Как работает свет: Давайте разберемся: что такое свет?

Давайте разберемся: что такое свет?

Он вокруг нас и позволяет нам видеть мир. Но спросите любого из нас, и большинство не сможет объяснить, что такое на самом деле этот свет. Свет помогает нам понимать мир, в котором мы живем. Наш язык это отражает: во тьме мы передвигаемся на ощупь, свет мы начинаем видеть вместе с наступлением зари. И все же мы далеки от полного понимания света. Если вы приблизите луч света, что в нем будет? Да, свет движется невероятно быстро, но разве его нельзя применить для путешествий? И так далее и тому подобное.

Что такое свет с научной точки зрения? Давайте разбираться

Содержание

• 1 Что такое свет?
• 2 Как ученые изучали свет
• 3 Свет — это спектр цветов
• 4 Почему рентгеновские лучи это не свет
• 5 Люди видят цвета по-разному
• 6 Как движется свет?
• 7 Что такое фотоэффект
• 8 Что такое фотоны света
• 9 Как ученые используют свет

Что такое свет?

Конечно, все должно быть не так. Свет озадачивает лучшие умы на протяжении веков, но знаковые открытия, совершенные за последние 150 лет, постепенно приоткрывали завесу тайны над этой загадкой. Теперь мы более-менее понимаем, что это такое.

Физики современности не только постигают природу света, но и пытаются управлять ей с беспрецедентной точностью — и значит, свет очень скоро можно заставить работать самым удивительным способом. По этой причине Организация Объединенных Наций провозгласила 2015 году Международным годом Света.

Свет можно описать всевозможными способами. Но начать стоит с этого: свет — это форма излучения (радиации). И в этом сравнении есть смысл. Мы знаем, что избыток солнечного света может вызвать рак кожи. Мы также знаем, что радиационное облучение может вызвать риск развития некоторых форм рака; нетрудно провести параллели.

Свет бывает разным, и иногда он может нанести вред

Но не все формы излучения одинаковы. В конце 19 века ученые смогли определить точную суть светового излучения. И что самое странное, это открытие пришло не в процессе изучения света, а вышло из десятилетий работы над природой электричества и магнетизма.

Как ученые изучали свет

Электричество и магнетизм кажутся совершенно разными вещами. Но ученые вроде Ганса Христиана Эрстеда и Майкла Фарадея установили, что те глубоко переплетаются. Эрстед обнаружил, что электрический ток, проходящий через провод, отклоняет иглу магнитного компаса. Между тем, Фарадей обнаружил, что перемещение магнита вблизи провода может генерировать электрический ток в проводе.

Математики того дня использовали эти наблюдения для создания теории, описывающей это странное новое явление, которое они назвали «электромагнетизм». Но только Джеймс Клерк Максвелл смог описать полную картину.

Вклад Максвелла в науку сложно переоценить. Альберт Эйнштейн, который вдохновлялся Максвеллом, говорил, что тот изменил мир навсегда. Среди прочих вещей, его вычисления помогли нам понять, что такое свет.

Джеймс Клерк Максвелл

Максвелл показал, что электрические и магнитные поля передвигаются в виде волн, и эти волны движутся со скоростью света. Это позволило Максвеллу предсказать, что свет сам по себе переносится электромагнитными волнами — и это означает, что свет является формой электромагнитного излучения.

В конце 1880-х, через несколько лет после смерти Максвелла, немецкий физик Генрих Герц первым официально продемонстрировал, что теоретическая концепция электромагнитной волны Максвелла была верной.

«Я уверен, что если бы Максвелл и Герц жили в эпоху Нобелевской премии, они бы точно одну получили», — говорит Грэм Холл из Университета Абердина в Великобритании — где работал Максвелл в конце 1850-х.

Максвелл занимает место в анналах науки о свете по другой, более практической причине. В 1861 году он обнародовал первую устойчивую цветную фотографию, полученную с использованием системы трехцветного фильтра, которая заложила основу для многих форм цветной фотографии сегодня.

Самая первая в мире цветная фотография

Свет — это спектр цветов

Сама фраза о том, что свет является формой электромагнитного излучения, многого не говорит. Но помогает описать то, что мы все понимаем: свет — это спектр цветов. Это наблюдение восходит еще к работам Исаака Ньютона. Мы видим цветовой спектр во всей его красе, когда радуга всходит на небе — и эти цвета напрямую связаны с максвелловским понятием электромагнитных волн.

Красный свет на одном конце радуги — это электромагнитное излучение с длиной волны от 620 до 750 нанометров; фиолетовый цвет на другом конце — излучение с длиной волны от 380 до 450 нм. Но в электромагнитном излучении есть и больше, чем видимые цвета. Свет с длиной волны длиннее красного мы называем инфракрасным. Свет с длиной волны короче фиолетового называем ультрафиолетовым. Многие животные могут видеть в ультрафиолетовом, некоторые люди тоже, говорит Элефтериос Гулильмакис из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия. В некоторых случаях люди видят даже инфракрасный. Возможно, поэтому нас не удивляет, что ультрафиолетовый и инфракрасный мы называем формами света.

Почему рентгеновские лучи это не свет

Любопытно, однако, что если длины волн становятся еще короче или длиннее, мы перестаем называть их «светом». За пределами ультрафиолетового, электромагнитные волны могут быть короче 100 нм. Это царство рентгеновских и гамма-лучей. Вы когда-нибудь слышали, чтобы рентгеновские лучи называли формой света?

Ученый никогда не назовет рентгеновские лучи светом

«Ученый не скажет «я просвечиваю объект рентгеновским светом». Он скажет «я использую рентгеновские лучи», — говорит Гулильмакис.

Между тем, за пределами инфракрасных и электромагнитных длин волны вытягиваются до 1 см и даже до тысяч километров. Такие электромагнитные волны получили названия микроволн или радиоволн. Кому-то может показаться странным воспринимать радиоволны как свет.

«Нет особой физической разницы между радиоволнами и видимым светом с точки зрения физики, — говорит Гулильмакис. — Вы будете описывать их одними и теми же уравнениями и математикой». Только наше повседневное восприятие различает их.

Таким образом, мы получаем другое определение света. Это очень узкий диапазон электромагнитного излучения, которое могут видеть наши глаза. Другими словами, свет — это субъективный ярлык, который мы используем только вследствие ограниченности наших органов чувств.

Люди видят цвета по-разному

Если вам нужны более подробные доказательства того, насколько субъективно наше восприятие цвета, вспомните радугу. Большинство людей знают, что спектр света содержит семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. У нас даже есть удобные пословицы и поговорки про охотников, которые желают знать место нахождения фазана. Посмотрите на хорошую радугу и попробуйте разглядеть все семь. Это не удалось даже Ньютону. Ученые подозревают, что ученый разделил радугу на семь цветов, поскольку число «семь» было очень важным для древнего мира: семь нот, семь дней недели и т. п.

Обычно люди видят в радуге пять цветов

Работа Максвелла в области электромагнетизма завела нас дальше и показала, что видимый свет был частью широкого спектра радиации. Также стала понятна истинная природа света. На протяжении веков ученые пытались понять, какую на самом деле форму принимает свет на фундаментальных масштабах, пока движется от источника света к нашим глазам.

Как движется свет?

Некоторые считали, что свет движется в форме волн или ряби, через воздух или загадочный «эфир». Другие думали, что эта волновая модель ошибочна, и считали свет потоком крошечных частиц. Ньютон склонялся ко второму мнению, особенно после серии экспериментов, которые он провел со светом и зеркалами.

Исаак Ньютон это один из тех людей, кто хотел понять, что такое свет

Он понял, что лучи света подчиняются строгим геометрическим правилам. Луч света, отраженный в зеркале, ведет себя подобно шарику, брошенному прямо в зеркало. Волны не обязательно будут двигаться по этим предсказуемым прямым линиям, предположил Ньютон, поэтому свет должен переноситься некоторой формой крошечных безмассовых частиц.

Проблема в том, что были в равной степени убедительные доказательства того, что свет представляет собой волну. Одна из самых наглядных демонстраций этого была проведено в 1801 году. Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга, в принципе, можно провести самостоятельно дома.

Возьмите лист толстого картона и аккуратно проделайте в нем два тонких вертикальных разреза. Затем возьмите источник «когерентного» света, который будет излучать свет только определенной длины волны: лазер отлично подойдет. Затем направьте свет на две щели, чтобы проходя их он падал на другую поверхность.

Вы ожидаете увидеть на второй поверхности две ярких вертикальных линии на тех местах, где свет прошел через щели. Но когда Юнг провел эксперимент, он увидел последовательность светлых и темных линий, как на штрих-коде.

Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга

Когда свет проходит через тонкие щели, он ведет себя подобно водяным волнам, которые проходят через узкое отверстие: они рассеиваются и распространяются в форме полусферической ряби.

Когда этот свет проходит через две щели, каждая волна гасит другую, образуя темные участки. Когда же рябь сходится, она дополняется, образуя яркие вертикальные линии. Эксперимент Юнга буквально подтвердил волновую модель, поэтому Максвелл облек эту идею в твердую математическую форму. Свет — это волна.

Но потом произошла квантовая революция.

Что такое фотоэффект

Во второй половине девятнадцатого века, физики пытались выяснить, как и почему некоторые материалы абсорбируют и излучают электромагнитное излучение лучше других. Стоит отметит, что тогда электросветовая промышленность только развивалась, поэтому материалы, которые могут излучать свет, были серьезной штукой.

К концу девятнадцатого века ученые обнаружили, что количество электромагнитного излучения, испускаемого объектом, меняется в зависимости от его температуры, и измерили эти изменения. Но никто не знал, почему так происходит. В 1900 году Макс Планк решил эту проблему. Он выяснил, что расчеты могут объяснить эти изменения, но только если допустить, что электромагнитное излучение передается крошечными дискретными порциями. Планк называл их «кванта», множественное число латинского «квантум». Спустя несколько лет Эйнштейн взял его идеи за основу и объяснил другой удивительный эксперимент.

Физики обнаружили, что кусок металла становится положительно заряженным, когда облучается видимым или ультрафиолетовым светом. Этот эффект был назван фотоэлектрическим.

Атомы в металле теряли отрицательно заряженные электроны. Судя по всему, свет доставлял достаточно энергии металлу, чтобы тот выпустил часть электронов. Но почему электроны так делали, было непонятно. Они могли переносить больше энергии, просто изменив цвет света. В частности, электроны, выпущенные металлом, облученным фиолетовым светом, переносили больше энергии, чем электроны, выпущенные металлом, облученным красным светом.

Альберт Эйнштейн

Если бы свет был просто волной, это было бы нелепо.

Обычно вы изменяете количество энергии в волне, делая ее выше — представьте себе высокое цунами разрушительной силы — а не длиннее или короче. В более широком смысле, лучший способ увеличить энергию, которую свет передает электронам, это сделать волну света выше: то есть сделать свет ярче. Изменение длины волны, а значит и света, не должно было нести особой разницы.

Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект проще понять, если представить свет в терминологии планковских квантов.

Он предположил, что свет переносится крошечными квантовыми порциями. Каждый квант переносит порцию дискретной энергии, связанной с длиной волны: чем короче длина волны, тем плотнее энергия. Это могло бы объяснить, почему порции фиолетового света с относительно короткой длиной волны переносят больше энергии, чем порции красного света, с относительно большой длиной.

Также это объяснило бы, почему простое увеличение яркости света не особо влияет на результат.

Свет поярче доставляет больше порций света к металлу, но это не изменяет количество энергии, переносимой каждой порцией. Грубо говоря, одна порция фиолетового света может передать больше энергии одному электрону, чем много порций красного света.

Что такое фотоны света

Эйнштейн назвал эти порции энергии фотонами и в настоящее время их признали фундаментальными частицами. Видимый свет переносится фотонами, другие виды электромагнитного излучения вроде рентгеновского, микроволнового и радиоволнового — тоже. Другими словами, свет — это частица.

Свет — это частица

На этом физики решили положить конец дебатам на тему того, из чего состоит свет. Обе модели были настолько убедительными, что отказываться от одной не было никакого смысла. К удивлению многих нефизиков, ученые решили, что свет ведет себя одновременно как частица и как волна. Другими словами, свет — это парадокс.

При этом у физиков не возникло проблем с раздвоением личности света. Это в какой-то мере сделало свет полезным вдвойне. Сегодня, опираясь на работы светил в прямом смысле слова — Максвелла и Эйнштейна, — мы выжимаем из света все.

Оказывается, что уравнения, используемые для описания света-волны и света-частицы, работают одинаково хорошо, но в некоторых случаях одно проще использовать, чем другое. Поэтому физики переключаются между ними, примерно как мы используем метры, описывая собственный рост, и переходим на километры, описывая поездку на велосипеде.

Как ученые используют свет

Некоторые физики пытаются использовать свет для создания шифрованных каналов связи, для денежных переводов, к примеру. Для них имеет смысл думать о свете как о частицах. Виной всему странная природа квантовой физики. Две фундаментальные частицы, как пара фотонов, могут быть «запутаны». Это значит, что они будут иметь общие свойства вне зависимости от того, как далеки будут друг от друга, поэтому их можно использовать для передачи информации между двумя точками на Земле.

Еще одна особенность этой запутанности в том, что квантовое состояние фотонов изменяется, когда их считывают. Это значит, что если кто-то попытается подслушать зашифрованный канал, в теории, он сразу выдаст свое присутствие.

Другие, как Гулильмакис, используют свет в электронике. Им полезней представлять свет в виде серии волн, которые можно приручить и контролировать. Современные устройства под названием «синтесайзеры светового поля» могут сводить световые волны в идеальной синхронности друг с дружкой. В результате они создают световые импульсы, которые более интенсивные, кратковременные и направленные, чем свет обычной лампы.

За последние 15 лет эти устройства научились использовать для приручения света с чрезвычайной степенью. В 2004 году Гулильмакис и его коллеги научились производить невероятно короткие импульсы рентгеновского излучения. Каждый импульс длился всего 250 аттосекунд, или 250 квинтиллионных секунды.

Используя эти крошечные импульсы как вспышку фотоаппарата, они смогли сделать снимки отдельных волн видимого света, которые колеблются намного медленнее. Они буквально сделали снимки движущегося света.

«Еще со времен Максвелла мы знали, что свет — это осциллирующее электромагнитное поле, но никто даже и подумать не мог, что мы можем сделать снимки осциллирующего света», — говорит Гулильмакис.

Наблюдение за этими отдельными волнами света стало первым шагом по направлению к управлению и изменению света, говорит он, подобно тому, как мы изменяем радиоволны для переноса радио- и телевизионных сигналов.

Сто лет назад фотоэлектрический эффект показал, что видимый свет влияет на электроны в металле. Гулильмакис говорит, что должна быть возможность точно контролировать эти электроны, используя волны видимого света, измененные таким образом, чтобы взаимодействовать с металлом четко определенным образом. «Мы можем управлять светом и с его помощью управлять материей», — говорит он.

Как можно понять, свет это очень сложное явление

Это может произвести революцию в электронике, привести к новому поколению оптических компьютеров, которые будут меньше и быстрее наших. «Мы сможем двигать электронами как заблагорассудится, создавая электрические токи внутри твердых веществ с помощью света, а не как в обычной электронике».

Вот еще один способ описать свет: это инструмент.

Впрочем, ничего нового. Жизнь использовала свет еще с тех пор, когда первые примитивные организмы развили светочувствительные ткани. Глаза людей улавливают фотоны видимого света, мы используем их для изучения мира вокруг. Современные технологии еще дальше уводят эту идею. В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена исследователям, которые построили настолько мощный световой микроскоп, что он считался физически невозможным. Оказалось, что если постараться, свет может показать нам вещи, которые мы думали никогда не увидим.

Направление света — как работает свет – Photo7.ru

Свет обладает разными качествами, и, понимая эти различия и используя их в свою пользу, вы можете стать лучшим фотографом.

В двух предыдущих статьях я осветил:

Что такое — качество света

Что такое — цвет света

В этой третьей статье вы узнаете:

• Как контролировать направление естественного света в поле.
• Как понять, какое влияние направление света будет оказывать на ваши портреты. Как смешать светлые цвета, чтобы создать глубину.
• Несколько продвинутых техник, таких как использование отражателей.
• Как практиковаться с помощью упражнений.

Обратите внимание, что как фотограф-портретист я буду обсуждать портреты и использовать их в качестве примеров. Тем не менее, это знание относится к любому виду фотографии.

Работа с естественным светом не означает компромисс

Большинство людей скажут вам, что работа с искусственным освещением позволит вам полностью контролировать освещение при съемке, а работа исключительно с естественным освещением ограничит вашу способность управлять освещением практически до нуля. На мой взгляд, это ложное предположение приводит многих фотографов к посредственным результатам. Заявление о том, что освещение плохое, потому что «так было», когда они делали фотографию, неприемлемо.

Итак, первый шаг в управлении естественным освещением — тщательно спланировать время съемки. В предыдущих статьях мы обсуждали, как на качество и цвет света влияют время и погода в течение дня. Теперь давайте разберемся, как будет меняться направление света в течение дня и как это повлияет на освещенность наших портретов.

Фронтальное освещение

Фронтальное освещение относится к свету, который идет прямо на ваш объект съемки (источник света находится позади вас и камеры). Ситуация возможна когда ваш объект находится лицом к источнику света (например, лицом, направленным на заходящее или восходящее солнце). Другая возможность с отраженным светом. Как и на этом изображении, Диалсиз стояла в тени, но перед ней была яркая солнечная стена, отражающая солнечный свет прямо на ее лице.

Плюсы: фронтальное освещение обычно освещает лицо вашего объекта равномерно, без каких-либо теней. Это создаст эстетичный и сбалансированный вид, поэтому эта установка очень популярна в модных и косметических съемках.

Минусы: отсутствие теней создаст недостаток глубины и драматичности.

Свет под углом в 45 градусов

Как следует из названия, это ситуация, когда свет идет под углом 45 градусов от носа вашего объекта. Это чрезвычайно популярная установка освещения в портретной фотографии, которую иногда называют освещением Рембрандта. Она может быть легко достигнута с помощью бокового света, исходящего от восходящего или заходящего солнца, или путем размещения объекта под углом 45 градусов к окну.

Плюсы: в этой настройке освещения вы заметите, как свет постепенно освещает лицо вашего объекта. В нашем двухмерном художественном мире, создание постепенной тени, обычно означают глубину и объем. Вот почему эта установка так привлекательна в глазах большинства зрителей.

Минусы: драматический эффект затенения частей лица субъекта может не подходить для вашей визуальной истории.

Свет под углом в 90 градусов

Как следует из названия, это относится к ситуации, когда свет идет под углом 90 градусов от носа вашего объекта. Это может быть достигнуто при боковом освещении, исходящем от восходящего или заходящего солнца, или при расположении объекта под углом 90 градусов к окну.

Плюсы: чрезвычайно драматический эффект, который практически невозможно игнорировать.

Минусы: Эта драматическая установка освещения может быть немного более драматичной, и с правильным объектом это освещение может быть страшным! Все зависит, конечно, от того, что вы хотите вызвать в своей визуальной истории.

Задний свет

Это относится к ситуации, когда свет исходит из-за вашего объекта и перед вами.

Плюсы: подсветка создаст блики в контурах вашего объекта, и в отличие от фронтального освещения, это создаст ощущение глубины и четкое разделение между объектом и фоном. Если источник света не очень тусклый и полностью не закрыт вашим объектом, то работа с задним светом, более сложна в плане создания правильной экспозиции.

Это та ситуация, когда вам желательно перевести камеру в полностью речной режим. В то время как переэкспонирование может быть хорошим для создания сгоревшего фона или бликов объектива, недоэкспонирование обычно приводит к хорошему силуэту (как выше)

Минусы: как уже упоминалось, это освещение более сложное для фотографа, и в большинстве случаев потребует переключения из автоматического режима вашей камеры, но опять же, это отличная возможность для некоторых творческих фотографий.

Свет сверху

Это относится к ситуации, когда свет исходит прямо над вашим объектом, как в полдень.

Плюсы: эта установка освещения в стиле комнаты для допросов не будет льстить большинству лиц. Свет, идущий сверху, приведет к появлению глубоких теней на лице вашего объекта, делая лоб затенением глаз, а нос — тенью подбородка. Тем не менее, он может быть использован как способ создания очень драматического изображения.

Кинематографист, получивший премию «Оскар» Гордон Хью Уиллис, сделал новаторскую работу в фильме Фрэнсиса Форда Копполы «Крестный отец» с комбинацией недоэкспонирования и размещения источника освещения над лицами актеров. Ему удалось поддержать мрачный и загадочный смысл этого фильма, поскольку зрители не могли видеть большинство глаз на протяжении всего фильма.

Минусы: Как уже упоминалось, при правильном использовании такая настройка освещения может привести к отличным и творческим результатам. В противном случае ваш субъект будет выглядеть так, как будто он или она ответит на некоторые сложные вопросы.

Управление естественным светом

Основное: в простейшей форме управление естественным освещением, является первым шагом является планирование. Выберите подходящее время, чтобы быть снаружи, или возьмите объект в помещение, чтобы использовать мягкий свет, исходящий из окна.

Дополнительное: Вы можете управлять естественным освещением, почти как искусственным, с помощью отражателей или флагов.

Отражатели используются для отражения света на лицо субъекта. Например, если вы имеете дело со светом, идущим сверху, вы можете преодолеть проблему темных глаз, освещая их с помощью отражателя. Он также может осветлить темную сторону лица, если это необходимо, в случае освещения под углом 45 или 90 градусов.

Флаг обычно представляет собой кусок черной ткани, который можно использовать для блокирования нежелательного света и создания теней (тени означают чувство глубины, помните?) на лице субъекта. Чтобы правильно использовать флаг, вам понадобится кто-то или что-то, что может его удержать.

Именно так я использую все виды флагов в поле. Я использовал свою шляпу (которую я держал в левой руке), чтобы затенять переэкспонированный лоб много раз, или с помощью невинного свидетеля, которого попросили стоять на одном месте на мгновение, чтобы создать тень при необходимости.

Упражнение 1:

Рождество (или сразу после него) — лучшее время, чтобы попросить об услуге. Приведите своего друга, члена семьи или питомца и поместите его перед окном. При перемещении объекта изучите концепции фронтального, заднего, 90-градусного и 45-градусного освещения. Изучите полученные фото и получите более глубокое понимание того, как направление света повлияет на ваш портрет.

Упражнение № 2:

Отражатели эффективны и интересны в использовании. Вы можете купить себе отражатель или подготовить его с небольшим кусочком картона и простой алюминиевой фольгой.

Фотография. Введение в Свет

Что такое свет? Это, пожалуй, самый простой вопрос имеющий самый сложный ответ в фотографии. Свет позволяет нам видеть, создавать и, самое главное, передавать смысл через наше искусство.  Мы думаем, что каждый фотограф должен в какой-то степени быть очарован светом, который воспринимается как наука и магия. Физика света Свет — это энергия. Достаточно просто, не так ли? Но давайте погрузимся глубже. Точное определение физики света существует во многих формах, и за последнее столетие Нобелевские премии были присуждены за различные дополнения к тому, что мы просто называем светом. Тип энергии света называется электромагнитным излучением. Современная физика соглашается с тем, что свет существует как фотоны, маленькие частицы света, которые являются чистой энергией. Напомним, что энергия создает электромагнитное поле вокруг фотона. Это поле не является постоянным, и оно изменяется по мере продвижения фотона вперед. Таким образом, мы можем представить свет как волну для простоты дальнейшего объяснения. Природа частиц света будет полезна при обсуждении того, как он взаимодействует с поверхностями и отражается от них. Электромагнитная световая волна состоит из двух компонентов: электрического и магнитного. Электрическая составляющая колеблется вне фазы с магнитной.  Таким образом, когда напряженность электрического поля вокруг фотона максимальна, магнитное поле минимально. Поскольку два поля перпендикулярны друг другу, общее поле вокруг фотона постоянно. Мы приводим эту информациюдля для того, чтобы прояснить, откуда берется свет и как работают основные световые эффекты. Хотя фотографическое освещение — это не все о физике, знание науки о свете позволит вам решать сложные проблемы на съемочной площадке, что приносит, в итоге, хороший результат. Все фотоны путешествуют в пространстве, но вокруг них очень разные электромагнитные поля (волны). Это зависит от того, сколько энергии имеет любой данный фотон. Фотоны высокой энергии известны как гамма-излучение, а те, которые имеют немного меньше энергии, являются рентгеновскими лучами. Фотоны с самой низкой энергией — это радиоволны. Если вы заинтересовались этим, посмотрите электромагнитный спектр. Мы, люди, можем видеть небольшую часть этого спектра, часть известную как видимый свет. Красный свет имеет гораздо меньше энергии, чем синий свет.  Следовательно, энергия колеблется с более высокой частотой вокруг синего света. Скорость колебаний известна как частота и измеряется в герцах (Гц). Скорость, с которой свет проходит через вакуум, фиксирована. Точно так же, независимо от энергии света, он будет проходить и через некоторые материалы. Например, видимый свет может проходить через стекло, в то время как гамма-излучение может проходить через бетон и металл. Уравнение, обычно используемое для описания волн, объединяет три величины: частоту, скорость и длину волны. Длина волны для каждого света измеряется в нанометрах. Например, синий свет будет иметь длину 450 нм, а зеленый — 550 нм. Яркость света будет контролироваться тем, насколько высоки пики волн. Таким образом, электромагнитное поле с большой амплитудой будет предполагать, что яркость света высока. Искусство света Теперь, когда мы знаем, откуда берутся свет, цвет и яркость, давайте посмотрим, как мы можем наиболее практически применить это к любимому виду искусства фотографии. Цвет Большинство вспышек сбалансированы для получения дневного света, который измеряется около 5500 Кельвинов (К). Этот свет будет рассматриваться как белый. Человеческие глаза научились распознавать даже 33%-ную смесь трех основных цветов: красный, зеленый, синий и белый. Важно отметить, что наши глаза могут приспосабливаться и воспринимать очень неравномерные смеси трех основных цветов как неподвижный белый. Современные камеры не так умны и точны, как наши глаза. Они должны знать, где именно находится белый. Шкала с измерениями температуры Кельвина пригодится: большая часть света находится в пределах шкалы 2000K-10000K. Причина, по которой эта заимствованная из физики шкала так полезна фотографам, заключается в том, что она описывает цвета, при которых объект, нагретый до этой температуры, будет светиться. Вопреки распространенному мнению, объект при 10000K будет не оранжевым, а синим. Человеческая интуиция ломается, когда кто-то говорит, что синий объект намного горячее оранжевого. Существует два типа сбалансированных по Кельвину ламп: вольфрамовые и дневные. Вольфрам имеет температуру около 3200 К и довольно желтый цвет, в то время как дневной свет составляет 5500 К и выглядит белым. Пост-продакшн предлагает большую гибкость для того, чтобы сделать ваше изображение прохладным или теплым. Как правило, прохладное изображение будет иметь чувство отстраненности, в то время как теплое успокоит зрителя. Яркость Второе по важности качество света — это его яркость. Фотографы часто считают, что яркий пиксель — это хороший пиксель. Почему-то даже портретные/ модные фотографы, работающие с мощностью 4800 Вт, жалуются на недостаточную яркость. Понятие яркости тесно связано с третьим компонентом ответа: “что такое свет?” Контраст Яркая подсветка и чрезвычайно темная тень передадут сильный контраст и, как правило, увеличат драматизм в картине. Чтобы достичь этого, вам нужно убедиться, что световые лучи попадают на объект под одним и тем же углом.  Например, добавление сетки в софтбокс увеличит контрастность, так как теперь вы ограничили количество углов, под которыми лучи света могут попасть в объект съемки. С другой стороны, рассеяный свет, увеличивает количество углов и создает более мягкий свет с меньшим контрастом. В заключение можно сказать Свет — это сырье для создания изображений. Научиться формировать свет — все равно что научиться резать помидоры, чтобы стать шеф-поваром. Фотографическое освещение — это и физика, и искусство. Изучение физики, как правило, является тяжелым испытанием для большинства людей, поскольку они не представляют, что работа фотографа когда-либо будет чем-то соприкосаться с наукой. Тем не менее, физика света подобна теории движения: она позволяет вам понять возможности и как это работает. Тем не менее художественная сторона процесса облегчается, проходя через трудности обучения, овладения и практики формирования света. Теги:азы фотографии, свет, наука

Световедение для детей.

Простое введение в оптику Световедение для детей. Простое введение в оптику

Вы здесь: Домашняя страница > Наука > Свет

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 декабря 2021 г.

Вы когда-нибудь боялись темноты? Неудивительно, если вы были или остаетесь сегодня, потому что люди — создания света, глубоко запрограммировано миллионами лет истории, чтобы избежать темные опасности ночи. Свет жизненно важен для нас, но мы не всегда утруждайте себя его пониманием. Почему это делает некоторые вещи кажутся разными цветами по сравнению с другими? Он путешествует как частицы или волны? Почему он движется так быстро? давайте возьмем присмотритесь к некоторым из этих вопросов — давайте прольем свет на свет!

Фото: Обычный свет кажется белым, но если посветить на него через Призму (клин) из стекла видно, что она действительно сделана из целого спектра цветов.

Содержание

1. Что такое свет?
2. Свет — это частица или волна?
3. Как ведет себя свет
   • Отражение
   • Преломление
   • Дифракция
   • Помехи
4. Откуда берется свет?
5. Как атомы излучают свет
6. Как на самом деле работает свет
7. Горячий свет и холодный свет
8. Многоцветный свет
9. Дело не в том, как есть, а в том, как ты это видишь
10. Узнать больше

Что такое свет?

Когда мы очень молоды, у нас есть очень простое представление о свете: мир либо светлый, либо темный, и мы можем переходить от одного к другому просто щелкнув выключателем на стене. Но вскоре мы узнаем, что свет сложнее, чем это.

Свет прибывает на нашу планету после быстрого путешествия от Солнца, 149миллионов км (93 миллиона миль). Свет путешествует в 186 000 миль (300 000 км) в секунду, так что свет, который вы видите сейчас был все еще спрятан на Солнце около восьми минут назад. Положи это с другой стороны, свету требуется примерно в два раза больше времени, чтобы добраться от Солнца до Земля, как она делает, чтобы сделать чашку кофе!

Свет — это вид энергии

Но почему свет вообще совершает это путешествие? Как вы, наверное, знаете, Солнце — это ядерный огненный шар, извергающий энергию во всех направлениях. свет, который мы видим, это просто та часть энергии, которую Солнце делает то, что наши глаза могут обнаружить. Когда свет проходит между двумя местами (от Солнца до Земли или от фонарика до тротуара в перед вами темной ночью), энергия совершает путешествие между этими двумя точки. Энергия распространяется в виде волн (аналогично волнам на море, но примерно в 100 миллионов раз меньше) — вибрирующий образец электричества и магнетизма, который мы называем электромагнитным энергия. Если бы наши глаза могли видеть электричество и магнетизм, мы могли бы видеть каждый луч света как волну электричества, вибрирующую в одном направление и волна магнетизма, вибрирующая под прямым углом к ​​нему.

Эти две волны будут двигаться синхронно и со скоростью света.

Изображение: Энергия света любит путешествовать наружу! Большая часть естественного света проникает в наш мир от Солнца, показанного здесь крупным планом. испуская взрыв радиации, называемый солнечной вспышкой. Фото предоставлено Обсерваторией солнечной динамики НАСА (SDO).

Свет — это частица или волна?

В течение сотен лет ученые спорили о том, является ли свет вообще волна. Еще в 17 веке блестящий английский ученый сэр Исаак Ньютон (1642–1727) — один из первых людей, изучавших дело в деталях — мысленный свет был потоком «корпускул» или частиц. Но его великий соперник, не менее блестящий голландец по имени Кристиан Гюйгенс (1629 г.–1695), был совершенно непреклонен в том, что свет состоит из волн.

Фото: Исаак Ньютон утверждал, что свет представляет собой поток частиц. Фотография Уильяма Томаса Фрая предоставлена ​​Библиотекой Конгресса США.

Так началась полемика, которая не утихает и по сей день. чтобы понять почему. В некотором смысле свет ведет себя точно так же, как волна: свет отражается от зеркала, например, точно так же, как волны врезаясь в море, «отражаются» от волноломов и снова выходят наружу. Другими словами, свет ведет себя гораздо больше как поток частиц — как пули, стреляющие в быстрой последовательности из ружья. В 20 веке физики пришли к выводу, что свет может быть и частица, и волна одновременно. (Эта идея звучит довольно просто, но носит довольно сложное название корпускулярно-волнового дуализма.)

Реальный ответ на эту проблему больше зависит от философии и психология, чем физика. Наше понимание мира основано на как наши глаза и мозг интерпретируют это. Иногда нам кажется, что свет ведет себя как волна; Иногда кажется, что свет поток частиц. У нас есть два ментальных ящика, а свет — нет. вполне вписывается в любой из них. Это как стекло тапочка, которая не подходит ни к одной из уродливых сестер (частица или волна). Мы можем притвориться, что это почти подходит им обоим, иногда. Но в по правде говоря, свет — это просто то, что он есть — форма энергии, которая не соответствовать нашей мысленной схеме того, как все должно быть. Однажды кто-то будет придумать лучший способ описания и объяснения того, что делает совершенное чувство во всех ситуациях.

Рекламные ссылки

Как ведет себя свет

Световые волны (давайте пока предположим, что это действительно волны) ведут себя в четыре особенно интересных и полезных способа, которые мы описываем как отражение, преломление, дифракция и интерференция.

Отражение

Самое очевидное, что свет отражается вещи. Единственная причина, по которой мы можем видеть окружающие нас вещи, — это свет, то ли от Солнца, то ли от чего-то вроде электрической лампы здесь на Земля, отражается от них в наши глаза. Отрезать источник света или помешать ему достичь ваших глаз, и эти объекты исчезнут. Они не перестают существовать, но вы больше не можете их видеть.

Фото: Вот это я называю зеркалом! На самом деле это шесть сегментов огромного зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба. Изображение предоставлено НАСА.

Отражение может происходить двумя совершенно разными способами. Если у тебя есть гладкая, хорошо отполированная поверхность, и вы направляете узкий луч света на вы получаете узкий луч света, отраженный от него. Это называется зеркальным отражением, и это то, что происходит, если вы освещаете фонарик или лазер в зеркало: вы получаете четко определенный пучок света отскакивает обратно к вам. Большинство объектов не являются гладкими и сильно полированные: они довольно грубые. Итак, когда вы проливаете на них свет, это разбросаны повсюду. Это называется диффузным отражением и так мы видим большинство объектов вокруг нас, когда они рассеивают свет падение на них.

Если вы видите свое лицо в чем-то, то это зеркальное отражение; если Вы не можете видеть свое лицо, это рассеянное отражение. Отшлифовать чайную ложку и вы можете видеть свое лицо совершенно ясно. Но если ложка грязная, все кусочки грязи и пыли рассеивают свет во все стороны и твое лицо исчезает.

Подробнее об этом читайте в нашей статье о том, как работают зеркала.>

Преломление

Фото: Изгиб (преломление) лазерных лучей через кристалл. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Световые волны распространяются прямолинейно через пустое пространство (вакуум), но более интересные вещи происходят с ними, когда они путешествуют по другие материалы, особенно когда они переходят из одного материала в другой. В этом нет ничего необычного: мы сами делаем то же самое.

Вы замечали, как ваше тело замедляется, когда вы пытаетесь ходить? через воду? Вы мчитесь по пляжу на максимальной скорости, но как только когда вы попадаете в море, вы сразу же замедляетесь. Как бы ты ни старался, вы не можете бежать так же быстро по воде, как по воздуху. Плотный жидкость труднее оттолкнуть, поэтому она замедляет вас. В яблочко то же самое происходит со светом, если посветить им в воду, стекло, пластик или другой более плотный материал: он очень сильно тормозит. Это имеет тенденцию создавать легкие волны изгиб — то, что мы обычно называем преломлением.

Как работает рефракция

Фото: рефракция заставляет соломинку для питья выглядеть согнутой (верхняя и нижняя части кажутся несоединенными) когда он стоит в кувшине с водой..

Вы, наверное, замечали, что вода может преломлять свет. Вы можете видеть это для себя, положив соломинку в стакан с водой. Обратите внимание, как солома кажется перегнутой в месте, где вода встречается с воздухом наверху Это. Изгиб происходит не в самой воде, а на стыке воздух и вода. Вы можете видеть, что то же самое происходит в этом фото лазерных лучей, сияющих между двумя кристаллами наверху. При пересечении стыка балки довольно заметно изгибаются.

Почему это происходит? Возможно, вы узнали, что скорость света всегда одно и то же, но это верно только тогда, когда свет распространяется в вакуум. На самом деле свет в некоторых материалах распространяется медленнее, чем другие. В воде он движется медленнее, чем в воздухе. Или, говоря иначе Кстати, свет замедляется при переходе из воздуха в воду и ускоряется при переходе из воды в воздух. Вот что заставляет соломинку выглядеть согнутый. Давайте посмотрим на это немного подробнее.

Представьте луч света, летящий по воздуху под углом немного воды. А теперь представьте, что луч света на самом деле представляет собой линию людей. плывут строем, бок о бок, по воздуху. пловцы с одной стороны войдут в воду быстрее, чем пловцов с другой стороны, и при этом они замедлят вниз — потому что в воде люди передвигаются медленнее, чем в воздухе. Это означает вся очередь начнет замедляться, начиная с пловцов на одной стороне и заканчивая пловцами на другая сторона через некоторое время. Это приведет к тому, что вся линия согнуть под углом. Именно так ведет себя свет, когда входит вода — и почему из-за воды соломинка выглядит согнутой.

Рефракция невероятно полезна. Если вы носите очки, вы, вероятно, знать, что линзы, которые они содержат, представляют собой изогнутые кусочки стекла или пластик, который изгибает (преломляет) свет от предметов, на которые вы смотрите в. Изгиб света создает впечатление, что он исходит ближе или дальше (в зависимости от типа ваших объективов), что устраняет проблему своим взглядом. Другими словами, ваши очки исправляют ваше зрение. замедляя входящий свет, чтобы он немного менял направление. Бинокли, телескопы, фотоаппараты, очки ночного видения и многое другое. остальные вещи с линзами работают точно так же (коллективно мы называть это оптическим оборудованием).

Хотя обычно свет распространяется прямолинейно, вы можете заставить его сгибать углы, стреляя по тонким стеклянным или пластиковым трубам называются оптоволоконными кабелями. Отражение и преломление работают внутри этих «световых трубок», создавая лучи свет следуют необычным путем, по которому они обычно не идут.

Дифракция

Мы слышим звуки, огибающие дверные проемы, но не видим их углы — зачем? Подобно свету, звук распространяется в виде волн (это очень разные виды волн, но идея энергии движение по волновой схеме в целом такое же). Звуковые волны стремятся размером от нескольких сантиметров до нескольких метров, и они распространяются, когда они подходят к отверстию примерно одинакового размера как они есть — что-то вроде дверного проема, например. Если звук торопится по коридору в вашем общем направлении и там открывается дверной проем в комнату, где вы сидите, звуковые волны будут распространяться в через дверной проем и путешествие к вашим ушам.

То же самое не происходит со светом. Но свет будет распространяться точно так же, если вы посветите им на крошечное отверстие примерно такого же размера, как его длина волны. Вы могли заметить этот эффект, который называется дифракцией. если зажмурить глаза и посмотреть на уличный фонарь в темноте. В качестве глаза закрываются, кажется, что свет растекается странными полосами по мере того, как он протискивается сквозь узкие щели между веками и ресницами. Чем плотнее вы закрываете глаза, тем больше распространяется свет (пока он не исчезнет когда вы полностью закрываете глаза).

Художественное произведение: Когда свет от лазера (1) проходит через узкую щель (2), волны распространяются (3) и образуют дифракционную картину из светлых и темных полос (4). Различное количество, формы и размеры щелей создают более сложные дифракционные картины.

Помехи

Если вы стоите над спокойным прудом (или ванной, полной воды) и окунаете пальцем (или позвольте одной капле капнуть в воду поверхность с высоты), вы увидите волны энергии, распространяющиеся наружу с точки удара. Если вы сделаете это в двух разных местах, два набора ряби будут двигаться навстречу друг другу, сталкиваться друг с другом, и образуют новый узор ряби, называемый интерференцией. шаблон. Свет ведет себя точно так же. Если два источника света производить волны света, которые движутся вместе и встречаются, волны будут мешают друг другу там, где пересекаются. В некоторых местах гребни волны будут усиливаться и увеличиваться, но в других местах гребень одной волны встретится с впадиной другой волны, и две отменяет.

Фото: Тонкопленочная интерференция заставляет цвета, которые вы видите, кружиться на поверхности мыльных пузырей.

Интерференция вызывает такие эффекты, как вихревой цветной спектр узоры на поверхности мыльных пузырей и тому подобный эффект радуги вы можете видеть, если вы подносите компакт-диск к свету. Что происходит что две отраженные световые волны интерферируют. Одна световая волна отражается от внешний слой мыльной пленки, оборачивающий воздушный пузырь, в то время как вторая световая волна проходит через мыло только для того, чтобы отразить от его внутреннего слоя. Две световые волны распространяются немного по-разному. расстояния, чтобы они сбились с шага. Когда они снова встретятся на пути назад из пузыря, они мешают. Это делает цвет изменения света в зависимости от толщины мыльного пузыря. По мере того, как мыло постепенно разжижается, количество помех меняется и меняется и цвет отраженного света. Подробнее об этом читайте в наша статья о тонкопленочной интерференции.

Интерференция очень красочна, но у нее есть и практическое применение. Техника под названием интерферометрия может использовать мешающие лазерные лучи для измерения невероятно малые расстояния.

Откуда берется свет?

Фото: Дуговая сварка излучает свет при сварке металлов. расплавляются электрическим током. Атомы здесь сильно возбуждены! Фотография Мартина Райта, предоставлена ​​ВМС США.

Если вы читали нашу статью об энергетике, вы узнаете, что энергия — это нечто такое, что не возникает просто так. синий: он должен откуда-то появиться. Есть фиксированная сумма энергии во Вселенной, и ни один процесс никогда не создает и не разрушает энергии — он просто превращает часть существующей энергии в одну или несколько другие формы. Эта идея представляет собой основной закон физики, называемый законом сохранения энергии, и это применимо к свету так же, как ко всему остальному. Так откуда же тогда берется свет? Как именно вы «делаете» свет?

Оказывается, свет создается внутри атомов когда они «возбуждаются». Это не взволнован в глупом, хихикающем смысле слова, а в более узком научном смысле. Думать о электроны внутри атомов немного напоминают светлячков, сидящих на лестнице. Когда атом по той или иной причине поглощает энергию, электроны перейти на более высокий энергетический уровень. Визуализируйте одного из светлячков переход на более высокую ступеньку лестницы. К сожалению, лестница не так уж и устойчив, когда там наверху качается светлячок, так что Муху нужно совсем немного уговорить прыгнуть туда, где она была до. При этом он должен отдавать поглощенную энергию — и это делает это, мигая хвостом.

Примерно так и происходит, когда атом поглощает энергию. Ан электрон внутри него перескакивает на более высокий энергетический уровень, но заставляет атом нестабильный. Когда электрон возвращается на исходный уровень, он отдает энергия в виде вспышки света называется фотоном.

Как атомы излучают свет

Атомы — это мельчайшие частицы, из которых состоят все вещи. Сильно упрощая, атом немного похож на нашу солнечную систему, которая имеет Солнце в центре и планеты, вращающиеся вокруг него.

Большая часть массы атома сосредоточена в ядре в центре (красный), сделанный из протонов и нейтронов, упакованных вместе.

Электроны (синие) расположены вокруг ядра в оболочках (иногда называются орбиталями или энергетическими уровнями). Чем больше энергии у электрона, тем дальше он от ядра.

Атомы излучают свет в трехэтапном процессе:

1. Сначала они находятся в стабильном «основном состоянии» с электронами на своих обычных местах.
2. Когда они поглощают энергию, один или несколько электронов выбрасываются дальше от ядра на более высокие энергетические уровни. Мы говорим, что атом теперь «в восторге».
3. Однако возбужденный атом нестабилен и быстро пытается вернуться в свое стабильное основное состояние. Так он отдает лишнюю энергию первоначально полученный как фотон энергии (волнистая линия): пакет света.

Как на самом деле работает свет

Как только вы поймете, как атомы поглощают и отдают энергию, наука о свете обретает смысл в очень интересный новый способ. Например, подумайте о зеркалах. Когда ты посмотри в зеркало и увидишь свое лицо в отражении, что на самом деле происходит? Свет (может быть, из окна) бьет вам в лицо и отражается в зеркало. Внутри зеркала атомы серебра (или другого сильно отражающего металл) улавливают поступающую световую энергию и возбуждаются. Это делает их нестабильными, поэтому они испускают новые фотоны света, которые вернуться из зеркала к вам. По сути, зеркало играя с вами в броски и ловлю, используя фотоны света в качестве мячей!

Та же идея может помочь нам объяснить такие вещи, как копировальные аппараты и солнечные батареи (плоские листы). химического элемента кремния, превращающего солнечный свет в электричество). Вы когда-нибудь задумывались, почему солнечные панели выглядят черными, даже когда они полный солнечный свет? Это потому, что они мало или совсем не отражают свет, который падает на них и вместо этого поглощает всю энергию. (Черные предметы поглощают свет и практически не отражают его, в то время как белые вещи отражают практически весь свет, падающий на их и поглощают мало или совсем не поглощают. Вот почему лучше носить белое одежду в палящий жаркий день.) Куда девается энергия в солнечной панель, если она не отражена? Если вы посветите солнечным светом на солнечные элементы в солнечной панели, атомы кремний в клетках улавливает энергию солнечного света. Тогда вместо производства новых фотонов, вместо этого они производят поток электричества. через то, что известно как фотоэлектрический (или фотоэлектрический) эффект. Другими словами, поступающая солнечная энергия (от Солнца) преобразуется в уходящую. электричество.

Горячий свет и холодный свет

Что в первую очередь заставляет атом поглощать энергию? Ты можешь дать ему немного энергии, нагревая его. Если положить железный прут в пылающий огонь, бар в конечном итоге нагревался так сильно, что светился красный горячий. Происходит то, что вы снабжаете железом энергией атомы внутри стержня и возбуждая их. Их электроны продвигается на более высокие энергетические уровни и делает атомы нестабильными. Когда электроны возвращаются на более низкие уровни, они отдают свою энергию как фотоны красного света — и поэтому кажется, что полоса светится красным. огонь испускает свет точно по той же причине.

Старые электрические лампы работают так же. Они освещают пропуская электричество через очень тонкую проволочную нить, поэтому она получает невероятно жарко. Возбужденные атомы внутри горячей нити поворачивают электрическая энергия, проходящая через них в свет, который вы можете увидеть постоянно излучает фотоны. Когда мы делаем свет, нагревая вещи, это называется накал. Поэтому лампы старого образца иногда называют лампами накаливания.

Фото: Светящаяся палочка излучает «холодный свет» с помощью люминесценции. фото Деметриус Кеннон, любезно предоставленный ВМС США.

Вы также можете возбуждать атомы другими способами. Энергосберегающие лампочки которые используют флуоресценцию, более энергоэффективны, потому что они заставлять атомы разбиваться и сталкиваться, излучая много света, не создавая нагревать. По сути, они излучают холодный свет, а не горячий. производится старыми энергосберегающими лампочками. Такие существа, как светлячки, излучают свет посредством химического процесса. с помощью вещества под названием люциферин. Широкое название различных способов получения света путем возбуждения атомы внутри вещей — это люминесценция.

(Отметим попутно, что свет имеет некоторые другие интересные эффекты, когда он участвует в химии. Так работают фотохромные линзы солнцезащитных очков.)

Многоцветный свет

Фото: Радуга расщепляет солнечный свет («белый» свет ) в его составляющие цвета, потому что он изгибает разные цвета (длины волн света) в разной степени. Более короткие волны изгибаются больше чем более длинные волны, поэтому синий свет преломляется больше, чем красный. Вот почему синий цвет всегда внутри радуги и красного снаружи.

Цвет (в Великобритании пишется «color») — одна из самых странных вещей, связанных со светом. Вот один очевидная загадка: если мы видим вещи, потому что солнечный свет отражается от они, почему все не одного цвета? Почему не все цвет солнечного света? Вы, наверное, уже знаете ответ на этот вопрос. Солнечный свет — это не свет одного цвета — это то, что мы называем белым светом, составленный из всех различных цветов, смешанных вместе. Мы знаем это потому что мы можем видеть радугу, те красочные кривые, которые появляются в небе, когда капли воды расщепляют солнечный свет на составные цвета, преломляя (изгибая) разные цвета света с помощью разные суммы.

Почему помидор красный? Когда солнечный свет падает на помидор, красная часть солнечного света снова отражается от кожицы помидора, в то время как все другие цвета света поглощаются (пропитываются) помидор, чтобы вы их не видели. Это так же верно для синей книги, который отражает только синюю часть солнечного света, но поглощает свет другие цвета.

Почему помидор кажется красным, а не синим или зеленым? Вспомните как атомы делают свет. Когда солнечный свет падает на помидор, входящий световая энергия возбуждает атомы в кожуре помидора. Электроны продвигаются на более высокие энергетические уровни, чтобы захватить энергию, но вскоре снова падают опять таки. При этом они испускают фотоны нового света — и это просто соответствует тому свету, который наши глаза воспринимают как красный. Помидоры, другими словами, подобны точным оптическим машинам, запрограммированным производить фотоны красного света, когда на них падает солнечный свет.

Если на помидоры направить свет другого цвета, что произойдет? Предположим, вы получили зеленый свет, пропустив солнечный свет через кусок зеленого пластика (то, что мы называем фильтром). если ты если посветить этим на красный помидор, помидор будет казаться черным. Это потому что помидоры поглощают зеленый свет. Красного света просто нет их отражать.

Фото: Помидор отражает красную часть солнечного света и поглощает все остальные цвета.

Дело не в том, как есть, а в том, как ты это видишь

Многое из того, что мы считаем правдой о мире, оказывается правдой правда только о нас самих. Мы думаем, что помидоры красные, но на самом деле мы только видеть их такими. Если бы наши глаза были устроены по-другому, мы могли бы видеть световые фотоны, которые производят помидоры, как свет совершенно другого цвет. И никто из нас не может быть уверен, что то, что мы видим, поскольку «красный» — это то же самое, что любой другой видит красным: нет способа докажи, что мой красный такой же, как твой. Некоторые из самых интересных аспекты вещей, которые мы видим, сводятся к психологии восприятия (как наши глаза видят мир и как наш мозг это понимает), а не физика света. Дальтонизм и оптические иллюзии — два примеры этого.

Понимание света — блестящий пример того, что значит быть ученым. Наука не похож на другие предметы. Это не похоже на историю (сборник фактов о прошлых событиях) или закон (правильное и неправильное поведение людей). Это совершенно другой способ думать о мире и создавать смысл этого. Когда вы поймете науку о свете, ты чувствуешь, что вывернул часть мира наизнанку — ты смотришь из внутри, увидеть все совершенно по-новому и понять впервые, почему все это имеет смысл. Наука может пролить на мир совершенно иной свет — даже свет на самом свете!

Узнайте больше

На этом сайте

• Бинокль
• Электромагнитный спектр
• Энергия
• Волоконная оптика
• Лазеры
• Линзы
• Микроскопы
• Зеркала
• Термохромные материалы
• Тонкопленочная интерференция

На других веб-сайтах

• Оптика для детей: простой и увлекательный вводный сайт Оптического общества Америки.

Книги

Для младших читателей

• Освещающий мир света с Максом Аксиомой, суперученым Эмили Сон и Ника Дерингтона. Capstone, 2019. 32-страничный графический роман (в стиле комикса), связанный с приложением, для детей в возрасте 8–14 лет, направленный на привлечение упрямых читателей, которые могут не взять в руки обычный школьный учебник по естествознанию.
• Свет во вспышке автора Джорджия Амсон-Брэдшоу. Rosen, 2019/Franklin Watts, 2017. Факты, викторины и эксперименты облегчают это 32-страничное введение для детей в возрасте 7–9 лет..
• Путеводитель проекта по свету и Оптика Коллин Кесслер. Митчелл Лейн, 2012 г. Практическое практическое руководство по освещению для детей 9–12 лет.
• Научные пути: свет Криса Вудфорда. Rosen, 2013. Это одна из моих собственных книг, также предназначенная для детей 9–12 лет, и в ней кратко представлена ​​история наших усилий по пониманию света (ранее опубликовано как Routes of Science: Light , Blackbirch, 2004. )
• Ужасная наука: пугающий свет Ника Арнольда. Учебная, 19 лет99. 160-страничный текст для чтения для детей от 8 до 12 лет.
• Свет Дэвида Берни. DK, 1998. Одна из известных книг DK Eyewitness, объединяющая науку, технологии и историю в легко усваиваемом объеме. Подходит для детей от 9 до 12 лет (хотя и для пожилых людей тоже интересно).

Для читателей постарше

Общие книги

• «Световые годы: необыкновенная история увлечения человечества светом» Брайана Клегга. Icon, 2015. Экскурсия по научной истории света.
• Light: очень краткое введение Яна Уолмсли. Oxford, 2015. Солидное введение, которое проведет нас (по порядку) через световые лучи, волны, двойственность, теорию относительности и квантовую теорию. Довольно много сжато до чуть более 100 страниц, так что идти (для новичков) не всегда легко.
• QED: Странная теория света и материи Ричарда П. Фейнмана. Пингвин, 2007 г. (перепечатано многочисленными изданиями). Один из величайших физиков 20-го века объясняет взаимодействие между светом и электронами.

Учебники

• Оптика Юджина Хехта. Addison-Wesley, 2016. Классический учебник для студентов по свету и оптике, которым я сам пользовался несколько лет назад.
• Оптика K.K.Sharma. Academic Press, 2006. Альтернативный учебник для студентов, но с большим количеством оптических приложений.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2008, 2018. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2008/2018) Свет. Получено с https://www.explainthatstuff.com/light.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда


• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Световедение для детей. Простое введение в оптику

Световедение для детей. Простое введение в оптику

Вы здесь: Домашняя страница > Наука > Свет

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 декабря 2021 г.

Вы когда-нибудь боялись темноты? Неудивительно, если вы были или остаетесь сегодня, потому что люди — создания света, глубоко запрограммировано миллионами лет истории, чтобы избежать темные опасности ночи. Свет жизненно важен для нас, но мы не всегда утруждайте себя его пониманием. Почему это делает некоторые вещи кажутся разными цветами по сравнению с другими? Он путешествует как частицы или волны? Почему он движется так быстро? давайте возьмем присмотритесь к некоторым из этих вопросов — давайте прольем свет на свет!

Фото: Обычный свет кажется белым, но если посветить на него через Призму (клин) из стекла видно, что она действительно сделана из целого спектра цветов.

Содержание

1. Что такое свет?
2. Свет — это частица или волна?
3. Как ведет себя свет
   • Отражение
   • Преломление
   • Дифракция
   • Помехи
4. Откуда берется свет?
5. Как атомы излучают свет
6. Как на самом деле работает свет
7. Горячий свет и холодный свет
8. Многоцветный свет
9. Дело не в том, как есть, а в том, как ты это видишь
10. Узнать больше

Что такое свет?

Когда мы очень молоды, у нас есть очень простое представление о свете: мир либо светлый, либо темный, и мы можем переходить от одного к другому просто щелкнув выключателем на стене. Но вскоре мы узнаем, что свет сложнее, чем это.

Свет прибывает на нашу планету после быстрого путешествия от Солнца, 149миллионов км (93 миллиона миль). Свет путешествует в 186 000 миль (300 000 км) в секунду, так что свет, который вы видите сейчас был все еще спрятан на Солнце около восьми минут назад. Положи это с другой стороны, свету требуется примерно в два раза больше времени, чтобы добраться от Солнца до Земля, как она делает, чтобы сделать чашку кофе!

Свет — это вид энергии

Но почему свет вообще совершает это путешествие? Как вы, наверное, знаете, Солнце — это ядерный огненный шар, извергающий энергию во всех направлениях. свет, который мы видим, это просто та часть энергии, которую Солнце делает то, что наши глаза могут обнаружить. Когда свет проходит между двумя местами (от Солнца до Земли или от фонарика до тротуара в перед вами темной ночью), энергия совершает путешествие между этими двумя точки. Энергия распространяется в виде волн (аналогично волнам на море, но примерно в 100 миллионов раз меньше) — вибрирующий образец электричества и магнетизма, который мы называем электромагнитным энергия. Если бы наши глаза могли видеть электричество и магнетизм, мы могли бы видеть каждый луч света как волну электричества, вибрирующую в одном направление и волна магнетизма, вибрирующая под прямым углом к ​​нему. Эти две волны будут двигаться синхронно и со скоростью света.

Изображение: Энергия света любит путешествовать наружу! Большая часть естественного света проникает в наш мир от Солнца, показанного здесь крупным планом. испуская взрыв радиации, называемый солнечной вспышкой. Фото предоставлено Обсерваторией солнечной динамики НАСА (SDO).

Свет — это частица или волна?

В течение сотен лет ученые спорили о том, является ли свет вообще волна. Еще в 17 веке блестящий английский ученый сэр Исаак Ньютон (1642–1727) — один из первых людей, изучавших дело в деталях — мысленный свет был потоком «корпускул» или частиц. Но его великий соперник, не менее блестящий голландец по имени Кристиан Гюйгенс (1629 г.–1695), был совершенно непреклонен в том, что свет состоит из волн.

Фото: Исаак Ньютон утверждал, что свет представляет собой поток частиц. Фотография Уильяма Томаса Фрая предоставлена ​​Библиотекой Конгресса США.

Так началась полемика, которая не утихает и по сей день. чтобы понять почему. В некотором смысле свет ведет себя точно так же, как волна: свет отражается от зеркала, например, точно так же, как волны врезаясь в море, «отражаются» от волноломов и снова выходят наружу. Другими словами, свет ведет себя гораздо больше как поток частиц — как пули, стреляющие в быстрой последовательности из ружья. В 20 веке физики пришли к выводу, что свет может быть и частица, и волна одновременно. (Эта идея звучит довольно просто, но носит довольно сложное название корпускулярно-волнового дуализма.)

Реальный ответ на эту проблему больше зависит от философии и психология, чем физика. Наше понимание мира основано на как наши глаза и мозг интерпретируют это. Иногда нам кажется, что свет ведет себя как волна; Иногда кажется, что свет поток частиц. У нас есть два ментальных ящика, а свет — нет. вполне вписывается в любой из них. Это как стекло тапочка, которая не подходит ни к одной из уродливых сестер (частица или волна). Мы можем притвориться, что это почти подходит им обоим, иногда. Но в по правде говоря, свет — это просто то, что он есть — форма энергии, которая не соответствовать нашей мысленной схеме того, как все должно быть. Однажды кто-то будет придумать лучший способ описания и объяснения того, что делает совершенное чувство во всех ситуациях.

Рекламные ссылки

Как ведет себя свет

Световые волны (давайте пока предположим, что это действительно волны) ведут себя в четыре особенно интересных и полезных способа, которые мы описываем как отражение, преломление, дифракция и интерференция.

Отражение

Самое очевидное, что свет отражается вещи. Единственная причина, по которой мы можем видеть окружающие нас вещи, — это свет, то ли от Солнца, то ли от чего-то вроде электрической лампы здесь на Земля, отражается от них в наши глаза. Отрезать источник света или помешать ему достичь ваших глаз, и эти объекты исчезнут. Они не перестают существовать, но вы больше не можете их видеть.

Фото: Вот это я называю зеркалом! На самом деле это шесть сегментов огромного зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба. Изображение предоставлено НАСА.

Отражение может происходить двумя совершенно разными способами. Если у тебя есть гладкая, хорошо отполированная поверхность, и вы направляете узкий луч света на вы получаете узкий луч света, отраженный от него. Это называется зеркальным отражением, и это то, что происходит, если вы освещаете фонарик или лазер в зеркало: вы получаете четко определенный пучок света отскакивает обратно к вам. Большинство объектов не являются гладкими и сильно полированные: они довольно грубые. Итак, когда вы проливаете на них свет, это разбросаны повсюду. Это называется диффузным отражением и так мы видим большинство объектов вокруг нас, когда они рассеивают свет падение на них.

Если вы видите свое лицо в чем-то, то это зеркальное отражение; если Вы не можете видеть свое лицо, это рассеянное отражение. Отшлифовать чайную ложку и вы можете видеть свое лицо совершенно ясно. Но если ложка грязная, все кусочки грязи и пыли рассеивают свет во все стороны и твое лицо исчезает.

Подробнее об этом читайте в нашей статье о том, как работают зеркала.>

Преломление

Фото: Изгиб (преломление) лазерных лучей через кристалл. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Световые волны распространяются прямолинейно через пустое пространство (вакуум), но более интересные вещи происходят с ними, когда они путешествуют по другие материалы, особенно когда они переходят из одного материала в другой. В этом нет ничего необычного: мы сами делаем то же самое.

Вы замечали, как ваше тело замедляется, когда вы пытаетесь ходить? через воду? Вы мчитесь по пляжу на максимальной скорости, но как только когда вы попадаете в море, вы сразу же замедляетесь. Как бы ты ни старался, вы не можете бежать так же быстро по воде, как по воздуху. Плотный жидкость труднее оттолкнуть, поэтому она замедляет вас. В яблочко то же самое происходит со светом, если посветить им в воду, стекло, пластик или другой более плотный материал: он очень сильно тормозит. Это имеет тенденцию создавать легкие волны изгиб — то, что мы обычно называем преломлением.

Как работает рефракция

Фото: рефракция заставляет соломинку для питья выглядеть согнутой (верхняя и нижняя части кажутся несоединенными) когда он стоит в кувшине с водой..

Вы, наверное, замечали, что вода может преломлять свет. Вы можете видеть это для себя, положив соломинку в стакан с водой. Обратите внимание, как солома кажется перегнутой в месте, где вода встречается с воздухом наверху Это. Изгиб происходит не в самой воде, а на стыке воздух и вода. Вы можете видеть, что то же самое происходит в этом фото лазерных лучей, сияющих между двумя кристаллами наверху. При пересечении стыка балки довольно заметно изгибаются.

Почему это происходит? Возможно, вы узнали, что скорость света всегда одно и то же, но это верно только тогда, когда свет распространяется в вакуум. На самом деле свет в некоторых материалах распространяется медленнее, чем другие. В воде он движется медленнее, чем в воздухе. Или, говоря иначе Кстати, свет замедляется при переходе из воздуха в воду и ускоряется при переходе из воды в воздух. Вот что заставляет соломинку выглядеть согнутый. Давайте посмотрим на это немного подробнее.

Представьте луч света, летящий по воздуху под углом немного воды. А теперь представьте, что луч света на самом деле представляет собой линию людей. плывут строем, бок о бок, по воздуху. пловцы с одной стороны войдут в воду быстрее, чем пловцов с другой стороны, и при этом они замедлят вниз — потому что в воде люди передвигаются медленнее, чем в воздухе. Это означает вся очередь начнет замедляться, начиная с пловцов на одной стороне и заканчивая пловцами на другая сторона через некоторое время. Это приведет к тому, что вся линия согнуть под углом. Именно так ведет себя свет, когда входит вода — и почему из-за воды соломинка выглядит согнутой.

Рефракция невероятно полезна. Если вы носите очки, вы, вероятно, знать, что линзы, которые они содержат, представляют собой изогнутые кусочки стекла или пластик, который изгибает (преломляет) свет от предметов, на которые вы смотрите в. Изгиб света создает впечатление, что он исходит ближе или дальше (в зависимости от типа ваших объективов), что устраняет проблему своим взглядом. Другими словами, ваши очки исправляют ваше зрение. замедляя входящий свет, чтобы он немного менял направление. Бинокли, телескопы, фотоаппараты, очки ночного видения и многое другое. остальные вещи с линзами работают точно так же (коллективно мы называть это оптическим оборудованием).

Хотя обычно свет распространяется прямолинейно, вы можете заставить его сгибать углы, стреляя по тонким стеклянным или пластиковым трубам называются оптоволоконными кабелями. Отражение и преломление работают внутри этих «световых трубок», создавая лучи свет следуют необычным путем, по которому они обычно не идут.

Дифракция

Мы слышим звуки, огибающие дверные проемы, но не видим их углы — зачем? Подобно свету, звук распространяется в виде волн (это очень разные виды волн, но идея энергии движение по волновой схеме в целом такое же). Звуковые волны стремятся размером от нескольких сантиметров до нескольких метров, и они распространяются, когда они подходят к отверстию примерно одинакового размера как они есть — что-то вроде дверного проема, например. Если звук торопится по коридору в вашем общем направлении и там открывается дверной проем в комнату, где вы сидите, звуковые волны будут распространяться в через дверной проем и путешествие к вашим ушам.

То же самое не происходит со светом. Но свет будет распространяться точно так же, если вы посветите им на крошечное отверстие примерно такого же размера, как его длина волны. Вы могли заметить этот эффект, который называется дифракцией. если зажмурить глаза и посмотреть на уличный фонарь в темноте. В качестве глаза закрываются, кажется, что свет растекается странными полосами по мере того, как он протискивается сквозь узкие щели между веками и ресницами. Чем плотнее вы закрываете глаза, тем больше распространяется свет (пока он не исчезнет когда вы полностью закрываете глаза).

Художественное произведение: Когда свет от лазера (1) проходит через узкую щель (2), волны распространяются (3) и образуют дифракционную картину из светлых и темных полос (4). Различное количество, формы и размеры щелей создают более сложные дифракционные картины.

Помехи

Если вы стоите над спокойным прудом (или ванной, полной воды) и окунаете пальцем (или позвольте одной капле капнуть в воду поверхность с высоты), вы увидите волны энергии, распространяющиеся наружу с точки удара. Если вы сделаете это в двух разных местах, два набора ряби будут двигаться навстречу друг другу, сталкиваться друг с другом, и образуют новый узор ряби, называемый интерференцией. шаблон. Свет ведет себя точно так же. Если два источника света производить волны света, которые движутся вместе и встречаются, волны будут мешают друг другу там, где пересекаются. В некоторых местах гребни волны будут усиливаться и увеличиваться, но в других местах гребень одной волны встретится с впадиной другой волны, и две отменяет.

Фото: Тонкопленочная интерференция заставляет цвета, которые вы видите, кружиться на поверхности мыльных пузырей.

Интерференция вызывает такие эффекты, как вихревой цветной спектр узоры на поверхности мыльных пузырей и тому подобный эффект радуги вы можете видеть, если вы подносите компакт-диск к свету. Что происходит что две отраженные световые волны интерферируют. Одна световая волна отражается от внешний слой мыльной пленки, оборачивающий воздушный пузырь, в то время как вторая световая волна проходит через мыло только для того, чтобы отразить от его внутреннего слоя. Две световые волны распространяются немного по-разному. расстояния, чтобы они сбились с шага. Когда они снова встретятся на пути назад из пузыря, они мешают. Это делает цвет изменения света в зависимости от толщины мыльного пузыря. По мере того, как мыло постепенно разжижается, количество помех меняется и меняется и цвет отраженного света. Подробнее об этом читайте в наша статья о тонкопленочной интерференции.

Интерференция очень красочна, но у нее есть и практическое применение. Техника под названием интерферометрия может использовать мешающие лазерные лучи для измерения невероятно малые расстояния.

Откуда берется свет?

Фото: Дуговая сварка излучает свет при сварке металлов. расплавляются электрическим током. Атомы здесь сильно возбуждены! Фотография Мартина Райта, предоставлена ​​ВМС США.

Если вы читали нашу статью об энергетике, вы узнаете, что энергия — это нечто такое, что не возникает просто так. синий: он должен откуда-то появиться. Есть фиксированная сумма энергии во Вселенной, и ни один процесс никогда не создает и не разрушает энергии — он просто превращает часть существующей энергии в одну или несколько другие формы. Эта идея представляет собой основной закон физики, называемый законом сохранения энергии, и это применимо к свету так же, как ко всему остальному. Так откуда же тогда берется свет? Как именно вы «делаете» свет?

Оказывается, свет создается внутри атомов когда они «возбуждаются». Это не взволнован в глупом, хихикающем смысле слова, а в более узком научном смысле. Думать о электроны внутри атомов немного напоминают светлячков, сидящих на лестнице. Когда атом по той или иной причине поглощает энергию, электроны перейти на более высокий энергетический уровень. Визуализируйте одного из светлячков переход на более высокую ступеньку лестницы. К сожалению, лестница не так уж и устойчив, когда там наверху качается светлячок, так что Муху нужно совсем немного уговорить прыгнуть туда, где она была до. При этом он должен отдавать поглощенную энергию — и это делает это, мигая хвостом.

Примерно так и происходит, когда атом поглощает энергию. Ан электрон внутри него перескакивает на более высокий энергетический уровень, но заставляет атом нестабильный. Когда электрон возвращается на исходный уровень, он отдает энергия в виде вспышки света называется фотоном.

Как атомы излучают свет

Атомы — это мельчайшие частицы, из которых состоят все вещи. Сильно упрощая, атом немного похож на нашу солнечную систему, которая имеет Солнце в центре и планеты, вращающиеся вокруг него.

Большая часть массы атома сосредоточена в ядре в центре (красный), сделанный из протонов и нейтронов, упакованных вместе.

Электроны (синие) расположены вокруг ядра в оболочках (иногда называются орбиталями или энергетическими уровнями). Чем больше энергии у электрона, тем дальше он от ядра.

Атомы излучают свет в трехэтапном процессе:

1. Сначала они находятся в стабильном «основном состоянии» с электронами на своих обычных местах.
2. Когда они поглощают энергию, один или несколько электронов выбрасываются дальше от ядра на более высокие энергетические уровни. Мы говорим, что атом теперь «в восторге».
3. Однако возбужденный атом нестабилен и быстро пытается вернуться в свое стабильное основное состояние. Так он отдает лишнюю энергию первоначально полученный как фотон энергии (волнистая линия): пакет света.

Как на самом деле работает свет

Как только вы поймете, как атомы поглощают и отдают энергию, наука о свете обретает смысл в очень интересный новый способ. Например, подумайте о зеркалах. Когда ты посмотри в зеркало и увидишь свое лицо в отражении, что на самом деле происходит? Свет (может быть, из окна) бьет вам в лицо и отражается в зеркало. Внутри зеркала атомы серебра (или другого сильно отражающего металл) улавливают поступающую световую энергию и возбуждаются. Это делает их нестабильными, поэтому они испускают новые фотоны света, которые вернуться из зеркала к вам. По сути, зеркало играя с вами в броски и ловлю, используя фотоны света в качестве мячей!

Та же идея может помочь нам объяснить такие вещи, как копировальные аппараты и солнечные батареи (плоские листы). химического элемента кремния, превращающего солнечный свет в электричество). Вы когда-нибудь задумывались, почему солнечные панели выглядят черными, даже когда они полный солнечный свет? Это потому, что они мало или совсем не отражают свет, который падает на них и вместо этого поглощает всю энергию. (Черные предметы поглощают свет и практически не отражают его, в то время как белые вещи отражают практически весь свет, падающий на их и поглощают мало или совсем не поглощают. Вот почему лучше носить белое одежду в палящий жаркий день.) Куда девается энергия в солнечной панель, если она не отражена? Если вы посветите солнечным светом на солнечные элементы в солнечной панели, атомы кремний в клетках улавливает энергию солнечного света. Тогда вместо производства новых фотонов, вместо этого они производят поток электричества. через то, что известно как фотоэлектрический (или фотоэлектрический) эффект. Другими словами, поступающая солнечная энергия (от Солнца) преобразуется в уходящую. электричество.

Горячий свет и холодный свет

Что в первую очередь заставляет атом поглощать энергию? Ты можешь дать ему немного энергии, нагревая его. Если положить железный прут в пылающий огонь, бар в конечном итоге нагревался так сильно, что светился красный горячий. Происходит то, что вы снабжаете железом энергией атомы внутри стержня и возбуждая их. Их электроны продвигается на более высокие энергетические уровни и делает атомы нестабильными. Когда электроны возвращаются на более низкие уровни, они отдают свою энергию как фотоны красного света — и поэтому кажется, что полоса светится красным. огонь испускает свет точно по той же причине.

Старые электрические лампы работают так же. Они освещают пропуская электричество через очень тонкую проволочную нить, поэтому она получает невероятно жарко. Возбужденные атомы внутри горячей нити поворачивают электрическая энергия, проходящая через них в свет, который вы можете увидеть постоянно излучает фотоны. Когда мы делаем свет, нагревая вещи, это называется накал. Поэтому лампы старого образца иногда называют лампами накаливания.

Фото: Светящаяся палочка излучает «холодный свет» с помощью люминесценции. фото Деметриус Кеннон, любезно предоставленный ВМС США.

Вы также можете возбуждать атомы другими способами. Энергосберегающие лампочки которые используют флуоресценцию, более энергоэффективны, потому что они заставлять атомы разбиваться и сталкиваться, излучая много света, не создавая нагревать. По сути, они излучают холодный свет, а не горячий. производится старыми энергосберегающими лампочками. Такие существа, как светлячки, излучают свет посредством химического процесса. с помощью вещества под названием люциферин. Широкое название различных способов получения света путем возбуждения атомы внутри вещей — это люминесценция.

(Отметим попутно, что свет имеет некоторые другие интересные эффекты, когда он участвует в химии. Так работают фотохромные линзы солнцезащитных очков.)

Многоцветный свет

Фото: Радуга расщепляет солнечный свет («белый» свет ) в его составляющие цвета, потому что он изгибает разные цвета (длины волн света) в разной степени. Более короткие волны изгибаются больше чем более длинные волны, поэтому синий свет преломляется больше, чем красный. Вот почему синий цвет всегда внутри радуги и красного снаружи.

Цвет (в Великобритании пишется «color») — одна из самых странных вещей, связанных со светом. Вот один очевидная загадка: если мы видим вещи, потому что солнечный свет отражается от они, почему все не одного цвета? Почему не все цвет солнечного света? Вы, наверное, уже знаете ответ на этот вопрос. Солнечный свет — это не свет одного цвета — это то, что мы называем белым светом, составленный из всех различных цветов, смешанных вместе. Мы знаем это потому что мы можем видеть радугу, те красочные кривые, которые появляются в небе, когда капли воды расщепляют солнечный свет на составные цвета, преломляя (изгибая) разные цвета света с помощью разные суммы.

Почему помидор красный? Когда солнечный свет падает на помидор, красная часть солнечного света снова отражается от кожицы помидора, в то время как все другие цвета света поглощаются (пропитываются) помидор, чтобы вы их не видели. Это так же верно для синей книги, который отражает только синюю часть солнечного света, но поглощает свет другие цвета.

Почему помидор кажется красным, а не синим или зеленым? Вспомните как атомы делают свет. Когда солнечный свет падает на помидор, входящий световая энергия возбуждает атомы в кожуре помидора. Электроны продвигаются на более высокие энергетические уровни, чтобы захватить энергию, но вскоре снова падают опять таки. При этом они испускают фотоны нового света — и это просто соответствует тому свету, который наши глаза воспринимают как красный. Помидоры, другими словами, подобны точным оптическим машинам, запрограммированным производить фотоны красного света, когда на них падает солнечный свет.

Если на помидоры направить свет другого цвета, что произойдет? Предположим, вы получили зеленый свет, пропустив солнечный свет через кусок зеленого пластика (то, что мы называем фильтром). если ты если посветить этим на красный помидор, помидор будет казаться черным. Это потому что помидоры поглощают зеленый свет. Красного света просто нет их отражать.

Фото: Помидор отражает красную часть солнечного света и поглощает все остальные цвета.

Дело не в том, как есть, а в том, как ты это видишь

Многое из того, что мы считаем правдой о мире, оказывается правдой правда только о нас самих. Мы думаем, что помидоры красные, но на самом деле мы только видеть их такими. Если бы наши глаза были устроены по-другому, мы могли бы видеть световые фотоны, которые производят помидоры, как свет совершенно другого цвет. И никто из нас не может быть уверен, что то, что мы видим, поскольку «красный» — это то же самое, что любой другой видит красным: нет способа докажи, что мой красный такой же, как твой. Некоторые из самых интересных аспекты вещей, которые мы видим, сводятся к психологии восприятия (как наши глаза видят мир и как наш мозг это понимает), а не физика света. Дальтонизм и оптические иллюзии — два примеры этого.

Понимание света — блестящий пример того, что значит быть ученым. Наука не похож на другие предметы. Это не похоже на историю (сборник фактов о прошлых событиях) или закон (правильное и неправильное поведение людей). Это совершенно другой способ думать о мире и создавать смысл этого. Когда вы поймете науку о свете, ты чувствуешь, что вывернул часть мира наизнанку — ты смотришь из внутри, увидеть все совершенно по-новому и понять впервые, почему все это имеет смысл. Наука может пролить на мир совершенно иной свет — даже свет на самом свете!

Узнайте больше

На этом сайте

• Бинокль
• Электромагнитный спектр
• Энергия
• Волоконная оптика
• Лазеры
• Линзы
• Микроскопы
• Зеркала
• Термохромные материалы
• Тонкопленочная интерференция

На других веб-сайтах

• Оптика для детей: простой и увлекательный вводный сайт Оптического общества Америки.

Книги

Для младших читателей

• Освещающий мир света с Максом Аксиомой, суперученым Эмили Сон и Ника Дерингтона. Capstone, 2019. 32-страничный графический роман (в стиле комикса), связанный с приложением, для детей в возрасте 8–14 лет, направленный на привлечение упрямых читателей, которые могут не взять в руки обычный школьный учебник по естествознанию.
• Свет во вспышке автора Джорджия Амсон-Брэдшоу. Rosen, 2019/Franklin Watts, 2017. Факты, викторины и эксперименты облегчают это 32-страничное введение для детей в возрасте 7–9 лет..
• Путеводитель проекта по свету и Оптика Коллин Кесслер. Митчелл Лейн, 2012 г. Практическое практическое руководство по освещению для детей 9–12 лет.
• Научные пути: свет Криса Вудфорда. Rosen, 2013. Это одна из моих собственных книг, также предназначенная для детей 9–12 лет, и в ней кратко представлена ​​история наших усилий по пониманию света (ранее опубликовано как Routes of Science: Light , Blackbirch, 2004.)
• Ужасная наука: пугающий свет Ника Арнольда. Учебная, 19 лет99. 160-страничный текст для чтения для детей от 8 до 12 лет.
• Свет Дэвида Берни. DK, 1998. Одна из известных книг DK Eyewitness, объединяющая науку, технологии и историю в легко усваиваемом объеме. Подходит для детей от 9 до 12 лет (хотя и для пожилых людей тоже интересно).

Для читателей постарше

Общие книги

• «Световые годы: необыкновенная история увлечения человечества светом» Брайана Клегга. Icon, 2015. Экскурсия по научной истории света.
• Light: очень краткое введение Яна Уолмсли. Oxford, 2015. Солидное введение, которое проведет нас (по порядку) через световые лучи, волны, двойственность, теорию относительности и квантовую теорию. Довольно много сжато до чуть более 100 страниц, так что идти (для новичков) не всегда легко.
• QED: Странная теория света и материи Ричарда П. Фейнмана. Пингвин, 2007 г. (перепечатано многочисленными изданиями). Один из величайших физиков 20-го века объясняет взаимодействие между светом и электронами.

Учебники

• Оптика Юджина Хехта. Addison-Wesley, 2016. Классический учебник для студентов по свету и оптике, которым я сам пользовался несколько лет назад.
• Оптика K.K.Sharma. Academic Press, 2006. Альтернативный учебник для студентов, но с большим количеством оптических приложений.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2008, 2018. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2008/2018) Свет. Получено с https://www.explainthatstuff.com/light.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда


• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Световедение для детей. Простое введение в оптику

Световедение для детей. Простое введение в оптику

Вы здесь: Домашняя страница > Наука > Свет

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 15 декабря 2021 г.

Вы когда-нибудь боялись темноты? Неудивительно, если вы были или остаетесь сегодня, потому что люди — создания света, глубоко запрограммировано миллионами лет истории, чтобы избежать темные опасности ночи. Свет жизненно важен для нас, но мы не всегда утруждайте себя его пониманием. Почему это делает некоторые вещи кажутся разными цветами по сравнению с другими? Он путешествует как частицы или волны? Почему он движется так быстро? давайте возьмем присмотритесь к некоторым из этих вопросов — давайте прольем свет на свет!

Фото: Обычный свет кажется белым, но если посветить на него через Призму (клин) из стекла видно, что она действительно сделана из целого спектра цветов.

Содержание

1. Что такое свет?
2. Свет — это частица или волна?
3. Как ведет себя свет
   • Отражение
   • Преломление
   • Дифракция
   • Помехи
4. Откуда берется свет?
5. Как атомы излучают свет
6. Как на самом деле работает свет
7. Горячий свет и холодный свет
8. Многоцветный свет
9. Дело не в том, как есть, а в том, как ты это видишь
10. Узнать больше

Что такое свет?

Когда мы очень молоды, у нас есть очень простое представление о свете: мир либо светлый, либо темный, и мы можем переходить от одного к другому просто щелкнув выключателем на стене. Но вскоре мы узнаем, что свет сложнее, чем это.

Свет прибывает на нашу планету после быстрого путешествия от Солнца, 149миллионов км (93 миллиона миль). Свет путешествует в 186 000 миль (300 000 км) в секунду, так что свет, который вы видите сейчас был все еще спрятан на Солнце около восьми минут назад. Положи это с другой стороны, свету требуется примерно в два раза больше времени, чтобы добраться от Солнца до Земля, как она делает, чтобы сделать чашку кофе!

Свет — это вид энергии

Но почему свет вообще совершает это путешествие? Как вы, наверное, знаете, Солнце — это ядерный огненный шар, извергающий энергию во всех направлениях. свет, который мы видим, это просто та часть энергии, которую Солнце делает то, что наши глаза могут обнаружить. Когда свет проходит между двумя местами (от Солнца до Земли или от фонарика до тротуара в перед вами темной ночью), энергия совершает путешествие между этими двумя точки. Энергия распространяется в виде волн (аналогично волнам на море, но примерно в 100 миллионов раз меньше) — вибрирующий образец электричества и магнетизма, который мы называем электромагнитным энергия. Если бы наши глаза могли видеть электричество и магнетизм, мы могли бы видеть каждый луч света как волну электричества, вибрирующую в одном направление и волна магнетизма, вибрирующая под прямым углом к ​​нему. Эти две волны будут двигаться синхронно и со скоростью света.

Изображение: Энергия света любит путешествовать наружу! Большая часть естественного света проникает в наш мир от Солнца, показанного здесь крупным планом. испуская взрыв радиации, называемый солнечной вспышкой. Фото предоставлено Обсерваторией солнечной динамики НАСА (SDO).

Свет — это частица или волна?

В течение сотен лет ученые спорили о том, является ли свет вообще волна. Еще в 17 веке блестящий английский ученый сэр Исаак Ньютон (1642–1727) — один из первых людей, изучавших дело в деталях — мысленный свет был потоком «корпускул» или частиц. Но его великий соперник, не менее блестящий голландец по имени Кристиан Гюйгенс (1629 г.–1695), был совершенно непреклонен в том, что свет состоит из волн.

Фото: Исаак Ньютон утверждал, что свет представляет собой поток частиц. Фотография Уильяма Томаса Фрая предоставлена ​​Библиотекой Конгресса США.

Так началась полемика, которая не утихает и по сей день. чтобы понять почему. В некотором смысле свет ведет себя точно так же, как волна: свет отражается от зеркала, например, точно так же, как волны врезаясь в море, «отражаются» от волноломов и снова выходят наружу. Другими словами, свет ведет себя гораздо больше как поток частиц — как пули, стреляющие в быстрой последовательности из ружья. В 20 веке физики пришли к выводу, что свет может быть и частица, и волна одновременно. (Эта идея звучит довольно просто, но носит довольно сложное название корпускулярно-волнового дуализма.)

Реальный ответ на эту проблему больше зависит от философии и психология, чем физика. Наше понимание мира основано на как наши глаза и мозг интерпретируют это. Иногда нам кажется, что свет ведет себя как волна; Иногда кажется, что свет поток частиц. У нас есть два ментальных ящика, а свет — нет. вполне вписывается в любой из них. Это как стекло тапочка, которая не подходит ни к одной из уродливых сестер (частица или волна). Мы можем притвориться, что это почти подходит им обоим, иногда. Но в по правде говоря, свет — это просто то, что он есть — форма энергии, которая не соответствовать нашей мысленной схеме того, как все должно быть. Однажды кто-то будет придумать лучший способ описания и объяснения того, что делает совершенное чувство во всех ситуациях.

Рекламные ссылки

Как ведет себя свет

Световые волны (давайте пока предположим, что это действительно волны) ведут себя в четыре особенно интересных и полезных способа, которые мы описываем как отражение, преломление, дифракция и интерференция.

Отражение

Самое очевидное, что свет отражается вещи. Единственная причина, по которой мы можем видеть окружающие нас вещи, — это свет, то ли от Солнца, то ли от чего-то вроде электрической лампы здесь на Земля, отражается от них в наши глаза. Отрезать источник света или помешать ему достичь ваших глаз, и эти объекты исчезнут. Они не перестают существовать, но вы больше не можете их видеть.

Фото: Вот это я называю зеркалом! На самом деле это шесть сегментов огромного зеркала космического телескопа Джеймса Уэбба. Изображение предоставлено НАСА.

Отражение может происходить двумя совершенно разными способами. Если у тебя есть гладкая, хорошо отполированная поверхность, и вы направляете узкий луч света на вы получаете узкий луч света, отраженный от него. Это называется зеркальным отражением, и это то, что происходит, если вы освещаете фонарик или лазер в зеркало: вы получаете четко определенный пучок света отскакивает обратно к вам. Большинство объектов не являются гладкими и сильно полированные: они довольно грубые. Итак, когда вы проливаете на них свет, это разбросаны повсюду. Это называется диффузным отражением и так мы видим большинство объектов вокруг нас, когда они рассеивают свет падение на них.

Если вы видите свое лицо в чем-то, то это зеркальное отражение; если Вы не можете видеть свое лицо, это рассеянное отражение. Отшлифовать чайную ложку и вы можете видеть свое лицо совершенно ясно. Но если ложка грязная, все кусочки грязи и пыли рассеивают свет во все стороны и твое лицо исчезает.

Подробнее об этом читайте в нашей статье о том, как работают зеркала.>

Преломление

Фото: Изгиб (преломление) лазерных лучей через кристалл. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии (DOE/NREL).

Световые волны распространяются прямолинейно через пустое пространство (вакуум), но более интересные вещи происходят с ними, когда они путешествуют по другие материалы, особенно когда они переходят из одного материала в другой. В этом нет ничего необычного: мы сами делаем то же самое.

Вы замечали, как ваше тело замедляется, когда вы пытаетесь ходить? через воду? Вы мчитесь по пляжу на максимальной скорости, но как только когда вы попадаете в море, вы сразу же замедляетесь. Как бы ты ни старался, вы не можете бежать так же быстро по воде, как по воздуху. Плотный жидкость труднее оттолкнуть, поэтому она замедляет вас. В яблочко то же самое происходит со светом, если посветить им в воду, стекло, пластик или другой более плотный материал: он очень сильно тормозит. Это имеет тенденцию создавать легкие волны изгиб — то, что мы обычно называем преломлением.

Как работает рефракция

Фото: рефракция заставляет соломинку для питья выглядеть согнутой (верхняя и нижняя части кажутся несоединенными) когда он стоит в кувшине с водой..

Вы, наверное, замечали, что вода может преломлять свет. Вы можете видеть это для себя, положив соломинку в стакан с водой. Обратите внимание, как солома кажется перегнутой в месте, где вода встречается с воздухом наверху Это. Изгиб происходит не в самой воде, а на стыке воздух и вода. Вы можете видеть, что то же самое происходит в этом фото лазерных лучей, сияющих между двумя кристаллами наверху. При пересечении стыка балки довольно заметно изгибаются.

Почему это происходит? Возможно, вы узнали, что скорость света всегда одно и то же, но это верно только тогда, когда свет распространяется в вакуум. На самом деле свет в некоторых материалах распространяется медленнее, чем другие. В воде он движется медленнее, чем в воздухе. Или, говоря иначе Кстати, свет замедляется при переходе из воздуха в воду и ускоряется при переходе из воды в воздух. Вот что заставляет соломинку выглядеть согнутый. Давайте посмотрим на это немного подробнее.

Представьте луч света, летящий по воздуху под углом немного воды. А теперь представьте, что луч света на самом деле представляет собой линию людей. плывут строем, бок о бок, по воздуху. пловцы с одной стороны войдут в воду быстрее, чем пловцов с другой стороны, и при этом они замедлят вниз — потому что в воде люди передвигаются медленнее, чем в воздухе. Это означает вся очередь начнет замедляться, начиная с пловцов на одной стороне и заканчивая пловцами на другая сторона через некоторое время. Это приведет к тому, что вся линия согнуть под углом. Именно так ведет себя свет, когда входит вода — и почему из-за воды соломинка выглядит согнутой.

Рефракция невероятно полезна. Если вы носите очки, вы, вероятно, знать, что линзы, которые они содержат, представляют собой изогнутые кусочки стекла или пластик, который изгибает (преломляет) свет от предметов, на которые вы смотрите в. Изгиб света создает впечатление, что он исходит ближе или дальше (в зависимости от типа ваших объективов), что устраняет проблему своим взглядом. Другими словами, ваши очки исправляют ваше зрение. замедляя входящий свет, чтобы он немного менял направление. Бинокли, телескопы, фотоаппараты, очки ночного видения и многое другое. остальные вещи с линзами работают точно так же (коллективно мы называть это оптическим оборудованием).

Хотя обычно свет распространяется прямолинейно, вы можете заставить его сгибать углы, стреляя по тонким стеклянным или пластиковым трубам называются оптоволоконными кабелями. Отражение и преломление работают внутри этих «световых трубок», создавая лучи свет следуют необычным путем, по которому они обычно не идут.

Дифракция

Мы слышим звуки, огибающие дверные проемы, но не видим их углы — зачем? Подобно свету, звук распространяется в виде волн (это очень разные виды волн, но идея энергии движение по волновой схеме в целом такое же). Звуковые волны стремятся размером от нескольких сантиметров до нескольких метров, и они распространяются, когда они подходят к отверстию примерно одинакового размера как они есть — что-то вроде дверного проема, например. Если звук торопится по коридору в вашем общем направлении и там открывается дверной проем в комнату, где вы сидите, звуковые волны будут распространяться в через дверной проем и путешествие к вашим ушам.

То же самое не происходит со светом. Но свет будет распространяться точно так же, если вы посветите им на крошечное отверстие примерно такого же размера, как его длина волны. Вы могли заметить этот эффект, который называется дифракцией. если зажмурить глаза и посмотреть на уличный фонарь в темноте. В качестве глаза закрываются, кажется, что свет растекается странными полосами по мере того, как он протискивается сквозь узкие щели между веками и ресницами. Чем плотнее вы закрываете глаза, тем больше распространяется свет (пока он не исчезнет когда вы полностью закрываете глаза).

Художественное произведение: Когда свет от лазера (1) проходит через узкую щель (2), волны распространяются (3) и образуют дифракционную картину из светлых и темных полос (4). Различное количество, формы и размеры щелей создают более сложные дифракционные картины.

Помехи

Если вы стоите над спокойным прудом (или ванной, полной воды) и окунаете пальцем (или позвольте одной капле капнуть в воду поверхность с высоты), вы увидите волны энергии, распространяющиеся наружу с точки удара. Если вы сделаете это в двух разных местах, два набора ряби будут двигаться навстречу друг другу, сталкиваться друг с другом, и образуют новый узор ряби, называемый интерференцией. шаблон. Свет ведет себя точно так же. Если два источника света производить волны света, которые движутся вместе и встречаются, волны будут мешают друг другу там, где пересекаются. В некоторых местах гребни волны будут усиливаться и увеличиваться, но в других местах гребень одной волны встретится с впадиной другой волны, и две отменяет.

Фото: Тонкопленочная интерференция заставляет цвета, которые вы видите, кружиться на поверхности мыльных пузырей.

Интерференция вызывает такие эффекты, как вихревой цветной спектр узоры на поверхности мыльных пузырей и тому подобный эффект радуги вы можете видеть, если вы подносите компакт-диск к свету. Что происходит что две отраженные световые волны интерферируют. Одна световая волна отражается от внешний слой мыльной пленки, оборачивающий воздушный пузырь, в то время как вторая световая волна проходит через мыло только для того, чтобы отразить от его внутреннего слоя. Две световые волны распространяются немного по-разному. расстояния, чтобы они сбились с шага. Когда они снова встретятся на пути назад из пузыря, они мешают. Это делает цвет изменения света в зависимости от толщины мыльного пузыря. По мере того, как мыло постепенно разжижается, количество помех меняется и меняется и цвет отраженного света. Подробнее об этом читайте в наша статья о тонкопленочной интерференции.

Интерференция очень красочна, но у нее есть и практическое применение. Техника под названием интерферометрия может использовать мешающие лазерные лучи для измерения невероятно малые расстояния.

Откуда берется свет?

Фото: Дуговая сварка излучает свет при сварке металлов. расплавляются электрическим током. Атомы здесь сильно возбуждены! Фотография Мартина Райта, предоставлена ​​ВМС США.

Если вы читали нашу статью об энергетике, вы узнаете, что энергия — это нечто такое, что не возникает просто так. синий: он должен откуда-то появиться. Есть фиксированная сумма энергии во Вселенной, и ни один процесс никогда не создает и не разрушает энергии — он просто превращает часть существующей энергии в одну или несколько другие формы. Эта идея представляет собой основной закон физики, называемый законом сохранения энергии, и это применимо к свету так же, как ко всему остальному. Так откуда же тогда берется свет? Как именно вы «делаете» свет?

Оказывается, свет создается внутри атомов когда они «возбуждаются». Это не взволнован в глупом, хихикающем смысле слова, а в более узком научном смысле. Думать о электроны внутри атомов немного напоминают светлячков, сидящих на лестнице. Когда атом по той или иной причине поглощает энергию, электроны перейти на более высокий энергетический уровень. Визуализируйте одного из светлячков переход на более высокую ступеньку лестницы. К сожалению, лестница не так уж и устойчив, когда там наверху качается светлячок, так что Муху нужно совсем немного уговорить прыгнуть туда, где она была до. При этом он должен отдавать поглощенную энергию — и это делает это, мигая хвостом.

Примерно так и происходит, когда атом поглощает энергию. Ан электрон внутри него перескакивает на более высокий энергетический уровень, но заставляет атом нестабильный. Когда электрон возвращается на исходный уровень, он отдает энергия в виде вспышки света называется фотоном.

Как атомы излучают свет

Атомы — это мельчайшие частицы, из которых состоят все вещи. Сильно упрощая, атом немного похож на нашу солнечную систему, которая имеет Солнце в центре и планеты, вращающиеся вокруг него.

Большая часть массы атома сосредоточена в ядре в центре (красный), сделанный из протонов и нейтронов, упакованных вместе.

Электроны (синие) расположены вокруг ядра в оболочках (иногда называются орбиталями или энергетическими уровнями). Чем больше энергии у электрона, тем дальше он от ядра.

Атомы излучают свет в трехэтапном процессе:

1. Сначала они находятся в стабильном «основном состоянии» с электронами на своих обычных местах.
2. Когда они поглощают энергию, один или несколько электронов выбрасываются дальше от ядра на более высокие энергетические уровни. Мы говорим, что атом теперь «в восторге».
3. Однако возбужденный атом нестабилен и быстро пытается вернуться в свое стабильное основное состояние. Так он отдает лишнюю энергию первоначально полученный как фотон энергии (волнистая линия): пакет света.

Как на самом деле работает свет

Как только вы поймете, как атомы поглощают и отдают энергию, наука о свете обретает смысл в очень интересный новый способ. Например, подумайте о зеркалах. Когда ты посмотри в зеркало и увидишь свое лицо в отражении, что на самом деле происходит? Свет (может быть, из окна) бьет вам в лицо и отражается в зеркало. Внутри зеркала атомы серебра (или другого сильно отражающего металл) улавливают поступающую световую энергию и возбуждаются. Это делает их нестабильными, поэтому они испускают новые фотоны света, которые вернуться из зеркала к вам. По сути, зеркало играя с вами в броски и ловлю, используя фотоны света в качестве мячей!

Та же идея может помочь нам объяснить такие вещи, как копировальные аппараты и солнечные батареи (плоские листы). химического элемента кремния, превращающего солнечный свет в электричество). Вы когда-нибудь задумывались, почему солнечные панели выглядят черными, даже когда они полный солнечный свет? Это потому, что они мало или совсем не отражают свет, который падает на них и вместо этого поглощает всю энергию. (Черные предметы поглощают свет и практически не отражают его, в то время как белые вещи отражают практически весь свет, падающий на их и поглощают мало или совсем не поглощают. Вот почему лучше носить белое одежду в палящий жаркий день.) Куда девается энергия в солнечной панель, если она не отражена? Если вы посветите солнечным светом на солнечные элементы в солнечной панели, атомы кремний в клетках улавливает энергию солнечного света. Тогда вместо производства новых фотонов, вместо этого они производят поток электричества. через то, что известно как фотоэлектрический (или фотоэлектрический) эффект. Другими словами, поступающая солнечная энергия (от Солнца) преобразуется в уходящую. электричество.

Горячий свет и холодный свет

Что в первую очередь заставляет атом поглощать энергию? Ты можешь дать ему немного энергии, нагревая его. Если положить железный прут в пылающий огонь, бар в конечном итоге нагревался так сильно, что светился красный горячий. Происходит то, что вы снабжаете железом энергией атомы внутри стержня и возбуждая их. Их электроны продвигается на более высокие энергетические уровни и делает атомы нестабильными. Когда электроны возвращаются на более низкие уровни, они отдают свою энергию как фотоны красного света — и поэтому кажется, что полоса светится красным. огонь испускает свет точно по той же причине.

Старые электрические лампы работают так же. Они освещают пропуская электричество через очень тонкую проволочную нить, поэтому она получает невероятно жарко. Возбужденные атомы внутри горячей нити поворачивают электрическая энергия, проходящая через них в свет, который вы можете увидеть постоянно излучает фотоны. Когда мы делаем свет, нагревая вещи, это называется накал. Поэтому лампы старого образца иногда называют лампами накаливания.

Фото: Светящаяся палочка излучает «холодный свет» с помощью люминесценции. фото Деметриус Кеннон, любезно предоставленный ВМС США.

Вы также можете возбуждать атомы другими способами. Энергосберегающие лампочки которые используют флуоресценцию, более энергоэффективны, потому что они заставлять атомы разбиваться и сталкиваться, излучая много света, не создавая нагревать. По сути, они излучают холодный свет, а не горячий. производится старыми энергосберегающими лампочками. Такие существа, как светлячки, излучают свет посредством химического процесса. с помощью вещества под названием люциферин. Широкое название различных способов получения света путем возбуждения атомы внутри вещей — это люминесценция.

(Отметим попутно, что свет имеет некоторые другие интересные эффекты, когда он участвует в химии. Так работают фотохромные линзы солнцезащитных очков.)

Многоцветный свет

Фото: Радуга расщепляет солнечный свет («белый» свет ) в его составляющие цвета, потому что он изгибает разные цвета (длины волн света) в разной степени. Более короткие волны изгибаются больше чем более длинные волны, поэтому синий свет преломляется больше, чем красный. Вот почему синий цвет всегда внутри радуги и красного снаружи.

Цвет (в Великобритании пишется «color») — одна из самых странных вещей, связанных со светом. Вот один очевидная загадка: если мы видим вещи, потому что солнечный свет отражается от они, почему все не одного цвета? Почему не все цвет солнечного света? Вы, наверное, уже знаете ответ на этот вопрос. Солнечный свет — это не свет одного цвета — это то, что мы называем белым светом, составленный из всех различных цветов, смешанных вместе. Мы знаем это потому что мы можем видеть радугу, те красочные кривые, которые появляются в небе, когда капли воды расщепляют солнечный свет на составные цвета, преломляя (изгибая) разные цвета света с помощью разные суммы.

Почему помидор красный? Когда солнечный свет падает на помидор, красная часть солнечного света снова отражается от кожицы помидора, в то время как все другие цвета света поглощаются (пропитываются) помидор, чтобы вы их не видели. Это так же верно для синей книги, который отражает только синюю часть солнечного света, но поглощает свет другие цвета.

Почему помидор кажется красным, а не синим или зеленым? Вспомните как атомы делают свет. Когда солнечный свет падает на помидор, входящий световая энергия возбуждает атомы в кожуре помидора. Электроны продвигаются на более высокие энергетические уровни, чтобы захватить энергию, но вскоре снова падают опять таки. При этом они испускают фотоны нового света — и это просто соответствует тому свету, который наши глаза воспринимают как красный. Помидоры, другими словами, подобны точным оптическим машинам, запрограммированным производить фотоны красного света, когда на них падает солнечный свет.

Если на помидоры направить свет другого цвета, что произойдет? Предположим, вы получили зеленый свет, пропустив солнечный свет через кусок зеленого пластика (то, что мы называем фильтром). если ты если посветить этим на красный помидор, помидор будет казаться черным. Это потому что помидоры поглощают зеленый свет. Красного света просто нет их отражать.

Фото: Помидор отражает красную часть солнечного света и поглощает все остальные цвета.

Дело не в том, как есть, а в том, как ты это видишь

Многое из того, что мы считаем правдой о мире, оказывается правдой правда только о нас самих. Мы думаем, что помидоры красные, но на самом деле мы только видеть их такими. Если бы наши глаза были устроены по-другому, мы могли бы видеть световые фотоны, которые производят помидоры, как свет совершенно другого цвет. И никто из нас не может быть уверен, что то, что мы видим, поскольку «красный» — это то же самое, что любой другой видит красным: нет способа докажи, что мой красный такой же, как твой. Некоторые из самых интересных аспекты вещей, которые мы видим, сводятся к психологии восприятия (как наши глаза видят мир и как наш мозг это понимает), а не физика света. Дальтонизм и оптические иллюзии — два примеры этого.

Понимание света — блестящий пример того, что значит быть ученым. Наука не похож на другие предметы. Это не похоже на историю (сборник фактов о прошлых событиях) или закон (правильное и неправильное поведение людей). Это совершенно другой способ думать о мире и создавать смысл этого. Когда вы поймете науку о свете, ты чувствуешь, что вывернул часть мира наизнанку — ты смотришь из внутри, увидеть все совершенно по-новому и понять впервые, почему все это имеет смысл. Наука может пролить на мир совершенно иной свет — даже свет на самом свете!

Узнайте больше

На этом сайте

• Бинокль
• Электромагнитный спектр
• Энергия
• Волоконная оптика
• Лазеры
• Линзы
• Микроскопы
• Зеркала
• Термохромные материалы
• Тонкопленочная интерференция

На других веб-сайтах

• Оптика для детей: простой и увлекательный вводный сайт Оптического общества Америки.

Книги

Для младших читателей

• Освещающий мир света с Максом Аксиомой, суперученым Эмили Сон и Ника Дерингтона. Capstone, 2019. 32-страничный графический роман (в стиле комикса), связанный с приложением, для детей в возрасте 8–14 лет, направленный на привлечение упрямых читателей, которые могут не взять в руки обычный школьный учебник по естествознанию.
• Свет во вспышке автора Джорджия Амсон-Брэдшоу. Rosen, 2019/Franklin Watts, 2017. Факты, викторины и эксперименты облегчают это 32-страничное введение для детей в возрасте 7–9 лет..
• Путеводитель проекта по свету и Оптика Коллин Кесслер. Митчелл Лейн, 2012 г. Практическое практическое руководство по освещению для детей 9–12 лет.
• Научные пути: свет Криса Вудфорда. Rosen, 2013. Это одна из моих собственных книг, также предназначенная для детей 9–12 лет, и в ней кратко представлена ​​история наших усилий по пониманию света (ранее опубликовано как Routes of Science: Light , Blackbirch, 2004.)
• Ужасная наука: пугающий свет Ника Арнольда. Учебная, 19 лет99. 160-страничный текст для чтения для детей от 8 до 12 лет.
• Свет Дэвида Берни. DK, 1998. Одна из известных книг DK Eyewitness, объединяющая науку, технологии и историю в легко усваиваемом объеме. Подходит для детей от 9 до 12 лет (хотя и для пожилых людей тоже интересно).

Для читателей постарше

Общие книги

• «Световые годы: необыкновенная история увлечения человечества светом» Брайана Клегга. Icon, 2015. Экскурсия по научной истории света.
• Light: очень краткое введение Яна Уолмсли. Oxford, 2015. Солидное введение, которое проведет нас (по порядку) через световые лучи, волны, двойственность, теорию относительности и квантовую теорию. Довольно много сжато до чуть более 100 страниц, так что идти (для новичков) не всегда легко.
• QED: Странная теория света и материи Ричарда П. Фейнмана. Пингвин, 2007 г. (перепечатано многочисленными изданиями). Один из величайших физиков 20-го века объясняет взаимодействие между светом и электронами.

Учебники

• Оптика Юджина Хехта. Addison-Wesley, 2016. Классический учебник для студентов по свету и оптике, которым я сам пользовался несколько лет назад.
• Оптика K.K.Sharma. Academic Press, 2006. Альтернативный учебник для студентов, но с большим количеством оптических приложений.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2008, 2018. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените или оставьте отзыв на этой странице, и я сделаю пожертвование WaterAid.