ГДЗ по физике, 11 класс, Мякишев, номер p275.1: Давление света. Фотосинтез. Фотохимические реакции

План решения:

Для объяснения природы давления света с позиций волновой теории необходимо рассмотреть электромагнитную волну как носитель энергии и импульса. Мы проанализируем взаимодействие электрического и магнитного полей волны с заряженными частицами вещества (электронами), что приводит к возникновению силы, действующей на поверхность.

Вычисление и физическое обоснование:

Согласно классической электродинамике, свет представляет собой поперечную электромагнитную волну. В такой волне существуют переменные во времени и пространстве напряженность электрического поля E и индукция магнитного поля B. Когда эта волна падает на поверхность тела, электрическое поле E начинает действовать на свободные заряды (электроны) в веществе, заставляя их колебаться. Эти движущиеся заряды создают токи проводимости или смещения.

На эти движущиеся заряды со стороны магнитного поля B действует сила Лоренца: F_L=q(v×B) где q — заряд частицы, а v — скорость её движения под действием электрического поля.

Важно отметить, что векторы E, B и направление распространения волны взаимно перпендикулярны. Скорость дрейфа электронов v совпадает по направлению с E. Следовательно, векторное произведение v×B направлено вдоль направления распространения волны (вектора Пойнтинга S). Таким образом, суммарная сила, действующая на все заряды в единице объема, направлена в сторону распространения света. Эта сила, распределенная по площади поверхности, и создает давление.

Проверка и вывод:

Давление света можно также выразить через плотность энергии электромагнитной волны w. Для полностью поглощающей поверхности давление равно P=w, для полностью отражающей — P=2w. Это согласуется с представлением о том, что электромагнитная волна обладает не только энергией, но и импульсом p=E/c. При передаче импульса телу возникает механическое воздействие. Волновая теория успешно предсказывает наличие этого давления, хотя количественно оно очень мало при обычных интенсивностях света, что требует точных экспериментов (например, крутильных весов Лебедева) для его наблюдения.