Реферат по физике "Развитие оптики"

       Муниципальное образовательное учреждение

«Красновосходская средняя общеобразовательная школа»

       Цильнинского района Ульяновской области

            Реферат по физике

            «Развитие  оптики»

Для дополнительного чтения по физике. 10-11 классы

                                                                Подготовила

                                                                                        учитель физики и химии          

                                                                                       Мельникова Лариса Николаевн

 Первые шаги в развитии геометрической оптики

    В оптике , так же как и в механике , первые шаги были сделаны уже в древности. Тогда были открыты два закона геометрической оптики : закон прямолинейного распространения света и закон отражения света.

   К познанию этих законов древние пришли, вероятно, очень давно. Опыт повседневной жизни: наблюдение тени, перспективы, применение метода визирования при измерении земельных площадей и при астрономических наблюдениях- приводил древних, во- первых, к понятию луча света, а во-вторых, к понятию прямолинейного распространения света.

   Наблюдая затем явление отражения света, в частности, в металлических зеркалах, которые хорошо были известны в то время, древние пришли к пониманию закона отражения света.

   Указанные два закона были описаны знаменитым греческим ученым Евклидом, жившим в 3 в. до нашей эры. С помощью этих законов Евклид объяснил целый ряд наблюдаемых явлений и, в частности, явление отражения света от плоских и даже сферических зеркал. Исследованием отражения света плоскими и сферическими зеркалами занимался другой знаменитый ученый древности – Архимед, живший также в 3 в. до нашей эры. Он знал свойство вогнутого сферического зеркала собирать световые лучи  в фокусе. Об этом сообщается в сочинениях ученых древности: Архимед знал, ,,почему вогнутые зеркала , помещенные  против солнца, зажигают подложенный трут,,.

   Архимеду даже приписывают изобретение специальных зажигательных устройств из вогнутых зеркал , с помощью которых он будто бы сжег вражеский флот. Это , конечно, легенда. Но то, что Архимед знал зажигательное свойство вогнутого зеркала, это факт.

   Ученые древности имели представление о преломлении света и даже пытались установить закон преломления . Птолемей поставил с этой целью специальный опыт. Он взял диск, по которому вокруг центра вращались две линейки- указатели А и В. Этот диск Птолемей наполовину погружал в воду и перемещал верхнюю линейку до тех пор, пока она не казалась продолжением нижней, находящейся в воде. Вынув затем диск  из воды , определял углы падения и преломления .

   Однако, хотя эксперимент Птолемея и был  поставлен правильно  и он получил достаточно  хорошие численные значения для углов падения и преломления , истинного закона он установить не сумел.

   В средние века оптика продолжала развиваться на Востоке, а затем и в Европе. Однако каких – либо новых существенных результатов за этот длительный период в жизни человечества получено не было. Единственно важным достижением за это время было изобретение в 18 в. очков. Но это изобретение существенным образом не повлияло на развитие теоретической оптики.

   Следующим важнейшим изобретением , сыгравшим очень большую роль в последующем развитии оптики , было создание зрительной трубы. Зрительная труба была изобретена не одним человеком. Возможно, что еще великий итальянский художник Леонардо да Винчи в начале 16 в. пользовался зрительной трубой. Имеются сведения о других ученых и изобретателях , которые также пришли к этому изобретению. Однако решающий шаг в изобретении зрительной трубы был сделан Галиллеем.

   В 1609 г. Галиллей построил зрительную трубу. Свое изобретение он использовал как телескоп для наблюдения небесных тел и сделал при этом целый ряд важнейших астрономических открытий, которые дали возможность выступить в защиту учения Коперника. Однако Галиллей не занимался теоретическими исследованиями по оптике. Он даже не разработал теорию действия изобретенной им зрительной трубы.

   Основы теории простейших оптических инструментов разработал великий немецкий астроном Иоган Кеплер . Еще в 1604 г. он написал работу , в которой изложил основы геометрической оптики. Он объяснил действие глаза и оптического прибора вообще, рассматривая каждую точку предмета как источник расходящихся лучей. Хрусталик глаза, зеркало, линза или система линз может вновь собрать эти расходящиеся лучи и из расходящегося пучка сделать сходящиеся. Причем эти лучи опять соберутся в одну точку, которая будет представлять собой изображение точки предмета. Таким образом, каждой точке изображения соответствует одна и только одна точка предмета. Кеплер рассматривал с этой точки зрения ход лучей в простейших оптических приборах, в двояковыпуклой и двояковогнутой линзе, поставленных друг за другом. Эта система линз представляет собой систему, примененную Галиллеем в его зрительной трубе- телескопе.

   В1611 г. Кеплер издал новое сочинение по оптике. В нем ученый продолжал развивать теорию оптических приборов. В частности, он описал здесь зрительную трубу, отличную от трубы Галиллея, которая оказалась более удачной. Труба Кеплера состояла из двух двояковыпуклых линз. Сам Кеплер только описал ее устройство, но трубы не построил. Ее сделали другие ученые.

Разработав теорию построения изображения в оптических приборах, Кеплер ввел новые понятия: ,,фокус,, и ,, оптическая ось,,. Эти понятия применяются и в настоящее время в оптике.

    Следующим важным шагом в развитии оптики было открытие закона преломления света. Кеплер еще не знал этого закона. Закон, которым он пользовался, был неверным. Однако это не помешало ученому в его исследованиях. Дело в том, что во всех случаях, которые Кеплер рассматривал, можно было считать, что световые лучи проходят близко к главной оптической оси. При этом ввиду малости угла падения  и угла преломления закон преломления можно записать приближенно  

   Закон, которым пользовался Кеплер для малых углов падения и преломления приводил к правильным результатам. Закон преломления света был установлен голландским ученым Снеллиусом, но он его не опубликовал. Этот закон был опубликован Декартом в 1637 г. Теперь геометрическая оптика, фундамент которой заложил Кеплер, могла развиваться дальше.

Развитие  взглядов на природу света и первые открытия  в          

                                     области  оптики.

   В древности представления о природе света были весьма примитивными, фантастическими и к тому же весьма разнообразными. Однако, несмотря на разнообразие взглядов древних на природу света, уже в то время наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории- корпускулярную и волновую теории света.

   Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела сначала большое число последователей. Даже такой крупнейший ученый, как Евклид, придерживался ее. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Евклид писал: ,,Испускаемые глазами лучи распространяются по прямому пути,,. Такого же взгляда придерживался Птолемей и многие другие ученые и философы.

   Однако позже, уже в середине века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взглядам. И к началу 17 в. эту точку зрения можно считать уже забытой.

   Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигнув человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения держались атомисты Демокрит,  Эпикур, Лукреций .

Последняя точка зрения на природу света уже позже, в 17 в., оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток каких – то частиц, испускаемых светящимся телом.

   Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет , а как некие лучи , а как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение. Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в 17в. , его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

   В 17 в. в связи с развитием оптики вопрос о природе света вызывает все больший интерес. При этом происходит образование двух противоположных теорий света: корпускулярной и волновой.  

    Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том , что свет поток особых частиц , было вполне естественным. Прямолинейное распространение света хорошо объяснялось с точки зрения этой теории . Также хорошо объяснялся и закон прямолинейного распространения света. Да и закон преломления не противоречил этой теории.

   Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В основе тогдашних представлений о строении вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В частности, тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в 17в. было много физиков, которые придерживались корпускулярной теории света.

В 17в. начинает развиваться и представление о волновой природе света.

Родоначальником волновой теории света нужно считать Декарта. Декарт был противником существования пустого пространства. В связи с этим он не мог считать свет потоком световых частиц. Свет, по Декарту, это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, то это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство.  Эта среда получила название эфира. Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызывает в нем ощущение света. Такова точка зрения Декарта на природу света. Нужно только отметить, что в своем сочинении, посвященном специально оптике,  Декарт пользуется и корпускулярной гипотезой. Но это, как он сам говорит, сделано для того, чтобы его рассуждения были более понятными. Поэтому не правы те, кто на основе только этого сочинения зачисляет Декарта в сторонники корпускулярной теории света. Ученые 17 и 18 вв. это хорошо понимали и считали Декарта родоначальником волновой теории света. Конечно, у Декарта нет еще представления о световых волнах. Он представляет себе свет как распространяющееся движение, или импульс в эфире. Но не это важно. Важным является то, что Декарт рассматривает свет уже не как поток частиц, а как распространение давления, или движение импульса и т.п. Декарт пришел к отказу от корпускулярной теории света чисто умозрительным путем. Никаких опытных  данных , которые говорили бы за волновую теорию света, тогда еще не было. Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди. Оно было опубликовано в 1665 г. после смерти ученого. Гримальди заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поставить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получается резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. Открытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоречии с законом прямолинейного распространения света, а вместе с тем и с корпускулярной теорией. Однако он не решился полностью отказаться от этой теории. Свет, по Гримальди, распространяющийся световой флюид (тонкая неощутимая жидкость).

Когда свет встречается с препятствием, то оно вызывает волны этого флюида. Гримальди привел аналогию с волнами, распространяющимися по поверхности воды. Подобно тому, как вокруг камня, брошенного в воду, образуется волна, так и препятствие, помещенное на пути света, вызывает в световом флюиде волны, которые распространяются за границы геометрической тени.

    Вторым важным открытием, относящимся к физической оптике, было открытие интерференции света. Простой опыт по интерференции света наблюдал Гримальди. Опыт заключался в следующем: на пути солнечных лучей ставят экран с двумя близкими отверстиями (проделанными в ставне, закрывающей  окно); получаются два конуса световых лучей. Помещая экран в том месте, где эти конусы накладываются друг на друга, замечают, что в некоторых местах освещенность экрана меньше, чем если бы его освещал только один конус. Из этого опыта Гримальди сделал вывод, что прибавление света не всегда прибавляет освещенность.

   Другой случай интерференции примерно в те же годы исследовал английский физик Роберт Гук. Он изучал цвета мыльных пленок и тонких пластинок слюды. При этом он обнаружил, что эти цвета зависят от толщины мыльной пленки или слюдяной пластинки. Гук подошел к изучению этих явлений с правильной точки зрения. Он полагал, что свет- это колебательное движение, распространяющееся в эфире. Он даже считал, что эти колебания являются поперечными. Явление интерференции в тонких пленках Гук объяснял тем, что от верхней и нижней поверхностей тонкой, например, мыльной пленки происходит отражение световых волн, которые, попадая в глаз, производят ощущение различных цветов. Однако у Гука не было правильного представления о том, что такое цвет. Он не связывал цвет с частотой колебаний или длиной волны, поэтому не смог разработать теорию интерференции.

   Третье важное открытие, относящееся к волновой оптике, было сделано датским ученым Бартолином в 1669 г. Он открыл явление двойного лучепреломления в кристалле исландского шпата. Бартолин обнаружил, что если смотреть на какой-либо предмет через кристалл исландского шпата, то видно не одно, а два изображения, смещенных друг относительно друга. Это явление затем исследовал Гюйгенс и попытался дать ему объяснение с точки зрения волновой теории света.

    Следующий шаг в развитии теории света был сделан Гюйгенсом. Гюйгенс работал над волновой теорией света с 70-х гг. 17 в. В это время он написал ,,Трактат о свете,, содержание которого доложил Парижской академии наук. Однако опубликовал он это сочинение в 1690 г.,уже после того, как стали известны работы Ньютона по оптике.

   Гюйгенс полагал, что все мировое пространство заполнено тонкой неощутимой средой- эфиром, который состоит из очень маленьких упругих шариков. Эфир также заполняет пространство между атомами, образующими обычные тела.

   Распространение света, по Гюйгенсу, есть процесс передачи движения от шарика к шарику, подобно тому как распространяется импульс вдоль стальных шариков, соприкасающихся друг с другом и вытянутых в одну линию. Выдвинув такую гипотезу о свете, Гюйгенс посвятил основную часть своей работы объяснению известных законов оптики:закона прямолинейного распространения света, законов отражения и преломления. Дело в том, что в тот период от всякой теории света требовалось в первую очередь объяснить эти хорошо знакомые всем законы оптики. Эту задачу хорошо выполняла корпускулярная теория света. Но вот может ли справиться с ней волновая теория? Ведь если свет представляет собой распространяющееся движение в эфире, то как можно объяснить закон прямолинейного света? Для звука, например, волновая природа была ясна, такой закон, казалось, не существует. Действительно, если между наблюдателем и звучащим телом поставить небольшой экран, то ведь все равно наблюдатель будет слышать звук. Но для света это неверно. Правда, явление дифракции уже открыто, но это очень малый эффект и на него можно не обращать внимания.        

   Для того чтобы показать, что волновая теория способна объяснить прямолинейное распространение света, Гюйгенс выдвигает свой известный принцип. Приведем формулировку этого принципа:

   ,,По поводу процесса образования этих волн следует еще отметить, что каждая частица вещества, в котором распространяется волна, должна сообщать свое движение не только ближайшей частице, лежащей на проведенной от светящейся точки прямой , но и необходимо сообщает его также и всем другим частицам, которые касаются ее и препятствуют ее движению. Таким образом, вокруг каждой частицы должна образоваться волна, центром которой она является,, Но каждая из этих волн чрезвычайно слаба, и световой эффект наблюдается только там, где проходит их огибающая.

   Основываясь на этом принципе, Гюйгенс дает известные школьникам объяснения закону прямолинейного распространения света, законам отражения и преломления. Но для признания волновой теории света этого было мало. Явления дифракции и интерференции не были объяснены Гюйгенсом. Но главная неудача теории Гюйгенса заключалась в том , что она была теорией бесцветного света. Вопрос о цвете в ней не рассматривался, а к тому времени Ньютон сделал новое важное открытие в оптике- он обнаружил дисперсию света.

   Прежде чем перейти к изложению этого открытия, скажем еще об одном важном шаге в развитии оптики- первом определении скорости света.

   Впервые скорость света была определении датским астрономом Ремером в 70-х гг 17в. До этого времени среди ученых существовало два противоположных мнения. Одни полагали, что скорость света бесконечно велика. Другие же хотя и считали ее очень большой, тем не менее конечной.

   Ремер подтвердил второе мнение, проведя наблюдение над затмением спутников Юпитера. Измерив времена их затмения, он смог из полученных данных подсчитать скорость распространения света. По его подсчетам, скорость света получалась равной 300870 км\с в современных единицах.

                      Оптика   Ньютона.

    Еще в 60-е гг. 17 в. Ньютон заинтересовался оптикой и сделал открытие, которое, как казалось вначале говорило в пользу корпускулярной теории света. Этим открытием было явление дисперсии света и простых цветов. Разложение белого света призмой в спектр было известно  давно. Однако разобраться в этом явлении до Ньютона никто не смог.

   Ученых, занимающихся оптикой, интересовал вопрос о природе цвета. Наиболее распространенным было мнение о том, что белый свет является простым. Цветные же лучи получаются в результате тех или иных его изменений. Существовали различные теории по этому вопросу, на которых мы останавливаться не будем.

   Изучая явление разложения белого света в спектр, Ньютон пришел к заключению, что белый свет является сложным светом. Он представляет собой сумму простых цветных лучей. Ньютон работал с простой установкой. В ставне окна затемненной комнаты было проделано маленькое отверстие. Через это отверстие проходил узкий пучок солнечного света. На пути светового луча ставилась призма, а за призмой экран. На экране Ньютон наблюдал спектр, т.е. удлиненное изображение круглого отверстия, как бы составленного из многих цветных кружков. При этом наибольшее отклонение имели фиолетовые лучи- один конец спектра; наименьшее отклонение – красные- другой конец спектра. Но этот опыт еще не являлся убедительным доказательством сложности белого света и существования простых лучей. Он был хорошо известен, и из него можно было сделать заключение, что, проходя через призму, белый свет не разлагается на простые лучи, а изменяется, как многие думали.

    Для того чтобы подтвердить вывод о том, что белый свет состоит из простых цветных лучей и разлагается на них проходя через призму, Ньютон проводил другой опыт. В экране, на котором наблюдался спектр, делалось также малое отверстие. Через отверстие пропускали уже не белый свет, а свет, имеющий определенную окраску, говоря современным языком, монохроматический пучок света. На пути этого пучка Ньютон ставил новую призму, а за ней новый экран. Что будет наблюдаться за этим экраном? Разложит он одноцветный пучок света в новый спектр или нет? Опыт показал, что этот пучок света отклоняется призмой как одно целое, под определенным углом. При этом свет не изменяет своей окраски. Поворачивая первую призму, Ньютон пропускал через отверстие экрана цветные лучи различных участков спектра. Во всех случаях они не разлагались второй призмой, а лишь отклонялись на определенный угол, разный для лучей различного цвета.

   После этого Ньютон пришел к заключению, что белый свет разлагается на цветные лучи, которые являются простыми и призмой не разлагаются. Для каждого цвета показатель преломления имеет свое, определенное значение. Цветность этих лучей и их преломляемость не может измениться,,ни преломлением, ни отражением от естественных тел, или какой -либо иной причиной ,,- писал Ньютон.

Это открытие произвело большое впечатление. В 18 в. французский поэт Дювард писал:,,Но что это? Тонкая сущность этих лучей не может изменяться по своей природе! Никакое искусство не в состоянии его разрушить, и красный или синий луч имеет свою окраску, побеждая все усилия,,

   Таким образом, простые лучи являются неизменными. Они представляют, можно сказать, атомы света, подобно атомам вещества. Этот вывод оказался в хорошем согласии с корпускулярной теорией света. Действительно, неизменные атомы света, простые лучи, являются потоком и однородных частиц, которые, попадая в наш глаз, вызывают ощущение определенного цвета. Смесь же разнородных световых частиц является белым светом. При прохождении через призму белый свет разлагается. Призма сортирует световые частицы, отклоняя их на разный угол в соответствии с их цветностью. Открытие дисперсии было расценено Ньютоном и большинством его последователей как факт, подтверждающий корпускулярную теорию света.

   С точки зрения волновой теории трудно было объяснить открытие Ньютона, потому что теории распространения волн еще не было. Понимание того, что цвет определяется периодом световых волн, пришло значительно позже. Но даже если бы кто и догадался об этом, то все равно нелегко было представить себе, почему при отражении и преломлении период остается неизменным.

   Таким образом, с точки зрения волновой теории понять открытие Ньютона в то время было почти невозможно. И не случайно Гюйгенс в своей работе, о которой мы говорили выше, совсем обошел вопрос о дисперсии света, хотя в 1690 г., когда была опубликована его книга, он уже знал о работах Ньютона по оптике.

   Итак, Ньютон встал на точку зрения корпускулярной теории света, на основе которой было легко понять открытое им явление дисперсии света. Но ведь, спросите вы, к этому времени были уже известны явления из области волновой оптики – интерференция и дифракция. Занимаясь исследованиями по оптике, Ньютон не мог пройти мимо них и должен был столкнуться с задачей объяснения этих явлений на основе корпускулярной теории. И действительно, Ньютон не забыл об этих явлениях и попытался дать им объяснение. Что касается явления дифракции, то он более или менее легко, как казалось, справился с указанной задачей. Когда свет проходит мимо экрана, то между частицами, из которых состоит экран, и световыми лучами (атомами света) действуют силы притяжения. Вследствие этого лучи заходят в область геометрической тени. Приведенное объяснение было, конечно, неверным. Но в то время, когда явление дифракции было еще недостаточно изучено, такое объяснение   казалось убедительным.

    Труднее дело обстояло с объяснением явления интерференции. Его уже начали изучать.  И сам Ньютон сделал важный шаг в исследовании интерференции света в тонких пленках.

   Ученый собрал специальную установку для изучения этого явления. Он взял линзу, положил ее на стеклянную пластину и наблюдал темные и светлые кольца, которые видны при освещении линзы и пластины монохроматическим светом. Это так называемые кольца Ньютона. Как можно объяснить появление этих колец с точки зрения корпускулярной теории света? Падая сверху на линзу, световые лучи на определенных расстояниях от центра отражаются, либо преломляются и проходят через установку. В результате чего мы видим систему светлых и темных колец.  Но почему же на одних расстояниях от центра линзы свет отражается, а на других преломляется? На этот вопрос Ньютон ответил, что в одних местах световые лучи испытывают ,,приступы легкого отражения,, а в других- ,,приступы легкого преломления,, Но почему это происходит ученый не мог сказать.

   Объяснение кольцам Ньютона было дано в начале 19 в. на основе волновой теории света английским ученым Юнгом. Но об этом мы скажем позже. После Ньютона корпускулярная теория света становится общепризнанной. В течении всего 18 в. ее придерживались почти все физики.

   Развитие  волновой  теории  света.

Возрождение   волновой   теории   света.

Как было сказано выше, после работ Ньютона среди ученых держалось твердое убеждение в справедливости корпускулярной теории света. Однако все же и в 18 в. были ученые , которые возражали против этой теории . Из крупных ученых можно назвать русских академиков М. В. Ломоносова и Л. Эйлера.

   Ломоносов считал, что свет – это распространяющееся колебательное движение частиц эфира, т.е. неощутимой среды, заполняющей все мировое пространство и пронизывающей поры весомых тел. Против корпускулярной теории, по Ломоносову, говорит то обстоятельство, что световые лучи, проходя через прозрачное тело с разных сторон, не мешают друг другу. Вокруг алмаза, пишет Ломоносов, можно поставить тысячи свечей, так что тысячи лучей света будут пересекать друг друга,  и при этом ни один луч не будет мешать другому. Этот факт противоречит представлению о том, что свет – это поток световых частиц, но он не противоречит волновой теории света. Подобно волнам на воде, которые проходят через одну и ту же точку не изменяясь , световые волны проходят через прозрачные тела, не мешая друг другу. Из изложенного видно, что Ломоносов уже подходил к пониманию явления интерференции.

   Эйлер, так же как и Ломоносов, высказывался против корпускулярной теории света. Он уже отчетливо представлял свет как волны, распространяющиеся в эфире. При этом Эйлер впервые высказал идею о том , что цвет определяется частотой колебаний в световой волне.

   Однако ни Ломоносов, ни Эйлер не смогли привлечь ученых на сторону волновой теории света.

   В конце 18 в. оптическими исследованиями занялся английский ученый Томас Юнг. Он пришел к важной идее, что кольца Ньютона очень просто можно объяснить с точки зрения волновой теории света, опираясь на принцип интерференции. Он же впервые и ввел название ,, интерференция,, Весьма вероятно , что интерференцию Юнг открыл , наблюдая это явление для водяных волн. Во всяком случае, описывая это явление , он рассматривал интерференцию водяных волн. Он писал: ,,Представим себе , что некоторое количество одинаковых водяных волн движется по поверхности гладкого озера с некоторой постоянной скоростью  и попадает в узкий канал, выходящий из озера. Представим себе также, что под действием другой причины образовался другой ряд волн, которые, как и первый, доходят до этого канала с той же скоростью . Ни один из этих рядов волн не разрушит другого , а их действия соединятся. Если они вступают в канал так , что гребни одного ряда совпадают с гребнями другого , то образуется ряд волн с увеличенными гребнями. Но если гребни одного ряда будут соответствовать впадинам другого, то они в точности заполнят эти впадины и поверхность воды останется гладкой. Я полагаю, что подобные эффекты имеют место всякий раз , когда подобным образом смешиваются две части света. Это явление я называю интерференцией света,,

   Юнг , используя явление интерференции , объяснил появление колец Ньютона. Эти кольца в отраженном свете возникают в результате интерференции двух световых лучей , отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, образованной линзой и стеклянной пластинкой. От толщины этой прослойки будет зависеть разность хода между указанными лучами. В частности, они могут усиливать или гасить друг друга. В первом случае мы видим светлое кольцо, во втором – темное. Если свет, освещающий установку, белый, то будут наблюдаться цветные кольца. По расположению колец для разных цветов можно подсчитать длину волны соответствующих цветных лучей. Юнг проделал этот расчет и определил длину волны для разных участков спектра. Интересно, что при этом он использовал данные Ньютона, которые были достаточно точными.    

  Юнг объяснил и другие случат интерференции в тонких пластинках, а также проделал специальный опыт, который проводил еще Гримальди, известен под названием опыта Юнга. В данном опыте наблюдается не только явление интерференции, но и явление дифракции света. Если закрыть одно отверстие пальцем, то на экране видны дифракционные кольца, образованные в результате прохождения света через малое отверстие.

   Результаты своих исследований по оптике Юнг доложил на учебном заседании Лондонского королевского общества, а также опубликовал их в начале 19 в. Но, несмотря на убедительность работ Юнга, никто не хотел их признавать . Ведь признать правоту выводов Юнга означало отказаться от привычных взглядов и , кроме того , выступить против авторитета Ньютона. На это пока еще никто, кроме самого Юнга, не решался. На работы Юнга не обратили внимания, а в печати даже появилась статья, содержащая грубые нападки на него.

   Корпускулярная теория света по-прежнему казалась непоколебимой.

Исследования Френеля по интерференции и  дифракции.

    Французский инженер, ставший впоследствии знаменитым физиком, Огюстен Френель начал заниматься изучением явлений интерференции и дифракции с 1814 г. Он не знал о работах Юнга, но подобно ему увидел в этих явлениях доказательство волновой теории света.

   В 1817 г. Академия наук Франции объявила конкурс на лучшую работу по дифракции света. Френель решил участвовать в этом конкурсе. Он написал работу , в которой изложил результаты своих исследований , и направил ее в Академию наук в 1818г. В этой работе Френель изложил ряд случаев интерференции света, которые он исследовал. В частности , он описал опыт по интерференции света при прохождении через две соединенные вместе призмы, так называемая бипризма Френеля. Опыт Френеля ясно показывает случай интерференции от двух источников света. С помощью этого опыта Френель подсчитал длину волны для красного света. При этом она получилась равной длине волны для красного света, определенной из других опытов.

    Основное же внимание в своей работе Френель уделил опытам по дифракции света, для которой разработал специальную теорию. Эта теория основывалась на усовершенствованном принципе Гюйгенса, который в последующем стал называться принципом Гюйгенса-Френеля. По Гюйгенсу, как мы видели выше, волновую поверхность в данный момент времени можно рассматривать как огибающую всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний момент времени.

 По Френелю, значение амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства в момент времени можно рассматривать как результат интерференции всех сферических волн, источниками которых являются все точки волновой поверхности в более ранний, предыдущий момент времени.

    Френель, используя этот принцип, исследовал разные случаи дифракции и рассчитал расположение полос для этих случаев. Так, он рассмотрел прохождение света через маленькое отверстие и определил, какая картина должна быть видна на экране, за этим отверстием. По его расчетам, получалось, что на экране будут видны темные и светлые кольца, если свет монохроматический. При этом Френель вычислил радиусы этих колец  в зависимости от размеров отверстия, от расстояния источника света до отверстия и расстояние отверстия до экрана, на котором наблюдается дифракционная картина.

   Френель описал и другие случаи дифракции света от различных экранов и рассчитал расположение дифракционных полос, исходя из волновой теории. При этом все расчеты совпадали с результатами, наблюдаемыми на опыте.      

   Работы, представленные на конкурс, рассматривала специальная комиссия Академии наук. В ее составе были крупнейшие ученые того времени: Араго, Пуассон, Био, Гей-Люссак. Все они  держались Ньютоновских взглядов на природу света. Естественно, что они недоверчиво отнеслись  к работе Френеля. Однако совпадение расчетов Френеля с опытными данными было настолько хорошим, что комиссия не могла отвергнуть работу Френеля и была вынуждена присудить ему премию. При этом произошел интересный случай. Рассматривая расчеты Френеля, член комиссии Пуассон заметил, что они приводят к парадоксальному результату: согласно Френелю получалось, что в центре тени от круглого экрана должно быть светлое пятно. Однако этого до сих пор никто не наблюдал. Из теории Френеля следовало, что это светлое пятно будет заметно только в том случае, если радиус круглого экрана будет малым. Проделанный опыт подтвердил предсказание теории Френеля, что произвело большое впечатление на членов комиссии.

   Итак, комиссия Академия наук присудила премию Френелю за его работу по оптике. Однако это вовсе не значит, что волновая теория была признана правильной. Премия ученому была дана за метод расчета. Что же касается самих представлений, на основе которых был сделан расчет, т.е. представлений о волновой природе света, то академики, рассматривающие работу Френеля, не согласились с ним. Они рассуждали примерно так: физические основы теории могут быть неверны, а результаты расчета правильны. Такие случаи история знала. Например, пользуясь теорией Птолемея о строении Вселенной, можно вести расчеты и получить правильные результаты положений небесных светил на небе, однако по существу она не верна.

   Нужно сказать в защиту академиков, что, несмотря на блестящие результаты, полученные Френелем, в его теории был определенный изъян. Дело в том, что, кроме интерференции и дифракции, физики уже исследовали поляризацию света. Но теория Френеля вопросов поляризации света не касалась. Более того, казалось , что она не в состоянии их объяснить.

     Борьба   за  признание  волновой  теории света .

     Френель не случайно в первых своих работах обошел вопрос о поляризации света. Ведь, рассматривая световые волны как волны в эфире, Френель считал их продольными. Эфир – это очень тонкая материя , он подобен очень разреженному воздуху . А в воздухе , как уже все знали , могут распространяться только продольные волны, например звуковые, т.е. сгущения и разряжения воздушной среды. В звуковых волнах ничего подобного явлению поляризации не наблюдается. Если бы, конечно, поляризация света не была еще известна, то вопрос о волновой природе света решить было бы проще. Но явление поляризации света было открыто.  

   Датский физик Бартолин еще в 17 в. исследовал явление двойного лучепреломления. Он наблюдал, что если на кристалл исландского шпата падает луч света, то он при преломлении раздваивается. Если смотреть на точечный источник света через этот кристалл, то можно увидеть не один, а два таких источника. Это явление зависит от ориентации кристалла относительно луча. В кристалле есть направление, по которому раздваивание луча не происходит. Это направление называется оптической осью кристалла.

   Явлением двойного лучепреломления в начале 19 в. заинтересовался французский инженер Малюс. Исследуя это явление, он обнаружил, что если смотреть через кристалл исландского шпата на изображение Солнца в стекле, то при определенных положениях этого кристалла видно два солнца, а при определенном положении стекла и кристалла одно из изображений пропадает, даже если световые лучи направлены не вдоль оптической оси. Малюс был сторонником корпускулярной теории света и с точки зрения этой теории попытался объяснить наблюдаемое явление. Он рассуждал так: световые частицы не являются шариками. Они подобно магнитам имеют полюсы. В обычном свете эти частицы летят, будучи ориентированы в пространстве хаотично. При отражении же от стекла или воды они как бы сортируются.

 Одни , у которых,  которых полюсы ориентированы определенным образом , преломляются , а другие , ориентируемые иначе , отражаются. При определенном угле падения эта сортировка будет наиболее полной. И в этом случае отраженные световые частицы будут ориентированы все в одном направлении. В этом случае отраженный свет будет полностью поляризован. Малюс и назвал это явление поляризацией. Слово ,, поляризация,, он придумал исходя из идеи о том , что частицы света имеют полюсы.

    После открытия Малюса стали изучать явление поляризации света. Был выяснен целый ряд свойств поляризованного света. Однако ученые все-таки пытались объяснить это явление с точки зрения корпускулярной теории. Создалось такое положение, когда Юнг и Френель прекрасно объяснили явление интерференции и дифракции, пользуясь представлениями о волновой природе света, но не могли объяснить поляризацию света.

    Раздумывая над явлениями поляризации и двойного лучепреломления, Юнг и Френель пришли к убеждению о необходимости считать световые волны не продольными, а поперечными. С помощью этой гипотезы Френель исследовал указанные явления и разработал теорию прохождения поперечных волн через двоякопреломляющее тело. Но все же гипотеза о поперечности световых волн вызвала много возражений. Действительно, уже было известно, что поперечные волны могут существовать и распространяться только в твердых телах, Поэтому эфир нужно было рассматривать как твердое тело. Но эфир ведь очень ,,тонкая среда,, гораздо более ,,тонкая,, чем воздух. Он не оказывает никакого сопротивления движению в нем. Планеты, например, движутся в эфире, не испытывая никакого сопротивления. Как же можно считать эфир твердым телом? Больше того, всякое тело обладает упругостью по отношению к сжатию. А это значит, что в нем могут распространяться волны сжатия и разряжения, т.е. продольные волны. Следовательно, в каждом твердом теле могут возникать и продольные и поперечные волны. Если только признать, что тело является абсолютно несжимаемым или абсолютно твердым, то в нем должны отсутствовать волны. Следовательно, эфир нужно было рассматривать не только как твердое тело, но и как абсолютно твердое тело. Такой эфир, конечно, представить себе было трудно.  

   Однако постепенно, несмотря на все трудности, стоявшие перед гипотезой о поперечности световых волн, волновая теория света начала побеждать и вытеснять корпускулярную теорию света.

   Новые исследования интерференции и дифракции света, в частности изобретение дифракционной решетки,  все больше и больше подтверждали эту теорию. Все больше ученых переходит на сторону волновой теории света. Можно считать, что к 40-м. Годам 19в. волновая теория света становится общепризнанной.

   Что же касается теории эфира, то над построением ее бились многие ученые. Но никто из них не мог получить удовлетворительных результатов; никто не мог составить удовлетворительного представления о такой среде, в которой могут существовать только поперечные волны, обладающие свойствами световых волн.

   В 1864 г. Максвелл высказал гипотезу об электромагнитной природе света. Спустя почти двадцать лет Герц подтвердил ее на опыте. После этого перед физиками встала проблема построить теорию эфира, которая давала бы объяснение электрическим и магнитным явлениям , а значит и оптическим.

   Ученые долго трудились и над этой проблемой, предлагая различные модели этой гипотетической среды. Было создано много теорий, но ни одну из них не признали удовлетворительной. Эфир ускользал от попыток физиков построить теорию. Появилось даже мнение о невозможности построения такой теории. Так дело продолжалось до возникновения теории относительности, которая покончила с эфиром и привела к новым представлениям о сущности электромагнитных, а вместе с этим и оптических явлений.  

  Список используемой  литературы:

1 Спасский Б. И.  ,,Физика в ее развитии,, , пособие для учащихся.  М.   Просвещение ,  1999 г.  –208с.

 2 Дягилев Ф.М.  ,,Из  истории физики  и жизни ее творцов,, , М. Просвещение , 1986 г. , 255 с.

3 Вавилов С.И. ,,Исаак  Ньютон ,, , Издательство Академии наук СССР, 1960 Г. 294 С.