Такая уверенность особенно окрепла, когда Максвелл во второй половине XIX в. показал, что свет есть частный случай электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. После экспериментального обнаружения электромагнитных волн Герцем никаких сомнений в том, что при распространении свет ведёт себя как волна, не осталось. Нет их и сейчас. Однако в начале XX в. представления о природе света начали коренным образом изменяться. Неожиданно выяснилось, что отвергнутая корпускулярная теория всё же имеет отношение к действительности. Оказалось, что при излучении и поглощении свет ведёт себя подобно потоку частиц. Были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые, свойства света. Возникла необычная ситуация: явления интерференции и дифракции по-прежнему можно было объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения — считая свет потоком частиц. Эти два, казалось бы, несовместимых друг с другом представления о природе света в 30-х гг. XX в. удалось непротиворечивым образом объединить в новой физической теории — квантовой электродинамике. С течением времени выяснилось, что двойственность свойств присуща не только свету, но и любой другой форме материи. З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Глава 1 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА С волновыми и корпускулярными свойствами света мы познакомимся в дальнейшем. Предварительно же рассмотрим законы распространения света, составляющие содержание так называемой геометрической или лучевой оптики. § 1.1. СВЕТОВЫЕ ЛУЧИ Направление распространения любых волн, в том числе и световых, определяется c помощью лучей — линий, перпендикулярных волновым поверхностям и указывающих направление распространения энергии волны. Направление пучка световых лучей можно найти экспериментально. Для этого нужно поставить на пути света непрозрачный экран с небольшим отверстием (рис. 1.1). Тогда в задымлённой комнате мы увидим путь света в виде узкого прямолинейного канала — светового пучка. Казалось бы, уменьшая отверстие, можно сузить этот пучок до линии и таким образом сколь угодно точно установить направление распространения света. Но в дей- Рис. 1.1 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
ствительности с уменьшением отверстия пучок сжимается лишь до тех пор, пока диаметр отверстия остаётся значительно большим длины световой волны. Когда же диаметр отверстия по порядку величины оказывается сравнимым с длиной волны, становится заметным расширение пучка за счёт дифракции. Свет огибает края экрана, подобно тому как это происходит с волнами на поверхности воды. Поэтому получить сколь угодно тонкий пучок света, который можно было бы назвать световым лучом, мы не можем. Под световым лучом понимают не тонкий световой пучок , а линию, указывающую направление распространения световой энергии. Чтобы определить это направление, мы выделяем узкие световые пучки, диаметр которых всё же должен превосходить длину волны. Затем мы заменяем эти пучки линиями, которые являются осями световых пучков (рис. 1.2). Эти линии и изображают световые лучи. Следовательно, говоря об отражении или преломлении световых лучей, мы имеем в виду изменение направления распространения света. Основная польза от введения понятия светового луча заключается в том, что поведение лучей в пространстве определяется простыми законами — законами геометрической оптики. Геометрической оптикой называется раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о световом луче. Эти законы были установлены экспериментально задолго до выяснения природы света. Но они следуют из волновой теории света как приближение, справедливое, если длина волны много меньше размеров препятствий, которые расположены не очень далеко от места наблюдения. В этой главе мы познакомимся с законами геометрической оптики и их многочисленными применениями для расчёта оптических приборов: очков, фотоаппаратов, микроскопов и др. К числу основных законов геометрической оптики относятся: 1) закон прямолинейного распространения света; 2) закон отражения света; 3) закон преломления света; 4) закон независимости световых пучков. Рис. 1.2 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
Пересекаясь в пространстве, световые пучки не оказывают никакого воздействия друг на друга. Так, когда вы читаете книгу, свет, идущий из окна и пронизывающий пространство между книгой и глазами, ни в коей мере не мешает вам воспринимать свет, идущий от букв. Почему геометрическую оптику называют также лучевой? Что понимают под световым лучом? § 1.2. ЗАКОН ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА В однородной среде, как показывают наблюдения, свет распространяется прямолинейно. Другими словами, в однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии*. Прямолинейность распространения света — опытный факт, установленный ещё в глубокой древности. Так, закон прямолинейного распространения света излагался уже в сочинениях Евклида (300 лет до н. э.), но, вероятно, он был извес тен ещё раньше. Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени, т. е. области, куда не поступает световая энергия. При малых размерах источника (светящаяся точка) получается резко очерченная тень (рис. 1.3). Если бы свет распространялся не прямолинейно, он мог бы обогнуть препятствие и тени не получилось бы. При больших размерах источника создаются нерезкие тени ( рис. 1.4). Дело в том, что от каждой точки источника свет распространяется прямолинейно и предмет, освещённый уже двумя светящимися точками, даст две несовпадающие * Термин «луч» в геометрии, как и понятие прямой линии, возник на основании представлений о световых лучах. ? Рис. 1.4 Рис. 1.3 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
тени, наложение которых образует тень неравномерной густоты. Полная тень при протяжённом источнике образуется лишь в тех участках экрана, куда свет не попадает совсем. По краям полной тени располагается более светлая область — полутень. По мере удаления от области полной тени полутень становится всё более и более светлой. Из области полной тени глаз совсем не увидит источника света, а из области полутени он увидит лишь часть его поверхности (рис. 1.5). Во многих случаях тень вообще не образуется. Так, в пасмурный день нельзя увидеть тени от столбов, домов и других предметов. При хирургических операциях операционное поле освещают особыми бестеневыми лампами. Тени и полутени космических масштабов наблюдаются при солнечном и лунном затмениях. На рисунке 1.6 изображена схема затмений Солнца и Луны. Когда Луна занимает положение 1, происходит солнечное затмение. Если она занимает положение 2, наблюдается лунное затмение. Камера-обскура Любопытное явление происходит при прохождении света через маленькое отверстие. Наблюдать его очень просто. Возьмите листок плотной бумаги с проколотым в нём отверстием и поместите его между элект рической лампочкой и столом. Тогда на столе, покрытом белой бумагой, возникнет Рис. 1.5 Рис. 1.6 1 2 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .
изображение раскалённой нити электрической лампочки. Происходит это вследствие прямолинейного распространения света. От каждой точки нити лампочки через отверстие проходят лучи и дают на столе маленькое светлое пятнышко. Все вместе эти пятнышки сливаются в изображение нити. Изображение получается перевёрнутым ( рис. 1.7). Не надо делать отверстие слишком большим, так как тогда от каждой точки светящейся нити через отверстие пройдёт широкий расходящийся пучок и получится пятно в форме отверстия в бумаге. Образование изображений с помощью отверстия можно наблюдать в яркий солнечный день в густом лесу. Солнечные лучи пронизывают листву и оставляют на земле яркие светлые блики округлой формы. Промежутки между листьями ограничены прямыми краями листьев и имеют угловатую форму. Ясно поэтому, что не они определяют форму бликов. Блики — это изображения Солнца, полученные при прохождении света сквозь отверстия, образованные листвой деревьев. Закрытый ящик с отверстием для получения изображений на одной из стенок называется камерой-обскурой*. Камера-обскура является прототипом современных фотоаппаратов. Отверстие в камере играет роль объектива фотоаппарата. 1. Как выглядит для наблюдателя солнечное затмение, когда Земля попадает в область полутени Луны? 2. «Комната, в которую вступил Иван Иванович, была совершенно темна, потому что ставни были закрыты, и солнечный луч, проходя в дыру, сделанную в ставне, принял радужный цвет и, ударяясь в противоположную стену, рисовал на ней пёстрый ландшафт из крыш, деревьев и развешенного на дворе платья, всё только в обращённом виде» (Н. В. Гоголь. « Повесть о том, как поссорился Иван Иванович с Иваном Ни кифоровичем»). Объясните происхождение этого явления. 3. Каким образом явление прямолинейного распространения света стало законом? * От латинского слова obscurus — «тёмный». ? Рис. 1.7 З © АО «Издательство «Просвещение» для коллекции ООО «ЗНАНИУМ » .