Від чого залежить колір хвилі. Застосування та особливості видимого світла та випромінювання

Вступ………………………………………………………………………… 1. Поняття колірної температури………………………………………… ….. 1.1. Таблиця числових значень колірної температури поширених джерел світла……………………………………………………………….. 1.2. Діаграма кольоровості XYZ………………………………………………….

1.3.Сонячний світло і Індекс Перенесення кольорів (CRI - colour rendering index).

2. Методи вимірювання колірної температури………………………………...... Джерела інформації………………………………………………………….

Вступ.

За нашими психологічними відчуттями кольори бувають теплими та гарячими, бувають холодними та дуже холодними. Насправді всі кольори гарячі, дуже гарячі, адже кожен колір має свою температуру і дуже високу. Будь-який предмет в навколишньому світі має температуру, вищу за абсолютного нуля, а значить, випромінює теплове випромінювання. Навіть лід, який має негативну температуру, є джерелом теплового випромінювання. У це важко повірити, але це так. У природі температура -89°С не найнижча, можна досягти ще нижчих температур, щоправда, поки що, у лабораторних умовах. Найнижча температура, яка на даний момент теоретично можлива в межах нашого всесвіту, - це температура абсолютного нуля і вона дорівнює -273,15°С. За такої температури припиняється рух молекул речовини і тіла повністю перестають випускати будь-яке випромінювання (теплове, ультрафіолетове, а тим більше видиме). Повна темрява, немає ні життя, ні тепла. Можливо, хтось із вас знає, що колірна температура вимірюється в Кельвінах. Хто купував собі додому енергозберігаючі лампочки, той бачив напис на упаковці: 2700К або 3500К або 4500К. Це і є колірна температура світлового випромінювання лампочки. Але чому вимірюється у Кельвінах, і що означає Кельвін? Ця одиниця виміру було запропоновано 1848г. Ульям Томсон (він же лорд Кельвін) і офіційно затверджена в Міжнародній Системі одиниць. У фізиці та науках, які мають безпосереднє відношення до фізики, термодинамічну температуру вимірюють саме Кельвінах. Початок звіту температурної шкали починається з точки 0Кельвін, що означає - 273,15 градусів Цельсія. Тобто 0К - це і є абсолютний нуль температури. Можна легко перевести температуру з Цельсія до Кельвіна. Для цього потрібно просто додати число 273. Наприклад, 0°С це 273К, тоді 1°С це 274К, за аналогією температура тіла людини 36,6°С це 36,6 + 273,15 = 309,75К. Ось так все просто виходить.

Глава 1. Поняття колірної температури.

Спробуймо розібратися, що таке колірна температура.

Джерелами світла є розпечені до високих температур тіла, теплові коливання атомів яких і викликають випромінювання як електромагнітних хвиль різної довжини. Випромінювання, залежно від довжини хвилі, має власну кольоровість. При невисоких температурах і при більш довгих хвилях переважає випромінювання з теплою, червоною кольоровістю світлового потоку, а за більш високих, зі зменшенням довжини хвилі, з холодною, синьо-блакитною кольоровістю. Одиницею довжини хвилі є нанометр (нм), 1нм = 1/1000000мм. Ще в 17 столітті Ісаак Ньютон за допомогою призми розклав так зване біле денне світло та отримав спектр, що складається з семи кольорів: червоного, помаранчевого, жовтого, зеленого, блакитного, синього, фіолетового, а в результаті різних дослідів довів, що будь-який спектральний колір можна отримати змішуванням світлових потоків, що складаються з різних співвідношень трьох кольорів – червоного, зеленого та синього, які і були названі основними. Так виникла теорія трикомпонентності.

Людське око сприймає кольоровість світла завдяки рецепторам, так званим колбочкам, які мають три різновиди, кожен з яких сприймає один із трьох основних кольорів - червоний, зелений або синій і має до кожного з них свою чутливість. Людське око сприймає електромагнітні хвилі в діапазоні від 780 до 380 нанометрів. Це видима частина спектра. Отже, і світлоприймачі носіїв інформації - кіно та фотоплівка чи матриця камери повинні мати ідентичну оку чутливість до кольору. Сенсибілізовані плівки та матриці відеокамер сприймають електромагнітні хвилі в трохи ширшому діапазоні, захоплюючи довколишнє до червоної зони інфрачервоне випромінювання (ІЧ) в діапазоні 780-900 нм і ближнє до фіолетової - ультрафіолетове (УФ) 00 на00 на У00 на00 на У00 на0 Ця область спектра, в якій діє геометрична оптика та світлочутливі матеріали, називається оптичним діапазоном.

Людське око крім світлової та темнової адаптації має так звану колірну адаптацію, завдяки якій при різних джерелах, з різними співвідношеннями довжин хвиль основних кольорів, правильно сприймає кольори. Плівка ж і матриця таких властивостей не мають, вони збалансовані під певну колірну температуру.

Тіло, що нагрівається, залежно від температури нагріву у своєму випромінюванні має різне співвідношення різних довжин хвиль і відповідно різну кольоровість світлового потоку. Еталон, яким визначається кольоровість випромінювання, є абсолютно чорне тіло (АЧТ), т.зв. випромінювач Планка. Абсолютно чорне тіло - віртуальне тіло, що поглинає 100% світлового випромінювання, що падає на нього, описується законами теплового випромінювання. А колірна температура - це температура АЧТ у градусах Кельвіна, коли він кольоровість його випромінювання збігається з кольоровістю даного джерела випромінювання. Різниця між шкалою температури в градусах Цельсія, де за нуль прийнята температура замерзання води, і шкалою в градусах Кельвіна становить -273, 16, тому що точкою відліку в шкалі Кельвіна взято температуру, при якій у тілі припиняється будь-який рух атомів і відповідно припиняється будь-яке випромінювання , так званий абсолютний нуль, що відповідає температурі за Цельсієм -273,16 град. Тобто 0 градусів Кельвіна відповідає температура -273,16 град. за Цельсієм.

Основним природним джерелом світла для нас є Сонце та різні джерела світла - вогонь у вигляді вогнища, сірника, смолоскипа та освітлювальні прилади, починаючи від побутових приладів, приладів технічного призначення та закінчуючи професійними освітлювальними приладами, створеними спеціально для кінематографу та телебачення. І в побутових приладах, і в професійних, використовуються різні лампи (не стосуватимемося їх принципу дії та конструктивних відмінностей) з різними енергетичними співвідношеннями в спектрах випромінювання основних кольорів, які можна виразити величиною колірної температури. Усі джерела світла поділені на дві основні групи. Перші, з колірною температурою (Тцв.)5600 0К, білого денного світла (ДС), у випромінюванні яких переважає короткохвильова, холодна частина оптичного спектру, другі - лампи розжарювання (ЛН) з Тцв.- 32000К і переважанням у випромінюванні довгохвиль оптичний спектр.

З чого все починається? Все починається з нуля, у тому числі світлове випромінювання. Чорний колір - це відсутність світла зовсім. З погляду кольору, чорний – це 0 інтенсивності випромінювання, 0 насиченості, 0 колірного тону (його просто немає), це повна відсутність усіх кольорів взагалі. Чому ми бачимо предмет чорним, а тому, що він майже повністю поглинає весь світ, що падає на нього. Існує таке поняття, як абсолютно чорне тіло. Абсолютно чорним тілом називають ідеалізований об'єкт, який поглинає все випромінювання, що падає на нього, і нічого не відображає. Звичайно ж, насправді це недосяжно і абсолютно чорних тіл у природі не існує. Навіть ті предмети, які здаються нам чорними, насправді не є абсолютно чорними. Але можна виготовити модель майже абсолютно чорного тіла. Модель є кубом з порожнистою структурою всередині, в кубі пророблено невеликий отвір, через який всередину куба проникають світлові промені. Конструкція чимось схожа на шпаківню. Подивіться малюнок (1).

Малюнок 1). – Модель абсолютно чорного тіла.

Світло, що потрапляє всередину крізь отвір, після багаторазових відображень буде повністю поглинене, і отвір зовні виглядатиме зовсім чорним. Навіть якщо ми пофарбуємо куб у чорний колір, отвір буде чорнішим за чорний куб. Цей отвір і буде абсолютно чорним тілом. У прямому значенні слова, отвір не є тілом, а лише наочно демонструє нам абсолютно чорне тіло.

Всі об'єкти володіють тепловим випромінюванням (поки що їхня температура вище абсолютного нуля, тобто -273,15 градусів за Цельсієм), але жоден об'єкт не є ідеальним тепловим випромінювачем. Одні об'єкти випромінюють тепло краще, інші гірші, і все це залежить від різних умов середовища. Тому застосовують модель абсолютно чорного тіла. Абсолютно чорне тіло є ідеальним тепловим випромінювачем. Ми можемо навіть побачити колір абсолютно чорного тіла, якщо його нагріти, і колір, який побачимо, буде залежати від того, до якої температури ми нагріємо абсолютно чорне тіло. Ми впритул підійшли до такого поняття, як колірна температура.

Подивіться малюнок (2).

Малюнок (2). – Колір абсолютно чорного тіла, залежно від температури нагрівання.

а) Є абсолютно чорне тіло, ми його взагалі не бачимо. Температура 0 Кельвін (-273,15 градусів Цельсія) – абсолютний нуль, повна відсутність будь-якого випромінювання.

б) Включаємо «надпотужне полум'я» і починаємо нагрівати наше абсолютно чорне тіло. Температура тіла за допомогою нагрівання підвищилася до 273К.

в) Пройшло ще трохи часу, і ми вже бачимо слабке червоне свічення абсолютно чорного тіла. Температура збільшилася до 800К (527 ° С).

г) Температура піднялася до 1300К (1027 ° С), тіло набуло яскраво-червоного кольору. Такий же колір світіння можна побачити при нагріванні деяких металів.

д) Тіло нагрілося до 2000К (1727 ° С), що відповідає помаранчевому кольору свічення. Такий же колір мають розпечене вугілля в багатті, деякі метали при нагріванні, полум'я свічки.

е) Температура вже 2500К (2227 ° С). Світіння такої температури набуває жовтого кольору. Торкати руками таке тіло вкрай небезпечно!

ж) Білий колір - 5500К (5227 ° С), такий же колір світіння у Сонця опівдні.

з) Блакитний колір свічення - 9000К (8727 ° С). Таку температуру шляхом нагріванням полум'ям отримати насправді буде неможливо. Але такий поріг температури цілком досяжний у термоядерних реакторах, атомних вибухах, а температура зірок у всесвіті може сягати десятків і сотень тисяч Кельвін. Ми можемо лише побачити такий же блакитний відтінок світла, наприклад, світлодіодні ліхтарі, небесні світила або інші джерела світла. Колір неба у ясну погоду приблизно такого ж кольору. Підсумовуючи всього вищесказаного, можна дати чітке визначення колірної температури. Колірна температура - це температура абсолютно чорного тіла, при якій воно випромінює випромінювання того ж колірного тону, що і випромінювання, що розглядається. Простіше кажучи, температура 5000К - це колір, який набуває абсолютно чорного тіла при нагріванні його до 5000К. Колірна температура помаранчевого кольору – 2000К, це означає, що абсолютно чорне тіло необхідно нагріти до температури 2000К, щоб воно набуло помаранчевого кольору світіння.

Але колір свічення розпеченого тіла не завжди відповідає його температурі. Якщо полум'я газової плити на кухні синьо-блакитного кольору, це означає, що температура полум'я понад 9000К (8727°С). Розплавлене залізо в рідкому стані має оранжево-жовтий відтінок кольору, що відповідає його температурі, а це приблизно 2000К (1727°С).

Що таке цвіт.Насамперед, необхідно визначити, що таке колір. За ті роки, що існує наука про колір давалися численні оцінки феномену кольору і колірного бачення, проте всі з них можна звести до одного простого визначення: колір є сукупність психофізіологічних реакцій людини на світлове випромінювання, що виходить від різних предметів, що самосвітяться (джерел світла) або відбите від поверхні предметів, що не самосвітяться, а також (у разі прозорих середовищ) минуле через них. Таким чином, людина має можливість бачити навколишні предмети і сприймати їх кольоровими за рахунок світла - поняття фізичного світу, але сам колір вже не є поняттям фізики, оскільки це є суб'єктивне відчуття, яке народжується в нашій свідомості під дією світла.

Дуже точне та ємне визначення кольору дали Джадд та Вишецький: « . . . сам собою колір не зводиться до суто фізичним чи суто психологічним явищам. Він є характеристикою світлової енергії (фізика) через посередництво зорового сприйняття (психологія)».

З погляду фізики світло являє собою один з видів електромагнітного випромінювання, що випромінюється світними тілами, а також виникає в результаті низки хімічних реакцій. Це електромагнітне випромінювання має хвильову природу, тобто. поширюється у просторі у вигляді періодичних коливань (хвиль), що здійснюються ним з певною амплітудою та частотою. Якщо уявити таку хвилю як графіка, то вийде синусоїда. Відстань між двома сусідніми вершинами цієї синусоїди називається довжиною хвилі і вимірюється в нанометрах (нм) і є відстанню, на яку поширюється світло за період одного коливання.

Людське око здатне сприймати (бачити) електромагнітне випромінювання тільки у вузькому діапазоні довжин хвиль, обмеженого ділянкою від 380 до 760 нм, який називається ділянкою видимих ​​довжин хвиль, що власне і становлять світло. Випромінювання до 380 і вище 760 нм ми бачимо, але можуть сприйматися нами іншими механізмами дотику (як, наприклад, інфрачервоне випромінювання) чи реєструватися спеціальними приладами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Спектр електромагнітних випромінювань та спектр видимого світла

Залежно від довжини хвилі, світлове випромінювання сприймається людським оком забарвленим у той чи інший колір (правильніше сказати, викликає у людини відчуття того чи іншого кольору) від фіолетового до червоного (табл. 1.1). Ця здатність визначає можливість колірного бачення людини.

Спектр як характеристика кольору.У природі випромінювання від джерел світла чи предметів рідко є монохроматичным, тобто. представленим випромінюванням лише однієї певної довжини хвилі, має досить складний спектральний склад, тобто. в ньому присутні випромінювання різних довжин хвиль. Якщо уявити цю картину як графіка, де по осі ординат буде відкладено довжина хвилі, а, по осі абсцис - інтенсивність, ми отримаємо залежність, звану колірним спектром випромінюванняабо просто спектром кольору. Для пофарбованих поверхонь спектр кольору визначається як залежність коефіцієнта відображення від довжини хвилі λ, для прозорих матеріалів - коефіцієнта пропускання від довжини хвилі, а для джерел світла - інтенсивності випромінювання від довжини хвилі. Приклади спектрів кольорів різних джерел світла і матеріалів наведені на рис. 1.2 та рис. 1.3.

Рис. 1.2. Криві спектру відображення різних фарб: смарагдової зелені, червоної кіноварі, ультрамарину.

Рис. 1.3. Приклади спектральних розподілів інтенсивностей випромінювання різних джерел світла: світло від ясного блакитного неба, середньоденне сонячне світло, світло лампи розжарювання

За формою спектральної кривої можна судити про колір випромінювання, відбитого від поверхні предмета або випущеного джерелом світла, що самосвітиться. Чим більше прагнутиме ця крива до прямої лінії, тим більше колір випромінювання здаватиметься сірим. Чим менше або більше буде амплітуда спектру, тим колір випромінювання предмета буде менш яскравим. Якщо спектр випромінювання дорівнює нулю на всьому діапазоні за винятком певної вузької його частини, ми спостерігатимемо так званий чистий спектральний колір, що відповідає монохроматичному випромінюванню, що випускається у дуже вузькому діапазоні довжин хвиль.

Феномен колірного бачення.При проведенні свого знаменитого досвіду з розкладання сонячного світла в спектр Ньютон зробив дуже важливе спостереження: незважаючи на те, що спектральні кольори плавно переходили один в одного, пробігаючи цілу масу всіляких відтінків кольорів, фактично все це різноманіття кольорів виявилося можливим звести до семи кольорів, які були названі ним первинними: червоному, жовтому, помаранчевому, жовтому, зеленому, блакитному, синьому та фіолетовому. Згодом різними дослідниками було показано, що кількість цих кольорів можна скоротити до трьох, а саме до червоного, зеленого та синього. Справді, жовтий та помаранчевий є комбінація зеленого та червоного, блакитного – зеленого та синього. Те саме стосується всіх інших колірних тонів, які можуть бути отримані комбінацією червоного, зеленого та синього кольорів, названих тому основними квітами.

Юнг і Гемгольц, які займалися дослідженнями колірного зору, припустили, що подібні явища пояснюються наявністю в апараті людського зору трьох чутливих аналізаторів, кожен з яких відповідальний за сприйняття червоного, зеленого і синього світлових випромінювань, що потрапляють в око. Пізніше це припущення отримало досить вагомі наукові підтвердження і лягло в основу трикомпонентної теорії колірного зору, яка пояснює феномен бачення кольору існуванням в оці людини трьох типів клітин, що чутливі до світла різного спектрального складу.

Ці клітини дійсно вдалося побачити в сітківці ока і оскільки під мікроскопом вони з'явилися у вигляді округлих довгастих тіл дещо неправильної форми, вони були названі колбочками. Колбочки поділяються на три типи залежно від того, до випромінювання якого спектрального складу вони чутливі, і позначаються грецькими літерами β(бета), γ(гама) та ρ(ро). Перший тип (β) має максимум чутливості до світлових хвиль з довжиною від 400 до 500 нм (умовно «синя» складова спектру), другий (γ) – до світлових хвиль від 500 до 600 нм (умовно «зелена» складова спектру) та третій (ρ) – до світлових хвиль від 600 до 700 нм (умовно «червона» складова спектру) (рис. 1.5 б). Залежно від того, світлові хвилі якої довжини та інтенсивності присутні в спектрі світла, ті чи інші групи колб збуджуються сильніше або слабше.

	а)
	б)

Рис. 1.5. Крива відносної світлової ефективності паличок (пунктирна лінія) та колб (а) та криві спектральної чутливості колб, нормовані до одиниці (б)

Також було встановлено наявність інших клітин, які не мають чутливості до певних спектральних випромінювань і реагують на весь потік світлового випромінювання. Оскільки під мікроскопом ці клітини помітні як подовжені тіла, їх назвали паличками.

У дорослої людини налічується близько 110-125 млн. паличок та близько 6-7 млн. колб (співвідношення 1:18). Умовно кажучи, видиме нами зображення, як і зображення цифрове, дискретно. Але оскільки кількість елементів зображення дуже велика, ми цього просто не відчуваємо.

Цікаво відзначити й іншу особливість. Світлова чутливість паличок набагато вища за чутливість колбочок і тому в сутінках або вночі, коли інтенсивність випромінювання, що потрапляє в око, стає дуже низькою, колбочки перестають працювати і людина бачить тільки за рахунок паличок. Тому в цей час доби, а також в умовах низького освітлення людина перестає розрізняти кольори і світ постає перед ним у чорно-білих (похмурих) тонах. Причому світлова чутливість людського ока настільки висока, що набагато перевершує можливості більшості систем реєстрації зображення. Людське око здатне реагувати на потік світлового випромінювання близько 10 -16 Вт/см. Якби ми захотіли використовувати цю енергію для нагрівання води, то для того, щоб нагріти один кубічний сантиметр води на 1°, на це знадобився б 1 млн. років. Якщо виразити чутливість людського ока в одиницях чутливості фотоплівки, вона буде еквівалентна фотоплівці з чутливістю 15 млн. одиниць ASA.

Чутливість паличок і колб до світлового потоку залежно від довжини хвилі описується кривими спектральної чутливості людського ока (рис. 1.5 б). Для характеристики загальної спектральної чутливості людського ока до потоку світлового випромінювання використовується відносна крива світлової ефективності, або, як її ще називають, крива видимості, очі, що визначає відповідно загальну чутливість людського ока до світла з урахуванням колірного (колбочки) або світлової (палички) зору ( рис.1.5 а). Ці залежності становлять великий інтерес для фахівців, оскільки дозволяють пояснити низку відомих феноменів людського зору.

Так, за цими кривими можна бачити, що людина дуже добре здатна сприймати зелені та зелено-жовті кольори, у той час як її чутливість до синіх кольорів помітно нижча.

Ситуація дещо змінюється у сутінках, коли чутливі до яскравого світлового випромінювання колбочки починають втрачати свою ефективність і співвідношення між паличками та колбочками змінюється – максимум спектральної світлової ефективності зміщується у бік синіх випромінювань (паличковий зір).

Інша цікава особливість полягає в тому, що очне кришталику важче фокусуватися на предмети, якщо вони пофарбовані в синьо-фіолетові тони. Це пояснюється падінням спектральної чутливості ока у цих областях спектру. Тому окуляри іноді роблять не нейтрально-прозорими, а з пофарбованих у жовтий або коричневий колір шибок, які фільтрують синьо-фіолетову складову спектру.

Через те, що криві спектральної чутливості частково перекриваються, людина може мати певні труднощі при розрізненні деяких чистих кольорів. Так, через те, що крива спектральної чутливості колб типу r (умовно чутливих до червоної частини спектру) зберігає деяку чутливість в області синьо-фіолетових кольорів, нам здається, що сині та фіолетові кольори мають домішок червоного.

Впливає на сприйняття кольору та загальна світлова чутливість ока. Оскільки крива відносної світлової ефективності є гауссіану з максимумом у точці 550 нм (для денного зору), то кольори по краях спектру (сині та червоні) сприймаються нами менш яскравими, ніж кольори, що займають центральне положення в спектрі (зелений, жовтий, блакитний) .

Оскільки спектральна чутливість людського ока нерівномірна по всій області спектру, при відчутті кольору можуть виникати явища, коли два різні кольори, що мають різні спектральні розподіли, будуть здаватися однаковими за рахунок того, що викликають однакове збудження очних рецепторів. Такі кольори називаються метамерними, а описане явище – метамерією. Воно часто спостерігається, коли та чи інша забарвлена ​​поверхня розглядається нами за різних джерел освітлення, світло яких взаємодіючи з поверхнею, змінює спектр її кольору. У цьому випадку, наприклад, біла тканина може при денному світлі виглядати білою, а при штучному освітленні міняти свій відтінок. Або два предмети, що мають різні спектри відображення, і, відповідно, які повинні мати різний колір, насправді сприймається нами однаковими, оскільки викликають однозначне збудження трьох центрів ока, що відчувають. Причому, якщо ми спробуємо відтворити колір цих предметів, скажімо, на фотоплівці, яка використовує відмінний від зорового апарату людини механізм реєстрації зображення, ці два предмети швидше за все виявляться різними забарвленнями.

Рис. 1.6. Ілюстрація явища метамерії

Три колірні зразки, що мають різний спектральний коефіцієнт відображення, здаються при освітленні їх денним світлом однаковими. При відтворенні цих зразків на фотоплівці, спектральна чутливість якої відмінна від спектральної чутливості зорового апарату людини, або зміні освітлення вони змінюють свій колір і стають різнобарвними.

На використанні явища метамерії заснована вся сучасна технологія відтворення кольорового зображення: не маючи можливості в кольоровій репродукції точно повторити спектр того чи іншого кольору, що спостерігається в природних умовах, він замінюється кольором, синтезованим за допомогою певного набору фарб або випромінювачів і мають відмінний спектральний розподіл, але таким, що викликає у глядача ті ж кольорові відчуття.

Знання особливостей людського зору дуже важливе при проектуванні систем реєстрації та обробки зображення. Саме для того, щоб максимально врахувати особливості людського зору, виробники фотоматеріалів додають додаткові кольорочутливі шари, виробники принтерів - додаткові друкарські фарби і т.д. Однак ніякі вдосконалення сучасних технологій все ж таки не дозволяють створити систему відтворення зображення, яка б могла зрівнятися з апаратом людського зору.

Класифікація кольорів.Як було зазначено, залежно від довжини хвилі випромінювання світло сприймається людським оком пофарбованим у той чи інший колір від фіолетового до червоного. Світові кольори прийнято називати чистими спектральними кольорами, а визначальна їх колір характеристика називається в колориметрії тоном кольору . Колірний тон однозначно пов'язаний із довжиною хвилі і тому часто виявляється у нанометрах.

Прийнято вважати, що людське око здатне розрізнити до 150 різних тонів кольорів чистих спектральних кольорів. До цього слід додати ще 30 пурпурових кольорів, які відсутні в спектрі, але можуть бути отримані шляхом змішування синього і червоного спектральних випромінювань.

Крім чистих спектральних та чистих пурпурових кольорів також існує ряд кольорів, які називаються ахроматичнимиабо нейтральними квітами, Т. е. квітами, позбавленим забарвлення. Сюди відноситься чорний, білий і різні відтінки сірого, що лежать між ними. Відчуття цих кольорів виникає тоді, коли людське око не діє потік світлового випромінювання (чорний колір) чи навпаки, діє потік максимальної інтенсивності (білий колір). Відчуття сірого кольору виникає тоді, коли світловий потік, що впливає на око, збуджує кольорочутливі аналізатори (колбочки) в рівній мірі. Причому спектр випромінювання цього кольору не обов'язково повинен бути рівномірним (рівноенергетичним), достатньо лише, щоб він викликав однакове збудження трьох кольорів, що відчувають, овен, а сам спектр випромінювання може при цьому бути дуже нерівномірним (рис. 1.6).

Якщо змішувати чистий спектральний колір із білим чи сірим, відбуватиметься явище, коли колір почне втрачати свою чистоту і поступово переходити у білий чи сірий колір. У зв'язку з цим для характеристики кольору крім колірного тону використовують також характеристику, звану насиченістю або чистотою кольору. Насправді, чистих спектральних кольорів у природі можна зустріти не так багато, і замість них ми набагато частіше спостерігаємо кольори тією чи іншою мірою позбавлені насиченості. Вважається, що для кожного колірного тону людське око здатне розрізнити до 200 ступенів насиченості.

Характеристики колірного тону та насиченості часто поєднуються разом і називаються кольоровістю, яка може служити якісною характеристикоюсприйняття кольору.

Два однакових колірних тони можуть відрізнятися один від одного не тільки насиченістю, але і яскравістю (силою) їх випромінювань, що при характеристиці властивостей об'єктів, що не самосвітяться, прийнято характеризувати поняттям світлоти кольору. Якщо насиченість кольору можна інтерпретувати як співвідношення чистого кольору та доданого до нього білого, то світлоту можна інтерпретувати як співвідношення чистого кольору та доданого до нього чорного. У міру збільшення сили (яскравості) світлового випромінювання колір набуває різних колірних відтінків від чорного до білого. Світлона безпосередньо пов'язана з насиченістю кольору, оскільки зміна яскравості кольору часто веде до зміни його насиченості.

Якщо кольоровість може використовуватися як якісна характеристика кольору, то світло може використовуватися як кількісна оцінка кольору.

Якщо використати викреслити цей графік на поверхні прибравши координату світлоти і залишивши тільки колірний тон або колірний тон і насиченість (кольоровість), то отримаємо побудову, яку прийнято називати колірним колом (рис. 1.8), що представляє собою коло, вздовж якого розташовуються колірні тони від червоного до пурпурового. Кожен колір у колі має чисельну координату, виражену в градусах від 0° до 360°. Червоний колір починає і замикає колірне коло, відповідаючи точці 0° (360°). Помаранчевому відповідає координата 40 °, жовтому - 60 °, зеленому - 120 °, блакитному - 180 °, синьому - 240 °, пурпуровому - 300 °. Всі ці кольори, за винятком помаранчевого, який є сумішшю червоного та жовтого, виявляється розташованими на колірному колі на рівні інтервалі один від одного 60°.

Рис. 1.8. Колірний круг

Кольори, що знаходяться в кольорі один навпроти одного, називаються додатковими кольорами. Наприклад, червоний та блакитний, зелений та пурпурний, синій та жовтий тощо. Ці кольори мають низку цікавих властивостей, які використовуються в технології відтворення зображення і про які буде докладно розказано нижче.

Характеристики колірного тону, насиченості та світлоти є найбільш уживаними візуальними або, як їх ще називають, психофізичнимихарактеристиками кольору і використовуються, коли колір необхідно визначити, не вдаючись при цьому до складного математичного апарату.

Іншими засобами визначення кольору можуть служити атласи кольорів, в яких наводяться зразки фарбування кольорів на різних поверхнях і матеріалах, згруповані за певною ознакою. Такі атласи широко використовуються у поліграфії, текстильній промисловості та архітектурі. Наприклад, каталоги друкованих кольорів Pantone, зразки будівельних відтінків тощо. Кожен колір у колірному атласі має свій індекс, за яким може бути визначено його положення в атласі, а також рецептуру фарб, необхідних для її отримання

У колориметрії широко використовується колірний атлас Манселла, складений на початку ХХ століття американським художником Альбертом Манселлом. Мансел згрупував кольори за трьома координатами колірного тону (Hue), насиченості (Chroma) та світлоти (Value).

Для точного завдання того чи іншого кольору Мансел використовував спеціальну систему координат, яка позначається Hue (колірний тон), Value (світло) / Chroma (насиченість). Наприклад, червоно-пурпуровий колір позначається в атласі як 6RP4/8, де 6RP- координата кольору, що має світло 4 з насиченістю 8 .

Крім Манселла розробкою подібних колірних атласів займалися й інших дослідників. У Німеччині аналогічний колірний атлас, причому практично в той самий час, що і Манселл, розробив Оствальд. Аналогічні роботи були здійснені в Канаді, США та низці інших країн, причому часто створювалося відразу кілька національних колірних стандартів для різних галузей промисловості. У Радянському Союзі був розроблений та використовувався колірний атлас Рабкіна та атлас ВНІІМ ім. Д. І. Менделєєва.

Крім колірних атласів, були також розроблені численні системи класифікації кольорів за їх назвою. Хоча ці системи не можна назвати до кінця науково достовірними (під однією і тією ж назвою різні спостерігачі можуть розуміти різні кольори), але як доповнення до вже наявних систем класифікації кольорів вони можуть послужити хорошу службу.

Як найпростіший приклад можна навести сім назв кольорів, що описують ділянки видимого спектру і складають у всьому відому формулу для мисливця і фазана: червоний, помаранчевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Терміни, якими звикли оперувати художники, видаються вже набагато складнішими та, природно, численними. Якщо ми візьмемо набори фарб, що продаються в магазинах для художників, то виявимо серед назв фарб такі, як охра, кобальт, кіновар і т.д., які є загальноприйнятими термінами, які у будь-якого професійного художника асоціюватимуться з певними кольорами, хоча, безумовно , у тому, які саме кольори має на увазі під тим чи іншим найменуванням конкретна людина неминуче існувати відмінності.

Були й численні спроби розробки суворіших у науковому відношенні систем іменування кольорів. Так Мерц і Пауль створили колірний словник, що містить майже 4000 назв, з яких близько 36 представлені власними назвами, 300 є складними словами, що складаються з назви кольору та відповідного прикметника. У 1931 році Міжвідомчий комітет із кольору (ISCC) США на замовлення Фармакологічного комітету розробив систему іменованих кольорів для опису кольору пофарбованих поверхонь. Ця система охоплювала 319 позначень, основою яких було покладено назви кольорів, запропонованих Манселлом. Сюди входили назви основних тонів – «червоний» (R), «жовтий» (Y), «зелений» (G), «синій» (B), «пурпурний» (P), «оливковий» (Ol), «коричневий» (Br)та «рожевий» (Pk), - До яких для позначення додаткових кольорів додавалися прикметники "слабкий", "сильний", "світлий", "темний", а також терміни "блідий", "блискучий", "глибокий", "сутінковий", "живий".

Решта всіх систем, розроблених іншими дослідниками, будуються за подібним способом і зазвичай налічують до кількох сотень назв. Як приклад такої системи, що широко використовується в даний час в інтернет-додатках, можна навести систему з 216 кольорів, рекомендованих Інтернет-консорціумом W3C (World Wide Web Consortium) як стандартні кольори, які можна використовувати для специфікації кольору в рамках мови HTML.

Характеристика джерел світла.Оскільки випромінювання від навколишніх нас предметів і матеріалів, що потрапляє в наші очі і викликає відчуття кольору, визначається Серед різноманіття світлового випромінювання, яке в змозі сприймати людське око, особливо виділяють випромінювання, що власне випромінюється тим чи іншим джерелом, що самосвітиться, таким як сонце, лампа розжарювання , фотографічна лампа-спалах і т.д. Оскільки джерела світла відіграють дуже важливу роль при визначенні кольору предметів і матеріалів, вони були докладно вивчені та була розроблена спеціальна система їхньої класифікації, в основі якої покладено поняття колірної температури.

Як відомо, якщо нагрівати металевий предмет до високої температури, він почне випромінювати світлове випромінювання. Чим вище температура розжарення, тим інтенсивнішим буде це свічення. При цьому, залежно від температури розжарення, також змінюватиметься і його колір. Спочатку воно буде темно-червоним, потім червоним, потім оранжевим, білим. Як виявляється, це явище властиве як металу, але спостерігається при нагріванні багатьох твердих тіл з високою температурою плавлення. Саме на його використанні побудовані електричні лампи розжарювання: тонким вольфрамовим дротом пропускається електричний струм, внаслідок чого дріт нагрівається і випромінює світло. Причому колір свічення предмета може бути досить точно оцінений залежно від температури нагріву вольфраму: при нагріванні до температури в кілька сотень градусів він має червонуватий відтінок, при нагріванні до температури 1000K – оранжевий, 2000K – жовтий; свічення тіла нагрітого до кількох тисяч градусів сприймаються нами вже як біле. Світло сонця також зумовлене випромінюванням, що виникає в результаті реакцій, що протікають на його поверхні, нагрітій до температури близько 6500K. Поверхня деяких зірок має температуру понад 10000K і тому кольоровість їхнього випромінювання є блакитною (табл. 1.5). У міру зміни температури відповідним чином змінюється спектральний склад випромінювання (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Нормовані спектральні розподіли випромінювання абсолютно чорного тіла за різних колірних температур

Оскільки характер випромінювання для більшості джерел, що самосвітяться, підпорядковується одним і тим же законам, було запропоновано використовувати температуру в якості характеристики кольоровості випромінювання. Оскільки для різних тіл в залежності від їх хімічного складу та фізичних властивостей нагрівання до заданої температури дає кілька різний спектр випромінювання, в якості еталона колірної температури використовується абсолютно абсолютно чорне тіло, яке являє собою повний випромінювач, випромінювання якого залежить тільки від його температури і не залежить від жодних інших його властивостей.

Спектр свічення абсолютно чорного тіла в залежності від температури його нагрівання можна визначити за законом Планка. Незважаючи на існуючі відмінності всі інші тіла ведуть себе при нагріванні досить схожим з ідеальним чорним тілом чином і тому використання колірної температури як характеристики кольоровості випромінювання джерел, що самосвітяться, як природних, так і штучних, виявляється виправданим для дуже великої кількості випадків. Оскільки спектральний розподіл випромінювання, і, відповідно, його кольоровість, що даються реальним тілом, рідко коли точно збігається зі спектральним розподілом і кольоровістю ідеально чорного тіла при даній колірній температурі, при характеристиці випромінювання реально існуючих тіл використовують поняття корельованої колірної температурищо означає ту колірну температуру ідеального чорного тіла, при якій кольоровість його випромінювання збігається з кольоровістю випромінювання даного тіла. При цьому спектральний склад випромінювання та фізична температура цих тіл зазвичай виявляються різними, що цілком логічно випливає з відмінності фізичних властивостей реального та ідеального чорного тіла.

Відповідно, скільки існує у світі джерел світла, що експлуатуються за різних умов, стільки існує і спектральних розподілів їх випромінювання. Так фази сонячного світла та його корелированные колірні температури змінюється у дуже широких межах залежно від географічного положення, часу доби та стану атмосфери (рис. 1.12, табл. 1.6). Те саме стосується і штучних джерел світла, наприклад ламп розжарювання, колірна температура яких змінюється в залежності від їх конструкції, робочої напруги та режиму експлуатації (табл. 1.6).

Рис. 1.12. Нормовані спектральні розподіли різних фаз денного світла: 1) світло неба в зеніті; 2) світло неба повністю покритого хмарами; 3) пряме сонячне світло опівдні; 4) пряме сонячне світло за 1 годину до заходу

Однак, незважаючи на існуючі різноманітність різних джерел світла, більшість використовуваних у промисловості та технології джерел світла можуть бути стандартизовані. Таку стандартизацію було запропоновано Міжнародною комісією з освітлення (МКО), відповідно до якої було виділено кілька так званих стандартних колориметричних випромінювачів, які були позначені латинськими літерами. A, B, C, D, Eі F(Табл. 1.7). На відміну від реальних джерел світла стандартні випромінювачі МКО описують класи джерел світла загалом, виходячи з усереднених значеннях їх спектральних розподілів. Подібна стандартизація показала свою достатню ефективність, оскільки, як виявляється, незважаючи на наявні відмінності, більшість реальних джерел світла можуть бути досить точно зіставлені з відповідними стандартними випромінювачами.

Табл. 1.7.
Стандартні колориметричні випромінювачі МКО

Поряд з колірною температурою іноді використовується її зворотна величина, що називається мірід (позначається μrd) або зворотний мікрокельвін.

Використання μrd замість шкали Кельвіна має дві переваги: ​​по-перше одна одиниця μrd приблизно відповідає помітному на око одиничному порогу зміни кольоровості світлового потоку і тому характеризувати кольоровість випромінювання у цих одиницях зручніше; по-друге μrd зручно використовувати для характеристики кольорових конверсійних та кольоробалансуючих світлофільтрів: зміна колірної температури, що забезпечується фільтром, виражена в μrd не зміниться при роботі з випромінюванням з однієї колірної температури до іншого

Наприклад, помаранчевий конверсійний фільтр 85-ї серії знижує колірну температуру середньоденного кольору з 5500K до 3400K на 2100K (112 μrd). Однак якщо його використовувати для зниження колірної температури світлового потоку з колірною температурою 4000K, зміна колірної температури, виражена в До буде не 2100K, а 7246K, а виражена в μrd не змінитися.

Додавання квітів.Отримання нового кольору шляхом змішування кількох основних кольорів визначає можливість отримання кольорового зображення у фотографії, кіно, телебаченні, поліграфії та комп'ютерної технології. Воно засноване на явище змішування діапазонів випромінювання, утворених забарвленими поверхнями або світловими випромінювачами. В результаті виходить новий колір, що має свій спектр (рис. 1.13).

Якщо, наприклад, взяти три світлові випромінювачі з червоним, зеленим і синім світлофільтрами і спроектувати їх випромінювання в одній точці на білому екрані, то ми отримаємо білу пляму. Якщо один з випромінювачів вимкнути і змішувати тільки випромінювання червоного випромінювача із зеленим, синього із зеленим і зеленого з червоним, то на екрані ми отримаємо спочатку жовтий, потім пурпуровий і потім блакитний колір. Якщо ж взяти всі три випромінювачі і змішувати їх випромінювання в різній пропорції, то ми зможемо таким чином отримати досить велику кількість кольорів та їх відтінків. Чим меншою буде різниця інтенсивності трьох випромінювачів, тим меншою буде насиченість кольору і тим більше він прагнутиме нейтрального. Якщо не змінюючи пропорції трьох випромінювань зменшити їх інтенсивність, ми отримаємо той самий колір але має меншу яскравість. У граничному разі, коли інтенсивність всіх трьох випромінювачів зменшена до нуля, ми отримаємо чорний колір.

Для випадку, коли беруться лише два основні кольори:

Насправді замість червоного, зеленого та синього ми могли б взяти будь-які кольори, але просто шляхом змішування червоного, зеленого та синього можна отримати найбільшу комбінацію кольорів. Очевидним поясненням цього факту є особливості людського зору та наявність у зоровому апараті людини трьох кольоровідчувальних рецепторів, кожен з яких є чутливим до червоних, зелених та синіх променів. Таким чином, утворення кольору за допомогою трьох випромінювачів синього, зеленого та червоного кольорів можна розглядати як спрямоване збудження трьох колірних рецепторів ока, у результаті виходить можливість викликати у глядача відчуття того чи іншого кольору.

За подібною схемою відбувається утворення кольорового зображення на екрані відео- та комп'ютерного монітора, телевізора, РКІ-проектора та інших пристроях, які для синтезу кольору використовують випромінювання трьох основних кольорів або (для пристроїв введення зображення) розкладають зображення на основні кольори.

Оскільки для отримання кольору випромінювання трьох основних кольорів змішуються (складаються), цей спосіб кольоросинтезу отримав назву адитивного (від дієслова add- Складати).

Рис. 1.13. Адитивне змішування кольорів

Малюнок ілюструє отримання адитивної суміші кольору на прикладі кольорового монітора Sony Trinitron. Випромінювання від трьох люмінофорів червоного (R), зеленого (G)та синього кольорів (B)спектральні випромінювання яких показані на малюнку, підсумовуються для кожної довжини хвилі, що дозволяє отримати колірну суміш, що відтворює в залежності від інтенсивності світіння кожного люмінофора велика кількість різних кольорів та їх відтінків. Зверніть увагу, що світло червоного люмінофора має практично лінійний спектр, що обумовлено присутністю в його складі рідкісноземельних елементів

У більшості випадків, однак, складати світлові потоки трьох випромінювачів для утворення кольору не є технологічно можливим, наприклад, у кіно, фотографії, поліграфії, текстильної та лакофарбової промисловості.

У фотографії світловий потік білого світла проходить через три барвисті шари фотоматеріалу, сформованих жовтим, пурпуровим та блакитним барвником. У поліграфії світловий потік проходить через шар жовтої, пурпурової та блакитної фарби та відбиваючись від поверхні паперу проходить у зворотному напрямку, формуючи кольорове зображення.

В результаті проходження світлового потоку білого світла через шар барвника або пігменту відбувається вибіркове поглинання частини енергії спектра випромінювання, внаслідок чого світловий потік набуває того чи іншого забарвлення.

Таким чином виходить можливим використовуючи в якості модулятора колірного випромінювання жовтий, пурпурний і блакитний барвники, що освітлюються світловим потоком білого світла, отримувати ті ж потоки червоного, зеленого і синього випромінювань, за допомогою яких можна керувати збудженням трьох центрів ока.

Рис. 1.14. Субтрактивне змішування кольорів

Малюнок ілюструє отримання субтрактивної колірної суміші на прикладі кольорової фотоплівки, що обертається, шляхом послідовного поглинання блакитним. (C), пурпурним (M)та жовтим (Y)барвниками із густиною C = 100%, M = 60%, Y = 20% випромінювання від світлового джерела денного світла (D65)у кожному інтервалі довжин хвиль. Отримуваний в результаті їх змішування колір є одним із відтінків синього. Випромінювання, отримане в результаті часткового поглинання світлового потоку субтрактивними барвниками, може в цьому випадку розглядатися як добуток спектра випромінювання джерела світла та спектрів відображення барвників

У пресі та поліграфії до трьох жовтої, пурпурової та блакитної фарб ще додається чорна. Це продиктовано, по-перше, економічними міркуваннями, оскільки дозволяє зменшити витрату більш дорогих кольорових фарб, а по-друге, дозволяє вирішити деякі принципові проблеми, що виникають у процесі триколірного друкарського друку внаслідок недосконалості друкованих фарб, спектр відображення яких на практиці не обмежується тільки жовтим. , Лише пурпурним і тільки блакитним.

Оскільки для отримання кольору світлові потоки не складаються, а світловий потік білого світла частково поглинається в результаті взаємодії з барвником, такий спосіб синтезу отримав найменування субтрактивного (від дієслова subtract- віднімати).

> Бачне світло

Визначення

Завдання навчання

Терміни

Основні пункти

Визначення

Видиме світло- Частина електромагнітного спектру, доступна для сприйняття людському оку (390-750 нм).

Завдання навчання

Навчитися відрізняти 6 діапазонів видимого спектра.

• Оптичне вікно - видима ділянка в електромагнітному діапазоні, що проходить крізь атмосферний шар.
• Спектральний колір – створюється однією довжиною хвилі світла у видимому спектрі чи щодо вузькою смугою довжин хвиль.
• Видимий світло – частина електромагнітного спектра (між ІЧ та УФ), доступна людському оку.

Основні пункти

• Видиме світло формується через вібрації та обертання атомів і молекул, а також електронних транспортувань всередині них.
• Кольори відповідають за конкретні чисті довжини хвиль. Червоний – найнижчі частоти та найдовші хвилі, а фіолетовий – найвищі частоти та найкоротші довжини.
• Кольори, створені у видимому світлі тонкої лінії довжин хвиль, називають чистими спектральними кольорами: фіолетовий (380-450 нм), синій (450-495 нм), зелений (495-570 нм), жовтий (570-590 нм), помаранчевий. 590-620 нм) та червоний (620-750 нм).
• Видно світло проривається крізь оптичне скло, тому атмосферний шар не чинить значного опору.
• Частина електромагнітного діапазону, використовувана в фотосинтезирующих організмах, називається фотосинтетично активної областю (400-700 нм).

Дізнайтеся визначення та характеристику видимого світла: довжина хвилі, діапазон електромагнітного випромінювання, частота, діаграма спектрів кольору, сприйняття кольору.

Видиме світло

Видимий світло - частина електромагнітного спектру, доступна людському оку. Електромагнітне випромінювання цього спектру легко називають світлом. Очі реагують на довжину хвиль видимого світла 390-750 нм. По частоті це відповідає смузі 400-790 ТГц. Адаптоване око зазвичай досягає максимальної чутливості 555 нм (540 ТГц) при зеленій області оптичного спектру. Але сам спектр не вміщує всі кольори, що уловлюються очима та мозком. Наприклад, такі барвисті, як рожевий та пурпуровий, створюються при поєднанні кількох довжин хвиль.

Перед вами основні категорії електромагнітних хвиль. Роздільні лінії в деяких місцях відрізняються, а інші категорії можуть перекриватися. Мікрохвилі займають високочастотну ділянку радіосекції електромагнітного спектру

Видиме світло формує вібрації та обертання атомів і молекул, а також електронні транспортування всередині них. Цими транспортуваннями користуються приймачі та детектори.

Невелика частина електромагнітного спектру разом із видимим світлом. Поділ між інфрачервоним, видимим та ультрафіолетовим не виступає на 100% відмінним

На верхньому малюнку відображено частину спектра з квітами, які відповідають за конкретні чисті довжини хвиль. Червоний – найнижчі частоти та найдовші хвилі, а фіолетовий – найбільші частоти та найкоротші довжини хвиль. Випромінювання сонячного чорного тіла досягає максимуму у видимій частині спектру, але найбільш інтенсивно у червоному, ніж у фіолетовому, тому зірка здається нам жовтою.

Кольори, здобуті світлом тонкої лінії довжин хвиль, називають чистими спектральними. Не забувайте, що кожен має багато відтінків, тому що спектр безперервний. Будь-які знімки, що надають дані з довжин хвиль, відрізняються від тих, що є у видимій частині спектра.

Видимо світло та земна атмосфера

Видиме світло пробивається крізь оптичне вікно. Це "місце" в електромагнітному спектрі, що пропускає хвилі без опору. Як приклад можна згадати, що повітряний шар розсіює блакитний краще за червоний, тому небеса здаються нам синіми.

Оптичне вікно також називають видимим, оскільки воно перекриває діапазон, доступний людині. Це не випадково. Наші пращури розвинули бачення, здатне використовувати величезне різноманіття довжин хвиль.

Завдяки наявності оптичного вікна ми можемо насолоджуватися м'якими температурними умовами. Функція сонячної яскравості досягає максимуму у видимому діапазоні, що переміщається, не залежно від оптичного вікна. Саме тому поверхня нагрівається.

Фотосинтез

Еволюція позначилася як на людях і тварин, а й у рослинах, які привчилися правильно реагувати частини електромагнітного спектра. Так, рослинність трансформує світлову енергію на хімічну. Фотосинтез використовує газ та воду, створюючи кисень. Це важливий процес для всього аеробного життя планети.

Цю частину діапазону називають фотосинтетично активною областю (400-700 нм), що перекривається з спектром людського зору.

Назад вперед

Увага! Попередній перегляд слайдів використовується виключно для ознайомлення та може не давати уявлення про всі можливості презентації. Якщо вас зацікавила ця робота, будь ласка, завантажте повну версію.

Ціль:закріпити знання учнів на тему: "Хвильові властивості світла", розвивати пізнавальний інтерес до предмета, показати використання хвильових властивостей світла на практиці, закріпити навички роботи з лабораторним обладнанням L-мікро, використовувати в роботі інформаційні технології, віртуальні лабораторні роботи.

Обладнання:комп'ютер, інтерактивна дошка SMART, мультимедійний пристрій, диск "ЄДІ з фізики, 100 балів", "Жива фізика", обладнання L-мікро для проведення лабораторних робіт.

I. Організація класу.Розділити клас на 4 групи та дати їм назви:

• "Інтерференція",
• "Дифракція",
• "Поляризація",
• "Дісперсія".

ІІ. Слово вчителя.З давніх-давен на нашій планеті

Багато легенд складалося про світло,
Багато тоді було в ньому непідвладного,
Але світло всіх манило загадкою прекрасною.

Ось перше питання:

Що таке світло?

1 група.

Багато вчених шукали відповідь,
Багато відкриттів вони зробили...
Погляньмо, що вони нам відкрили?
Насамперед світло - це хвиля,
Електромагнітною зветься вона.
Зі швидкістю світла ніщо не зрівняється
Триста тисяч кілометрів на секунду промчить.

2 група

Світло мінливий і зовсім не простий,
Адже він має двоїстість властивостей:
Властивості частинок, звичайно, прекрасні,
Але властивості хвилі йому теж підвладні.
Поглянемо в характер його ми глибше.
І тут властивостей чимало для нас таких необхідних!
Дисперсія, заломлення, дифракція-
У багатьох явищах дають розібратися нам,
Багато зрозуміти і точно відповісти,
Навіщо потрібне світло і дорослим, і дітям!

3 група

Давайте подивимося на реальні приклади:
Ось чому аркуш паперу білий?
Відповідь дуже проста, простіше не буває:
Просто папір весь світ відбиває.
А поглянемо на чорний – протилежно,
Влітку у ньому ходити неможливо.
І знову запитання: чому таке буває?
Просто чорний колір все поглинає.

4 група

Світ такий прекрасний, прекрасна планета,
І тут не обійшлося без допомоги світла.
Адже веселку, листя, дерева, квіти,
Все що в прекрасних тонах ми бачимо,
Все що для ока красивим буває,
Все це світло нам відкриває!

Ньютон, Гюйгенс та світло. Народження оптики XVII столітті.

Саме І. Ньютон з великою винахідливістю та терпінням проробив сотні дослідів, кожен із яких мав відповісти на конкретні питання:

• колір – це характеристика ступеня заломлення;
• білий колір – є суміш різнокольорових променів;
• при поділі білого кольору кут заломлення зростає від червоного до фіолетового;
• при змішуванні всіх кольорів знову утворюється білий колір?

Він перевіряв свою гіпотезу двома способами:

• через комбінацію двох призм, поставлених поспіль з поворотом на 180°, друга призма змішувала кольори розкладені першою;
• відомий диск Ньютона, при швидкому обертанні якого з'являється ілюзія білого кольору.

(Здатність сітківки ока зберігати зображення протягом деякого часу, приблизно 0,1 сек.)

Але найпрекраснішою демонстрацією явищ хвильової оптики стали кільця Ньютона. Гюйгенс спостерігав їх раніше, але саме Ньютон зміг першим пояснити це явище, хоч і схилявся до корпускулярної моделі світла. Він припустив, що промені світла періодично приймають два стани: "стан прохідності" та "стан відбивності".

Про хвильові властивості світла сьогодні ми й поговоримо.

"Інтерференція"

Ми вважаємо, що саме інтерференція є найбільш переконливим доказом хвильових властивостей світла.

Досвід: увімкнемо одну лампочку, потім ще одну - стало світлішою, але картини інтерференції ми не бачимо. А тепер спробуємо зробити, як Т. Юнг. У його досвіді фронт хвилі поділяється на два

близько розташованих джерела. На екрані є інтерференційна картина. Він також визначив довжину хвилі для фіолетової частини спектру – 0,42 мкм., для червоного спектру – 0,7 мкм. Інтерференція супроводжувалася спектральним розкладанням на монохроматичні складові. Але картину інтерференції не можна одержати, якщо джерела не когерентні. Когерентними називаються дві світлові хвилі однакової частоти, у якої різниця фаз дорівнює нулю. Як показує досвід, саме при складанні когерентних хвиль виникає інтерференційна картина максимумів та мінімумів освітленості.

Досліди на комп'ютері.

Інтерференція знайшла широке застосування:

• інтерферометр Майкельсон - прилад, який служить для прецизійних вимірювань. За допомогою цього приладу в 1881 році А. Майкельсон і Е. Морлі намагалися визначити, чи існує різниця в значенні швидкості світла при його поширенні вздовж і впоперек спрямування орбітального руху Землі.
• просвітлення оптики. Світло проходячи через лінзи фотоапаратів, біноклів відбивається від передньої та задньої поверхонь. При відображенні втрачається 8-10% енергії світла, і якщо об'єктив складається з кількох лінз, втрачається до 50% енергії. Щоб цього уникнути на поверхню лінз хімічним методом, наносять тонку плівку, товщина якої і показник заломлення вибираються з таким розрахунком, щоб у відбитому світлі виник інтерференційний мінімум.

Інтерференційні методи знайшли широке застосування у низці інших галузей науки техніки. За допомогою інтерферометра можна дослідити якість шліфування поверхонь, можна виміряти коефіцієнти розширення твердих тіл, малу зміну розмірів феромагнетиків у магнітному полі та сегнетоелектриків в електричному полі, а також виміряти коефіцієнти заломлення речовин, малі концентрації домішок у газах та рідині.

В астрономії інтерференційні методи дають змогу оцінити кутовий діаметр зірок.

"Дифракція"

Той факт, що світло заходить за краї перешкод, відоме людям дуже давно. Перший науковий опис цього явища належить Ф.Грімальді, який не тільки описав розмитість тіні від предмета, а й кольорову смугу в галузі розмитості. Він уперше це явище назвав дифракцією. Дифракція світла - це огинання світлом непрозорих предметів як наслідок цього проникнення світла у область геометричної тіні. Х. Гюйгенс першим спробував пояснити це явище, висунувши при цьому принцип побудови хвильових фронтів. Але треба віддати данину та іншому вченому, О. Френелю, який багато зробив для розвитку хвильової теорії світла. У 1818 році він представив конкурсну роботу під назвою "Записка про теорію дифракції", в якій довів, що тільки хвильова теорія світла пояснює дифракційну картину.

Використання дифракції світла однією щілини у практичних цілях дуже утруднено і незручно через слабкої видимості дифракційної картини. Дифракційні грати - спектральний прилад, що служить для розкладання світла в спектр та вимірювання довжини хвилі. Вони бувають металевими та скляними. На ці грати наносять велику кількість паралельних штрихів: 2000 штрихів на один міліметр поверхні. Головною характеристикою ґрат є постійна ґрати d=а + в, d sin f=m j(m=0,1,2....), там де кути fзадовольняють умову, спостерігаються основні максимуми дифракційної картини. Серед різноманітних практичних застосувань хвильових властивостей світла останні десятиліття одне з найцікавіших - голографія. Сутність голографії полягає у фіксації повної інформації про предмет, причому інформації як про амплітуді світлової хвилі, а й її фазі. В 1960 з появою лазерів голографічний метод став використовуватися частіше. Ідеї ​​та принципи голографії сформулював Д. Габор у 1948 році.Голограми бувають: оптичні, об'ємні, акустичні. Голографічні записи дозволяють фіксувати вібрації та деформації, що виникають у різних вузлах та деталях працюючих машин, а також кількісні дослідження повітряних потоків в аеродинамічних трубах.

"Поляризація"

Пружні хвилі бувають поздовжніми та поперечними. У поздовжніх хвилях коливання частинок відбуваються вздовж напрямку поширення хвиль, а поперечних - перпендикулярно до цього напрямку. Світло, у якого світловий вектор коливається безладно одночасно у всіх напрямках, перпендикулярних до променя, називається природним або не поляризованим. Типовий приклад такого світла – сонячне випромінювання, випромінювання ламп розжарювання, ламп денного світла. А світло, у якого напрям коливань світлового вектора суворо фіксовано, називається лінійно поляризованим або плоско поляризованим. Під поляризацією світла розуміють виділення із природного світла світлових коливань із певним напрямом електричного вектора. Залежність показника поглинання речовини від напрямку коливань світлового вектора називається дихроїзмом. У практичному використанні турмалін не дуже зручний: він дорогий і з нього не можна вирізати пластини великих розмірів. Тому більш поширені як поляроїди спеціальні дихроічні плівки, поміщені між скляними пластинками, наприклад плівки з кристаликів герапатиту.

У світі давно обговорюється питання про встановлення поляроїдів на фари та вітрове скло автомобілів при усуненні сліпучої дії фар зустрічних машин. Для цього поляроїд на фарах та вітровому склі повинен пропускати коливання під кутом 45° до горизонту. Тоді напрямок світлових коливань зустрічної машини буде перпендикулярно площині, в якій поляроїд пропускає коливання і світло фар гаситиметься. Власне поляризоване світло даного автомобіля після відображення від дороги проходитиме крізь вітрове скло. Встановлення поляроїдів має сенс. Якщо забезпечити ними всі автомобілі.

"Дисперсія"

Розкладання білого світла у спектр за допомогою скляної призми вперше було отримано І. Ньютоном. Біле світло розкладається у спектр, але монохроматичні кольори (червоний, синій, фіолетовий) далі на спектральні складові не розкладаються.

Будучи прихильником корпускулярної теорії світла, І. Ньютон пояснював цей факт так: фіолетовий колір складається з маленьких частинок, червоний - з більш масивних. Вивчення явищ інтерференції та дифракції світла показало, що колір пов'язаний з довжиною хвилі, отже, і її частотою. Цю властивість хвиль можна спостерігати у природі.

У російських літописах веселка називалася райська дуга. У Стародавній Греції веселку уособлювала богиня Іріда, вона поєднувала небо і землю, була посередником для людей і богами. Веселку "роблять" водяні краплі: у небі - краплі дощу, на землі - бризки водяного струменя водоспаду, фонтану. Саме у водяній краплі відбуваються оптичні явища, через які виникає веселка. Заломлення на кордоні повітря - вода за законом "відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення дорівнює відносному показнику заломлення"; Віддзеркалення світла на кордоні повітря - вода за законом "кут відбивання дорівнює куту падіння променя". Дисперсія світла – це розкладання світла у спектр. Умови виникнення веселки: наявність крапель води діаметром 0,08 – 0,2 мм; особливе становище спостерігача - спиною до сонця, поза дощової зони при висоті сонця над горизонтом трохи більше 42?. Верхня частина веселки завжди червоного кольору, нижня – фіолетового. Гарне природне явище не залишить нікого байдужим.

Питання: А чи правда, що існують білі веселки?

Так, їх називають туманними. Вони виникають при освітленні сонячними променями слабкого туману, що складається з крапель радіусом 0,025 мм і менше. Навіть вуличний ліхтар може створити білу веселку видиму на темному тлі нічного неба.

Веселку та гало має одну й ту саму фізичну природу. Гало походить від давньогрецького слова "халос" - круглий майданчик. Вони можуть виглядати досить різноманітно - кільця, що світяться навколо Сонця або Місяця, хрести, стовпи, помилкові світила. Спостерігається гало, якщо світило просвічує через тонкі перисто-шаруваті хмари. Ці хмари складаються з крижаних кристаликів у формі правильної шестикутної призми. гало бувають білими і з кольоровими відтінками і пояснюються тим, що виникає свічення внаслідок заломлення світла в кристаліках та відбиття від їх граней. Часто на небі можна фіксувати кілька гало. Наприклад: дуже складне гало спостерігалося в Петербурзі 18 червня 1794: одночасно на небі було 12 кіл і дуг, з них 9 кольорових. Його так і називають – Петербурзький феномен.

Запитання: Цікаво, а на інших планетах може бути таке явище?

Вчені зафіксували гало і інших планетах Сонячної системи - у атмосфері Венери, соціальній та атмосфері Іо, супутнику Юпітера.

Міраж - французького походження і має два значення: відображення та оманливе явище. Міражі - це явища, опис яких часто зустрічається в художній літературі. Ось уривок із французької казки "Принцеса Дангобер":

"Матроси залізли на реї, а капітан узяв підзорну трубу і побачив замок, що висить на золотих ланцюгах між небом та землею". Здогадайтеся, про яке явище йдеться?

Міраж є зображенням реально існуючого землі предмета, часто збільшене і сильно спотворене. Вони бувають верхні, нижні та складні.

Нижні (озерні) виникають над сильно нагрітою поверхнею. Спостерігають їх у пустелях та спекотних степах. Повітря біля землі сильно нагріте, і його показник заломлення менше, ніж у холодного повітря, що лежить більш високо. Відображення у цьому шарі аналогічне відбитку у воді. Верхнівиникають, навпаки, над сильно охолодженою поверхнею, наприклад над холодною водою. Вони спостерігаються у північних широтах. У цьому випадку показник заломлення повітря вище поверхні води і зменшується з висотою. СкладніМіражі називаються фата - моргана, виникають одночасно, тобто коли є умови і для верхнього міражу і для нижнього. Складні міражі мають вигляд примарних палаців, замків, лук і садів, при цьому вся картина швидко зникає.

Питання: Легенда про "летючого голландця" - це теж міраж?

Так, безперечно, це верхній міраж.

Захід сонця.

Викривлення ходу світлових променів в атмосфері пояснює не тільки міраж, а й напрочуд гарне оптичне явище - захід сонця. Справді, один захід сонця зовсім не схожий на інший. Але сонце, що завжди заходить, стає червоним.

Синій колір піднебіння пояснюється молекулярним розсіюванням світла на флуктуації щільності. Коефіцієнт розсіювання обернено пропорційний довжині хвилі в четвертому ступені. В результаті синьо-фіолетові промені розсіюються у 16 ​​разів сильніше, ніж червоні. Звідси блакитний колір неба. Коли сонце низько, шлях променів через атмосферу значно довший, ніж днем, коли сонце стоїть високо. Враховуючи, що сині промені сильніше розсіюються атмосферою, зрозуміло, що від сонця доходять до ока переважно помаранчеві та червоно-жовті промені. Тому сонце на заході сонця і на сході здається оранжево-червоним.

Питання: Проти сонця видно блискучу доріжку. Як вона утворюється? Чому доріжка завжди орієнтована на спостерігача?

Відповідь: Доріжка виникає на поверхні води внаслідок відбиття світла від дрібних хвиль, орієнтованих у різних напрямках. Тому відбиті промені попадають у око і кожен спостерігач бачить свою доріжку.

Дякую. Ми повторили та узагальнили знання

У природі немає квітів як таких. Кожен відтінок, що ми бачимо, задає та чи інша довжина хвилі. утворюється під впливом найдовших хвиль і є однією з двох граней видимого спектру.

Про природу кольору

Виникнення того чи іншого кольору можна пояснити завдяки законам фізики. Всі кольори та відтінки є результатами обробки мозком інформації, що надходить через очі у формі світлових хвиль різної довжини. За відсутності хвиль люди бачать, а при одноразовому впливі всього спектра - білий.

Кольори предметів визначаються здатністю їх поверхонь поглинати хвилі певної довжини та відштовхувати всі інші. Також має значення освітленість: чим яскравіше світло, тим інтенсивніше відбиваються хвилі, і яскравіше виглядає об'єкт.

Люди здатні розрізняти понад сто тисяч кольорів. Улюблені багатьма червоні, бордові та вишневі відтінки утворюються найдовшими хвилями. Однак, щоб людське око могло побачити червоний колір, не повинно перевищувати 700 нанометрів. За цим порогом починається невидимий для людей інфрачервоний спектр. Протилежна межа, що відокремлює фіолетові відтінки від ультрафіолетового спектру, становить близько 400 нм.

Колірний спектр

Спектр кольорів як деяка їхня сукупність, розподілена в порядку зростання довжини хвилі, був відкритий Ньютоном під час проведення його знаменитих експериментів із призмою. Саме він виділив 7 явно помітних кольорів, а серед них – 3 основних. Червоний колір відноситься і до помітних, і до основних. Всі відтінки, які розрізняють люди, - це видима область великого електромагнітного спектру. Таким чином, колір - це електромагнітна хвиля певної довжини, не коротша за 400, але не довша за 700 нм.

Ньютон зауважив, що пучки світла різних кольорів мали різні ступені заломлення. Якщо висловлюватися коректніше, то скло переломлювало їх по-різному. Максимальній швидкості проходження променів через речовину і, як наслідок, найменшої заломлюваності сприяла найбільша довжина хвилі. Червоний колір є видимим відображенням променів, що найменш заломлюються.

Хвилі, що утворюють червоний колір

Електромагнітна хвиля характеризується такими параметрами, як довжина, частота і під довжиною хвилі (λ) прийнято розуміти найменшу відстань між її точками, які коливаються в однакових фазах. Основні одиниці виміру довжини хвиль:

• мікрон (1/1000000 метрів);
• мілімікрон, або нанометр (1/1000 мікрон);
• ангстрем (1/10 мілімікрон).

Максимально можлива довжина хвилі червоного кольору дорівнює 780 мм (7800 ангстрем) при проходженні через вакуум. Мінімальна довжина хвилі цього спектру – 625 ммк (6250 ангстрем).

Інший суттєвий показник – частота коливань. Вона взаємопов'язана з довжиною, тому хвиля може бути задана будь-якою із цих величин. Частота хвиль червоного кольору знаходиться в межах від 400 Гц до 480 Гц. Енергія фотонів у своїй утворює діапазон від 1,68 до 1,98 эВ.

Температура червоного кольору

Відтінки, які людина підсвідомо сприймає як теплі чи холодні, з наукової погляду, зазвичай, мають протилежний температурний режим. Кольори, що асоціюються із сонячним світлом – червоний, помаранчевий, жовтий – прийнято розглядати як теплі, а протилежні їм – як холодні.

Проте теорія випромінювання доводить протилежне: червоні відтінки набагато нижчі, ніж сині. Насправді це легко підтвердити: гарячі молоді зірки мають згасаючі - червоний; метал при розжарюванні спочатку стає червоним, потім жовтим, а після – білим.

Відповідно до закону Вина, існує зворотний взаємозв'язок між ступенем нагрівання хвилі та її довжиною. Чим сильніше нагрівається об'єкт, тим більша потужність посідає випромінювання з області коротких хвиль, і навпаки. Залишається лише згадати, де у видимому спектрі існує найбільша довжина хвилі: червоний колір займає позицію, контрастну синім тонам, і є найменш теплим.

Відтінки червоного

Залежно від конкретного значення, яке має довжина хвилі, червоний колір набуває різних відтінків: червоний, малиновий, бордовий, цегляний, вишневий і т.д.

Відтінок характеризується 4 параметрами. Це такі, як:

1. Тон – місце, яке колір займає у спектрі серед 7 видимих ​​кольорів. Довжина електромагнітної хвилі задає саме тон.
2. Яскравість визначається силою випромінювання енергії певного колірного тону. Граничне зниження яскравості призводить до того, що людина побачить чорний колір. При поступовому підвищенні яскравості з'явиться за ним – бордовий, після – червоний, а при максимальному підвищенні енергії – яскраво-червоний.
3. Світлість – характеризує близькість відтінку до білого. Білий колір – це результат змішування хвиль різних спектрів. При послідовному нарощуванні цього ефекту червоний колір перетвориться на малиновий, потім - на рожевий, потім - на світло-рожевий і, нарешті, на білий.
4. Насиченість – визначає віддаленість кольору від сірого. Сірий колір за своєю природою – це три основні кольори, змішані у різних кількостях при зниженні яскравості випромінювання світла до 50%.