Що таке світло у фізиці визначення. Що таке світло? Радіометрія та світлові виміри

Загальні визначення

З погляду оптики, світло – це електромагнітне випромінювання, яке сприймається оком людини. За одиницю зміни прийнято брати ділянку у вакуумі 750 ТГц. Це короткохвильова межа діапазону. Її довжина дорівнює 400 нм. Що стосується межі широких хвиль, то за одиницю виміру береться ділянка 760 нм, тобто 390 ТГц.

У фізиці світло сприймається як сукупність спрямованих частинок, званих фотонами. Швидкість розподілу хвиль у вакуумі стала. Фотони мають певний імпульс, енергію, нульову масу. У більш широкому значенніслова, світло – це видиме Також хвилі можуть бути й інфрачервоними.

З погляду онтології, світло – це початок буття. Про це стверджують і філософи, і релігієзнавці. У географії цим терміном прийнято називати окремі сфери планети. Саме собою світло - це поняття соціальне. Проте у науці вона має конкретні властивості, риси та закони.

Природа та джерела світла

Електромагнітне випромінювання створюється у процесі взаємодії заряджених частинок. Оптимальною умовоюдля цього буде тепло, яке має безперервний спектр. Максимум випромінювання залежить від температури джерела. Відмінним прикладом процесу є Сонце. Його випромінювання є близьким до аналогічних показників абсолютно чорного тіла. Природа світла на Сонці обумовлюється температурою нагрівання до 6000 К. У цьому близько 40% випромінювання перебуває у межах видимості. Максимум спектру потужності розташовується близько 550 нм.

Джерелами світла також можуть бути:

1. Електронні оболонки молекул та атомів під час переходу з одного рівня на інший. Такі процеси дозволяють досягти лінійного спектру. Прикладом можуть бути світлодіоди і газорозрядні лампи.
2. яке утворюється під час руху заряджених частинок з фазовою швидкістю світла.
3. Процеси гальмування фотонів. В результаті утворюється синхро-або циклотронне випромінювання.

Природа світла може бути пов'язана з люмінесценцією. Це стосується і штучних джерел, і органічних. Приклад: хемілюмінесценція, сцинтиляція, фосфоресценція та ін.

У свою чергу джерела світла поділяються на групи щодо температурних показників: А, В, С, D65. Найскладніший спектр спостерігається у абсолютно чорного тіла.

Характеристики світла

Людське око суб'єктивно сприймає електромагнітне випромінювання як колір. Так, світло може віддавати білими, жовтими, червоними, зеленими переливами. Це лише зорове відчуття, яке пов'язане з частотою випромінювання, будь воно за складом спектральним чи монохроматичним. Доведено, що фотони здатні поширюватись навіть у вакуумі. За відсутності речовини швидкість потоку дорівнює 300 000 км/с. Це відкриття було зроблено ще на початку 1970-х років.

На межі середовищ потік світла відчуває або відбиток, або заломлення. Під час поширення він розсіюється через речовину. Можна сміливо сказати, що оптичні показники середовища характеризуються значенням заломлення, рівним відношеннюшвидкостей у вакуумі та поглинання. У ізотропних речовин поширення потоку залежить від напрями. Тут представлений скалярною величиною, Що визначається координатами та часом. В анізотропному середовищі фотони проявляється у вигляді тензора.

Крім того, світло буває поляризованим і немає. У першому випадку головною величиною визначення буде вектор хвилі. Якщо ж потік не поляризований, він складається з набору частинок, спрямованих у випадкові сторони.

Найважливішою характеристикою світла є його інтенсивність. Вона визначається такими фотометричними величинами, як потужність та енергія.

Основні властивості світла

Фотони можуть не тільки взаємодіяти між собою, а й мати напрямок. В результаті зіткнення з стороннім середовищемпотік зазнає відображення та заломлення. Це дві основні властивості світла. З відображенням все більш-менш ясно: воно залежить від щільності матерії та кута падіння променів. Однак із заломленням справа набагато складніша.

Для початку можна розглянути простий приклад: якщо опустити соломинку у воду, то збоку вона здасться вигнутою та укороченою. Це і є заломлення світла, яке настає на кордоні рідкого середовищата повітря. Цей процес визначається напрямом розподілу променів під час проходження через кордон матерії.

Коли потік світла стосується межі між середовищами, довжина його хвилі суттєво змінюється. Проте частота поширення залишається незмінною. Якщо промінь не ортогональний по відношенню до кордону, то зміна зазнає і довжина хвилі, і її напрямок.

Штучне часто використовується в дослідних цілях(Мікроскопи, лінзи, лупи). Також до таких джерел зміни показників хвилі ставляться окуляри.

Класифікація світла

В даний час розрізняють штучне та природне світло. Кожен із цих видів визначається характерним джерелом випромінювання.

Природне світло являє собою набір заряджених частинок з хаотичним напрямком, що швидко змінюється. Таке електромагнітне поле обумовлюється змінним коливанням напруженостей. До природних джерел відносяться розпечені тіла, сонце, поляризовані гази.

Штучне світло буває наступних видів:

1. Місцевий. Його використовують на робочому місці, на ділянці кухні, стіни та ін. Таке освітлення грає важливу рольу дизайні інтер'єру.
2. Загальна. Це рівномірне освітлення усієї площі. Джерелами є люстри, торшери.
3. Комбінований. Суміш першого та другого видів для досягнення ідеальної освітленості приміщення.
4. Аварійний. Він дуже корисний при відключеннях світла. Живлення проводиться найчастіше від акумуляторів.

сонячне світло

На сьогоднішній день це головне джерелоенергії на землі. Не буде перебільшенням сказати, що сонячне світло впливає на всі важливі матерії. Це кількісна постійна, що визначає енергію.

У верхніх шарах земної атмосфериміститься близько 50% випромінювання інфрачервоного та 10% ультрафіолетового. Тому кількісна складова видимого світладорівнює лише 40%.

Сонячна енергія використовується в синтетичних і природних процесах. Це і фотосинтез, і перетворення хімічних форм, І опалення, і багато іншого. Завдяки сонцю людство може скористатися електроенергією. У свою чергу, потоки світла можуть бути прямими та розсіяними, якщо вони проходять через хмари.

Три головні закони

З давніх часів вчені займалися вивченням геометричної оптики. На сьогоднішній день основними є наступні законисвітла:

Сприйняття світла

Навколишній світ людині видно завдяки здатності її очей взаємодіяти з електромагнітним випромінюванням. Світло сприймається рецепторами сітківки, які можуть вловити та відреагувати на спектральний діапазонзаряджених частинок.

У людини є 2 типи чутливих клітин ока: колбочки та палички. Перші зумовлюють механізм зору вдень при високому рівні освітлення. Палички є більш чутливими до випромінювання. Вони дозволяють людині бачити у нічний час.

Зорові відтінки світла обумовлюються довжиною хвилі та її спрямованістю.

Однією з характеристик світла є його колір, який для монохроматичного випромінювання визначається довжиною хвилі, а для складного випромінювання- Його спектральним складом.

Світло може поширюватися навіть за відсутності речовини, тобто у вакуумі. При цьому наявність речовини впливає швидкість поширення світла.

Кожній енергетичній величині відповідає аналог – світлова фотометрична величина. Світлові величини відрізняються від енергетичних тим, що оцінюють світло за його здатністю викликати в людини зорові відчуття. Світловими аналогами перерахованих вище енергетичних величин є світлова енергія, світловий потік, сила світла, яскравість, світність та освітленість.

Облік світловими величинами залежності зорових відчуттів від довжини хвилі світла призводить до того, що при тих самих значеннях, наприклад, енергії, перенесеної зеленим і фіолетовим світлом, світлова енергія, перенесена в першому випадку, буде істотно вищою, ніж у другому. Такий результат перебуває у згоді з тим, що чутливість людського окадо зеленого світла вище, ніж до фіолетового.

Швидкість світла

Швидкість світла у вакуумі визначається точності 299792458 м/с (близько 300 000 км в секунду). Фіксоване значення швидкості світла СІ пов'язані з тим, що метр нині визначається термінах швидкості світла. Всі види електромагнітного випромінювання, як вважають рухаються з такою самою швидкістю у вакуумі.

Різні фізики намагалися виміряти швидкість світла протягом усієї історії. Галілей намагався виміряти швидкість світла у сімнадцятому столітті. Ранній експеримент із вимірювання швидкості світла був проведений Оле Ремером, датським фізиком, у 1676 році. За допомогою телескопа Ромер спостерігав рух Юпітера та одного з його місяців Іо. Відзначаючи відмінності у очевидний період орбіти Іо, він підрахував, що світові потрібно близько 22 хвилин, щоб перетнути діаметр орбіти Землі. Тим не менш, її розмір не був відомий на той час. Якби Ремер знав діаметр орбіти Землі, він отримав значення швидкості, рівне 227000000 м/с.

Інший, більше точний спосіб, Вимірювання швидкості світла виконав в Європі Іполит Фізо в 1849 році. Фізо направлений промінь світла у дзеркало на відстані кількох кілометрів. зубчасте колесо, що обертається, було поміщено на шляху світлового променя, Який подорожував від джерела до дзеркала і потім поверталося до свого джерела. Фізо виявив, що при певній швидкості обертання, промінь проходитиме через один пробіл в колесі на шляху і наступний розрив на зворотним шляхом. Знаючи відстань до дзеркала, число зубів на колесі, і швидкість обертання, Фізо вдалося обчислити швидкість світла 313 млн м/с.

Леон Фуко використовував експеримент, який використовував обертове дзеркало, щоб отримати значення 298000000 м/с у 1862 році. Альберт А. Майкельсон проводив експерименти на визначення швидкості світла з 1877 до своєї смерті в 1931 році. Він покращив метод Фуко в 1926 році з використанням удосконалених обертових дзеркал для вимірювання часу, який знадобився світла, щоб помандрувати з гори Вілсон до гори Сан - Антоніо в Каліфорнії. Точні виміридали швидкістю 29 979 6000 м/с.

Ефективна швидкість світла у різних прозорих речовинах, що містять звичайну матерію, менша, ніж у вакуумі. Наприклад, швидкість світла у воді становить близько 3/4 того, що у вакуумі. Тим не менш, уповільнення процесів у речовині, як вважають, походить не від фактичного уповільнення частинки світла, а від їх поглинання та перевипромінювання зарядженими частинок у речовині.

Як крайній приклад уповільнення світла, можна сказати, що двом незалежним групам фізиків вдалося "повністю зупинити" світло, пропускаючи її через конденсат Бозе-Ейнштейна на основі рубідія, Проте слово "зупинити" в цих експериментах відноситься тільки до світла, що зберігається в збуджених станахатомів, а потім повторно випромінюється в довільне більше пізній часяк вимушене другим лазерним імпульсом випромінювання. У часи, коли світло "зупинилося", воно перестало бути світлом.

Оптичні властивості світла

Вивчення світла та взаємодії світла та матерії називають оптикою. Спостереження та вивчення оптичних явищ, таких як веселка та Північне сяйводозволяють пролити світло на природу світла.

Заломлення

Приклад заломлення світла. Соломка здається вигнутою через заломлення світла, оскільки це входить в рідину з повітря.

Заломленням світла називається зміна напряму поширення світла (світлових променів) при проходженні через межу розділу двох різних прозорих середовищ. Воно описується законом Снелліуса:

де - кут між променем і нормаллю до поверхні в першому середовищі, - кут між променем і нормаллю до поверхні другому середовищі,та – показники заломлення першого та другого середовища відповідно. При цьому для вакууму та у разі прозорих середовищ.

Коли промінь світла перетинає кордон між вакуумом та іншим середовищем, або між двома різними середовищами, Довжина хвилі світла змінюється, але частота залишається незмінною. Якщо промінь світла перестав бути ортогональним (чи, скоріш, нормальним) до кордону, зміна довжини хвилі призводить до зміни напрямку променя. Така зміна напряму є заломленням світла.

Заломлення світла лінзами часто використовується для управління світлом, при якому змінюється видимий розмірзображення, наприклад у лупах, окулярах, контактних лінзах, мікроскопах і телескопах.

Джерела світла

Світло створюється у багатьох фізичних процесів, у яких беруть участь заряджені частки. Найбільш важливим є теплове випромінювання, що має безперервний спектр з максимумом, що залежить від температури джерела. Зокрема, випромінювання Сонця близько до теплового випромінюванняабсолютно чорного тіла, нагрітого до приблизно 6000 К, причому близько 40% сонячного випромінюваннялежить у видимому діапазоні, а максимум розподілу потужності за спектром знаходиться близько 550 нм ( зелений колір). Інші процеси, що є джерелами світла:

• переходи в електронних оболонкахатомів та молекул з одного рівня на інший (ці процеси дають лінійний спектрі включають як спонтанне випромінювання - в газорозрядних лампах, світлодіодах і т. п. - так і вимушене випромінювання в лазерах);
• процеси, пов'язані з прискоренням та гальмуванням заряджених частинок (синхротронне випромінювання, циклотронне випромінювання, гальмівне випромінювання);
• черенківське випромінювання при русі зарядженої частинки зі швидкістю, що перевищує фазову швидкість світла в даному середовищі;
• різні види люмінесценції:
  • хемілюмінесценція (у живих організмах вона носить назву біолюмінесценція)
  • сцинтиляція

У прикладних наукахважлива точна характеристика спектра. Особливо важливі наступні типиджерел:

• Джерело А
• Джерело В
• Джерело С
• Джерело D 65

Лампи денного світлавипускають різні світлові діапазони, зокрема:

• Лампи білого світла(Колірова температура 3500),
• Лампи холодного білого світла (колірна температура 4300 К)

Радіометрія та світлові виміри

До одним з найбільш важливих та затребуваних наукою та практикою характеристик світла, як і будь-якого іншого фізичного об'єкта, Належать енергетичні характеристики. Вимірюванням та вивченням такого роду характеристик, виражених в енергетичних фотометричних величинах, займається розділ фотометрії, званий «радіометрія оптичного випромінювання». Таким чином, радіометрія вивчає світло безвідносно до властивостей людського зору.

З іншого боку, світло відіграє особливу роль у житті людини, постачаючи йому більшу частину необхідної для життя інформації про навколишній світ. Відбувається це завдяки наявності в людини органів зору – очей. Звідси випливає необхідність виміру таких характеристик світла, якими можна було судити про його здатність збуджувати зорові відчуття. Згадані характеристики виражають у світлових фотометричних величинах, які вимірювання і дослідження становить предмет занять іншого розділу фотометрії - « світлові виміри» .

Світлові та енергетичні величини пов'язані один з одним за допомогою відносної спектральної світлової ефективності монохроматичного випромінювання для денного зору, що має сенс відносної спектральної чутливості середнього ока, адаптованого до денного зору. Для монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі співвідношення, що зв'язує довільну світлову величину з відповідною їй енергетичною величиною, в СІ записується у вигляді:

У загальному випадку, коли обмежень на розподіл енергії випромінювання по спектру не накладається, це співвідношення набуває вигляду:

Світлові величини відносяться до класу редукованих фотометричних величин, до якого належать інші системи фотометричних величин. Однак, тільки світлові величиниузаконено в рамках СІ і тільки для них у СІ визначено спеціальні одиниці вимірів.

Тиск світла

Світло надає фізичний тискна об'єкти на своєму шляху - явище, яке не може бути виведене з рівнянь Максвелла, але може бути легко пояснене в корпускулярній теорії, коли фотони стикаються з перепоною і передають свій імпульс. Тиск світла дорівнює потужності світлового пучка, поділеної на с, швидкість світла. Через величину с ефект світлового тиску є незначним для повсякденних об'єктів. Наприклад, одноміллівна лазерна указка створює тиск близько 3,3 пН. Об'єкт, освітлений таким чином, можна було б підняти, правда для монети в 1 пенні на це потрібно близько 30 млрд 1-мВт лазерних указок. Тим не менш, в нанометровому масштабі ефект світлового тиску є більш значущим, і використання світлового тиску для управління механізмами та перемикання нанометрових комутаторів в інтегральних схемах є активною сферою досліджень.

Історія теорій світла у хронологічному порядку

Античні Греція та Рим

На початку 19 століття досліди Томаса Юнга з дифракцією дали переконливі свідчення на користь хвильової теорії. Було відкрито, що світло є поперечні хвиліта характеризується поляризацією. Юнг висловив припущення, що різні кольоривідповідають різним довжинам хвилі. У 1817 році свою хвильову теорію світла виклав у мемуарі для Академії наук Огюстен Френель. Після створення теорії електромагнетизму світло було ідентифіковано як електромагнітні хвилі. Перемога хвильової теорії похитнулася наприкінці 19 століття, коли досвід Майкельсон-Морлі не виявив ефіру. Хвилі потребують існування середовища, в якому вони могли б поширюватися, проте ретельно сплановані експерименти не підтвердили існування цього середовища. Це призвело до створення Альбертом Ейнштейном спеціальної теоріївідносності. Природа електромагнітних хвиль виявилася складнішою, ніж просто поширення збурень у речовині. Розгляд завдання про теплову рівновагу абсолютно чорного тіла зі своїм випромінюванням Максом Планком призвів до появи ідеї про випромінювання світла порціями – світловими квантами, які отримали назву фотонів. Аналіз явища фотоефекту Ейнштейном показав, що поглинання світлової енергії відбувається квантами.

З розвитком квантової механікиутвердилася ідея Луї де Бройля про корпускулярно-хвильовий дуалізм, за якою світло має володіти одночасно хвильовими властивостями, чим пояснюється його здатність до дифракції та інтерференції, і корпускулярними властивостями, чим пояснюється його поглинання та випромінювання.

Хвильова та електромагнітна теорії

Світло у спеціальній теорії відносності

Квантова теорія

Корпускулярно-хвильовий дуалізм

Квантова електродинаміка

Сприйняття світла оком

Бачити навколишній світми можемо тільки тому, що існує світло і людина здатна її сприймати. У свою чергу, сприйняття людиною електромагнітного випромінювання видимого діапазону спектра відбувається завдяки тому, що в сітківці ока людини розташовуються рецептори, здатні реагувати на це випромінювання.

Сітківка людського ока має два типи світлочутливих клітин: палички та колбочки. Палички мають високою чутливістюдо світла і функціонують за умов низької освітленості, відповідаючи цим за нічний зір . Однак спектральна залежність чутливості у всіх паличок однакова, тому палички не можуть забезпечити здатність розрізняти кольори. Відповідно, зображення, одержуване з допомогою, буває лише чорно-білим.

Колбочки мають відносно низьку чутливість до дії світла і зумовлюють механізм денного зору, що діє тільки при високих рівняхосвітленості. У той же час, на відміну від паличок, у сітківці очі людини не один, а тритипу колб, що відрізняються один від одного розташуванням максимумів їх спектральних розподілів чутливості. Внаслідок цього колбочки постачають інформацію не лише про інтенсивність світла, а й про його спектральному складі. Завдяки такій інформації у людини виникають колірні відчуття.

Спектральний склад світла однозначно визначає його колір, який сприймає людина. Зворотне затвердженняоднак, неправильно: один і той же колір може бути отриманий у різний спосіб. В разі монохроматичного світласитуація спрощується: відповідність між довжиною хвилі світла та його кольором стає взаємнооднозначною. Дані про таку відповідність представлені у таблиці.

Таблиця відповідності частот електромагнітного випромінювання та кольорів

Сучасна фізична оптика розглядає світло як різновид електромагнітних хвиль, що сприймаються оком людини. Тобто можна сказати, що світло - це видиме електромагнітне випромінювання.

Видиме світло

Як відомо, електромагнітні хвилі відрізняються частотою та довжиною хвилі. І залежно від цих значень електромагнітне випромінювання ділять за частотними діапазонами.

Поза фізичною оптикою до поняття «світло» відносять також електромагнітні хвилі, видимі окомлюдини, в інфрачервоному діапазоніз довжиною хвилі 1 мм - 780 нм та частотою 300 ГГц - 429 ТГц та в ультрафіолетовому діапазоні з довжиною хвилі 380 - 10 нм та частотою 7,5·10 14 Гц - 3·10 16 Гц.

Інфрачервоне, видиме та ультрафіолетове випромінювання називають оптичною областю спектру. Верхня межаоптичного діапазону є довгохвильовою межею інфрачервоного випромінювання, а нижня - короткохвильовою межею ультрафіолетового випромінювання. Таким чином, діапазон оптичного випромінювання – від 1 мм до 10 нм.

Як виникає світло? Виявляється, він утворюється в результаті процесів, що відбуваються всередині атомів при зміні їхнього стану. При цьому виникає потік частинок, які називаються фотонами. Вони не мають маси, але мають енергію.

Виходить, що світло одночасно має властивості електромагнітної хвилі та властивості дискретних частинок - фотонів.

Джерела світла

Будь-яке тіло, що випромінює електромагнітні хвилі з частотою, розташованою в діапазоні видимого світла, можна назвати джерелом світла. Усі джерела світла діляться на природні, створені самою природою, і штучні, створені людьми.

Найважливіший природне джерелосвітла Землі - це, звичайно, Сонце. Воно дає нам не лише світло, а й тепло. Завдяки енергії сонячного світла на планеті існує життя. Світло випромінюють Місяць, зірки, комети та інші космічні тіла. Джерелами природного світламожуть бути не тільки тіла, а й природні явища. Під час грози ми бачимо, яким потужним світломосяює все навколо спалах блискавки. Полярні сяйва, живі організми, що світяться, мінерали та ін - це теж природні джереласвітла.

Найпершим і найдавнішим штучним джереломсвітла можна назвати вогонь багаття. Пізніше люди навчилися використовувати інші види палива і створювати переносні джерела світла: свічки, смолоскипи, масляні лампи, газові ліхтарі та ін. велика кількістьтепла.

З винаходом електрики з'явилися електричні лампочки, які досі використовуються людьми як джерела світла.

Геометрична оптика

Поширення світла в прозорому середовищі, його відображення від дзеркально-відбиваються поверхонь, заломлення на межі двох прозорих середовищ відбувається за певними законами, вивчення яких займається геометрична оптика.

Для вивчення різних світлових явищ у геометричній оптиці застосовуються такі поняття, як точкове джерело світла та світловий промінь.

Основне поняття геометричної оптики - світловий промінь .

Звичайна лампа поширює світло рівномірно на всі боки. Закриємо цю лампу непрозорим матеріалом таким чином, щоб світло, що випромінюється нею, могло проходити лише в невеликий вузький отвір. Через нього піде вузький світловий потік, спрямований вздовж прямої лінії. Ця лінія, вздовж якої поширюється світловий пучок, називається світловим променем. Напрямок цього променя залежить від його поперечних розмірів.

Свічки, ліхтарі, лампи та інші джерела світла мають досить великі розмірив порівнянні з відстанню, на яку поширюється їхнє світло. Їх називають протяжними джерелами світла . Точковим джерелом світла вважається таке джерело, розмірами якого можна знехтувати в порівнянні з відстанню, до якої доходить це світло. Наприклад, космічна зірка, що має насправді величезні розміри, може вважатися точковим джерелом світла, оскільки відстань, яку цей світ поширюється, величезно проти розмірами самої зірки.

Розглянемо основні закони геометричної оптики.

Закон прямолінійного поширення світла

У прозорій однорідному середовищісвітло поширюється прямолінійно. Доказом цього закону є досвід, у якому світло від точкового джерела проходить через невеликий отвір на екрані. В результаті утворюється вузький світловий пучок, а в площині, розташованій за екраном паралельно йому, з'являється правильне світлове коло з центром на прямій, уздовж якої світло поширюється.

Розмістимо між джерелом світла та екраном невеликий предмет. На екрані побачимо тінь цього предмета. Тінь- Це область, куди не потрапляє світловий промінь. Її поява пояснюється прямолінійним поширенням світла. Якщо джерело світла точкове, то утворюється тільки тінь. Якщо його розміри досить великі проти відстанню до предмета, то створюються тінь і півтінь. Адже в цьому випадку світлові промені походять від кожної точки джерела. Деякі з них, потрапляючи в область тіні, підсвічують її краї і тим самим створюють півтінь - Область, в яку світлові промені потрапляють частково.

Закон прямолінійного поширення пояснює природу сонячного та місячного затемнення. Сонячне затемненнявідбувається, коли Місяць розташовується між Сонцем та Землею, і тінь від Місяця падає на Землю.

Закон прямолінійного поширення світла використовували ще давні греки під час встановлення колон. Якщо колони розташувати строго по прямій лінії, то найближча з них візуально закриє всі інші.

Закон відображення світла

Якщо на шляху світлового променя зустрічається поверхня, що відображає, то світловий промінь змінює свій напрямок. Падаючий і відбитий промені і нормаль (перпендикуляр) до поверхні, що відбиває, відновлена ​​в точці падіння, лежать в одній площині. Кут між променями ділиться цією нормаллю на рівні частини. Найбільш поширене формулювання закону відображення: « Кут падіння дорівнює кутувідображення». Але це визначення не вказує напрямок відбитого променя. Тим часом відбитий промінь піде у напрямку, зворотному падаючому променю.

Якщо розміри нерівностей поверхні менше довжини світлової хвилі, то промені, що падають паралельним потоком, відобразяться дзеркально і підуть паралельними потоками.

Якщо ж розміри нерівностей перевищують довжину хвилі, то вузький пучок розсіюватиметься, і відбиті промені підуть по різним напрямкам. Таке відображення називають дифузним, або розсіяним. Але незважаючи на безладне розсіювання, закон відображення виконується і в цьому випадку. Для будь-якого променя кут падіння та кут відображення будуть рівними.

Закон заломлення світла

Опустимо олівець у чашку з водою. Зрительно нам здається, що він ніби переломився надвоє на поверхні води. Насправді з олівцем нічого не сталося. Причина в тому, що промінь світла падає на поверхню води під одним кутом, а йде вглиб під іншим. Через це спотворюються розміри та розташування фізичних тіл.

Зміна напрямку світлового променя на межі розділу двох прозорих для світлових хвиль середовищ називають заломленням світла.

Закон, що описує заломлення світлових хвиль, називається законом Снелліуса(Снелля або Снелля) на ім'я його автора - голландського математика Віллеброрда Снелліуса, який відкрив його в 1621 році.

Відповідно до цього закону кут падіння світла на поверхню розділу та кут заломлення пов'язані ставленням:

n 1 sinƟ 1 = n 2 sinƟ 2 ,

або sin Ɵ 1 / sin Ɵ 2 = n 2 / n 1 ,

де n 1 - показник заломлення середовища, з якого світло падає на межу розділу;

Ɵ 1 - кут між падаючим на поверхню розділу світловим променем та нормаллю до цієї поверхні;

n 2 - показник заломлення середовища, в яке потрапляє світло після межі розділу;

Ɵ 2 - Кут між променем, що пройшов поверхню розділу, і нормаллю до цієї поверхні.

Показник заломлення середовища - це відношення швидкості світла у вакуумі до його швидкості у цьому середовищі:

n = c/v

Чим більше він відрізняється від одиниці, тим більшим буде кут відхилення світлового променя під час переходу з вакууму в середу.

Ставлення n 2 / n 1 називають відносним показникомзаломлення .

Промінь світла, що входить у більш щільне середовище, утворює з нормаллю цієї поверхні менший кут, тобто заломлюється вниз. Але насправді здається, що цей кут, навпаки, більший, ніж кут падіння. В результаті цього ми спостерігаємо спотворення розмірів, форми та розташування предметів. Предмети, що знаходяться у воді, здаються нам більшими, ніж вони є насправді, і розташованими вище. Так, купальники часто помиляються, оцінюючи глибину водойми. Вони бачать дно піднятим, а глибина здається їм меншою.

Через заломлення сонячного світла в атмосфері ми спостерігаємо схід Сонця трохи раніше, а захід сонця трохи пізніше, ніж ці явища відбувалися б, якби атмосфери не було.

На основі явища заломлення побудовано об'єктиви фото- та кінокамер, мікроскопів, телескопів, біноклів та інших. оптичних приладів, у складі яких є оптичні лінзи чи призми.

При переході світла з більш щільного середовища в менш щільне (наприклад, з води в повітря) можна спостерігати повне внутрішнє відображення світлового променя . Воно виникає, коли кут падіння дорівнює деякому значенню, що називається граничним кутом повного внутрішнього відображення . При цьому падаючі промені повністю відбиваються від поверхні розділу. Заломлені промені зникають зовсім.

Це явище використовують у волоконних світлодіодах, які виготовляють із оптично прозорого матеріалу. Вони є дуже тонкими нитками. Світло, що у них, повністю відбивається від внутрішніх бічних поверхонь і поширюється великі відстані.

Геометрична оптика розглядає властивості світла без урахування його хвильової теорії та квантових явищ. Звичайно, точно описувати оптичні явищавона не може. Але оскільки її закони набагато простіше проти узагальнюючими хвильовими законами, її широко використовують із розрахунку оптичних систем.

Людина наділена п'ятьма органами почуттів: зором, слухом, нюхом, дотиком та смаком. За допомогою цих почуттів ми отримуємо інформацію про навколишній світ. Роль кожного їх обсягом одержуваної нами інформації значно відрізняється: близько 80 % всієї сприймається людиною інформації посідає частку лише почуття - зору. Тому з повною підставоюми можемо назвати зір основним почуттям, з допомогою якого пізнаємо світ, його красу, багатство форм, фарб, змісту.

Але для роботи нашого органу зору – очі – необхідна наявність ще одного найважливішого фактора- Світла. Зір і світло пов'язані безпосередньо: якщо людині зав'язати очі (як би вимкнути їх) у світлому місці або ввести його з відкритими очимав приміщення без будь-якого світла, то ефект буде однаковий - людина втрачає орієнтування, і на допомогу йому приходять інші почуття (слух, нюх, дотик).

То що таке світло?

За сучасними науковим уявленням світло- це електромагнітне випромінювання із певними параметрами. Електромагнітних випромінювань як природного, так і штучного походженняіснує безліч: це і радіотелевізійні сигнали, рентгенівські та космічні промені, і світло, і багато іншого. Загальним всім видів електромагнітних випромінювань є швидкість їх поширення у вакуумі, рівна 300 000 000 метрів на секунду.

Електромагнітні випромінювання характеризуються частотою коливань, що показує кількість повних циклів коливань на секунду, або довжиною хвилі, тобто відстанню, яку поширюється випромінювання під час одного коливання (як то кажуть, за «один період коливань»). Частота коливань(зазвичай позначається літерою f), довжина хвилі(позначається λ) та швидкість поширення випромінювань(позначається з) пов'язані простим співвідношенням:

Якщо в радіотехніці зазвичай користуються поняттям « частота», то у світлотехніці та в оптиці прийнято характеризувати випромінювання довжиною хвилі. Так от, світло - це електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль від 380 до 760 мільярдних часток метра або нанометрів (скорочено нм).

Випромінювання з різною довжиною хвилі сприймаються оком по-різному: від 380 до 450 нм - як Фіолетовий колір; від 450 до 480 – як синій; від 480 до 510 – як блакитний; від 510 до 550 – як зелений; від 550 до 575 – як жовто-зелений; від 575 до 590 – як жовтий; від 590 до 610 – як помаранчевий; більше 610 нм – як червоний колір. Кордони квітів приблизні і в різних людейможуть дещо відрізнятися.

Білий колір- це сукупність всіх або кількох кольорів, взятих у певній пропорції. Якщо промінь білого світла пропустити через скляну призму, він розкладеться на кольорові складові. Сукупність кольорових складових складного випромінювання називається спектром випромінювання(Рис. 1).

Мал. 1. Спектр оптичного випромінювання

Чутливість ока до випромінювання різних квітівнеоднакова - якщо на око потрапляє кольорове світло з однаковою потужністю електромагнітного випромінювання, то жовті та зелені кольори здаватимуться набагато світлішими, ніж сині та червоні. Міжнародний комітет заходів та ваг у 1933 році прийняв єдину стандартну чутливість ока до випромінювання різних кольорів для денного зору. На рис. 2 показана стандартизована крива спектральної чутливості ока, звана у світлотехнічній літературі також «кривої відносної спектральної світлової ефективності випромінювання». На основі кривої спектральної чутливості ока для денного зору побудовано всю систему світлових величин і одиниць. Максимум кривої спектральної чутливості ока лежить у жовто-зеленій області спектра і посідає довжину хвилі 555 нм.

Мал. 2. Крива спектральної чутливості ока

Якщо світла мало, то крива спектральної чутливості зміщується убік коротких довжин хвиль, тобто убік синіх квітів. Кожна людина по власним досвідомзнає, що вночі блакитні та сині кольориздаються значно світлішими, а червоні стають чорними. "Нічна" крива чутливості ока також стандартизована міжнародними організаціями в 1951 році.

Випромінювання з довжинами хвиль коротше 380 і довше 760 нм оком не сприймаються. Короткохвильове випромінювання, зване ультрафіолетовим, має сильну біологічну дію - утворює засмагу на шкірі людини, вбиває мікроби, а також викликає різні фотохімічні реакції (перетворює звичайний кисень повітря на озон, призводить до вицвітання фарб тощо). За допомогою спеціальних речовин - люмінофорів - ультрафіолетове випромінюванняможе бути перетворено на видиме світло.

Довгохвильове випромінювання, що називається інфрачервоним, сприймається шкірою людини як тепло. Це випромінювання використовується для сушіння лакофарбових покриттів, нагрівання предметів, в медичних цілях, пристрої дистанційного керування радіоапаратурою і т.п.

У сукупності видиме, ультрафіолетове та інфрачервоне випромінюванняутворюють оптичний діапазон спектру електромагнітних коливаньчи оптичне випромінювання.

У 17 столітті з'явилися дві теорії (хвильова та корпускулярна) про те, світло. Згідно з першою, світло є електромагнітною хвилею. Це було підтверджено системою рівнянь Максвелла, складеною у 19 столітті. Вона дуже добре описувала електричні та магнітні поля. Досі ніхто не зміг довести, що теорія Максвелла невірна.

У 20 столітті виявилися деякі явища, що йдуть урозріз із хвильовими уявленнями у світлі. До них входить фотоефект - вибивання електронів з речовини падаючим світлом. Відповідно до хвильової теорії, це явище повинно мати значну затримку: світлова хвиляповинна передати значну кількість енергії електрону, щоб він вилетів із речовини. Проте, досліди показали, що затримка практично відсутня. Була створена нова теорія, Що стверджує, що світло - частинок (корпускулів) Таким чином було показано корпускулярно-хвильовий дуалізм світла.

Хвильові властивості світла

До явищ, що підтверджують, що світло - електромагнітна хвиля, відноситься інтерференція, дифракція та інші. Вони часто використовуються в різних наукових дослідженнях.

Інтерференція - це накладання двох хвиль, що призводить до збільшення або зменшення інтенсивності випромінювання. В результаті виходить інтерференційна картина: чергування максимумів і мінімумів, причому максимуми мають інтенсивність випромінювання, що в 4 рази перевищує інтенсивність джерела. Для спостереження інтерференції необхідно, щоб джерела були (тобто мали однакову частоту випромінювання і постійну різницю фаз).

Корпускулярні властивості світла

Світло виявляє свої корпускулярні властивості при фотоефекті. Це було відкрито німецьким фізиком Р. Герцем і експериментально досліджено російським ученим А.Г. Столітовим. Він отримав деякі цікаві дані. Максимальна кінетична енергіяелектронів, що вилетіли, залежить тільки від частоти падаючого випромінювання. Це суперечить уявленням класичної фізики.

Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту - мінімальна частота, за якої це явище ще спостерігається. Таким чином, фотоефект може мати місце навіть при падаючому випромінюванні низької енергії (головне, щоб частота була придатною). Цікавим відкриттямстало і те, що кількість електронів, що вилетіли з поверхні речовини в одиницю часу, залежить тільки від інтенсивності випромінювання (пряма залежність).