Номер 1, страница 181 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

1. Как электромагнитная теория объясняет давление света?

1. Как электромагнитная теория объясняет давление света?

Существование светового давления было теоретически предсказано Джеймсом Клерком Максвеллом в 1873 году как прямое следствие его электромагнитной теории света. Согласно этой теории, свет представляет собой электромагнитную волну — распространяющиеся в пространстве колебания электрического ($ \vec{E} $) и магнитного ($ \vec{B} $) полей, которые перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны.

Механизм возникновения давления света с точки зрения электромагнитной теории можно описать поэтапно:

1. Когда электромагнитная волна (свет) падает на поверхность какого-либо вещества, ее электрическое поле $ \vec{E} $ воздействует на заряженные частицы в этом веществе (в первую очередь на электроны).
2. Под действием электрической силы ($ \vec{F_e} = q\vec{E} $) электроны начинают совершать вынужденные колебания. Направление этих колебаний совпадает с направлением колебаний вектора $ \vec{E} $.
3. На эти движущиеся со скоростью $ \vec{v} $ заряды начинает действовать магнитное поле $ \vec{B} $ световой волны. Эта сила является силой Лоренца и определяется формулой $ \vec{F_m} = q(\vec{v} \times \vec{B}) $.
4. Поскольку в электромагнитной волне векторы $ \vec{E} $ и $ \vec{B} $ перпендикулярны, а скорость $ \vec{v} $ электронов сонаправлена с вектором $ \vec{E} $, то вектор $ \vec{v} $ также перпендикулярен вектору $ \vec{B} $. Применяя правило векторного произведения (или правило левой руки для силы Лоренца), можно определить, что сила $ \vec{F_m} $ всегда направлена в сторону распространения световой волны.
5. Эта сила действует на все колеблющиеся заряды в поверхностном слое вещества. Суммарная сила, действующая на все частицы, и представляет собой силу светового давления, которая "толкает" поверхность. Давление — это отношение этой силы к площади поверхности, на которую она действует.

Таким образом, давление света является совокупным результатом действия силы Лоренца со стороны магнитного поля волны на электроны вещества, которые были приведены в колебательное движение электрическим полем той же самой волны.

Теория Максвелла позволяет также рассчитать величину этого давления. Для света, падающего перпендикулярно на поверхность:

• Для идеально черной (полностью поглощающей) поверхности давление $p$ равно объемной плотности энергии $w$ электромагнитной волны: $p=w$. Это также можно выразить через интенсивность света $I$: $ p = \frac{I}{c} $, где $c$ — скорость света.
• Для идеально зеркальной (полностью отражающей) поверхности давление оказывается вдвое больше: $ p = 2w = \frac{2I}{c} $. Увеличение давления связано с тем, что импульс волны не просто поглощается, а изменяет свое направление на противоположное, что приводит к передаче поверхности удвоенного импульса.
• В общем случае, для поверхности с коэффициентом отражения $ \rho $, давление вычисляется по формуле: $ p = (1+\rho)w = (1+\rho)\frac{I}{c} $.

Экспериментальное подтверждение существования и измерение величины светового давления, выполненное русским физиком П. Н. Лебедевым в 1899 году, стало одним из самых весомых доказательств справедливости электромагнитной теории Максвелла.

Ответ: Согласно электромагнитной теории, давление света возникает из-за того, что электрическое поле ($ \vec{E} $) световой волны заставляет заряженные частицы (электроны) в веществе колебаться. На эти движущиеся заряды действует магнитное поле ($ \vec{B} $) той же волны. Возникающая в результате этого сила Лоренца ($ \vec{F_m} = q(\vec{v} \times \vec{B}) $) направлена в сторону распространения света и оказывает давление на поверхность вещества.