Как определить давление и силу давления света…

Давление

Как определить давление и силу давления света...

По определению, давление – это сила, приходящаяся на единицу площади поверхности. Если речь идет о давлении некоторой силы на некоторую поверхность – то берут составляющую силы, направленную перпендикулярно поверхности, если говорят о давлении жидкостей и газов – то по закону Паскаля давление в этих средах передается во все стороны одинаково.

Давление измеряется в Паскалях –  [Па], [Па]=[Н/м]. Эта единица измерения является единицей СИ. Также давление (атмосферное) измеряют в мм рт. ст., а большие давления – в атмосферах или барах. Нормальное атмосферное давление – это давление величиной Па, или 760 мм рт.ст.

Галилео Галилей изобрел насос для полива и обнаружил, что столб воды в трубке никогда не поднимается выше 10 м, и не мог объяснить этот факт. Потом Торичелли, ученик Галилео, проводил опыты со ртутью, и ртуть поднималась в запаянной трубке на 760 мм.

Торичелли доказал, что воздух имеет вес, и атмосфера, таким образом, давит на поверхность планеты с определенной силой. Это вызвано силой гравитации. Именно давление окружающего воздуха и заставляет ртуть из чашки подниматься вверх по трубке на определенную высоту. Высота этого столба зависит от плотности жидкости: чем она плотнее, тем столбик ниже.

 Далее Блез Паскаль доказал, что, чем выше поднимаешься над поверхностью земли, тем меньше  атмосферное давление.

Отто фон Герике,  бургомистр Магдебурга, наглядно доказал существование атмосферного давления, поставив свой опыт с магдебургскими полушариями (под таким названием мы теперь их и знаем). Плотно прижав полушария друг к другу, он откачал воздух изнутри, и даже две восьмерки лошадей не смогли разъединить их.

Задача 1. Выразить давление 1 мм рт. ст. в единицах СИ.

Известно, что нормальное давление может быть выражено в мм рт.ст., и тогда оно равно 760 мм  рт.ст., или в Паскалях – единицах СИ, и тогда нормальным считают давление в Па.

Приравняем эти две величины: мм рт.ст Па, откуда мм рт.ст Па.

Сила давления

Задача 2.  Определить давление, которое оказывает шило на брусок, если оно действует с силой 100 Н и площадь его острия равна мм

Давление – это сила, приходящаяся на единицу площади: . Сила дана в единицах СИ – ньютонах, а площадь – нет, поэтому выразим площадь в квадратных метрах: в одном метре – 1000 мм, следовательно, в одном квадратном метре – мм, или мм. У нас площадь – всего четыре сотых мм, или из миллиона:

Теперь найдем давление:

Мы определили давление в Па, а давление, равное Па, еще называют одной атмосферой или баром. Тогда ответ этой задачи можно выразить еще в атмосферах (барах): , или 25000 атмосфер.

Задача 3. Цилиндрические сосуды уравновешены на весах. В сосуды наливают одинаковую массу воды. Нарушится ли равновесие весов? Одинаково ли будет давление воды на дно сосудов?

Сосуды с водой на весах

Так как весы были уравновешены, то после добавления на обе их чаши одинаковой массы они из равновесия не выйдут.

Поскольку из картинки понятно, что сосуды разного диаметра, то понятно, что одна и та же масса воды, имеющая один и тот же объем, при разных диаметрах образует разной высоты слои в этих сосудах.

То есть высота столба жидкости будет больше в узком сосуде, чем в широком. Так как давление воды прямо зависит от высоты столба , то в широком сосуде давление воды на дно меньше, чем в узком.

Задача 4. Рассчитать давление воды на самой большой глубине Тихого океана – 11035 м, на наибольшей глубине Азовского моря – 14 м. Принять плотность воды в Азовском море равной 1020 кг/м.  Атмосферное давление считать нормальным.

Давление в открытых сосудах (к ним можно отнести и моря с океанами) равно сумме атмосферного давления и давления столба жидкости. Таким образом, давление на самой большой глубине океана равно (с учетом плотности морской воды 1030 кг/м):

Это давление в Па, а в атмосферах – 1137,6 атм.

То есть каждые 10 метров водяного столба создают давление ровно в 1 атмосферу – вот почему в изобретенном Галилеем насосе вода не поднималась выше 10 метров, как он ни старался.

Давление в Азовском море:

Или 2,42 атмосферы.

Ответ: в океане Па, или 1137,6 атм, в Азовском море Па, или 2,42 атмосферы.

Задача 5. Определить высоту уровня воды в водонапорной башне, если манометр,  установленный у ее основания, показывает давление Па. Атмосферное давление считать нормальным.

Существенное отличие этой задачи от предыдущей в том, что башня – не открытый сосуд, то есть манометр будет показывать только давление столба жидкости. Отсюда, зная плотность воды, находим высоту столба:

Ответ: 22,4 метра

Задача 6. Желоб, до краев наполненный водой, имеет высоту см, ширину нижнего основания см и верхнего см. Определить силу давления воды на м длины боковой стенки. Атмосферное давление считать нормальным.

Желоб с водой

Так как желоб открыт, то давление будет складываться из атмосферного давления и давления столба жидкости.

Причем на верхний край боковой стенки жидкость не давит совсем (глубина равна 0, или, что то же самое – высота столба), а на нижний край жидкость давит как раз полной высотой столба.

Поэтому, для того чтобы рассчитать давление, при расчете возьмем среднее давление – то есть давление на половине глубины желоба.

Сила давления , рассчитаем давление и площадь боковой стенки:

см или 0,08 м, тогда

Желоб: детализация

Наконец, определяем силу:

Ответ: 14400 Н

Задача 7. Шар перекрывает отверстие радиусом  в плоской стенке, разделяющей жидкости, давление которых  и . С какой силой жидкость прижимает шар к отверстию?

Силу, зная  давление, можно найти как произведение давления на площадь:  .

Шарик, закрывающий отверстие

На шарик будут давить обе жидкости, но, поскольку их давления разные, то и давить они будут по-разному. Первая будет давить с силой , и  сила эта направлена вниз. Вторая будет давить с силой , и эта сила направлена уже вверх. Тогда суммарная сила давления на шарик будет: , направлена вниз.

Ответ: , направлена вниз.

Задача 8. Коническая пробка перекрывает сразу два отверстия в плоском сосуде, заполненном жидкостью с давлением . Радиусы отверстий  и . С какой силой  жидкость действует на пробку?

Треугольная пробка в двух отверстиях

Аналогично предыдущей задаче, жидкость будет давить на пробку во всех направлениях, но давление на боковую поверхность «справа» будет компенсировать давление на боковую поверхность «слева», в результате чего различие будет только в давлении, которое оказывает жидкость на «верх» и «низ» пробки.

На верхнее основание пробки – то есть на площадь пробки в отверстии – – жидкость будет давить вверх, пытаясь эту пробку вытолкнуть, с силой . На нижнее основание пробки – то есть на площадь пробки в отверстии – – жидкость будет давить вниз, пытаясь эту пробку втолкнуть поглубже, с силой .

Суммарная сила давления жидкости на пробку – разность этих двух сил, и, так как верхнее основание пробки больше нижнего, то в итоге жидкость больше будет давить вверх, чем вниз: , направлена вверх.

Ответ: , направлена вверх.

Задача 8. Плоскодонная баржа получила пробоину в дне площадью см. С какой силой нужно давить на пластырь, которым закрывают отверстие, чтобы сдержать напор воды  на глубине м? Вес пластыря не учитывать.

Пробоина в барже

Так как баржа, как и водонапорная башня – сосуд, закрытый сверху, то атмосферное давление не учитываем. Таким образом, вода будет давить  на пробоину с силой, равной произведению давления столба воды на глубине пробоины на площадь пробоины. Давление столба воды на такой глубине равно кПа, а сила, с которой надо будет удерживать пластырь, по  третьему закону Ньютона равна силе давления воды:

Ответ: 360 Н

Источник: https://easy-physic.ru/davlenie/

A. Давление света

Как определить давление и силу давления света...

Давлением света называется давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела. Существование давления было предсказано Дж. Максвеллом в его электромагнитной теории света.

Если, например, электромагнитная волна падает на металл (рис. 19.9), то под действием электрического поляволны с напряженностью \(\vec E\) электроны поверхностного слоя металла будут двигаться в направлении, противоположном вектору \(\vec E,\) со скоростью \(\vec \upsilon = const.

\) Магнитное поле волны с индукцией \(~В\) действует на движущиеся электроны с силой Лоренца в направлении, перпендикулярном поверхности металла (согласно правилу левой руки).

Давление р, оказываемое волной на поверхность металла, можно рассчитать как отношение равнодействующей сил Лоренца, действующих на свободные электроны в поверхностном слое металла, к площади поверхности металла:

\(p = \dfrac{ \sum_{n=1}n \vec F_{iL} }{S}.\)

На основании электромагнитной теории Максвелл получил формулу для светового давления. С ее помощью он рассчитал давление солнечного света в яркий полдень на абсолютно черное тело, расположенное перпендикулярно солнечным лучам. Это давление оказалось равным 4,6 мкПа:

\(~p = (1 + \rho)\dfrac{J}{c}.\)

где J — интенсивность света, \(~\rho\) — коэффициент отражения света (см. § 16.3), с — скорость света в вакууме. Для зеркальных поверхностей \(~\rho = 1,\) при полном поглощении (для абсолютно черного тела) \(~\rho = 0\)

С точки зрения квантовой теории, давление является следствием того, что у фотона имеется импульс \(p_f = \dfrac{h u}{c}.\) Пусть свет падает перпендикулярно поверхности тела и за 1 с на 1 м2 поверхности падает N фотонов.

Часть из них поглотится поверхностью тела (неупругое соударение), и каждый из поглощенных фотонов передает этой поверхности свой импульс \(p_f = \dfrac{h u}{c}.\) Часть же фотонов отразится (упругое соударение). Отраженный фотон полетит от поверхности в противоположном направлении.

Полный импульс, переданный поверхности отраженным фотоном, будет равен

\(\Delta p_f = p_f — (-p_f) = 2p_f = 2\dfrac{h u}{c}.\)

Давление света на поверхность будет равно импульсу, который передают за 1 с все N фотонов, падающих на 1 м2 поверхности тела (\(F\Delta t=\Delta p \Rightarrow F=\frac{\Delta p}{\Delta t}; p = \frac{F}{S}=\frac{\Delta p}{S\Delta t}\)).

Если \(~\rho\) — коэффициент отражения света от произвольной поверхности, \(k\) — коэффициент пропускания света, то \(~\rho \cdot N\) — это число отраженных фотонов, а \(~(1 — k — \rho)N\) — число поглощенных фотонов.

Следовательно, давление света

\(p = 2 \rho N \dfrac{h u}{c}+(1-k-\rho)N\dfrac{h u}{c} = (1 — k + \rho) N \dfrac{h u}{c}.\)

Произведение представляет собой энергию всех фотонов, падающих на 1 м2 поверхности за 1 с. Это есть интенсивность света (поверхностная плотность потока излучения падающего света):

\(Nhu = \dfrac{W}{S \cdot t} = I.\)

Таким образом, давление света \(p = (1 — k + \rho)\dfrac{I}{c}.\)

Предсказанное Максвеллом световое давление было экспериментально обнаружено и измерено русским физиком П. Н. Лебедевым. В 1900 г. он измерил давление света на твердые тела, а в 1907—1910 гг. — давление света на газы.

Прибор, созданный Лебедевым для измерения давления света, представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы).

Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварневой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками — светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги (рис. 19.

10). Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух.

Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление. В результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити определялось давление света.

Трудности измерения светового давления вызывались его исключительно малым значением и существованием явлений, сильно влияющих на точность измерений. К их числу относилась невозможность полностью откачать воздух из сосуда, что приводило к возникновению так называемого радиометрического эффекта.

Сущность этого явления в следующем. Сторона крылышек, обращенная к источнику света, нагревается сильнее противоположной стороны. Поэтому молекулы воздуха, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны. Так появляется дополнительный вращающий момент.

Схема установки Лебедева для измерения давления света на газы изображена на рисунке 19.11. Свет, проходящий сквозь стеклянную стенку А, действует на газ, заключенный в цилиндрическом канале В.

Под давлением света газ из канала В перетекает в сообщающийся с ним канал С. В канале С находится легкий подвижный поршень D, подвешенный на тонкой упругой нити Е, перпендикулярной плоскости чертежа.

Световое давление рассчитывалось по углу закручивания нити.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие, тем не менее, может оказаться существенным в других условиях. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль в процессах, происходящих внутри звезд.

https://www..com/watch?v=pP1bXQbRUx8 Посмотреть видео Опыт Лебедева (давление света)

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 564-566.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/A._%D0%94%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B0

Давление света. Опыты Лебедева. урок. Физика 11 Класс

Как определить давление и силу давления света...

Данный видеоурок посвящён теме «Давление света. Опыты Лебедева».

Опыты Лебедева произвели огромное впечатление на ученый мир, поскольку благодаря им впервые было измерено давление света и доказана справедливость теории Максвелла.

Как ему это удалось? Ответ на этот и многие другие интересные вопросы, связанные с квантовой теорией света, вы сможете узнать из этого увлекательного урока физики.

Тема: Давление света

Урок: Давление света. Опыты Лебедева

Впервые гипотеза о существовании светового давления была высказана Иоганном Кеплером в XVII веке для объяснения явления хвостов комет при полете их вблизи Солнца.

Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствие.

Под действием электрического поля волны электроны в телах совершают колебания – образуется электрический ток. Этот ток направлен вдоль напряженности электрического поля. На упорядоченно движущиеся электроны действует сила Лоренца со стороны магнитного поля, направленная в сторону распространения волны – это и есть сила светового давления (Рис. 1).

Рис. 1. Опыт Максвелла

Для доказательства теории Максвелла необходимо было измерить давление света. Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 году (Рис. 2).

Рис. 2. Петр Николаевич Лебедев

Рис. 3. Прибор Лебедева

Прибор Лебедева (Рис. 3) состоит из легкого стержня на тонкой стеклянной нити, по краям которой прикреплены легкие крылышки. Весь прибор помещался в стеклянный сосуд, откуда был выкачан воздух. Свет падает на крылышки, расположенные по одну сторону стерженька. О значении давления можно судить по углу закручивания нити.

Трудность точного измерения давления света была связана с тем, что из сосуда невозможно было выкачать весь воздух. При проведении эксперимента начиналось движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда. Крылышки невозможно повесить абсолютно вертикально.

Нагретые потоки воздуха поднимаются наверх, действуют на крылышки, что приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов. Также на закручивание нити влияет неоднородный нагрев сторон крылышек. Сторона, обращенная к источнику света, нагревается больше, чем противоположная.

Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс.

Рис. 4. Прибор Лебедева

Рис. 5. Прибор Лебедева

Лебедев сумел преодолеть все трудности, несмотря на низкий уровень экспериментальной техники в те времена. Он взял очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. Крылышко состояло из двух пар тонких платиновых кружочков. Один из кружочков каждой пары был блестящим с обеих сторон. У других сторон одна сторона была покрыта платиновой чернью. При этом обе пары кружочков различались толщиной.

Для исключения конвекционных потоков, Лебедев направлял пучки света на крылышки то с одной, то с другой стороны. Таким образом, силы, действующие на крылышки, уравновешивались (Рис. 4–5).

Рис. 6. Прибор Лебедева

Рис. 7. Прибор Лебедева

Так давление света на твердые тела было доказано и измерено (Рис. 6–7). Значение этого давление совпало с предсказанным давлением Максвелла.

Через три года Лебедеву удалось совершить еще один эксперимент – измерить давление света на газы (Рис. 8).

Рис. 8. Установка для измерения давления света на газы

Лорд Кельвин: «Вы, может быть, знаете, что я всю жизнь воевал с Максвеллом, не признавая его светового давления, и вот ваш Лебедев заставил меня сдаться перед его опытами».

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину давления света.

Фотоны обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Такое взаимодействие можно рассматривать как абсолютно неупругий удар.

На поверхность со стороны каждого фотона действует сила:

Давление света на поверхность:

Взаимодействие фотона с зеркальной поверхностью

В случае данного взаимодействия получается абсолютно упругое взаимодействие. При падении фотона на поверхность он отражается от нее с той же скоростью и импульсом, с которыми упал на эту поверхность. Изменение импульса будет в два раза больше, чем при падении фотона на черную поверхность, давление света увеличится в два раза.

В природе не существует веществ, поверхность которых полностью бы поглощала или отражала фотоны. Поэтому для расчета давления света на реальные тела необходимо учитывать, что часть фотонов поглотится этим телом, а часть отразится.

Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом. Хотя в обычных условиях световое давление очень мало, его действие может оказаться существенным. На основе давления Солнца был разработан парус для космических кораблей, который позволит перемещаться в космосе под давлением света (Рис. 11).

Рис. 11. Парус космического корабля

Давление света, согласно теории Максвелла, возникает в результате действия силы Лоренца на электроны, совершающие колебательные движения под действием электрического поля электромагнитной волны.

С точки зрения квантовой теории давление света возникает в результате взаимодействия фотонов с поверхностью, на которую они падают.

Вычисления, которые были проведены Максвеллом, совпали с теми результатами, которые произвел Лебедев. Это ярко доказывает квантово-волновой дуализм света.

Опыты Крукса

Лебедев впервые обнаружил давление света экспериментально и смог его измерить. Опыт был невероятно сложным, но существует научная игрушка – опыт Крукса (Рис. 12).

Рис. 12. Опыт Крукса

Маленький пропеллер, состоящий из четырех лепестков, расположен на игле, которая накрыта стеклянным колпаком. Если осветить этот пропеллер светом, то он начинает вращаться.

Если посмотреть на этот пропеллер в открытом воздухе, когда на него дует ветер, его вращение никого бы не удивило, но в данном случае стеклянный колпак не позволяет потокам воздуха действовать на пропеллер.

Поэтому причиной его движения является свет.

Английский физик Уильям Крукс случайно создал первую световую вертушку.

В 1873 году Крукс решил определить атомный вес элемента Таллия и взвесить его на очень точных весах. Чтобы случайные воздушные потоки не исказили картины взвешивания, Крукс решил подвесить коромысла в вакууме. Сделал и поразился, так как его тончайшие весы были чувствительны к теплу. Если источник тепла находился под предметом, он уменьшал его вес, если над – увеличивал.

Усовершенствовав этот свой нечаянный опыт, Крукс придумал игрушку – радиометр (световая мельничка). Радиометр Крукса – это четырехлопастная крыльчатка, уравновешенная на игле внутри стеклянной колбы с небольшим разряжением.

При попадании на лопасть светового луча, крыльчатка начинает вращаться, что иногда неправильно объясняют давлением света. На самом деле причиной кручения служит радиометрический эффект.

Возникновение силы отталкивания за счет разницы кинетических энергий молекул газа, налетающих на освященную (нагретую) сторону лопасти и на противоположную неосвещенную (более холодную).

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/davlenie-sveta/davlenie-sveta-opyty-lebedeva-2

Biz-books
Добавить комментарий