¿Qué es la luz?
La ciencia demuestra que la luz es una de las fuentes de vida en la Tierra. La luz es una base importante para la vida humana; la luz es una herramienta para que los humanos comprendan el mundo exterior; la luz es un portador o medio de comunicación ideal para la información. Entonces, ¿qué es la luz?
En un sentido estricto, el acristalamiento se refiere a las ondas electromagnéticas que puede ver el ojo humano, lo que llamamos espectro visible. En definiciones científicas, la luz se refiere a todo el espectro electromagnético. La luz está formada por partículas elementales llamadas fotones. Partículas y ondas.
Los experimentos han demostrado que la luz es radiación electromagnética, y el rango de longitud de onda de esta parte de las ondas electromagnéticas es de aproximadamente 0,77 micras de luz roja a 0,39 micras de luz violeta. Las ondas electromagnéticas con longitudes de onda superiores a 0,77 micrones y aproximadamente 1000 micrones se denominan "rayos infrarrojos". Por debajo de 0,39 micrones hasta aproximadamente 0,04 micrones se denomina "ultravioleta". Los rayos infrarrojos y ultravioleta no pueden provocar la visión, pero la presencia de dichos objetos luminosos se puede medir y detectar mediante instrumentos ópticos o fotografías. Por tanto, el concepto de luz en óptica también puede extenderse a los campos infrarrojo y ultravioleta. Incluso los rayos X se consideran luz y el espectro de la luz visible es sólo una parte del espectro electromagnético.
Experimentos científicos han demostrado que la luz tiene una dualidad onda-partícula. Puede considerarse como una onda electromagnética de muy alta frecuencia o como una partícula, denominada fotón.
Las ondas de luz, incluidos los rayos infrarrojos, tienen longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas que las microondas. Por lo tanto, el paso de la comunicación por microondas en la comunicación eléctrica a la comunicación óptica es una tendencia natural e inevitable.
En general, la luz está formada por muchos fotones. Bajo fluorescencia (luz diurna normal, luz de lámpara, luz de velas, etc.). ), no existe conexión entre los fotones, es decir, tienen diferentes longitudes de onda, diferentes fases, diferentes direcciones de polarización y diferentes direcciones de propagación, como un ejército de fotones desorganizado e indisciplinado. Todos los fotones son rezagados y no pueden actuar al unísono.
Cuando la luz se refleja, el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. En un mismo plano, a ambos lados de la normal, la trayectoria de la luz se puede invertir. Para los humanos, el mayor reflejo de la luz se produce en la luna. Sabemos que la luna en sí no emite luz, sólo refleja la luz del sol. Según la leyenda, este incidente fue mencionado en el Libro de los Cantares, que registró los hechos históricos de las dinastías Xia, Shang y Wednesday. Se puede ver que la gente ya tenía el concepto de reflejo de la luz en ese momento. El libro "Zhou Xie" durante el Período de los Reinos Combatientes decía claramente: "El sol brilla sobre la luna y la luz de la luna nace y se convierte en una luna brillante. En la dinastía Han Occidental, la gente simplemente decía que" la luna es como una ". espejo", lo que demuestra que nuestro reflejo de la luz se ha vuelto más profundo. comprensión. El "Mo Jing" registra específicamente un experimento de reflexión de la luz: usar un espejo para reflejar la luz del sol sobre el cuerpo humano puede crear la sombra del cuerpo humano entre el cuerpo humano y el sol. Esto no sólo demuestra el fenómeno de la reflexión de la luz, sino que probablemente también explique el origen de la luna.
Sabemos que la refracción se produce cuando los rayos de luz pasan en diagonal de un medio a otro. Si la densidad del medio inyectado es mayor que la densidad de la luz original, el ángulo de refracción es menor que el ángulo de incidencia. Por el contrario, si es menor, el ángulo de refracción es mayor que el ángulo de incidencia. Pero si el ángulo de incidencia es 0, el ángulo de refracción es cero y no se produce ninguna refracción. Sin embargo, la refracción de la luz todavía ocurre en el mismo medio no homogéneo. En teoría, se puede inyectar desde una dirección sin refracción. Pero debido a que los límites no son claros, generalmente están divididos en varios niveles y no son planos, la refracción ocurrirá de todos modos.
Por ejemplo, los peces pueden ver claramente cuando nadan en agua clara. Sin embargo, no puedes arponear en la dirección que ves. Todos los pescadores experimentados saben que el arpón sólo puede llegar al fondo del pez. El arpón apunta a la verdadera imagen del pez.
Cuando miras un objeto en un medio transparente como agua o vidrio desde arriba, sentirás que el objeto está más alto que su posición real. Esto se debe a la refracción de la luz.
Debido a la refracción de la luz, el agua parece menos profunda de lo que realmente es. Por lo tanto, cuando estés en la orilla y veas aguas cristalinas que te lleguen hasta la cintura, no te apresures a bajar para evitar el pánico y el peligro de subestimar la profundidad del agua.
Colocar un trozo de vidrio grueso delante del bolígrafo hará que el cuerpo del bolígrafo parezca "desalineado", lo que también se debe a la refracción de la luz. ¿Qué es la luz? Ésta es una cuestión que vale la pena estudiar y debe estudiarse. Ahora la investigación en física ha llegado a un cuello de botella: el conflicto entre la teoría de la relatividad y la teoría cuántica. Si la esencia de la luz es una partícula básica o un sonido similar a una onda tendrá un significado orientador para futuras investigaciones.
La luz siempre ha estado con nosotros, como las luces, la luz del sol, la luz de las estrellas y la luz que emiten los propios animales, como las luciérnagas. Antes de empezar a clasificar la luz, primero debemos entender qué es una fuente de luz.
Se llama fuente de luz a un objeto que puede emitir luz por sí solo. Los científicos dividen las fuentes de luz en fuentes de luz fría y fuentes de luz caliente.
Entonces, ¿qué es una fuente de luz fría? Las fuentes de luz fría se refieren a fuentes de luz que emiten luz sin calentar (o generan calor a temperaturas muy bajas). Como las luciérnagas.
Por el contrario, una fuente de luz térmica se refiere a una fuente de luz que emite calor (debe emitir calor a alta temperatura). Como el sol.
De hecho, en algunos casos, las fuentes de luz también se pueden dividir en los siguientes tres tipos:
La primera es la luz generada por efectos térmicos, y la luz solar es un buen ejemplo. Además de esto, lo mismo ocurre con artículos como las velas. Esta luz cambia de color a medida que cambia la temperatura.
La segunda es la luminiscencia de los átomos. La sustancia fluorescente recubierta en la pared interior del tubo fluorescente es excitada por la energía de ondas electromagnéticas para producir luz. El principio de las luces de neón es el mismo. La luminiscencia atómica tiene su propio color básico y debemos hacer las correcciones correspondientes al fotografiar colores.
El tercer tipo es la luminiscencia del horno atómico, que transporta una energía poderosa, pero rara vez tenemos la oportunidad de entrar en contacto con ella en nuestra vida diaria.
Dispersión
Ya en la antigua China, la comprensión de la dispersión se originó a partir de la comprensión del fenómeno natural de dispersión: el arco iris.
Un arcoíris es un complejo fenómeno de dispersión causado por la refracción y reflexión provocada por la luz solar que incide en las gotas de agua en el aire en un ángulo determinado. China tiene registros de arco iris en inscripciones de huesos de oráculos ya en las dinastías Yin y Shang. Hay un registro en el "Chu Ci" del Período de los Reinos Combatientes que dice que los colores del arco iris se dividen en "cinco colores". Cheng Dachang (1123 ~ 1195 d.C.) de la dinastía Song del Sur describió el fenómeno de la división de las gotas de rocío en "Fan Yanlu" y señaló que la luz del sol se puede convertir en múltiples colores a través de una gota de agua, que en realidad es dispersión, y este color es no es propiedad de la gota de agua en sí, sino que es causada por el color de la luz del sol.
Desde la dinastía Jin en China, muchos libros antiguos han registrado el fenómeno de la dispersión de los cristales. Por ejemplo, se ha documentado que las plumas de pavo real y las cutículas de insectos cambian de color continuamente cuando se exponen a la luz solar. Cuando la luz del sol incide sobre la mica, se pueden observar varios colores de luz después de la reflexión. Li Shizhen también señaló que tanto los cristales hexagonales más grandes como las cuentas de cristal más pequeñas pueden formar dispersiones. Al final de la dinastía Ming, Fang Yizhi hizo un maravilloso resumen del fenómeno de la dispersión en su libro "Introducción a la Física", integrando resultados de investigaciones anteriores. Usó cristales naturales con bordes y cristales triangulares cocidos artificialmente para dividir la luz blanca en cinco colores, que estaban respectivamente relacionados con el arco iris artificial de cinco colores creado por el rocío de agua del sol, el fenómeno de cinco colores causado por la luz del sol que brilla sobre el manantial volador. , el color del arco iris, el halo del sol y la luna y el fenómeno de los cinco colores. Relacionado con fenómenos naturales como las nubes, se cree que "todos tienen el mismo principio", es decir, todos son dispersión de luz blanca. Todo esto muestra que China tenía una cierta comprensión de la naturaleza de los fenómenos de dispersión antes de la dinastía Ming, pero también refleja que su comprensión de la física antigua era en su mayor parte fragmentada y empírica.
Entonces, ¿qué es la dispersión?
El fenómeno de dividir la luz policromática en luz monocromática para formar un espectro se llama dispersión óptica. La dispersión se puede lograr utilizando prismas o rejillas como "sistemas de dispersión". Después de que la luz policromática ingresa al prisma, tiene un índice de refracción diferente para la luz de diversas frecuencias y la dirección de propagación de varias luces policromáticas tiene distintos grados de desviación, por lo que al salir del prisma, se separan y dispersan para formar un espectro. Por ejemplo, un fino rayo de sol se puede dividir en rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta utilizando un prisma. Esto se debe a que los distintos colores de la luz policromática tienen diferentes índices de refracción. A medida que pasan a través del prisma, la dirección de propagación se desvía en diversos grados, de modo que se produce la dispersión cuando salen del prisma.
El índice de refracción de un medio cambia con la frecuencia de la onda luminosa, o longitud de onda en el vacío. Cuando la luz policromática se refracta en la interfaz del medio, el medio tiene diferentes índices de refracción para la luz de diferentes longitudes de onda, y la luz de varios colores se separa entre sí debido a los diferentes ángulos de refracción. En 1672, Newton utilizó un prisma para descomponer la luz solar en bandas de colores, en lo que fue el primer experimento de dispersión. La dispersión de cualquier medio se puede dividir en dispersión normal y dispersión anormal.
Deja que un haz de luz blanca brille sobre un prisma de vidrio. Después de que el prisma refracta la luz, forma una franja de luz de color en la pantalla de papel blanco del otro lado. La disposición de los colores es que el extremo del prisma cerca de la esquina superior es rojo, el extremo cerca de la parte inferior es violeta y el medio es naranja, amarillo, verde e índigo. Esta banda de luz se llama espectro. Cada color de luz del espectro no se puede dividir en otros colores. Este tipo de luz se llama luz monocromática. La luz que es una mezcla de luz monocromática se llama luz policromática. La luz emitida por la luz solar, las lámparas incandescentes y las lámparas fluorescentes en la naturaleza es luz policromática. Cuando la luz incide sobre un objeto, parte de la luz es reflejada por el objeto y parte de la luz es absorbida por el objeto. Si el objeto es transparente, parte de él seguirá atravesándolo. Diferentes objetos tienen diferente reflexión, absorción y transmisión de diferentes colores, por lo que muestran diferentes colores.
Propagación de la Luz
La luz se propaga en línea recta en un mismo medio uniforme. La luz puede propagarse en sustancias transparentes como el vacío, el aire y el agua. El requisito previo para que la luz se propague en línea recta no es sólo que esté en un medio uniforme, sino también en el mismo medio. Cuando la luz encuentra otro medio, la dirección de la luz cambia y aún viaja en línea recta.
En medios no homogéneos, la luz suele viajar siguiendo una curva. La luz viaja en todas direcciones: adelante, atrás, izquierda, derecha, arriba y abajo. Cuanto más brillante es la luz, más difícil es ver. Cuando la luz es oscura, la luz del cuerpo luminoso al objeto de referencia de iluminación se expandirá. Cuanto más lejos esté, mayor será la difusión, expandiéndose desde la forma original hasta desaparecer.
Las imágenes estenopeicas y los eclipses solares y lunares que se encuentran en nuestras vidas prueban el hecho de que la luz se propaga en línea recta en un medio uniforme.
Velocidad de la Luz
Cuando truena y llueve en verano, algunas personas pueden sentirse confundidas. ¿Por qué cada vez que hay una tormenta vemos primero un relámpago y luego escuchamos un trueno? Hoy discutiremos la velocidad de la luz con este tema.
La llamada velocidad de la luz es la velocidad a la que la luz se propaga en la unidad de tiempo. Según cálculos científicos, la velocidad de la luz en el vacío es de 300.000 kilómetros por segundo. En términos generales, la luz puede viajar a 600.000 millas por segundo, pero sabemos que la velocidad del sonido es de sólo 335 metros por segundo. Por eso, cuando llueve y truena, primero vemos el relámpago y luego oímos el trueno.
Dado que la velocidad de la luz es tan rápida, ¿cuánto tiempo tardaremos en ver el sol, que está a 150 millones de kilómetros de nosotros? Los científicos concluyeron que la luz del Sol, que se encuentra a 150 millones de kilómetros de nosotros, tarda unos ocho minutos en llegar a la Tierra.
De hecho, ya en el siglo XVII, los astrónomos y físicos creían que la velocidad de la luz era infinita, y que la luz emitida por las estrellas del universo llegaba a la Tierra instantáneamente. En 1676, el astrónomo danés Romer midió la velocidad de la luz mediante observaciones astronómicas.
En 1849, el científico francés Fizeau midió con éxito por primera vez la velocidad de la luz en la Tierra utilizando un sofisticado dispositivo en el laboratorio. En 1973, Evenson de la Oficina Estadounidense de Estándares utilizó el método láser, usando frecuencia y ondas, para medir la velocidad de la luz como (299792485+1,2) m/s. Confirmada por la XV Conferencia Internacional sobre Pesas y Medidas en 1975, la velocidad de la luz antes mencionada es un valor recomendado internacionalmente. La nueva definición de metro adoptada en 1983 en la 17ª Conferencia Internacional sobre Pesas y Medidas es "la longitud de la luz que se propaga en el vacío durante el intervalo de tiempo de 1/299792458 segundos".
Después de que la gente midiera la velocidad de luz, lo reemplazó. Se eligió como estándar para definir el "metro" un reloj de platino conservado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas de París, y se acordó que la velocidad de la luz es estrictamente igual a 299.792.458 m/s, y el metro se define como luz en 65,438 + 0/299,792, la distancia recorrida en 458 segundos, la velocidad de la luz se representa con "C".
Velocidad superluminal
La velocidad superluminal se convertirá en un tema de discusión. Surge del corolario de la teoría de la relatividad de que los objetos locales no pueden exceder la velocidad de la luz c en el vacío. La velocidad de la luz se ha convertido en muchas ocasiones en el límite superior de velocidad. Antes de esto, la mecánica newtoniana no limitaba la velocidad superluminal. En la teoría de la relatividad, la velocidad del movimiento está estrechamente relacionada con otras propiedades de un objeto, como su masa e incluso el paso del tiempo en su sistema de referencia. Si un objeto con una velocidad inferior a la de la luz (en el vacío) quiere acelerar hasta la velocidad de la luz, su masa aumentará hasta el infinito, por lo que se requiere energía infinita, y el tiempo que siente incluso se detendrá (si supera la velocidad de la luz, habrá un "retroceso en el tiempo"), por lo que es teóricamente imposible alcanzar o superar la velocidad de la luz (en cuanto a los fotones, es porque siempre están a la velocidad de la luz, en lugar de yendo desde debajo de la velocidad de la luz a la velocidad de la luz). Pero esto también hace que los físicos (y el público en general) se interesen particularmente en algunos fenómenos físicos "aparentemente" más rápidos que la luz.
La llamada "inversión del tiempo" es el efecto Doppler de la luz. No es la verdadera "inversión del tiempo", sino la sensación del mundo. El efecto Doppler se debe básicamente a la velocidad absoluta de propagación de las ondas, que sólo está relacionada con el medio y no tiene nada que ver con el movimiento de la fuente de sonido y los objetos receptores. En otras palabras, la propagación de ondas debe tomar el medio como marco de referencia. Romper la barrera de la velocidad de la luz provocará un fenómeno de "barrera de luz". La comparación con el vuelo supersónico no es imposible.
La condición para que la velocidad de la luz sea constante es que el medio sea estable. Porque en cualquier medio estable, la velocidad de cualquier onda es constante independientemente del marco de referencia. Cuando el medio de una onda sonora es estacionario en relación con la persona que la mide, la velocidad del sonido sigue siendo la misma (solo cambia la frecuencia de audio) sin importar cómo cambie la velocidad de la fuente del sonido. Este es un famoso experimento Doppler y todas las demás ondas mecánicas tienen fenómenos similares.
Los fenómenos de viaje en el tiempo, como los relojes lentos, la contracción de escala y la velocidad de la superluz, se pueden realizar mediante experimentos sonoros, lo que sólo puede demostrar que la conclusión de Einstein es errónea. Ignoró el problema de la medición de la velocidad y consideró el fenómeno como la esencia de la física.
Las investigaciones actuales muestran que existe una velocidad superligera: algunas estrellas explotan y arrojan escombros. La velocidad de los escombros ha excedido la velocidad de la luz, pero la velocidad no es fija, algunas son rápidas y otras. son lentos.
Sin embargo, los círculos académicos todavía llaman a la velocidad de la luz la velocidad más rápida.
Años luz
Normalmente, debido a que las distancias en la Tierra son un poco cortas, basta con hablarlas en kilómetros. Por ejemplo, la Tierra está a 380.000 kilómetros de la Luna y el Sol a 150 millones de kilómetros de la Tierra. Sin embargo, utilizar kilómetros como medida de distancia en el universo parece un poco inapropiado. Entonces, cuando medimos la distancia entre nosotros y muchas estrellas, encontramos que tenemos que representarla mediante un número muy grande. Así como los científicos inventaron una unidad especial "angstrom", estudiando las longitudes de onda de diferentes colores de luz. Entonces los científicos inventaron una unidad especial para medir distancias en el espacio: el año luz. Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año. Se trata de una cifra considerable, ya que la luz viaja a 300.000 kilómetros por segundo. Un año luz equivale aproximadamente a 10 billones de kilómetros. La estrella brillante más cercana, Alfa Centauri, también está a 4 años luz de distancia. Muestra qué tan alejadas están las galaxias.
La luz del Sol tarda unos 8 minutos en llegar a la Tierra (la distancia de la Tierra al Sol es de 8 "minutos luz").
La estrella conocida más cercana al sistema solar es Próxima Centauri, que se encuentra a 4,22 años luz del sistema solar.
El diámetro de nuestra Vía Láctea es de aproximadamente 654,38 millones de años luz. Supongamos que hay una nave espacial que viaja a una velocidad cercana a la de la luz de un extremo de la galaxia al otro, lo que lleva más de 65.438 millones de años. Pero esto es sólo para observadores estáticos (en relación con la Vía Láctea), y el viaje que experimentan las personas a bordo de la nave espacial dura en realidad sólo unos pocos minutos. Esto se debe al fenómeno de dilatación del tiempo de los relojes en movimiento en la relatividad especial.
El debate entre partículas y ondas
En el siglo XVII, los estudiosos liderados por Newton creían que la luz es un flujo de partículas compuesto de partículas mecánicas similares a pequeños proyectiles, y que los objetos luminosos son moviéndose constantemente hacia El espacio circundante emite corrientes de partículas de luz lineales de alta velocidad. Una vez que estas partículas de luz ingresan al ojo humano e impactan en la retina, se crea la visión. Esta es la teoría de partículas de la luz. Newton explicó fácilmente los fenómenos de radiación directa, reflexión y refracción de la luz utilizando la teoría de partículas. Debido a que la teoría de partículas es simple y fácil de entender y puede explicar algunos fenómenos ópticos comunes, rápidamente ganó el reconocimiento y el apoyo de la gente.
En el siglo XIX, los experimentos de interferencia, difracción y polarización de la luz demostraron que la luz es una onda. Maxwell propuso la teoría de que la luz es una onda electromagnética y perfeccionó la teoría de las ondas de luz.
En el siglo XX se discutió durante mucho tiempo si la luz era una "partícula" o una "onda".
Finalmente, se unificó la comprensión. La luz, como todas las demás partículas microscópicas, tiene la dualidad de naturaleza partícula y ondulatoria. La luz es una onda electromagnética con una longitud de onda extremadamente corta. Posteriormente, la teoría del fotón de Einstein explicó bien el fenómeno del efecto fotoeléctrico, estableciendo así el carácter firme de la naturaleza partícula de la luz. Ahora se reconoce que la luz está compuesta de partículas llamadas fotones, que exhiben dualidad onda-partícula.
Después de una exploración a largo plazo, la gente tiene una comprensión cada vez más profunda de la luz. Desde que se descubrió la dualidad onda-partícula de la luz, la gente ha comenzado a explorar activamente los misterios del mundo microscópico. Puntos de aprendizaje
Ondas electromagnéticas
Las ondas electromagnéticas, también conocidas como radiación electromagnética, son campos eléctricos y magnéticos que oscilan en fase, son perpendiculares entre sí y se mueven en forma de ondas en espacio Su dirección de propagación es perpendicular a los campos eléctricos y magnéticos. El plano formado transfiere efectivamente energía y momento. La radiación electromagnética se puede clasificar por frecuencia, desde baja frecuencia hasta alta frecuencia, incluyendo ondas de radio, microondas, rayos infrarrojos, luz visible, rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La longitud de onda de la radiación electromagnética que puede recibir el ojo humano es de aproximadamente 380 nm a 780 nm, lo que se denomina luz visible. Cualquier objeto con una temperatura superior al cero absoluto puede emitir radiación electromagnética, pero no existe ningún objeto en el mundo con una temperatura igual o inferior al cero absoluto.