Настало время познакомиться с новым для вас разделом физики — оптикой.
Оптика — это раздел физики, изучающий свет и световые явления.
Свет исключительно важен как для человека, так и для большинства живых организмов на нашей планете. Благодаря ему мы хорошо ориентируемся в пространстве, различаем цвета. Он участвует во многих биологических процессах. Например, у человека свет регулирует выработку гормонов, ответственных за сон, активность и структуризацию настроения, а у растений под действием света происходит фотосинтез.
Изучение света дало гигантские плоды в различных исследованиях. В астрономии установлены законы движения планет и звёзд, их химический состав, в биологии — строение клетки живых организмов.
Свет кажется для нас абсолютно обыденной вещью. Но, если задуматься, появляется очень много вопросов. Что же такое свет? Какова его природа? Как он распространяется?
На данном уроке вы узнаете ответы на эти вопросы.
Свет как физическое явление
Под действием света предметы, на которые он падает, нагреваются. Например, находясь на пляже в солнечный день, мы чувствуем тепло — наша кожа нагревается. Температура тел изменяется — изменяется и их внутренняя энергия. Это означает, что свет передает энергию этим телам.
Вы тоже заметили ?
Происходит изменение внутренней энергии с изменением температуры тела. Это уже известное нам определение теплопередачи. Она бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. Очевидно, что свет — это излучение, но лишь та его часть, которая заметна глазу.
Вспомним особенности излучения. Все они будут характерны и для света:
- Перенос энергии может осуществляться в вакууме
- Энергия частично поглощается телами, на которые падает свет. При этом они нагреваются.
Источники света
Источники света — это тела, от которых исходит свет.
Они могут быть естественными и искусственными.
К естественным источником света относятся те, присутствие в окружающем нас мире которых не связано с деятельностью человека, а только с природой. Солнце, звезды, атмосферные разряды — примеры естественных источников света. Также таковыми являются различные животные (рисунок 1). Например, светлячки, гнилушки, некоторые виды медуз и глубоководных рыб.
Искусственные источники света, в свою очередь, делятся на два вида (рисунок 2): тепловые и люминесцирующие. Они определяются тем процессом, который лежит в основе излучения.
Тепловыми искусственными источниками света являются электрические лампочки, пламя свечи, костра, газовой горелки и т. д. Люминесцирующие — это люминесцентные и газосветовые лампы.
Согласитесь, что мы видим не только источники света, но и огромное количество других предметов вокруг нас. Дело в том, что видим мы их только тогда, когда на них попадает свет.
Излучение от источников света, попав на предмет, меняет свое направление и попадает на сетчатку глаза. Она же содержит специальные светочувствительные клетки. Эти клетки работают как датчики: распознают сигналы и отправляют их в наш мозг. Мозг переводит эти сигналы в образы, которые мы видим.
При изучении световых явлений для нас будет важен размер источника света.
Точечный источник света — это светящиеся тело, размеры которого намного меньше расстояния, на котором мы оцениваем его действие.
К примеру, гигантские звезды, чей размер во много раз превосходит размер Солнца, для нас будут точечными источниками света. Определяет этот факт огромное расстояние от них до Земли.
Распространение света
Говоря о распространении света, мы будем использовать понятие светового луча.
Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света.
О том, как распространяется свет, известно с древних времён. Об этом писал основатель геометрии Евклид (300 лет до н. э.).
Свет распространяется прямолинейно в однородной среде.
Это легко проверить на практике. Если мы поместим между своими глазами и источником света непрозрачный предмет, то мы не можем увидеть источник света.
В древние времена прямолинейность распространения света часто использовалась при строительстве. Например, древние египтяне таким образом устанавливали колонны на одной линии. Смысл в том, чтобы из-за ближайшей к глазу колонны не были видны остальные.
Тень и полутень
В солнечные дни мы наблюдаем тени, отбрасываемые различными предметами, людьми, зданиями, растениями. В физике дополнительно используется понятие полутени. Образование тени и полутени объясняется прямолинейностью распространения света в однородной среде.
Рассмотрим получение тени (рисунок 3). Используя точечный источник света S (карманный фонарик), мы освещаем непрозрачный шар. Само слово «непрозрачный» говорит нам о том, что шар не пропускает свет, который на него падает. В затемненной комнате на экране образуется тень.
Тень — это та область пространства, в которую не попадает свет от источника.
Возьмем точку A на краю шара. Проведем прямую через точки S и A. Продолжим ее до экрана с тенью. Точка B окажется тоже на этой прямой. Таким образом, прямая SB — это луч света, который касается шара в точке A.
Проделав те же действия с другой стороны шара, мы получим луч света SC, который касается шара в точке B.
Если бы свет распространялся не прямолинейно, то мы могли и не получить тень. Мы же получили четкую тень. Такая тень называется полной. Это получилось, потому что расстояние между нашим источником света и экраном намного меньше размеров используемой лампочки в фонарике.
Теперь возьмем большую лампу, размеры которой будут сравнимы с расстоянием от нее до экрана (рисунок 4).
На экране мы увидим небольшую тень в центре и частично освещенное пространство вокруг нее — полутень.
Полутень — это та область, в которую попадает свет от части источника света.
Давайте рассмотрим, как этот опыт подтверждает прямолинейное распространение света. В данном случае наш источник света — это множество точек. Каждая из них испускает лучи. В итоге, на экране мы видим области, в которые попадает свет от одних точек, а от других не попадает. В таких областях и образуется полутень (области A и B).
При этом в центре все же будет полностью неосвещенная область — полная тень.
Солнечное и лунное затмения
Такие явления, как затмения Солнца или Луны, объясняются образованием тени при попадании света на непрозрачный объект.
Луна непрерывно движется вокруг нашей планеты. Иногда Земля оказывается в положении между Солнцем и Луной. Происходит лунное затмение (рисунок 5, а). А порой Луна находится между Землей и Солнцем. Тогда наблюдается солнечное затмение (рисунок 5, б).
Во время лунного затмения Луна попадает в тень, которую отбрасывает Земля. При солнечном затмении на некоторые участки Земли падает тень — происходит полное затмение (область A на рисунке 5, б). Также есть области, в которых только часть Солнца закрыта Луной. В них образуется полутень (область B на рисунке 5, б).
Это явление называется частным затмением. В других областях Земли затмение наблюдаться не будет.
Солнечные и лунные затмения представляют большой интерес для ученых. Так как движения Луны и Земли хорошо изучены, существует их календарь на многие годы вперед.
При полном солнечном затмении ученые получают возможность наблюдать внешнюю часть атмосферы Солнца — солнечную корону. В обычных условиях ее просто не видно из-за яркого блеска поверхности Солнца.
Источник: obrazavr.ru
Естественные и искусственные источники света
Свет — будь он естественный или искусственный — это физическое явление, благодаря которому мы имеем возможность видеть. Без него нам бы оставалось полагаться только на слух, вкус, обоняние, осязание. Зрение же без света работать не может, поскольку глаз является ничем иным, как оптическим прибором, созданным Богом или эволюцией (кто во что верит — не важно). Наше зрение преобразует отражённое от окружающих предметов световое излучение в понятные нашему мозгу сигналы, с которых и складывается картинка, которую мы видим.
На заре своего развития люди (и всё остальное с глазами) довольствовались естественными источниками света. Со временем их стало недостаточно. Человек начал освещать свою жизнь, используя разные энергоносители, которые получилось преобразовывать в свет. Так появились и развивались до нынешнего уровня искусственные источники света.
Что такое источник света?
Для начала хотя бы в общих чертах разберёмся, что такое свет. Потом вернёмся к его источникам.
Свет — с точки зрения физической науки, которая называется оптикой, это электромагнитное излучение, которое способно воспринимать человеческое зрение. Электромагнитные волны имеют разную длину. Наш глаз способен «обрабатывать» те волны, длина которых вписывается в диапазон 400…700 нанометров.
Нанометр (нм или nm)
Единица измерения длины, равная одной миллиардной части метра. Другими словами, в одном привычном нам метре миллиард нанометров. В одном миллиметре их миллион. Что интересно, материальные вещи мы можем видеть, если они не мельче 0,05 мм (50 000 нм). А вот электромагнитные волны, которые короче 380 нм и длиннее 700 нм — невооружённым глазом мы не видим.
Электромагнитные волны той длины, которая воспринимается нашим зрением, принято называть видимым спектром или видимым излучением. В зависимости от того, какой длины волны, излучаемые источником света или отражаемые окружающими нас предметами, мы различаем разные цвета. От фиолетового до красного.
147 02.04.2023
Инфра- и ультра- «свет»
Поскольку наша тема — источники света, — следует упомянуть и о тех их видах, которые мы широко используем, хотя они излучают невидимые нашим глазом электромагнитные волны. Речь об ультрафиолетовых и инфракрасных источниках. Первые мы применяем для обеззараживания, кристаллизации некоторых веществ, развлечения. Источники инфракрасного излучения чаще всего используются для нагрева чего-либо.
Кстати…
Если мы не видим ультрафиолетового и инфракрасного излучения, то это вовсе не означает, что источник их не излучает. Например, наше Солнце даёт нам намного более широкий спектр, чем мы можем видеть. Даже простая лампочка накаливания, и та излучает не только видимый свет, но и инфракрасный.
Источник света — природный или искусственно созданный объект, излучающий электромагнитную энергию. Поскольку видим её мы только в определённом спектре, то и источниками света называем те, которые излучают волны в его рамках. Причиной излучения света чаще всего служит процесс преобразования какой-либо энергии в электромагнитную.
Например, в костре свет «рождается» благодаря сгоранию дров. В лампочках в свет преобразуется электрическая энергия. В керосиновой лампе — энергия, заключённая в заправленном топливе.
Стоит также различать что относится к первичным и вторичным источникам света. Первичный источник света — это объект, который непосредственно излучает свет. Например, Солнце или лампочка накаливания. Вторичный источник света — это объект, который отражает своей поверхностью излучаемый первичным источником свет.
Например, наша Луна светится за счёт того, что отражает свет Солнца. Предметы вокруг нас — мебель, стены, деревья, люди — это всё вторичные источники света, и видим мы их благодаря тому, что от них отражается свет первичных источников.
Из этого можно сделать важнейший вывод. Для нашего восприятия более ценными являются отнюдь не первичные источники света (лампочки, Солнце). Более того, на многие первичные источники света смотреть неприятно, и даже вредно (есть исключения, например, костёр в камине или на природе).
А вот из отражённого (вторичного) от окружающих объектов света складывается большая часть нашего восприятия. Благодаря этому мы можем учиться, взаимодействовать с окружающей средой и другими людьми. Без света человеку свойственно испытывать растерянность, дезориентацию, страх.
Источники света бывают естественными и искусственными.
Естественные источники света
Естественный источник света — природный объект или явление, в набор «способностей» которого входит излучение видимого света. Другими словами, это те источники, которые светят, но созданы исключительно природой, без участия человека.
Примеры естественных источников света:
- Солнце.
- Луна.
- Звёзды.
- Молнии.
- Люминесцирующие живые существа (светлячки и прочие).
- Излучающие свет минералы.
Обратите внимание
Среди прочего в этом списке Луна не является источником света, как таковым. Вернее, первичным источником. Она ничего не излучает, а только отражает солнечный свет. Тем не менее, она есть в этом списке в Википедии и многих других авторитетных источниках. Следуя такой «логике», этот список можно дополнять до бесконечности.
Например, внести в него стены зданий, отражающие свет от Луны, которая отразила свет Солнца. Выключенные лампочки, отражающие свет включенных лампочек…
Для человека наиболее важным естественным источником света является Солнце. Оно освещает нашу жизнь в светлое время суток. Несмотря на современное многообразие искусственных источников света, о которых речь пойдёт ниже, Солнцу пока что в деле освещения равных нет. Его свет считается эталонным для нашего зрения, поскольку оно много лет приспосабливалось именно к нему.
Солнечный свет обязательно учитывается при проектировании жилых и других зданий. Чтобы использовать его по максимуму, мы применяем различные виды остекления — обычные окна, панорамное остекление, архитектурные решения вроде «второго света», «кукушки», «эркера».
Но этого современному человеку мало. Солнце светит не всегда. Свет его проникает не везде, где мы живём. Поэтому…
Искусственные источники света
Искусственный источник света — техническое устройство, созданное человеком с целью получения света путём преобразования энергии в видимые электромагнитные волны. Считается, что первым источником искусственного освещения был открытый огонь в виде костров и факелов. Не брезгуем им мы, ибо огонь — это одна из трёх вещей, на которые можно смотреть вечно… Сегодня в нашем распоряжении есть очень много искусственных источников света. Мы настолько с ними свыклись, что без них наша жизнь уже кажется нам невозможной. Когда случаются перебои с подачей электроэнергии в тёмное время суток, искусственные источники света — это первое, чего нам не хватает.
Это любопытно
Огонь мы считаем искусственным источником света. Однако, формально он не всегда таковым является. Например, когда мы своими руками разжигаем его в камине или на кострище — это да, искусственный источник света (и тепла). А вот если взять лесной или иной пожар, при свете которого тоже неплохо видно, огонь уже нельзя считать искусственным источником. Разве что пожар устроил человек…
Развитие искусственного освещения
С развитием искусственного освещения человеческая жизнь преобразилась. Сегодня мы этого не замечаем, но искусственному свету мы многим обязаны. Благодаря нему мы больше успеваем сделать за день. Мы можем заниматься своей деятельностью там, куда не проникает солнечный свет. Развитие искусственного освещение не только расширило сферу и временные рамки нашей деятельности.
Оно сделало нашу жизнь более комфортной.
Поинтересуйтесь у людей почтительного возраста — насколько комфортно было читать, шить, вязать при свете свечи или даже керосиновой лампы. А ведь это был повседневный досуг до появления телевизора, компьютера и смартфона (которые, к слову, тоже можно назвать искусственными источниками света).
Первые искусственные источники света
Огонь — считается первым тепловым источником света, освоенным человеком. Сначала это был простой костёр на открытой местности. Позже люди научились использовать открытый огонь в «помещениях». Основным энергоносителем в те времена служила древесина (хотя кости мамонтов тоже использовали). Появились первые «фонарики» — факелы.
Сначала, скорее всего, это была палка, вытащенная из костра. Позже на факел приделывался горючий материал, который горит дольше и ярче.
Первым «окультуренным» искусственным источником света был древний аналог керосиновой лампы. Только вместо керосина, о котором тогда знать не знали, использовали горючие масла. С открытием воска огонь был перенесён человеком на свечу — изобретение настолько удачное, что и в наши дни его можно купить в магазине.
Большое преимущество первых источников искусственного освещения — это автономность. Топлива сколько угодно много, и оно доступно для использования. Однако есть и довольно существенные недостатки. Открытый огонь — это источник пожара при неосторожном использовании, а также угарного газа, ограничивающего его применение в закрытых пространствах. Например, нельзя в помещении разжечь большой костёр или установить столько свечей, чтобы по освещённости достичь уровня современной копеечной лампочки.
В истории есть немало упоминаний, когда причиной масштабного пожара становилась масляная лампа или аналогичный источник искусственного света.
Газовые фонари
С новыми открытиями в области физики и химии люди получили в своё пользование более удобное, яркое и безопасное освещение — газовое. Газовые фонари или лампы применялись далеко не только для освещения улиц. В домах многих европейских стран этот источник искусственного света был очень популярным и развитым. Газ хранили в баллонах, и его было удобно транспортировать до мест использования по резиновым шлангам и медным трубам.
Источник энергии
Следует отметить, что так называемый светильный газ, который использовали во времена газовых фонарей и ламп, был отнюдь не тем полезным ископаемым, которое все знают сегодня. Газ для освещения изначально делали путём пиролиза жира морских животных. Почитайте произведения Жюль Верна «Пятнадцатилетний капитан», «Дети капитана Гранта», «Таинственный остров». Получение светильного газа было одной из основных целей довольно опасного китобойного промысла.
Немногим позже в качестве горючего газа для освещения стали применять бензол и ацетилен. Но, несмотря на их сравнительно простое добывание, они были чрезвычайно дорогими. Частично именно из-за это их свет померк с изобретением и освоением электрической энергии. Киты и другие «жирные» животные должны быть признательны Василию Петрову, который обнаружил вольтову или электрическую дугу, так как с этого времени искусственный свет изменил вектор развития.
Электрические источники света
Многие наверняка думают, что первым электрическим источником света была лампочка накаливания. Несомненно, это ценнейшее изобретение, плодами которого мы пользуемся до сих пор. И окружённое многочисленными спорами — кто первый придумал…
Источник: electricx.ru
История искусственных источников света: от огня до лазеров
Никогда еще маленький городок Менло-Парк не знал такого ажиотажа. В канун нового, 1880 года туда, казалось, съехалось население всего штата Нью-Джерси, а может быть, и нескольких соседних штатов. Пенсильванская железная дорога не справлялась с потоком желающих, и пришлось пустить дополнительные поезда. Люди приезжали с единственной целью – посмотреть на то, как сто электрических солнц, ламп накаливания, освещают станцию, улицы и лабораторию Эдисона.
Дмитрий Мамонтов
Разумеется, и до изобретения электрического освещения люди осознавали необходимость искусственного света и пытались «разгонять тьму». «Если у тебя спрошено будет: что полезнее, солнце или месяц? — ответствуй: месяц. Ибо солнце светит днем, когда и без того светло; а месяц — ночью», — говорил Козьма Прутков. Яркость солнечного света настолько велика, что очень мало искусственных источников света могут с ним соперничать. А вот ночью приходится довольствоваться жалким отражением солнечного света от лунной поверхности (и то не всегда). Вот и приходится человечеству изобретать заменители.
0 РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Дар Прометея
Первым искусственным источником света был огонь, который, как известно, был подарен человечеству Прометеем. В качестве стационарного источника света служил костер, в качестве переносных — факелы, конструкция которых со временем менялась: от простой головешки, вынутой из костра, до рукоятки, обмотанной паклей и пропитанной нефтью, жиром или маслом. Несмотря на то, что факел — очень древнее изобретение (считается, что ему около миллиона лет!), он применяется и поныне: его далекие потомки, работающие на газе, зажигают олимпийский огонь, а фальшфейеры и ракеты применяют для ночной маркировки и сигнализации военные, охотники и туристы.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Помимо факела в каменном веке человечество изобрело лампу — кувшин, наполненный жиром или маслом, с погруженным в него фитилем (веревочным или тканевым). В третьем тысячелетии до нашей эры появились первые свечи — бруски из перетопленного твердого животного жира (сала) с фитилем внутри.
В средние века в качестве материала для свечей применяли китовый жир и пчелиный воск, в настоящее время для этих целей используется парафин.Факелы, свечи и лампы дают очень слабый свет. Спектр открытого огня сильно отличается от солнечного, под который природа «заточила» человеческий глаз. Существенная часть излучения приходится на тепловой (ИК) диапазон.
Видимый свет излучают в основном частицы углерода, нагреваемые пламенем до высокой температуры (как раз эти несгоревшие частицы и образуют копоть). Спектр огня в видимом диапазоне захватывает лишь часть желтой и красной области. Работать при таком свете практически невозможно, и многие средневековые ремесленные гильдии дальновидно запрещали работу по ночам при искусственном свете, так как качество изделий при этом резко падало.
Источник: www.techinsider.ru