Какие свойства светового луча используются
Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: прямолинейное распространение света.
Мы приступаем к изучению оптики – науки о распространении света. Нас ждут два раздела оптики: сравнительно простая геометрическая оптика и более общая волновая оптика.
Говоря о свете, мы всегда подразумеваем видимый свет, то есть электромагнитные волны в узком частотном диапазоне, непосредственно воспринимаемые человеческим глазом. Как вы помните, длины волн видимого света находятся в промежутке от 380 до 780 нм.
С точки зрения электродинамики Максвелла распространение света ничем не отличается от распространения других электромагнитных излучений – радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. В этом смысле оптика оказывается просто частью электродинамики.
Но ввиду той колоссальной роли, которую свет играет в жизни человека, оптические явления начали изучаться давным-давно. Все основные законы оптики были установлены задолго до создания электродинамики и открытия электромагнитных волн. И потому с тех давних пор оптика оформилась в самостоятельный раздел физики – со своими специфическими задачами, методами, экспериментами и приборами.
Главным природным источником света служит Солнце, и люди ставили много опытов с солнечными лучами. Отсюда в оптику вошло понятие светового луча. Впоследствии оно получило строгое определение.
Световой луч – это геометрическая линия, которая в каждой своей точке перпендикулярна волновому фронту, проходящему через эту точку. Направление светового луча совпадает с направлением распространения света.
Если данное определение осталось для вас не совсем понятным – ничего страшного: на первых порах вы можете представлять себе просто узкие пучки света наподобие солнечных лучей. Этого вполне хватит, чтобы уяснить все основные вещи и научиться решать задачи. Ну а время строгого определения придёт несколько позже – когда начнётся волновая оптика.
Законы геометрической оптики.
Геометрическая оптика изучает распространение световых лучей. Это исторически первый и наиболее простой раздел оптики. В основе геометрической оптики лежат четыре основных
закона.
1. Закон независимости световых лучей.
2. Закон прямолинейного распространения света.
3. Закон отражения света.
4. Закон преломления света.
Данные законы были установлены в результате наблюдений за световыми лучами и послужили обобщениями многочисленных опытных фактов. Они являются утверждениями, сформулированными на языке геометрии. Волновая природа света в них не затрагивается.
Законы геометрической оптики первоначально являлись постулатами. Они лишь констатировали: таким вот образом ведёт себя природа. Однако впоследствии оказалось, что законы геометрической оптики могут быть выведены из более фундаментальных законов волновой оптики.
Геометрическая оптика отлично работает, когда длина световой волны много меньше размеров объектов, присутствующих в данной физической ситуации. Можно сказать, что геометрическая оптика есть предельный случай волновой оптики при . Неудивительно поэтому, что сначала были открыты законы именно геометрической оптики: ведь размеры предметов, встречающихся нам в повседневной жизни, намного превышают длины волн видимого света.
Первый закон геометрической оптики совсем простой. Он говорит о том, что вклад каждого светового луча в суммарное освещение не зависит от наличия других лучей.
Закон независимости световых лучей. Если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.
Закон прямолинейного распространения света также очень прост, и мы его сейчас обсудим. Законам отражения и преломления будут посвящены следующие разделы.
Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями.
Что такое “прозрачная однородная среда”? Среда называется прозрачной, если в ней может распространяться свет. Среда называется однородной, если её свойства не меняются от точки
к точке. Равномерно прогретый воздух, чистая вода, стекло без примесей – всё это примеры прозрачных и оптически однородных сред.
Таким образом, закон прямолинейного распространения света означает, что в прозрачной однородной среде понятие светового луча совпадает с понятием луча в геометрии.
Данный закон не требует каких-либо дополнительных пояснений – он хорошо вам известен. Вам неоднократно доводилось видеть прямолинейные солнечные лучи, пронизывающие облака, или тонкий прямой луч, пробивающийся в запылённой комнате через щель в окне. Находясь под водой, можно наблюдать прямые солнечные лучи, идущие сквозь воду.
При нарушении однородности среды нарушается и закон прямолинейного распространения света. Например, на границе раздела двух прозрачных сред световой луч может разделиться на два луча: отражённый и преломлённый. Если оптические свойства среды меняются от точки к точке, то ход световых лучей искривляется. В этом состоит причина миражей: слой воздуха вблизи раскалённой земной поверхности нагрет больше, чем вышележащие слои; он имеет иные оптические свойства, и его действие оказывается подобным зеркалу. Обо всём этом мы поговорим позднее.
Геометрическая тень.
Вам хорошо известно, что различные предметы отбрасывают тень. На рис. 1 изображён точечный источник света и непрозрачный предмет – красный треугольник. На экране мы видим тень этого предмета в виде серого треугольника.
Откуда берётся тень? Дело в том, что если на пути световых лучей оказывается непрозрачный предмет, то происходит следующее.
1.Луч, идущий мимо предмета, продолжает распространяться в прежнем направлении – как если бы данного предмета вообще не было.
2. Луч, попадающий на предмет, не проникает внутрь предмета. Дальнейший ход такого луча в прежнем направлении пресекается.
Так возникает геометрическая тень, края которой чётко очерчены. Поскольку свет распространяется прямолинейно, форма геометрической тени оказывается подобной контуру предмета. Так, на рис. 1 серый треугольник подобен красному.
Граница реальной тени имеет более сложный вид: вмешивается дифракция света на краях предмета. Дифракция – это отклонение света от первоначального направления; данное явление обусловлено волновой природой света и не описывается в рамках геометрической оптики.
|
| Рис. 1. Геометрическая тень |
Источник
Урок окружающего мира УМК «Планета знаний»
2 класс
Раздел: «Свет и цвет»
Тема: « Свет. Свойства светового луча. Свет и тень»
(опытно-исследовательская деятельность на уроке)
Цели: Создать условия для формирования первичного представления о свете, источниках света, световых лучах, тени.
Развивать творческие способности и познавательный интерес к учебной
деятельности на основе наблюдения, сравнения, анализа, обобщения;
умение выделять существенное в учебном материале, делать выводы,
переносить ранее полученные знания на новый учебный материал.
Пробуждать интерес к явлениям природы, формировать экологическую
культуру учащихся и коммуникативную компетенцию учащихся,
Формирование общеучебных умений с точки зрения деятельностного подхода : учебно – управленческих умений : самоконтроль и взаимоконтроль;
учебно – информационные умения : осуществлять неструктурированное наблюдение(где определен только объект наблюдения) и лабораторное наблюдение (объект находится в искусственно созданных условиях)
учебно – логические умения : определять объект анализа и его аспект, т.е устанавливать точку зрения, с которой будут определяться существенные признаки изучаемого объекта
Формы организации познавательной деятельности учащихся: фронтальная, индивидуальная, групповая.
Методы и приёмы: создание ситуации успеха; методы словесной и наглядной передачи информации, практическая работа, частично-поисковый метод, проблемный метод.
Средства обучения: мультимедиапроектор, презентация « Свет. Свойства светового луча. Свет и тень», отрывок DVD фильма « Приключения Буратино», мультимедийный учебник «Уроки Кирилла и Мефодия. Окружающий мир 2 класс», Фрагмент фильма
« Театр теней», фонарик, стакан и кружка (раздаточный материал), лист картона на подставке,
Ход урока
Организационный момент.
С сегодняшнего урока мы начинаем изучение раздела «Свет и цвет», а тему нашего урока вы попытаетесь определить сами , посмотрев отрывок их кинофильма
« Приключения Буратино» . Кто автор и какое полное название литературного произведения? ( Алексей Николаевич Толстой «Золотой ключик, или Приключения Буратино»
Ваша задача внимательно прослушать песню, и определить какие понятия, но уже с точки зрения окружающего мира, мы будем изучать на нашем уроке.
Постановка учебных целей.
На уроке познакомимся с тайнами света (светового луча), постараемся понять, как он распространяется, какие препятствия могут остановить его и какие препятствия он способен преодолевать.
III. Актуализация знаний .
А откуда берется свет и для чего он нужен?
Давайте прочитаем первый абзац на с.16 учебника.
Cлайд 1 « Когда темно, мы почти не различаем окружающих предметов. Для того, чтобы увидеть их, нужен свет. Днем все освещает Солнце. С огромной скоростью несется свет от Солнца к Земле через космическое пространство. Всего за 8 минут его лучи достигают поверхности Земли».
На предыдущих уроках мы много говорили об этом теле неживой природы.
Давайте проведем анализ этого объекта с разных сторон :
Что мы можем еще рассказать о Солнце, с точки зрения науки – астрономии?
Доклад:« Солнце- большая звезда в центре Солнечной системы, оно дает свет и тепло. Возраст равен примерно пяти миллиардам лет. Внутренняя часть называется ядром, а внешняя оболочка – Солнечной короной».
Что еще можно добавить?
Слайд 2 .Солнце всходит с Востока и заходит на Западе, наступает смена дня и ночи .
Слайд 3. В зависимости от высоты Солнца и движения вокруг него Земли, происходит смена времен года.
Что мы можем рассказать о Солнце, с точки зрения истории?
Доклад: « Для людей и всего живого на Земле Солнце – источник света и тепла, от него зависит урожай и жизнь на планете. Люди всегда понимали, насколько сильно их существование зависит от Солнца, и относились к нему с почтением, поклонялись и обожествляли его образ. В древности славяне именовали Солнце с уважением – «Ярило» и даже покланялись ему, как богу».
А какой народный праздник состоится в конце февраля?
Слайд 4. Праздник «Масленица». Это веселые проводы зимы, озаренные радостным ожиданием близкого тепла, весеннего обновления природы. Даже блины, непременный атрибут Масленицы, имели ритуальное значение: круглые, румяные, горячие, они являли собой символ солнца, которое все ярче разгоралось, удлиняя дни. Имя Масленицы носит и чучело из соломы, которое обряжают в женскую одежду. Чучело Масленицы сжигали на весело горящем костре, который разводили обязательно “на горке” – на какой-нибудь возвышенности.
А как люди выражали свое отношение к Солнцу в устном народном творчестве?
Загадки :
Ты весь мир обогреваешь, Голубой платок,
Ты усталости не знаешь, Желтый колобок,
Улыбаешься в оконце, По платку катается,
И зовут тебя все… Людям улыбается.
Тянется в окно золотое полотно.
Красная девица гуляет по небу.
Летом греет – зимой холодит.
Пословицы и поговорки:
Солнца не закроешь, а правду не скроешь.
Солнце встает, так и день настает.
Солнце не померкнет, народ не сломится.
Правда краше солнца.
При солнце тепло, при матери добро.
Солнце пригреет – все поспеет.
Солнышко на всех ровно светит.
После дождя солнце жжет, после лжи –стыд.
Какие источники информации вы использовали, чтобы подготовить свои доклады?
Слайд 5. Подведение итогов «Солнце:
Тело неживой природы.
Дает тепло и свет для всего живого на Земле.
С давних времен почитается людьми и находит отражение в их творчестве»
Молодцы! Если мы хотим понять какой – либо объект, то мы должны определить у него существенные признаки, рассмотреть его с разных точек зрения, т.е подвергнуть его анализу.
Физкультминутка. Слайд 13. Гимнастика для глаз.
IV. Изучение новой темы
Итак, главным источником света является Солнце.
Слайд 6. А что использовали люди для освещения своих домов с давних времен?
Слайд 7. Лучина. Где встречалось это слово и что оно означает? Лучина – тонкая длинная щепка сухого дерева.( работа со словарём)
Слайд 8. Свеча.
Слайд 9. Керосиновая лампа. Что такое керосин? (работа со словарём)
Слайд 10. Электрическая лампочка.
Слайд 11 , 12 . Какие правила обращения с электрическими приборами вы знаете?
Вернемся к нашему учебнику и рассмотрим таблицу «Источники света» Я утверждаю, что все эти предметы можно разбить на группы . Почему?
Тела природы и изделия
Свет от огня ( лампа, фонарь, свеча), природный свет (Луна,Солнце)
Натуральный природный свет и искусственный (фонарик)
Практическая работа
Давайте познакомимся с тайнами света, чтобы понять, как он распространяется, какие препятствия могут остановить его и какие препятствия он способен преодолевать.
Опыт 1.
Включим наши фонарики и направим их на потолок. Что мы видим? (луч света) . Вспомните из уроков математики что такое луч?
Какой вывод можно сделать? Свет распространяется по прямой линии.
Опыт 2 « Осветим весь земной шар»
Направьте луч света на шарик.
Поворачивая шарик разными сторонами в луче света.
Какой вывод можно сделать? Освещена только та часть шарика, на которую попадает свет. Как бы ты ни повернул шарик, его обратная сторона всегда остается в тени.
Это потому … лучи распространяются по прямой линии: они не могут огибать предмет и освещать обратную сторону. Поэтому Солнце по очереди освещает только ту сторону Земли, которая сейчас обращена к его лучам. В это время другая сторона находится в тени.
Опыт 3. « Проходит или не проходит свет?»( со стаканами)
По очереди освещай на фоне стены фарфоровый и стеклянный стакан.
Какой вывод можно сделать? Фарфоровый стакан препятствует распространению света, а стекло пропускает свет.
Слайд17 Опыт 4. « Можно ли остановить свет? Как образуются тени?»
Пусть один из вас осветит стену фонариком, а другой расположит руку между фонариком и стеной: сначала близко, а затем подальше от него.
Что образуется? Тень.
Какой вывод можно сделать? Чем ближе фигурка к фонарю, тем больше ее тень на стене. Чем дальше фигурка от фонаря, тем меньше будет ее тень на стане.
Это потому … что когда какой – нибудь предмет преграждает путь световому лучу, за ним образуется тень.
Почему тень смещается?
Доклад :«В течение дня положение Солнца на небе меняется ( из-за вращения Земли). Поэтому направление солнечных лучей также меняется. Вот почему тень смещается. Кроме того, когда Солнце стоит высоко, тень бывает короткой, а когда Солнце клонится к горизонту, тень становится длинной».
Люди в древности , наблюдая за смещением тени в солнечный день изобрели специальный прибор-_солнечные часы?( слайд 18)
Доклад: Такой прибор в древности использовали для определения времени. В Старинных городах и площадях и на стенах домов остались следы от таких часов.»
Слайд 19 . Выводы
Свет распространяется по прямой линии.
Когда предмет загораживает путь световому лучу, за этим предметом образуется тень.
Только плотные (непрозрачные) предметы, не пропускающие свет, образуют тень.
Работа в тетради.
Слайд 20. Тетрадь на печатной основе стр.8 № 10
Что художник нарисовал неправильно?
Слайд 21
А сейчас мне бы хотелось вам показать музыкальный сюрприз. Вашему вниманию « Театр теней».
Слайд 22
«Любознательные никогда не останавливаются на том, что изучили. Стремитесь познать этот загадочный мир!»
Итог урока. Рефлексия Слайд 23
Продолжите предложения
Я узнал…
Я научился…
Я удивился…
Дом. зад. в тетради стр. 7 № 8, № 9. Подчеркнуть названия предметов, которые пропускают свет. Если затрудняешься ответить, то проведи опыт.
Источник
Спектр света — часть спектра электромагнитного излучения.
Свет — в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380—400 нм (750—790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы — участок 760—780 нм (385—395 ТГц).
В широком смысле, используемом вне физической оптики, светом часто называют любое оптическое излучение, то есть такое электромагнитное излучение, длины волн которого лежат в диапазоне с приблизительными границами от единиц нанометров до десятых долей миллиметра. В этом случае в понятие «свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучения.
Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.
Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).
Характеристики света
Одной из субъективных характеристик света, воспринимаемой человеком в виде осознанного зрительного ощущения, является его цвет, который для монохроматического излучения определяется главным образом частотой света, а для сложного излучения — его спектральным составом.
Свет может распространяться даже в отсутствие вещества, то есть в вакууме. При этом наличие вещества влияет на скорость распространения света.
Скорость света в вакууме с = 299 792 458 м/с (точно, так как с 1983 года единица длины в СИ — метр — определяется как расстояние, проходимое светом за определённый промежуток времени).
Свет на границе между средами испытывает преломление и отражение. Распространяясь в среде, свет поглощается веществом и рассеивается. Оптические свойства среды характеризуются показателем преломления, действительная часть которого равна отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в данной среде, мнимая часть описывает поглощение света. В изотропных средах, где распространение света не зависит от направления, показатель преломления является скалярной функцией (в общем случае — от времени и координаты); в анизотропных средах он представляется в виде тензора. Зависимость показателя преломления от длины волны света (дисперсия) приводит к тому, что свет разных длин волн распространяется в среде с разной скоростью; благодаря этому возможно разложение немонохроматического света (например, белого) в спектр.
Как любая электромагнитная волна, свет может быть поляризованным. У линейно поляризованного света определена плоскость (т. н. плоскость поляризации), в которой происходят колебания электрического вектора волны. У циркулярно поляризованного света электрический вектор, в зависимости от направления поляризации, вращается по или против часовой стрелки. Неполяризованный свет является смесью световых волн со случайными направлениями поляризации. Поляризованный свет может быть выделен из неполяризованного пропусканием через поляризатор или отражением/прохождением на границе раздела сред при падении на границу под определённым углом, зависящим от показателей преломления сред (см. угол Брюстера). Некоторые среды могут вращать плоскость поляризации проходящего света, причём угол поворота зависит от концентрации оптически активного вещества; это явление используется, в частности, в поляриметрическом анализе веществ (например, для измерения концентрации сахара в растворе).
Количественно интенсивность света характеризуют с помощью фотометрических величин нескольких видов. К основным из них относятся энергетические и световые величины. Первые из них характеризуют свет безотносительно к свойствам человеческого зрения. Они выражаются в единицах энергии или мощности, а также производных от них. К энергетическим величинам в частности относятся энергия излучения, поток излучения, сила излучения, энергетическая яркость, энергетическая светимость и облучённость.
Каждой энергетической величине соответствует аналог — световая фотометрическая величина. Световые величины отличаются от энергетических тем, что оценивают свет по его способности вызывать у человека зрительные ощущения. Световыми аналогами перечисленных выше энергетических величин являются световая энергия, световой поток, сила света, яркость, светимость и освещённость.
Учёт световыми величинами зависимости зрительных ощущений от длины волны света приводит к тому, что при одних и тех же значениях, например, энергии, перенесённой зелёным и фиолетовым светом, световая энергия, перенесённая в первом случае, будет существенно выше, чем во втором. Такой результат отражает тот факт, что чувствительность человеческого глаза к зелёному свету выше, чем к фиолетовому.
Видимый свет — электромагнитное излучение с длинами волн ≈ 380—760 нм (от фиолетового до красного).
Скорость света
Скорость света в вакууме определяется в точности 299 792 458 м/с (около 300 000 км в секунду). Фиксированное значение скорости света в СИ связано с тем, что метр в настоящее время определяется в терминах скорости света. Все виды электромагнитного излучения, как полагают, распространяются в вакууме с точно такой же скоростью.
Различные физики пытались измерить скорость света на протяжении всей истории. Галилей пытался измерить скорость света в семнадцатом веке. Ранний эксперимент по измерению скорости света был проведен Оле Рёмером, датским физиком, в 1676 году. С помощью телескопа Рёмер наблюдал движение Юпитера и одной из его лун Ио,фиксируя при этом моменты затмений Ио. Рёмер обнаружил, что эти моменты зависят от положения Земли на её орбите. Предположив, что такая зависимость обусловлена конечностью скорости света, он вычислил, что свету требуется около 22 минут, чтобы пройти расстояние, равное диаметру орбиты Земли. Тем не менее, его размер не был известен в то время. Если бы Рёмер знал диаметр орбиты Земли, он бы получил значение скорости, равное 227 000 000 м/с.
Другой, более точный способ измерения скорости света выполнил в Европе Ипполит Физо в 1849 году. Физо направил луч света в зеркало на расстоянии нескольких километров. Вращающееся зубчатое колесо было помещено на пути светового луча, который путешествовал от источника к зеркалу и затем возвращался к своему источнику. Физо обнаружил, что при определенной скорости вращения луч будет проходить через один пробел в колесе на пути и следующий разрыв на обратном пути. Зная расстояние до зеркала, число зубьев на колесе, и скорость вращения, Физо удалось вычислить скорость света 313 000 000 м/с.
Существенного прогресса в измерениях скорости света удалось достигнуть в результате применения и совершенствования метода вращающегося зеркала, предложенного Франсуа Араго (1838 г.). Развив и осуществив идею Араго, Леон Фуко в 1862 году получил для скорости света значение (298 000 000±500 000) м/с. В 1891 году Саймон Ньюком, повысив точность измерений на порядок, получил величину (299 810 000±50 000) м/с. В итоге многолетних усилий Альберт А. Майкельсон добился ещё более высокой точности: полученное им в 1926 году значение составило (299 796 000±4 000) м/с. В ходе этих измерений А. Майкельсон измерял время, требовавшееся свету, чтобы пройти расстояние между вершинами двух гор, равное 35,4 км (точнее, 35 373,21 м).
Наивысшая точность измерений была достигнута в начале 1970-х. В 1975 году XV Генеральная конференция по мерам и весам зафиксировала это положение и рекомендовала считать скорость света, равной 299 792 458 м/с с относительной погрешностью 4•10−9, что соответствует абсолютной погрешности 1,1 м/с. Впоследствии это значение скорости света было положено в основу определения метра в Международной системе единиц (СИ), а сама скорость света стала рассматриваться как фундаментальная физическая постоянная, по определению равная указанному значению точно.
Эффективная скорость света в различных прозрачных веществах, содержащих обычную материю, меньше, чем в вакууме. Например, скорость света в воде составляет около 3/4 того, что в вакууме. Тем не менее, замедление процессов в веществе, как полагают, происходит не от фактического замедления частицы света, а от их поглощения и переизлучения заряженными частицами в веществе.
Как крайний пример замедления света, можно сказать, что двум независимым группам физиков удалось «полностью остановить» свет, пропуская её через конденсат Бозе-Эйнштейна на основе рубидия, Тем не менее слово «остановить» в этих экспериментах относится только к свету, хранящемуся в возбужденных состояниях атомов, а затем повторно излучается в произвольное более позднее время, как вынужденное вторым лазерным импульсом излучение. Во времена, когда свет «остановился», он перестал быть светом.
Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с.
Оптические свойства света
Изучение света и взаимодействия света и материи называют оптикой. Наблюдение и изучение оптических явлений, таких как радуга и северное сияние позволяют пролить свет на природу света.
Преломление
Преломлением света называется изменение направления распространения света (световых лучей) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных сред. Оно описывается законом Снеллиуса:
$ n_1sintheta_1 = n_2sintheta_2, $
где $ theta_1 $ — угол между лучом и нормалью к поверхности в первой среде, $ theta_2 $ — угол между лучом и нормалью к поверхности во второй среде, а $ n_1 $ и $ n_2 $ — показатели преломления первой и второй среды соответственно. При этом $ n=1 $ для вакуума и $ n>1 $ в случае прозрачных сред.
Когда луч света пересекает границу между вакуумом и другой средой, или между двумя различными средами, длина волны света изменяется, но частота остается неизменной. Если луч света не является ортогональным (или, скорее, нормальным) к границе, изменение длины волны приводит к изменению направления луча. Такое изменение направления и является преломлением света.
Преломление света линзами часто используется для такого управления светом, при котором изменяется видимый размер изображения, как, например, в лупах, очках, контактных линзах, микроскопах и телескопах.
Источники света
Свет создаётся во многих физических процессах, в которых участвуют заряженные частицы. Наиболее важным является тепловое излучение, имеющее непрерывный спектр с максимумом, положение которого определяется температурой источника. В частности, излучение Солнца близко к тепловому излучению абсолютно чёрного тела, нагретого до примерно 6000 К, причём около 40 % солнечного излучения лежит в видимом диапазоне, а максимум распределения мощности по спектру находится вблизи 550 нм (зелёный цвет). Другие процессы, являющиеся источниками света:
- переходы в электронных оболочках атомов и молекул с одного уровня на другой (эти процессы дают линейчатый спектр и включают в себя как спонтанное излучение — в газоразрядных лампах, светодиодах и т. п. — так и вынужденное излучение в лазерах);
- процессы, связанные с ускорением и торможением заряженных частиц (синхротронное излучение, циклотронное излучение, тормозное излучение);
- черенковское излучение при движении заряженной частицы со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде;
- различные виды люминесценции:
- сонолюминесценция
- триболюминесценция
- хемилюминесценция (в живых организмах она носит название биолюминесценция)
- электролюминесценция
- катодолюминесценция
- флюоресценция и фосфоресценция
- сцинтилляция
В прикладных науках важна точная характеристика спектра источника света. Особенно важны следующие типы источников:
- Абсолютно чёрное тело
- Источник А
- Источник В
- Источник С
- Источник D65
Указанные источники имеют разную цветовую температуру.
Лампы дневного света, выпускаемые промышленностью, испускают излучение с различным спектральным составом, в том числе:
- Лампы белого света (цветовая температура 3500 К),
- Лампы холодного белого света (цветовая температура 4300 К)
Радиометрия и световые измерения
Спектральные зависимости относительной чувствительности человеческого глаза для дневного (красная линия) и ночного (синяя линия) зрения.
К одним из наиболее важных и востребованных наукой и практикой характеристик света, как и любого другого физического объекта, относятся энергетические характеристики. Измерением и изучением такого рода характеристик, выраженных в энергетических фотометрических величинах, занимается раздел фотометрии, называемый «радиометрия оптического излучения». Таким образом, радиометрия изучает свет безотносительно к свойствам человеческого зрения.
С другой стороны, свет играет особую роль в жизни человека, поставляя ему бо́льшую часть необходимой для жизни информации об окружающем мире. Происходит это благодаря наличию у человека органов зрения — глаз. Отсюда вытекает необходимость измерения таких характеристик света, по которым можно было бы судить о его способности возбуждать зрительные ощущения. Упомянутые характеристики выражают в световых фотометрических величинах, а их измерения и исследования составляет предмет занятий другого раздела фотометрии — «световые измерения».
В качестве единиц измерения световых величин используются особые световые единицы, они базируются на единице силы света «кандела», являющейся одной из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ).
Световые и энергетические величины связаны друг с другом с помощью |относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения $ V(lambda) $, имеющей смысл относительной спектральной чувствительности среднего человеческого глаза, адаптированного к дневному зрению. Для монохроматического излучения с длиной волны $ lambda $, соотношение, связывающее произвольную световую величину $ X_v(lambda) $ с соответствующей ей энергетической величиной $ X_e(lambda) $, в СИ записывается в виде:
$ X_v(lambda)= 683 cdot X_e(lambda)V(lambda). $
В общем случае, когда ограничений на распределение энергии излучения по спектру не накладывается, это соотношение приобретает вид:
$ X_v=683cdotintlimits_{380~nm}^{780~nm}X_{e,lambda}(lambda)V(lambda) dlambda, $
где $ X_{e,lambda}(lambda) $ — спектральная плотность энергетической величины $ X_e $, определяемая как отношение величины $ dX_e(lambda) $, приходящейся на малый спектральный интервал, заключённый между $ lambda $ и $ lambda+dlambda $, к ширине этого интервала. Связь световой величины, характеризующей излучение, с соответствующей ей энергетической величиной, выражают также, используя понятие световая эффективность излучения.
Световые величины относятся к классу редуцированных фотометрических величин, к которому принадлежат и другие системы фотометрических величин. Однако, только световые величины узаконены в рамках СИ и только для них в СИ определены специальные единицы измерений.
Давление света
Свет оказывает физическое давление на объекты на своем пути — явление, которое не может быть выведено из уравнений Максвелла, но может быть легко объяснено в корпускулярной теории, когда фотоны соударяются с преградой и передают свой импульс. Давление света равно мощности светового пучка, поделённой на с, скорость света. Из-за величины с, эффект светового давления является незначительным для повседневных объектов. Например, одномилливатная лазерная указка создаёт давление около 3,3 пН. Объект, освещенный таким образом, можно было бы поднять, правда для монеты в 1 пенни на это потребуется около 30 млрд 1-мВт лазерных указок. Тем не менее, в нанометровом масштабе эффект светового давления является более значимым, и использование светового давления для управления механизмами и переключения нанометровых коммутаторов в интегральных схемах является активной областью исследований.
При больших масштабах световое давление может заставить астероиды вращаться быстрее, действуя на их неправильные формы, как на лопасти ветряной мельницы. Возможность сделать солнечные паруса, которые бы ускорили движение космических кораблей в пространстве, также исследуется.
Восприятие света глазом
Нормированные спектральные зависимости чувствительности колбочек трёх типов. Пунктиром показана светочувствительность палочек.
Видеть окружающий мир мы можем только потому, что существует свет и человек способен его воспринимать. В свою очередь, восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.
Сетчатка человеческого глаза имеет два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки обладают высокой чувствительностью к свету и функционируют в условиях низкой освещённости, отвечая тем самым за ночное зрение. Однако, спектральная зависимость чувствительности у всех палочек одинакова, поэтому палочки не могут обеспечить способность различать цвета. Соответственно, изображение, получаемое с их помощью, бывает только чёрно-белым.
Колбочки имеют относительно низкую чувствительность к воздействию света и обусловливают механизм дневного зрения, действующий только при высоких уровнях освещённости. В то же время, в отличие от палочек, в сетчатке глаза человека имеется не один, а три типа колбочек, отличающихся друг от друга расположением максимумов их спектральных распределений чувствительности. Вследствие этого колбочки поставляют информацию не только об интенсивности света, но и о его спектральном составе. Благодаря такой информации у человека и возникают цветовые ощущения.
Спектральный состав света однозначно определяет его цвет, воспринимаемый человеком. Обратное утверждение, однако, неверно: один и тот же цвет может быть получен различными способами. В случае монохроматического света ситуация упрощается: соответствие между длиной волны света и его цветом становится взаимнооднозначным. Данные о таком соответствии представлены в таблице.
Таблица соответствия частот электромагнитного излучения и цветов
| Цвет | Диапазон длин волн, нм | Диапазон частот, ТГц | Диапазон энергии фотонов, эВ |
|---|---|---|---|
| Фио? |