Давление света: понятие, определение и формула

Давление света — это физическое явление, заключающееся в воздействии света на поверхность тела. Это давление очень мало, но играет важную роль в природных процессах. История открытия давления света насчитывает несколько столетий.

История открытия

Впервые идею о существовании давления света высказал в XVII веке Иоганн Кеплер. Он предположил, что именно давление солнечных лучей заставляет хвосты комет отклоняться при пролете комет вблизи Солнца. Однако в то время не существовало теоретического обоснования этого явления.

Лишь в 1873 году Джеймс Клерк Максвелл на основе созданной им теории электромагнитного поля смог вывести формулу и дать теоретическое объяснение давлению света. Согласно его представлениям, свет представляет собой электромагнитные волны, которые несут энергию и импульс, воздействуя на вещество.

Первое экспериментальное подтверждение существования давления света было получено русским физиком Петром Николаевичем Лебедевым в 1899 году с помощью остроумной установки, показанной на рисунке.

На тонкой нити в разреженном сосуде он подвесил коромысло с двумя тончайшими пластинками на концах - одна пластинка была зеркальной, а другая закопченной. Под действием падающего света возникал поворот этой системы, по величине которого Лебедев оценил давление света. Полученное значение с точностью 20% совпадало с теоретическими расчетами.

Таким образом, давление света было не только теоретически предсказано, но и экспериментально подтверждено. Это открытие имело принципиальное значение, поскольку доказывало наличие у света не только энергии, но и импульса.

Природа давления света

Что же происходит, когда свет оказывает давление на поверхность? Это явление можно объяснить как с позиции электромагнитной теории, так и квантовой теории.

• С электромагнитной точки зрения происходит следующее: Электрическое поле световой волны вызывает смещение электронов вещества Магнитное поле этой же волны действует на движущиеся электроны с силой Лоренца Результирующая сила и создает давление света на поверхность
• В квантовом представлении: Свет рассматривается как поток фотонов, несущих импульс При отражении или поглощении фотонов их импульс передается веществу Это и приводит к возникновению давления

Давление света таким образом является результатом передачи импульса световой волны или фотонов материальным частицам.

Давление света на поверхность

Величина давления света зависит от характеристик падающего излучения и свойств поверхности. Для вычисления давления света при нормальном падении используется следующая формула:

P = I / c

где I - интенсивность падающего излучения, а c - скорость света.

Так, например, можно легко подсчитать давление солнечного света на поверхность, перпендикулярную лучам и находящуюся в космосе на расстоянии Земли от Солнца. Оно составляет около 9 микропаскалей.

При отражении и поглощении света "давление света на поверхность" различается в 2 раза. Для черной поверхности оно больше, так как весь свет поглощается.

Давление света в 11 классе

В школьном курсе физики 11 класса изучение давления света играет важную роль, поскольку позволяет продемонстрировать корпускулярно-волновой дуализм - фундаментальное свойство микромира.

Учащиеся должны понимать, что свет обладает как волновыми (дифракция, интерференция), так и корпускулярными (импульс, давление) свойствами. Этот дуализм проявляется в разных явлениях.

Кроме того, на примере открытия давления света П.Н. Лебедевым можно продемонстрировать методику и трудности экспериментального исследования фундаментальных явлений в физике.

Таким образом, тема давления света содержит важный образовательный и мировоззренческий потенциал для старших школьников.

Как определить давление света

Для определения давления света в конкретных условиях можно использовать различные экспериментальные методики.

1. Метод торсионных весов, использованный П.Н. Лебедевым. Чувствительные крутильные весы с зеркальными и поглощающими пластинками помещаются в вакуумированный сосуд и освещаются.
2. Измерение деформации тонких мишеней под действием мощного лазерного излучения.
3. Регистрация отклонений микрочастиц в лазерной ловушке.

Проводя серию тщательно спланированных экспериментов с использованием этих методов, можно с высокой точностью определить значение давления для заданного светового пучка.

Выдающийся русский физик Петр Николаевич Лебедев внес неоценимый вклад в исследование давления света.

Его классические опыты 1899 года позволили впервые экспериментально подтвердить существование этого явления, предсказанного Максвеллом теоретически.

"Лебедев разработал оригинальную методику тончайших измерений и сумел в сложнейших условиях найти это исключительно слабое давление света"

Ученый продемонстрировал высочайшее экспериментаторское мастерство, изобретательность и тщательность. Его опыты положили начало новому направлению в оптике и спектроскопии.

Давление света: формула

В общем виде формула для давления света, падающего перпендикулярно поверхности, имеет вид:

P = I / c,

где I - световой поток (интенсивность излучения), падающий на единицу площади поверхности, а c - скорость света.

Если свет падает на поверхность под углом θ к нормали, то используется формула:

P = I cos^2θ / c

В случае диффузного рассеяния света поверхностью давление равно:

P = 2I / c

Для абсолютно черного тела, полностью поглощающего свет:

P = I / c

Таким образом, зная характеристики световой волны и свойства поверхности, можно рассчитать давление по приведенным формулам.

Применение давления света

Несмотря на кажущуюся малость, давление света находит практическое применение в различных областях.

Во-первых, оно играет заметную роль в астрофизических процессах. Именно давлением света изнутри объясняется устойчивость звезд против гравитационного сжатия. Кроме того, оно влияет на орбиты искусственных спутников, заставляя их постепенно снижаться.

Во-вторых, давление света можно использовать для создания космических «парусных» кораблей, приводимых в движение солнечным ветром. Такие аппараты смогут разгоняться до высоких скоростей без затрат топлива.

Давление лазерного излучения

Современные мощные лазеры генерируют пучки света колоссальной интенсивности, создающие гигантское давление.

Так, при фокусировке импульса лазера в пятно диаметром 10 микрон можно получить давление порядка 100 гигапаскалей! Для сравнения – это примерно давление в центре Солнца.

Столь высокое давление используется для инициирования термоядерного синтеза, ускорения заряженных частиц, а также в лазерно-плазменных технологиях.

Эксперименты с одиночными фотонами

Современные ученые смогли научиться регистрировать отдельные фотоны и исследовать давление, оказываемое ими на микроскопические объекты.

Для этого используются так называемые оптические пинцеты – лазерные ловушки, позволяющие удерживать и манипулировать микрообъектами при помощи света.

Измеряя отклонения объектов в таких ловушках при поглощении одиночных фотонов, ученые подтверждают предсказания квантовой теории для давления света.

Аналогии давления света в макромире

Для лучшего понимания столь незначительного на первый взгляд давления света можно провести некоторые аналогии с макроскопическими явлениями.

Допустим, мы направляем на ладонь мощный напор воды из шланга. Ощущаемое давление в миллионы раз выше светового! Однако если направить тончайшую струйку воды, сравнимую по диаметру со световым лучом, то и создаваемое ею давление будет крайне малым.

Схожим образом и поток фотонов света, несмотря на огромную скорость, переносит лишь небольшое количество импульса, что и приводит к слабому давлению света на преграды.

Исследования давления света продолжаются

И в наши дни ученые продолжают исследования, связанные с давлением света и изучением оптических сил.

Разрабатываются новые экспериментальные методики, повышающие точность измерений. Создаются необычные оптические системы, в которых проявляется действие света.

Все это помогает лучше понять природу света и расширяет возможности практического использования его уникальных свойств.