§ 42. Электромагнитная природа света

Определения и обозначения

Электромагнитная волна — распространение взаимосвязанных переменных электрического и магнитного полей. Иными словами, это не отдельное поле, летящее сквозь пространство, а связанное изменение двух полей. Понятие помогает описывать распространение энергии от источника и объяснять, как волна может идти без вещества вокруг неё.

Свет — электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Наш глаз улавливает лишь определённый диапазон электромагнитных волн, поэтому светом в повседневной речи обычно называют именно видимое излучение. Это определение позволяет отличить видимый свет от невидимых глазу радиоволн, инфракрасных и других волн.

Скорость света — скорость распространения света в вакууме; её обозначают латинской буквой c, а приближённое значение равно 3·10⁸ м/с. За одну секунду свет проходит около 300 миллионов метров. Обозначение c используют в расчётах, в частности в формулах для пути и связи скорости волны с её частотой и длиной.

Электромагнитная природа света — представление о свете как об электромагнитной волне. Оно объединяет наблюдаемые волновые свойства света с теорией электрических и магнитных полей. Благодаря этому представлению свет можно изучать как часть общего электромагнитного спектра, а не как отдельное явление.

Как это устроено

Интерференция и дифракция показали, что свет способен вести себя как волна: световые волны складываются, а свет огибает препятствия и проходит через узкие отверстия. Поляризация также указывает на волновую природу света и показывает, что колебания имеют определённое направление. Однако одних этих наблюдений было недостаточно, чтобы выяснить, что именно колеблется и как свет распространяется в пустом пространстве. Волновые свойства можно было объяснять механическими колебаниями некоторой среды, но такая гипотеза не раскрывала электрическую природу света.

Максвелл изучал законы электричества и магнетизма и обнаружил важную связь между изменяющимися полями. Если электрическое поле меняется со временем, то оно связано с появлением магнитного поля; если меняется магнитное поле, оно, в свою очередь, вызывает электрическое. Поэтому электрические и магнитные явления нельзя рассматривать как полностью независимые друг от друга. Именно эта связь позволила Максвеллу предсказать существование электромагнитных волн.

Представим, что в некоторой области пространства электрическое поле начало изменяться. Изменение связано с магнитным полем, которое тоже меняется, а оно — с электрическим полем в соседней области. Так возмущение может передаваться дальше, вместо того чтобы оставаться возле источника. В электромагнитной волне поля не просто существуют рядом: их взаимные изменения поддерживают распространение волны через пространство.

Расчёты Максвелла позволили определить скорость электромагнитных волн, и она оказалась равна измеренной скорости света. Совпадение стало основанием связать свет с электромагнитными волнами: свет — волна, воспринимаемая глазом, а радиоволны и другие виды излучения относятся к тому же явлению. Так возникло представление об электромагнитной природе света. Для волны в вакууме связь скорости, длины волны λ и частоты ν записывают формулой c = λν.

Для распространения механической волны, например звука, необходима среда: колеблются частицы воздуха, воды или твёрдого тела. Электромагнитная волна распространяется благодаря взаимосвязанным изменениям полей, поэтому ей не требуется вещество, которое переносило бы колебания. Свет от далёких звёзд достигает Земли через почти пустое пространство, что согласуется с таким объяснением. В вакууме электромагнитные волны распространяются со скоростью c.

Сравнение света и других электромагнитных волн

Все перечисленные виды излучения относятся к электромагнитным волнам, хотя их свойства и применение различаются. Сравнивая строки, проследи, как меняются область спектра и частота от радиоволн к гамма-излучению. Граница видимого света — это диапазон, который доступен человеческому зрению.

Разбор задач

Задача 1. Скорость света в вакууме равна 3·10⁸ м/с. Какое расстояние пройдёт свет за 2 мкс? Здесь мкс — микросекунда, то есть одна миллионная доля секунды. Чтобы применить формулу пути, сначала переведём время в секунды.

1. Переводим время: 2 мкс = 2·10⁻⁶ с.
2. Используем формулу s = vt: s = 3·10⁸ м/с · 2·10⁻⁶ с = 6·10² м. Секунды сокращаются, поэтому результат выражен в метрах.

Ответ: свет пройдёт 600 м.

Задача 2. Электромагнитная волна распространяется в вакууме с частотой 6·10¹⁴ Гц. Найдём её длину волны. Частота показывает, сколько колебаний совершается за секунду, а длина волны — расстояние между соседними одинаковыми участками волны. Так как известны скорость и частота, применим соотношение c = λν.

1. Выражаем неизвестную длину волны: λ = c/ν.
2. Подставляем значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(6·10¹⁴ Гц) = 0,5·10⁻⁶ м = 5·10⁻⁷ м. При делении степеней десяти показатели вычитаются.

Ответ: длина волны равна 5·10⁻⁷ м, или 500 нм.

Задача 3. Радиосигнал достиг приёмника через 0,004 с после отправки. Оценим расстояние до отражающего объекта, считая, что сигнал шёл со скоростью света в вакууме. Указанное время относится к пути от передатчика до объекта и обратно. Значит, сначала найдём полный путь сигнала, а затем разделим его пополам.

1. Вычисляем путь туда и обратно: s = ct = 3·10⁸ м/с · 0,004 с = 1,2·10⁶ м.
2. Делим полный путь на два: d = s/2 = 1,2·10⁶ м / 2 = 6·10⁵ м. Деление необходимо, потому что нас спрашивают расстояние до объекта, а не длину всего маршрута сигнала.

Ответ: расстояние до отражающего объекта примерно 600 км.

Типичные ошибки

Считать, что свету обязательно нужна материальная среда, — ошибка: так рассуждают по аналогии со звуком, которому нужен воздух или другое вещество. Электромагнитная волна может распространяться в вакууме благодаря взаимосвязанным изменениям полей. Проверка простая: вспомни, что свет от Солнца проходит через космическое пространство и достигает Земли.

Неверно представлять поля волны как поля, существующие только возле источника, например магнита или заряженного тела. Источник создаёт возмущение, но электромагнитная волна переносит связанные изменения полей дальше от него. Чтобы проверить себя, спроси: описываю ли я поле возле источника или волну, которая распространяется в пространстве?

Нельзя считать, что скорость света в любой среде равна 3·10⁸ м/с. Это приближённое значение относится к вакууму, а в веществе свет движется медленнее из-за взаимодействия со средой. Перед расчётом проверь условие задачи: если речь о воде, стекле или другом веществе, не подставляй автоматически скорость света в вакууме.

Ещё одна ошибка — отождествлять видимый свет со всем электромагнитным спектром. Такое представление возникает потому, что человек непосредственно видит только небольшой участок спектра. Проверь себя по примерам: радиоволны и рентгеновское излучение невидимы, но, как и свет, являются электромагнитными волнами.

Связь с другими темами

Для понимания этой темы нужны представления об электрическом и магнитном полях, колебаниях и волновом распространении. Связь полей объясняет электромагнитную волну, а формула c = λν позволяет сопоставить её скорость, длину и частоту. Эти знания пригодятся при изучении электромагнитного спектра, где видимый свет рассматривается наряду с невидимыми видами излучения. Они также помогают понять принципы радиосвязи и перейти к изучению оптики.

Что запомнить

• Свет имеет электромагнитную природу.
• Свет — часть электромагнитного спектра, доступная зрению.
• Электромагнитная волна состоит из взаимосвязанных переменных электрического и магнитного полей.
• Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме.
• Скорость света в вакууме составляет примерно 3·10⁸ м/с.
• Радиоволны, свет и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным волнам.