¿Cuál es la explicación geométrica de la ley del cuadrado inverso para la intensidad de la luz?

La intensidad se define como la energía transferida por unidad de área por unidad de tiempo- [matemática] I = \ frac {dE} {dAdt} [/ matemática] por lo tanto tiene unidades de [matemática] W \ cdot m ^ {- 2} [/ matemática] – vatios por metro cuadrado.

Cuando la luz es emitida por una fuente de luz homogénea, en un medio ópticamente isotrópico, se extiende en una esfera alrededor de la fuente de luz.

Toda la luz emitida hace 10 segundos se extiende a través de una esfera a 10 segundos luz de la fuente, y toda la luz emitida hace 5 segundos se extiende a través de una capa esférica de la mitad de ese radio, y así sucesivamente.

Suponiendo que nada más “interfiere” ** con la luz, al invocar la conservación de la energía y el hecho de que la luz se emite de manera uniforme, podemos afirmar que la energía que se encuentra en la “cubierta de 5 segundos” debe ser la misma que la energía en el “caparazón de 10 segundos” y, de hecho, debe ser la misma en cualquier esfera por la que pase la luz.

Por lo tanto, [matemáticas] E_ {shell ~~ i} = E_ {total} [/ matemáticas]

Luego simplemente dividimos por el área (ya que la energía se distribuye uniformemente a través de ella), para obtener la intensidad, y dado que la energía es la misma en todas las esferas, podemos hacerlo para una esfera general de radio [matemáticas] R [/ matemáticas].

El área de una esfera está dada por [matemáticas] A = 4 \ pi R ^ 2 [/ matemáticas]

Por lo tanto:

[matemáticas] I = \ frac {E} {4 \ pi R ^ 2} [/ matemáticas]

Y ahí va, de ahí proviene el factor de [matemáticas] R ^ 2 [/ matemáticas] y, por lo tanto, por qué la luz obedece a una ley del cuadrado inverso, proviene de la conservación de la energía .


** Por lo que no me refiero necesariamente a la interferencia en el sentido óptico habitual, solo quiero decir que no hay nada en el camino para absorber la luz, ni fuentes de luz adicionales, etc.

El área de un círculo que se forma desde un ángulo sólido en la superficie de la esfera se escalará con el cuadrado del radio [matemáticas] r [/ matemáticas].

[matemáticas] A_ {Esfera} = 4 \ pi r ^ 2 [/ matemáticas]

[matemática] A_ {Parte de la esfera} = \ Omega r ^ 2 [/ matemática] donde [matemática] \ Omega [/ matemática] es el ángulo sólido en esteridianos.

Esto es cierto para otras áreas y secciones transversales que aumentan a medida que aumenta el radio.

Dado que la intensidad es básicamente la energía total por unidad de área

[matemáticas] I = \ frac {dE} {dA} [/ matemáticas]

cuanto más aumenta el área, menor es la intensidad.

Dado que el área se escala con [matemática] A \ sim r ^ 2 [/ matemática] con radio creciente, la intensidad disminuirá a medida que [matemática] I \ sim \ frac {1} {r ^ 2} [/ matemática] con radio creciente .

¡Buena pregunta! Lo primero es lo primero. ¿Qué es la intensidad? Energía transferida por unidad de área por unidad de tiempo. O potencia por unidad de área (ya que la energía transferida por unidad de tiempo es potencia).

Ahora, considere una fuente isotrópica. Isotrópico significa que envía luz en todas las direcciones por igual. Imagine que esta fuente emite luz en algún momento (dado que es isotrópica, enviará la misma cantidad de luz o, en otras palabras, energía, en todas las direcciones). Esta luz viajará lejos de la fuente. Digamos que después de un tiempo llega a una distancia [matemática] R [/ matemática] de él. Como toda la luz viaja a la misma velocidad, toda la luz emitida estaría a una distancia [matemática] R [/ matemática] de la fuente, en este instante de tiempo.

La idea clave: aquí, debe trabajar conmigo un poco e intuitivamente convencerse de que en este punto toda la luz estaría presente en la superficie de una esfera de radio [matemáticas] R [/ matemáticas] cuyo centro coincide con el ubicación de la fuente. ¿Cuál es el área de tal superficie? ¿Dijiste [matemáticas] 4 \ pi R [/ matemáticas] [matemáticas] ^ 2? [/ Matemáticas] ¡Sí!

Entonces, para encontrar la intensidad necesitamos potencia por unidad de área. Por lo tanto, [matemáticas] I = P / 4 \ pi R ^ 2 [/ matemáticas].