Об отражении - Каталог статей

Об отражении

Объяснив явление световых волн, распространяющихся в однородной среде, мы исследуем затем, что происходит с ними при встрече с другими телами. Сперва мы покажем, как этими же волнами объясняется отражение света и почему при нем сохраняется равенство углов. Пусть АВ (рис. 6) – плоская полированная поверхность какого-нибудь металла, стекла или другого тела, которую я сначала приму за совершенно гладкую (о неровностях, от которых она не может быть свободна, я скажу в конце этого доказательства), и пусть прямая AC, наклоненная к АВ, представляет собой часть световой волны, центр которой будет так далеко, что эта часть AC может быть принята за прямую линию. Я рассматриваю все это как бы в одной плоскости, представляя себе, что плоскость, в которой находится это изображение, пересекает сферу волны через ее центр, а плоскость АВ – под прямыми углами, о чем достаточно предупредить раз навсегда. Точка С волны AC в некоторый промежуток времени продвинется до плоскости АВ к точке В по прямой СВ, которую должно представлять себе исходящей из светящегося центра и которая, следовательно, перпендикулярна AC. Но за тот же промежуток времени точка А той же волны не могла, по крайней мере отчасти, сообщить свое движение за пределы плоскости АВ и должна была продолжить свое движение в материи, находящейся над этой плоскостью, притом на протяжении, равном СВ; вместе с тем она должна была, согласно сказанному выше, образовать свою отдельную сферическую волну. Указанная волна изображена здесь окружностью NR, центр которой в А, а полудиаметр AN равен СВ. Если затем рассмотреть остальные точки H волны AC, то ясно, что они не только достигнут поверхности АВ по прямым НК, параллельным СВ, но еще породят в прозрачной среде из центров К отдельные сферические волны, представленные окружностями, полудиаметры которых равны КМ, т.е. продолжениям линий H К до прямой BG, параллельной AC. Но все эти окружности, как это легко видеть, имеют общей касательную прямую BN, т.е. ту же прямую, которая является касательной из точки В к первому из этих округов, центром которого была точка А, а полудиаметром, равным прямой ВС, AN. Итак, прямая BN (заключенная между точками В и N, на которую падает перпендикуляр из точки А) как бы образована всеми этими окружностями и заканчивает движение, возникшее при отражении волны AC. Поэтому в этом месте движение имеется в гораздо большем количестве, чем где-либо, и, согласно объясненному выше, BN является распространением волны AC в тот момент, когда ее точка С достигла точки В. Действительно, нет другой прямой, которая, как BN, была бы общей касательной всех данных кругов, если не считать BG под плоскостью АВ. Эта BG была бы продолжением волны, если бы движение могло распространяться в среде, однородной с той, которая находится над плоскостью. Если мы хотим видеть, как волна AC постепенно достигла BN, то достаточно провести в той же фигуре прямые КО, параллельные BN, и прямые KL, параллельные AC. Тогда мы увидим, что волна AC из прямой последовательно становится ломаной во всех положениях OKL и снова становится прямой в NB. Но отсюда видно, что угол отражения оказывается равным углу падения. Из того, что треугольники АСВ и BNA прямоугольны и имеют общую сторону АВ, а сторона СВ равна NA, следует, что углы, противолежащие этим сторонам, будут равны, а следовательно, также углы СВА и NAB. Но как СВ, перпендикулярная СА, показывает направление луча падающего, так AN, перпендикулярная волне BN, показывает направление луча отраженного; значит, эти лучи одинаково наклонны к плоскости АВ.(...) О преломлении (...) Для объяснения причины этих явлений, согласно нашим принципам, допустим, что прямая АВ (рис. 7) представляет собой плоскую поверхность, которой ограничены прозрачные тела, простирающиеся по направлению к С и N. Когда я говорю про плоскую поверхность, то имею в виду при этом не совершенно ровность, но такую же, какую мы принимали, когда рассматривали отражение, причем по тем же самым соображениям. Пусть линия AC представляет собой часть световой волны, центр которой, по предположению, так далек, что эту часть можно рассматривать как прямую линию. Тогда точка С волны AC в некоторый промежуток времени достигнет плоскости АВ по прямой СВ, которую нужно представлять себе исходящей из светящегося центра и которая, следовательно, пересечет AC под прямыми углами. Если бы материя прозрачного тела передавала движение волны так же быстро, как материя эфира, то за это же время точка А пришла бы в точку G по прямой AG, равной и параллельной СВ, и вся часть волны AC оказалась бы в GB. Но предположим, что она передает это движение менее быстро, скажем, на одну треть. Тогда от точки А движение распространится в материи прозрачного тела на расстояние, равное двум третям СВ, образовав свою отдельную сферическую волну, согласно сказанному выше. Эта волна изображена окружностью SNR, центр которой А, а полудиаметр равен двум третям СВ. Если рассматривать другие точки H волны AC, то окажется, что за то время, за которое точка С придет в В, они не только достигнут поверхности АВ по прямым НК, параллельным СВ, но сверх того произведут еще из центров К в прозрачной среде отдельные волны, представленные здесь окружностями, полудиаметры которых равны двум третям линий КМ, т.е. двум третям продолжений линий НК до прямой BG. Эти полудиаметры были бы равны целым КМ, если бы обе прозрачные среды были одинаковой проницаемости. Следовательно, все эти окружности имеют общей касательной прямую линию BN, т.е. касательную из точки В к окружности SNR, которую мы рассматривали первой. Легко видеть, что все другие окружности коснутся той же линии BN от точки В до точки касания N, совпадающей с точкой, в которую падает AN, перпендикуляр к BN. Таким образом, прямая BN, состоящая из ряда маленьких дуг этих окружностей, заканчивает движение, которое волна AC передала в прозрачное тело, и на этой прямой движение находится в большем количестве, чем где-либо в другом месте. И значит, эта прямая, согласно тому, что было сказано не раз, является распространением волны AC в тот момент, когда ее точка С достигла точки В. Действительно, под плоскостью АВ не существует другой линии, которая, как BN, была бы общей касательной всех указанных отдельных волн. Если хотят знать, каким образом волна AC постепенно достигла прямой BN, стоит только на том же рисунке провести прямые КО параллельно BN, а все KL – параллельно AC. Тогда будет видно, что волна СА из прямой становится ломаной последовательно во всех LKO, и снова становится прямой в BN. Это очевидно из того, что уже было показано, и не нуждается в дальнейших разъяснениях. Если на том же рисунке провести прямую EAF (рис. 7), которая пересекла бы плоскость АВ под прямыми углами в точке А, и если линия AD будет перпендикулярна волне AC, то линия DA будет обозначать падающий луч света, а прямая AN, перпендикулярная BN, – луч преломленный: ведь лучи суть не что иное, как прямые линии, по которым распространяются части волн. Отсюда ясно видно главное свойство преломления: именно синус угла DAE всегда находится в одном и том же отношении к синусу угла NAF, каким бы ни был наклон луча DA, и это отношение то же, что и отношение скорости волн в прозрачной среде, простирающейся в направлении АЕ, к скорости волн в прозрачной среде, простирающейся в направлении к AF. Действительно, если принять АВ за радиус круга, то синусом угла ВАС будет ВС, а синусом угла ABN будет AN. Но угол ВАС равен углу DAE, так как каждый из них, прибавленный к углу САЕ, образует прямой угол. Угол же ABN равен углу NAF, так как каждый из них образует прямой угол вместе с углом BAN. Следовательно, синус угла DAE относится к синусу угла NAF, как ВС к AN. Но отношение ВС к AN было равно отношению скоростей света в среде, простирающейся в направлении к АЕ, и в среде, простирающейся к AF. Таким образом, синус угла DAE относится к синусу угла NAF, как указанные скорости света. (...) О своеобразном преломлении в исландском кристалле 1. Из Исландии, острова Северного моря, расположенного на широте 66°, привозят особого рода кристалл, или прозрачный камень, который весьма замечателен по своей форме и другим свойствам, но главным образом своими странными преломлениями света. Причины этих странных преломлений казались мне тем более достойными тщательного исследования, что среди прозрачных тел он один не следует обычным правилам по отношению к световым лучам. Я был даже до некоторой степени вынужден произвести эти исследования, так как преломления в этом кристалле, казалось, опровергали наше предшествующее объяснение правильного преломления. Но, как будет видно, данное нами объяснение, наоборот, весьма подтверждается этими преломлениями, если их свести к тому же принципу. (...) 18. Так как здесь имелись два различных преломления, я подумал, что существуют также и две различные категории распространяющихся волн света и что одна из них может существовать в эфирной материи, распространенной в теле кристалла. Эта материя, находясь в гораздо большем количестве, чем составляющие тело частицы, одна способна обусловить прозрачность согласно вышеприведенному объяснению. Я приписывал этой категории волн правильное преломление, наблюдаемое в этом камне, предполагая, что эти волны имеют обыкновенную сферическую форму и распространяются более медленно внутри кристалла, чем вне его; я показал, что от этого происходит преломление. 19. Что же касается другой категории, которая должна была произвести неправильное преломление, то я хотел испробовать, что будут давать эллиптические или, лучше сказать, сфероидальные волны. Я предполагал в соответствии с последним способом, которым я объяснял прозрачность, что эти волны будут распространяться одинаково как в эфирной материи, содержащейся в кристалле, так и в частицах, из которых он состоит. Мне казалось, что правильное расположение или размещение этих частиц могло способствовать образованию сфероидальных волн (для чего требовалось только, чтобы последовательное движение света распространялось немного быстрее в одном направлении, чем в другом), и я почти не сомневался в существовании в этом кристалле такого размещения равных и подобных частиц вследствие определенности и неизменности его формы и углов. Относительно этих частиц, их формы и расположения я предложу в конце этого трактата мои соображения и несколько подтверждающих их опытов. (...) 22. Допустив, таким образом, кроме сферических волн и подобные сфероидальные волны, я приступил к исследованию, могут ли они служить для объяснения явлений неправильного преломления и как с помощью этих явлений я мог бы определить форму и положение сфероидальных волн, в чем я достиг, наконец, желанного успеха. (...) Неподвижен ли эфир или же он увлекается при движении тел? Марио ЛЬОЦЦИ Гипотеза упругих колебаний эфира сразу ставила проблему: неподвижен эфир или же движется? В частности, движется ли эфир, сконцентрированный в теле, вместе с этим телом? Прекрасные опыты Араго доказали, что движение Земли не оказывает никакого ощутимого воздействия на преломление света, приходящего от звезд. Этот результат был несовместим с корпускулярной теорией, поэтому Араго обратился к Френелю с вопросом, укладывается ли он в рамки волновой теории. В одном из своих писем 1817 г. Френель ответил, что этот результат легко объясняется волновой теорией, как и явление аберрации, если только принять частичное увлечение эфира, т.е. принять, что движущееся тело увлекает с собой не весь содержащийся в нем эфир, а лишь избыточную часть эфира по сравнению с равным объемом пустого пространства. С помощью этой гипотезы Френелю удалось объяснить все явления, проистекающие из-за быстрого движения преломляющего тела. Влияние движения тел, испускающих свет или звук, было исследовано теоретически в 1842 г. австрийским физиком Христианом Допплером (1803...1853), который показал, что при приближении источника света к наблюдателю период колебаний представляется наблюдателю меньшим, чем при неподвижном источнике, т.е. цвет излучения смещается в сторону ультрафиолета. Если же источник удаляется от наблюдателя, то цвет смещается в красную сторону спектра. Аналогично если источник звука приближается к наблюдателю, то звук воспринимается более высоким, а если удаляется – более низким; в этом явлении теперь легко убедиться, наблюдая изменение высоты звука гудка паровоза, проходящего мимо наблюдателя. В 1848 г. Физо предложил воспользоваться этим явлением, получившим название эффекта Допплера, или эффекта Допплера – Физо, для измерения радиальной составляющей скорости звезд по смещению их спектральных линий. Уже сам Допплер заметил, что этот же метод можно применить для измерения скоростей двойных звезд; однако это измерение никому не удавалось провести, в том числе и Максвеллу. Применение допплеровского метода в астрофизике стало возможным лишь после появления в 1860 г. призмы прямого зрения, которую предложил астроном Джован Баттиста Амичи (1786...1863), известный конструктор оптических инструментов большой точности. Помимо этой призмы, как известно из учебников физики, он ввел в употребление еще другую призму (полного внутреннего отражения), названную в его честь, усовершенствовал микроскоп и предложил идею иммерсионного микроскопа. Призма прямого зрения Амичи состоит из призмы из флинтгласа, расположенной между двумя призмами из кронгласа; она дает спектр в направлении падающего луча. В 1869 г. Фридриху Цолльнеру (1834...1882) пришла в голову счастливая идея применить пару противоположно расположенных призм прямого зрения Амичи, чтобы получить два противоположных спектра. Таким образом был создан так называемый реверсионный спектроскоп, который позволял уже использовать эффект Допплера. С этого момента значение эффекта Допплера в астрофизике чрезвычайно возросло. Эффект Допплера тоже как будто подтверждал идею Френеля о частичном увлечении эфира; тем не менее эту гипотезу оспаривал Джордж Габриэль Стокс (1819...1903), один из наиболее блестящих продолжателей дела Френеля, известный прежде всего открытием в 1852 г. явления флюоресценции и закона, определяющего флюоресценцию, который и сейчас называется «законом Стокса». В известной работе, относящейся к 1845 г., Стокс отстаивает идею о полном увлечении эфира, находящегося в непосредственной близости от Земли, которое переходит постепенно в частичное увлечение, все более уменьшающееся по мере удаления от Земли. В 1851 г. Физо пытался решить этот вопрос, заставив интерферировать два луча света, один из которых проходил столб воды в направлении ее течения, а второй – против течения. Если эфир увлекается при движении воды, то интерференционные полосы должны сместиться по отношению к тому положению, которое они занимают в опыте с неподвижной водой. Экспериментальные результаты, полученные Физо, подтвердили гипотезу Френеля. К тому же выводу привели исследования Эдуарда Кеттелера (1836...1900), проведенные в 1871 г., и исследования Майкельсона и Морли в 1886 г. Но еще пятью годами раньше Майкельсон в своем ставшем впоследствии знаменитом опыте пытался экспериментально обнаружить движение Земли относительно эфира, принимаемого за неподвижный, т.е. обнаружить так называемый «эфирный ветер». Примененный Майкельсоном метод можно назвать «методом двух путей»: один луч света, падая на слегка посеребренную пластину, расщеплялся на два взаимно перпендикулярных луча; эти лучи отражались по нормали от двух зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластины, возвращались обратно по тому же пути, сливались вместе и направлялись в оптическую систему. Если Земля движется относительно эфира, то из-за различия времен, требуемых для прохождения обоими лучами своих взаимно перпендикулярных путей, должна наблюдаться интерференционная картина. Хотя линейная скорость обращения Земли вокруг Солнца (30 км/сек) довольно мала по сравнению со скоростью света, экспериментальная установка была способна обнаружить даже в 100 раз меньший эффект. Этот опыт, многократно повторенный для различной ориентации прибора и в разное время года, давал у Майкельсона все время чисто отрицательный результат. Критика этого опыта со стороны Лоренца привела к тому, что Майкельсон вновь повторил его в 1887 г. вместе с Эдуардом Уильямом Морли (1838...1923) – и с тем же результатом. Таким образом, Майкельсон мог утверждать, что, согласно его опытам, эфир движется вместе с Землей. Однако явление аберрации света указывает на то, что эфир неподвижен. Эти два вывода резко противоположны один другому. В гл. 12 мы увидим, как это противоречие привело к появлению теории относительности. Опыты Майкельсона были повторены с некоторыми усовершенствованиями Морли и Миллером в 1904 г. с тем же результатом. Позже, с 1921 по 1925 г., Миллер производил непрерывные наблюдения, которые привели его к выводу, что Земля движется по отношению к эфиру со скоростью 9 км/час. Однако этот вывод был опровергнут последующими опытами Джозефа Кеннеди и многими другими, вплоть до нового опыта Майкельсона, проведенного совместно с Пизом и Пирсоном в 1929 г. Источник: http://www.izobretem.ru/
Категория: Наука \| Добавил: vitalg (31.Янв.2011)
Просмотров: 270

E-mail:
Пароль: