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A natureza da luz

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A natureza da luz Anúncios para um computador Macintosh se gabou de que poderia fazer um cálculo aritmético em menos tempo do que levou para a luz para chegar a partir da tela de seu olho. Encontramos este impressionante por causa do contraste entre a velocidade da luz e as velocidades em que interagimos com objetos físicos em nosso ambiente. Talvez não deveria nos surpreender, então, que Newton foi tão bem sucedido em explicar o movimento dos objetos, mas foi muito menos bem-sucedida com o estudo da luz.
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  • 1. A natureza da luz Anúncios para um computador Macintosh se gabou de que poderia fazer um cálculo aritmético em menos tempo do que levou para a luz para chegar a partir da tela de seu olho. Encontramos este impressionante por causa do contraste entre a velocidade da luz e as velocidades em que interagimos com objetos físicos em nosso ambiente. Talvez não deveria nos surpreender, então, que Newton foi tão bem sucedido em explicar o movimento dos objetos, mas foi muito menos bem-sucedida com o estudo da luz. O clímax do nosso estudo da eletricidade e magnetismo foi a descoberta de que a luz é uma onda eletromagnética. Sabendo disso, no entanto, não é o mesmo que saber tudo sobre os olhos e telescópios. Na verdade, a descrição completa da luz como uma onda pode ser bastante complicado. Neste capítulo, vamos sim fazer uso de um modelo mais simples de luz, o modelo de raios, o que faz um bom trabalho na maioria das situações práticas. Não só isso, mas nós vamos até recuar um pouco e começar com uma discussão sobre as idéias básicas sobre luz e visão que antecederam a descoberta das ondas eletromagnéticas. A relação de causa e efeito na visão Apesar do título, este capítulo está longe de ser o seu primeiro olhar para a luz. Essa familiaridade pode parecer uma vantagem, mas a maioria das pessoas nunca pensou cuidadosamente sobre luz e visão. Até mesmo as pessoas inteligentes que têm pensado muito sobre a visão vieram com idéias incorretas. Os antigos gregos, árabes e chineses tinham teorias da luz e visão, todos os que eram em sua maioria errado, e todos os que foram aceitos por milhares de anos. Uma coisa que os antigos faziam acertar é que há uma distinção entre os objetos que emitem luz e objetos que não. Quando você vê uma folha na floresta, é porque três objetos diferentes estão fazendo seu trabalho: a folha, o olho, e do sol. Mas objectos luminosos como o sol, e uma chama, ou o filamento de uma lâmpada de luz pode ser vista a olho sem a presença de um terceiro objecto. Emissão de luz é, muitas vezes, mas nem sempre, associada com o calor. Nos tempos modernos, estamos familiarizados com uma variedade de objetos que brilham sem ser aquecido, incluindo lâmpadas fluorescentes e brinquedos glow-in-the-dark. Como podemos ver objetos luminosos? Os filósofos gregos Pitágoras (b. Ca. 560 aC) e Empédocles de Acragas (b. Ca. 492 aC), que, infelizmente, foram muito influentes, afirmou que quando você olhou para a
  • 2. chama da vela, a chama e seu olho eram ambos mandar algum tipo de coisa misteriosa, e quando as coisas do seu olho colidiu com o material da vela, a vela se tornaria evidente no seu sentido da visão. Estranho como a "colisão de teoria coisas" grego possa parecer, ele tinha um par de boas características. Ele explicou por que tanto a vela e seu olho tinha que estar presente para o seu sentido da visão para funcionar. A teoria também poderia facilmente ser expandida para explicar a forma como vemos os objetos não luminosas. Se uma folha, por exemplo, passou a estar presente no local da colisão entre as coisas do seu olho e material da vela, em seguida, a folha seria estimulado a expressar sua natureza verde, o que lhe permite percebê-lo como verde. As pessoas modernas pode se sentir desconfortável com esta teoria, uma vez que sugere que verdor só existe para nossa conveniência de ver, o que implica uma precedência do homem sobre os fenômenos naturais. Hoje em dia, as pessoas esperam que a relação de causa e efeito na visão de ser o contrário, com a folha de fazer alguma coisa para os nossos olhos, em vez de nossos olhos fazendo algo para a folha. Mas como você pode dizer? A forma mais comum de distinguir a causa do efeito é o de determinar que aconteceu pela primeira vez, mas o processo de ver parece ocorrer muito rapidamente para determinar a ordem em que as coisas aconteceram. Certamente não há intervalo de tempo óbvia entre o momento em que você mover a cabeça eo momento em que o seu reflexo no espelho se move. Hoje, a fotografia fornece a evidência experimental simples que nada tem de ser emitida a partir de seu olho e atingiu a folha de modo a torná-lo "greenify." Uma câmera pode tirar uma foto de uma folha, mesmo se não há olhos em qualquer lugar nas proximidades. Uma vez que a folha verde aparece independentemente de ele está sendo detectado por uma câmera, seu olho, ou olho de um inseto, parece fazer mais sentido dizer que verdor da folha é a causa, e algo acontecendo na câmera ou o olho é o efeito. A luz é uma coisa, e ele viaja de um ponto a outro Outra questão que poucas pessoas têm considerado é se a chama de uma vela simplesmente afeta diretamente seu olho, ou se ele envia luz que então recebe em seu olho. Mais uma vez, a rapidez do efeito faz com que seja difícil dizer o que está acontecendo. Se alguém joga uma pedra em você, você pode ver a pedra no seu caminho para o seu corpo, e você pode dizer que a pessoa afetada lhe enviando uma substância material à sua maneira, em vez de apenas prejudicando-o directamente com um movimento do braço, o que ser conhecido como "ação à distância." Não é fácil fazer uma observação semelhante para ver se há alguma "coisa" que viaja a partir da vela para seu olho, ou se é um caso de ação à distância. Nossa descrição da física de objetos materiais incluiu tanto a ação à distância (por exemplo, a força gravitacional da Terra sobre um objeto em queda) e as forças de contato, como o atrito.
  • 3. Figura a : A luz de uma vela é colidido fora do curso por um pedaço de vidro. Inserir o vidro faz com que a localização aparente da vela para mudar. O mesmo efeito pode ser produzido por tirar os óculos e olhando para ver onde se perto da borda da lente, mas uma peça plana de vidro funciona tão bem como uma lente para esta finalidade. Uma evidência de que a vela envia material que viaja para o seu olho é que, como na figura um , intervindo substâncias transparentes pode fazer a vela parecem estar no local errado, o que sugere que a luz é uma coisa que pode ser colidido fora do curso. Muitas pessoas descartar esse tipo de observação como uma ilusão de ótica, no entanto. (Algumas ilusões ópticas são puramente efeitos neurológicos ou psicológicos, embora alguns outros, incluindo este, vir a ser causados pelo comportamento da própria luz.) A forma mais convincente para decidir em que categoria pertence a luz é para descobrir se é preciso tempo para começar a partir da vela para o seu olho; no quadro de Newton do universo, ação à distância deveria ser instantânea. O fato de que nós falamos casualmente hoje de "velocidade da luz" implica que em algum momento da história, alguém conseguiu mostrar que a luz não viajou infinitamente rápido.Galileo tentaram, sem sucesso, para detectar uma velocidade finita da luz, organizando com uma pessoa em uma torre distante para sinalizar e para trás com lanternas. Galileo descobriu sua lanterna, e quando a outra pessoa viu a luz, ele descobriu sua lanterna. Galileu não foi capaz de medir qualquer intervalo de tempo que foi significativa em comparação com as limitações de reflexos humanos. Figura b : Uma imagem de Júpiter e sua lua Io (à esquerda) da sonda Cassini.
  • 4. A primeira pessoa a provar que a velocidade da luz era finita, e para determinar numericamente, foi Ole Roemer, em uma série de medidas em torno do ano 1675 Roemer observou Io, uma das luas de Júpiter, durante um período de vários anos. Desde Io presumivelmente teve a mesma quantidade de tempo para completar cada órbita de Júpiter, pode ser pensado como um relógio muito distante, muito preciso. Um relógio de pêndulo prático e preciso recentemente tinha sido inventado, então Roemer poderia verificar se a relação entre os dois ciclos de clocks ', cerca de 42,5 horas para uma órbita, ficou exatamente constante ou mudou um pouco. Se o processo de ver a lua distante foi instantânea, não haveria razão para os dois para sair da etapa. Ainda que a velocidade da luz é finita, é de se esperar que o resultado seria apenas para compensar um ciclo em relação à outra. Figura c: A terra está se movendo em direção a Júpiter e Io. Como a distância está diminuindo, ele está levando cada vez menos tempo para a luz chegar até nós a partir de Io, Io e Júpiter parece circular mais rapidamente do que o normal. Seis meses depois, a terra vai estar no lado oposto do sol, e se afastando de Júpiter e Io, Io assim aparecerá a girar em torno de Júpiter mais lentamente. A terra não é, no entanto, ficar a uma distância constante de Júpiter e suas luas. Como a distância está mudando gradualmente devido aos dois movimentos orbitais dos planetas, uma velocidade finita da luz faria o "relógio Io" parecem correr mais rápido como os planetas se aproximaram uns dos outros, e mais lentamente à medida que a sua separação aumentou. Roemer fez encontrar uma variação na velocidade aparente de órbitas de Io, o que causou eclipses de Io por Júpiter (os momentos em que Io passou na frente ou atrás de Júpiter) a ocorrer cerca de 7 minutos mais cedo, quando a terra era mais próximo de Júpiter, a 7 minutos de atraso quando ele era o mais distante.Com base nestas medições, Roemer estimativa da velocidade da luz para ser cerca de 2 x 10 8 m / s, o que é no estádio direita em comparação com as medições modernas de 3 × 10 8 m / s. (Eu não tenho certeza se o bastante grande erro experimental foi devido principalmente ao conhecimento impreciso do raio da órbita da Terra ou limitações na fiabilidade dos relógios de pêndulo.) A luz pode viajar através do vácuo Muitas pessoas estão confusas com a relação entre som e luz. Apesar de usarmos diferentes órgãos para senti-los, existem algumas semelhanças. Por exemplo, a luz eo som são normalmente emitidos em todas as direções por suas fontes. Músicos mesmo usar metáforas visuais como "tom de cor", ou "um timbre brilhante" para descrever o som. Uma maneira de ver que eles são claramente diferentes fenômenos é observar suas diferentes velocidades. Claro, ambos são bastante rápido em comparação com um vôo da seta ou um cavalo a galope, mas, como vimos, a velocidade da luz é tão grande quanto a aparecer instantaneamente na maioria das situações. A velocidade do som, no entanto, pode ser facilmente observado apenas por assistir a um grupo de alunos de uma centena de metros de distância, como eles batem palmas para a música. Existe um atraso evidente entre quando você vê as palmas das mãos se juntam e quando você ouve o aplauso.
  • 5. A diferença fundamental entre o som e a luz é que o som é uma oscilação na pressão do ar, de modo que requer ar (ou algum outro meio, tal como a água), em que a viagem. Hoje, sabemos que o espaço é um vácuo, por isso o fato de que temos a luz do sol, a lua e as estrelas mostra claramente que o ar não é necessário para a propagação da luz. Interação da luz com a matéria A absorção da luz A razão pela qual o sol está quente em sua pele é que a luz solar está sendo absorvida, ea energia da luz está sendo transformada em energia térmica. O mesmo acontece com a luz artificial, de modo que o resultado líquido de deixar uma luz acesa é para aquecer o ambiente. Não importa se a fonte de luz é quente, como o sol, uma chama, ou uma lâmpada incandescente, ou legal, como uma lâmpada fluorescente. (Se a sua casa tem aquecimento elétrico, então não há absolutamente nenhum ponto em fastidiously desligar as luzes no inverno, as luzes vão ajudar a aquecer a casa no mesmo ritmo dólar como aquecedor elétrico). Este processo de aquecimento por absorção é inteiramente diferente do aquecimento por condução térmica, tal como um fogão eléctrico, quando se aquece o molho de espaguete por meio de um tabuleiro. Calor só pode ser realizado através da matéria, mas não há vácuo entre nós eo sol, ou entre nós e o filamento de uma lâmpada incandescente. Além disso, a condução de calor só pode transferir energia térmica de um objeto mais quente para um mais frio, mas uma lâmpada fluorescente legal é perfeitamente capaz de aquecer algo que já tinha começado a ser mais quente do que a própria lâmpada. Como vemos objetos não luminosas Nem toda a energia da luz que atinge um objeto é transformada em calor. Alguns se reflete, e isso nos leva à questão de como vemos os objetos não luminosas. Se você perguntar a uma pessoa comum como nós vemos uma lâmpada, a resposta mais provável é "A lâmpada faz a luz, que chega aos nossos olhos." Mas se você perguntar a forma como vemos um livro, eles são propensos a dizer "As luzes de bulbo o quarto, e que me permite ver o livro. "Tudo menção de luz, na verdade, entra em nossos olhos desapareceu misteriosamente. A maioria das pessoas que discordam, se você disse a eles que a luz era refletida do livro para o olho, porque eles pensam de reflexão como algo que os espelhos fazem, não é algo que um livro faz. Associam reflexão com a formação de uma imagem reflectida, que não parecem surgir numa folha de papel. Imagine que você está olhando para o seu reflexo em um pedaço bem lisa de papel alumínio, fresco fora do rolo. Você percebe um rosto, não um pedaço de metal. Talvez você também ver o reflexo luminoso de uma lâmpada sobre o seu ombro para trás. Agora imagine que a folha é apenas um pouco menos suave. As diferentes partes da imagem são agora um pouco para fora do alinhamento com o outro. Seu cérebro ainda pode reconhecer um rosto e uma lâmpada, mas é um pouco embaralhada, como uma pintura de Picasso. Agora, suponha que você use um pedaço de papel alumínio que foi amassado e achatado novamente. As partes da imagem são tão mexidos que você não pode reconhecer uma imagem. Em vez disso, seu cérebro lhe diz que você está olhando para uma superfície áspera, prateado.
  • 6. Figura d : Dois auto-retratos do autor, uma tomada em um espelho e um com um pedaço de papel alumínio. Reflexão como um espelho com um ângulo específico é conhecido como reflexão especular, e reflexão aleatória em muitas direcções chama reflexão difusa. A reflexão difusa é a forma como vemos os objetos não luminosas. Reflexão especular só nos permite ver imagens de outros que o único a fazer a reflexão de objetos. Na parte superior da figura d , imagine que os raios de luz são provenientes do sol. Se você está olhando para a superfície reflectora, não há nenhuma maneira para o seu sistema olho-cérebro para dizer que os raios não estão realmente vindo de um sol para baixo abaixo de você. Figura f mostra um outro exemplo de como não podemos evitar a conclusão de que a luz é refletida de outras coisas do que espelhos. A lâmpada é um que eu tenho na minha casa. Tem uma lâmpada brilhante, alojados em um metal sombra em forma de tigela completamente opaco. A única forma de luz pode sair da lâmpada está indo para fora do topo da taça. O fato de que eu posso ler um livro na posição mostrada na figura significa que a luz deve ser saltando fora do teto, em seguida, saltar fora do livro, então, finalmente, chegar ao meu olho. Figura E : especular e reflexão difusa.
  • 7. Este é o lugar onde as deficiências da teoria grega de visão se tornar muito óbvio. Na teoria grega, a luz da lâmpada e meus misteriosos "raios dos olhos" são ambos deveria ir para o livro, onde elas colidem, permitindo-me ver o livro. Mas agora temos um total de quatro objetos: lâmpada, olho, livro e teto. Onde é que o teto entrar? Será que ela também enviar os seus próprios raios misteriosos "teto", contribuindo para uma colisão de três vias para o livro? Isso seria muito bizarro para crer! Figura f : Luz salta fora do teto, em seguida, fora do livro. Figura i : A geometria da reflexão especular. As diferenças entre os tons de branco, preto, e vários de cinza no meio é uma questão de qual a percentagem de luz que eles absorvem e qual a percentagem que eles refletem. É por isso que a roupa
  • 8. de cor clara é mais confortável no verão, e estofos de cor clara em um carro fica mais frio que estofos escuro. O modelo de raios de luz Modelos de luz Observe como eu estive casualmente diagramação do movimento da luz com imagens mostrando os raios de luz como linhas na página.Figura g mostra mais alguns exemplos. Mais formalmente, isto é conhecido como o modelo de raios de luz. O modelo de raio de luz parece natural, uma vez que nos convencer de que a luz viaja através do espaço, e observar fenômenos como raios de sol que vêm através de buracos nas nuvens. Se você já leu o capítulo 6, você já foi introduzido o conceito de luz como uma onda eletromagnética, e você sabe que o modelo ray não é a verdade última sobre a luz, mas o modelo de raios é mais simples, e em qualquer caso ciência lida sempre com modelos da realidade, e não a natureza última da realidade. Figura h resume três modelos de luz. Figura g : Exemplos de diagramas de raios. Figura h / Três modelos de luz. O modelo ray é um genérico. Ao usá-lo, podemos discutir o caminho percorrido pela luz, sem nos comprometermos com qualquer descrição específica do que é que está se movendo ao longo desse
  • 9. caminho. Usaremos o modelo ray simples agradável para o descanso deste capítulo, e com isso podemos analisar um grande número de dispositivos e fenômenos. Note-se que as declarações sobre a aplicabilidade dos vários modelos são apenas Rough Guides. Por exemplo, os efeitos da interferência de ondas são geralmente detectáveis, se pequena, quando a luz passa em torno de um obstáculo que é um pouco maior do que um comprimento de onda. Além disso, o critério para quando precisamos do modelo de partículas realmente tem mais a ver com as escalas de energia que as escalas de distância, embora os dois acabam por estar relacionadas. O leitor atento deve ter notado que o modelo de onda é necessária em escalas menores do que um comprimento de onda de luz (na ordem de um micrômetro para a luz visível), eo modelo de partículas é exigido na escala atômica ou inferior (um átomo típico de ser um nanometros ou menos em tamanho). Isto implica que as menores escalas precisamos tanto o modelo de onda e partícula do modelo. Eles parecem incompatíveis, então como podemos usar os dois ao mesmo tempo? A resposta é que eles não são tão incompatíveis como parecem. Luz é ao mesmo tempo uma onda e uma partícula, e um entendimento completo desta indicação aparentemente sem sentido nos levaria a uma discussão sobre a revolução física quântica do século XX. Geometria da reflexão especular Reflexão especular obedece duas regras geométricas simples:  O ângulo do raio reflectido, é a mesma que a do raio incidente.  O raio reflectido encontra-se no plano que contém o raio incidente e a linha normal (perpendicular). Este plano é conhecido como o plano de incidência. Os dois ângulos pode ser definido quer em relação à normal, como ângulos B e C na figura, ou em relação à superfície reflectora, tal como os ângulos A e D. Não é uma convenção de várias centenas de anos 'pé que uma das medidas ângulos com respeito ao normal, mas a regra de ângulos iguais podem, logicamente, ser indicado, quer como B = C ou como A = D. auto-avaliação: Cada um destes diagramas é suposto mostrar dois raios diferentes ser reflectida a partir do mesmo ponto sobre o mesmo espelho. Quais estão corretas e que estão incorretas?
  • 10. Diagramas de raios Figura j mostra algumas diretrizes para o uso de diagramas de raios eficaz. A curva de raios de luz, quando então passa através da superfície da água (um fenômeno que nós discutiremos em mais detalhes posteriormente). Os raios parecem ter vindo de um ponto acima localização real do peixinho, um efeito que é familiar para as pessoas que têm tentado lança-pesca.  Um feixe de luz não é realmente limitada a um número finito de linhas estreitas. Nós apenas desenhá-lo dessa forma. Em j / 1, foi necessário escolher um número finito de raios desenhar (cinco), em vez do número teoricamente infinito de raios, que divergem a
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