Доказать что сила давления оказываемая светом солнца

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Свет — солнце

На пути через толщу воздуха свет Солнца частично рассеивается в стороны, причем сильнее рассеиваются короткие волны, так что достигший Земли свет становится относительно богаче излучением длинноволновой части спектра. Благодаря этому Солнце и Луна на восходе ( или закате) имеют медножел-тый, иногда даже красноватый оттенок. [16]

В качестве рисующего света используется свет солнца , свет отражательных экранов и электрических приборов. [17]

Несмотря на то, что свет солнца или неба всегда трудно использовать в качестве надежного источника света для промышленных целей, в книгу включены некоторые данные, которые могут оказаться полеаными в тех редких случаях, когда солнце или небо являются источниками излучения. Спектральное распределение достигающего земной поверхности солнечного излучения зависит от высоты [356] Солнца над горизонтом и от широты места наблюдения. [20]

Рассматривая такой клин, освещенный светом солнца или проекционного фонаря, мы увидим ряд горизонтальных цветных полос, параллельных ребру клина. Полосы повторяются в известной последовательности цветов. В однородном свете ( светофильтр) получим чередование светлых и темных полос той же формы. В пленках со случайным распределением толщины ( например, в пленке нефти на поверхности воды) расположение полос максимумов и минимумов имеет прихотливый характер. [22]

Доказать, что сила давления, оказываемая светом Солнца на какое-либо тело, обратно пропорциональна квадрату расстояния от этого тела до Солнца. [23]

F есть очень маленькое отверстие, через которое проходит свет Солнца , затем на любом расстоянии ставится призма ABC, через которую проходят, преломляясь, лучи, как я объяснил выше. Придвинув глаз, ты увидишь удлиненное изображение РТ круглого отверстия Г; длина изображения, отнесенная к ширине, тем больше, чем уже отверстие F. Если таким образом лучи не иначе входят в глаз, как если бы они истекали из удлиненного пространства РГ, то необходимо, чтобы это пространство казалось светящимся. [24]

Желтовато-оранжевые занавеси спальной ярко пылали, пропуская в комнату мягкий свет восходящего апрельского солнца . [25]

Другим доказательством способности света распространяться в вакууме являются наблюдения света Солнца и звезд, отделенных от нас огромными пространствами, содержащими в единице объема еще меньше вещества, чем самые совершенные вакуумные приборы. [26]

Другим доказательством способности света распространяться в пустоте являются наблюдения света Солнца и звезд, отделенных от нас огромными пространствами, содержащими еще меньше вещества, чем самые совершенные пустотные приборы. [27]

И вопрошал пишущий сие: Учитель, знает ли Рай свет солнца , как тот мир, в коем пребываем мы. Отвечал Иисус: Сказал мне Господь: Сотворил Я мир, в котором вы, грешники, живете под светом солнца и луны и возлюбивших ее звезд. [30]

Источник

Оказывает ли свет давление? Как это доказать?

Независимо от того, с корпускулярной или волновой точки зрения рассматривать свет, вывод о давлении света на поверхность не вызывает сомнения. Я тоже уверен в том, что свет оказывает давление на облучаемую поверхность. Но я не знаю, как это доказать.

Самым надежным доказательством того, что свет имеет импульс, был бы звездолёт с фотонным двигателем. Но это дело далёкого будущего. В настоящее время можно построить только солнечный парус. Это лёгкая конструкция, имеющая отражающую поверхность большой площади. Такое устройство может применяться в качестве двигателя, использующего энергию Солнца. Но проблема заключается в том, что даже успешное применение солнечного паруса для передвижения космических аппаратов не доказывает давление света. Дело в том, что помимо светового излучения, Солнце излучает большой поток ионизированных частиц, в основном гелиево-водородной плазмы, истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/сек в окружающее космическое пространство ( https://ru.wikipedia.org/wiki/Солнечный_ветер ). Действие этого солнечного ветра может быть намного значительнее, чем световое давление. Это аналогично тому, что если парусник движется по морской поверхности кормой к солнцу, то это не означает, что он движется под воздействием солнечного света.

Но свет, безусловно, воздействует на поверхность тел. Если поверхность тела чёрная, то свет будет поглощаться этой поверхностью. Если поверхность зеркальная, то свет будет полностью отражаться от неё. Правильнее сказать, что всё происходит наоборот. Если свет поглощается, то поверхность будет называться чёрной. А если свет отражается, то она будет зеркальной. В любом случае, взаимодействие света с поверхностью будет зависеть от свойств этой поверхности. И это можно продемонстрировать экспериментально. В 1874 году английский химик и физик Уильям Крукс построил устройство, которое получило название радиометр Крукса. Это устройство представляет собой лёгкую четырёхлопастную крыльчатку, установленную на иглу в стеклянной колбе, в которой находится очень разряжённый воздух. Одна сторона лопасти зачернена, а другая имеет зеркальную поверхность. Поэтому при освещении колбы источником света лопасти приходят в быстрое вращение ( https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиометр_Крукса ).

Сам Крукс объяснял этот эффект давлением света на поверхность лопастей. Это объяснение первоначально поддерживал Джеймс Максвелл, который предсказал существование силы света. Я полагаю, что ему было очень приятно, что его теоретические предсказания получили наглядное и убедительное подтверждение. Но лишь спустя два (!) года, физики заметили, что лопасти в радиометре Крукса вращаются в направлении, противоположном тому, которое предсказывается теорией Максвелла. Действительно, луч света, падающий на чёрную поверхность, передаёт ей определённый импульс. Луч света, который падает на зеркальную поверхность и отражается от неё, передаёт ей двойной импульс. То есть на зеркальную поверхность свет давит вдвое сильнее. Поэтому лопасти должны вращаться тёмной стороной вперёд. Но на практике они вращаются зеркальной стороной вперёд. Это явление поставило физиков в тупик.

Многие известные физики предложили своё теоретическое объяснение этого явления. Всё дело в том, что кроме давления света, на работу устройства оказывают влияние более значимые эффекты. Они обусловлены наличием разряженного воздуха в колбе. Свет падает на лопасти и нагревает их в различной степени. Рейнольдс предположил, что существуют потоки частиц внутри пористой пластинки, у которой отличается температура поверхностей. Эти внутренние потоки газа вызывают вращение пластинок. Эйнштейн объяснял вращение тем, что молекулы газа, ударившиеся о темную сторону лопасти, будут забирать часть её тепла, отскакивая с увеличенной скоростью. Поэтому отражение частиц воздуха от чёрной поверхности будет отличаться от отражения частиц воздуха от зеркальной поверхности. Что приведёт к вращению лопастей. Безусловно, эти эффекты присутствуют. Но какой из них играет более важную роль? А может существуют другие, более существенные эффекты? Физики не ответили на эти вопросы до сих пор.

Русский физик Лебедев в 1901 году показал, что вращение лопастей вызвано наличием воздуха. Он применил более совершенные вакуумные насосы для откачивания воздуха. Оказалось, что в более разряженной среде лопасти не вращаются при облучении светом. Не вращаются совсем. То есть давления света не хватает для преодоления силы трения и заметного вращения лопастей. Лебедев смог усовершенствовать установку и провести эксперименты по изучению давления света.

Лебедев при помощи виртуозных, хотя и выполненных скромными средствами опытов подтвердил теоретическое предсказание Максвелла о давлении света на твёрдые тела.

Это окончательно убедило всех в том, что свет оказывает давление. Это настолько очевидно, что и проверять никто не стал. А нам остаётся ждать разработки фотонных двигателей для звездолётов.

Можно подвести итог, что:

1. Не все очевидные утверждения можно легко доказать.

2. Не всегда первое пришедшее в голову и очевидное объяснение является правильным.

3. Объяснить можно хоть что, если известен ответ.

Источник

Солнечный парус. Давление света

Впервые предположение о том, что давление света существует, было сделано немецким учёным Иоганном Кеплером в XVII веке.

Изучая поведение комет, пролетающих вблизи Солнца, он обратил внимание на то, что хвост кометы всегда отклоняется в сторону, противоположную Солнцу. Кеплер предположил, что каким-то образом это отклонение вызывается воздействием солнечных лучей.

Максвелл исходил из того, что свет — это электромагнитная волна. Она создаёт электрическое поле, под действием которого электроны в теле, встречающиеся на её пути, совершают колебания. В теле возникает электрический ток, направленный вдоль напряжённости электрического поля. Со стороны магнитного поля на электроны действует сила Лоренца . Её направление совпадает с направлением распространения световой волны. Эта сила и есть сила светового давления .

По расчётам Максвелла, солнечный свет производит на чёрную пластину давление определённой величины (р = 4 ·10⁻⁶ Н/м²). А если вместо чёрной пластины взять светоотражающую, то световое давление будет в 2 раза больше.

Но это было всего лишь теоретическое предположение. Чтобы доказать его, нужно было подтвердить теорию практическим экспериментом, то есть измерить величину светового давления. Но так как его величина очень мала, то практически сделать это чрезвычайно сложно.

На практике этот сложный эксперимент осуществил русский физик-экспериментатор Пётр Николаевич Лебедев .

Опыт, проведенный им в 1899 г., подтвердил предположение Максвелла о том, что световое давление на твёрдые тела существует.

Для проведения своего опыта Лебедев создал специальный прибор, который представлял собой стеклянный сосуд. Внутрь сосуда помещался лёгкий стерженёк на тонкой стеклянной нити. По краям этого стерженька были прикреплены тонкие лёгкие крылышки из различных металлов и слюды. Из сосуда выкачивался воздух. С помощью специальных оптических систем, состоящих из источника света и зеркал, пучок света направлялся на крылышки, расположенные с одной стороны стерженька. Под воздействием светового давления стерженёк поворачивался, и нить закручивалась на какой-то угол. По величине этого угла и определяли величину светового давления.

Лебедеву удалось измерить давление света и показать, что давление, оказываемое светом на блестящее крылышко, в два раза больше давления на черное крылышко. Результаты опыта подтвердили теоретические предположения Максвелла о существовании светового давления. А его величина была почти такой же, как и предсказал Максвелл.

Давление света одинаково успешно объясняется как волновой, так и квантовой теорией света.

С точки зрения квантовой теории световое давление объясняется передачей импульса фотона поглощающей или отражающей стенке. Пусть в единицу времени на единицу площади тела падает n фотонов. Если коэффициент отражения света от поверхности тела равен R, то Rn фотонов отражается, а (1 — R) n поглощается. Каждый отраженный фотон передает стенке импульс 2hν/с (при отражении импульс hν/с фотона меняется на -hν/с). Каждый поглощенный фотон передает стенке свой импульс hν/с. Таким образом, давление света на поверхность равно импульсу, который передают единичной площади в единицу времени все n фотонов:

р = 2hνRn/с + hν(1- R)n/с ,

или р = nhν (1+ R)/с = I (1+ R)/с = w (1+ R),

где I = nhν – интенсивность света; w = I/c – объемная плотность энергии падающего излучения.

Задача

Интенсивность солнечного излучения на земной орбите равна примерно

I = W/S ≈ 1.4 кВт/м². Какое давление создаёт свет Солнца, нормально падающий на зеркальную поверхность, на орбите Земли. Определить при этом силу давления F, испытываемую зеркальной поверхностью солнечного паруса площадью S = 200 м².

Несмотря на то, что величина светового давления очень мала, тем не менее, световое давление может принести пользу человеку.

Идея полётов в космосе с использованием солнечного паруса возникла в 1920-е годы в России и принадлежит одному из пионеров ракетостроения Фридриху Цандеру.

Фридрих Артурович Цандер , один из создателей первой ракеты на жидком топливе, выдвинул идею полетов в космос с помощью солнечного паруса . Она была очень проста. Солнечный свет состоит из фотонов. А они создают давление, передавая свой импульс любой освещённой поверхности. Следовательно, для того чтобы привести в движение космический аппарат, можно использовать давление, создаваемое солнечным светом или лазером на зеркальной поверхности. Такой парус не нуждается в ракетном топливе, и время его действия не ограничено. А это позволит взять больше груза по сравнению с обычным космическим кораблём с реактивным двигателем.

Несмотря на малую величину, давление света часто рассматривается в серьёзных и фантастических проектах, как движитель в космических полётах. Потенциальная выгода от такого движителя заключается в отсутствии необходимости расходовать ресурсы космического корабля — солнечный свет в этом смысле является «бесплатным» ресурсом, неограниченным во времени. Поэтому в некоторых случаях такой движитель представляет потенциальный интерес.

Советскими учёными в феврале 1993 года на корабле «Прогресс-М15» был проведен уникальный эксперимент «Знамя-2» по развертыванию крупногабаритного экрана, солнечного паруса. Проект «Знамя» решал две задачи: на время создать искусственное освещение для планеты и проверить работу солнечного паруса. «Знамя-2» мог стать прототипом фотонного двигателя — космического паруса.

В 2012 году был проведён ряд опытов по развёртыванию «солнечного паруса» («Nanosail-D2» НАСА, запущен 20.11.2010). Давление солнечного излучения на солнечные батареи использовалось зондом «Messenger» (запущен 3 августа 2004) во время полёта к Меркурию для коррекции орбиты.

Первым использовавшим космический парус как двигатель аппаратом стал японский IKAROS, который и считается первым в истории космическим парусником . 21 мая 2010 года Японское космическое агентство (JAXA) запустило ракету-носитель H-IIA, на борту которой находились космический аппарат IKAROS с солнечным парусом и метеорологический аппарат для изучения атмосферы Венеры. IKAROS оснащён парусом из тончайшей мембраны размером 14 на 14 метров по длине и ширине. С его помощью предполагается исследовать особенности движения аппаратов при помощи солнечного света. На создание аппарата было потрачено 16 миллионов долларов. Раскрытие солнечного паруса началось 3 июня 2010 года, а 10 июня успешно завершилось. По кадрам, переданным с борта IKAROS, можно сделать вывод, что все 196 квадратных метров ультратонкого полотна расправились успешно, а тонкоплёночные солнечные батареи начали вырабатывать энергию.

IKAROS представляет собой космический парусник, который способен двигаться от давления солнечного света. Задачей-минимум миссии было развернуть в космосе гигантский парус, сторона которого равна 14 метрам, а толщина — 7,5 микрона — тоньше человеческого волоса. Задача-максимум состояла в том, чтобы научить парусник регулировать скорость и направление в зависимости от солнечного излучения. IKAROS успешно выполнил обе эти задачи.

Источник