Как работает свет: Давайте разберемся: что же такое свет?

Содержание

Давайте разберемся: что же 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.

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 она 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.


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.

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.


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.


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.

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 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.

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.


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.

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.


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.


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.

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.

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.

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.


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.

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.

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.

ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА • Большая российская энциклопедия

ПОГЛОЩЕ́НИЕ СВЕ́ТА, умень­ше­ние ин­тен­сив­но­сти све­та при про­хо­ж­де­нии че­рез ве­ще­ст­во вслед­ст­вие его взаи­мо­дей­ст­вия с ато­ма­ми и мо­ле­ку­ла­ми ве­ще­ст­ва. Элек­тро­маг­нит­ное по­ле све­то­вой вол­ны воз­бу­ж­да­ет до­пол­нит. ко­ле­ба­ния элек­тро­нов и ио­нов ве­ще­ст­ва, на что рас­хо­ду­ет­ся энер­гия. Час­тич­но она воз­вра­ща­ет­ся в ви­де вто­рич­но­го элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния. В тер­ми­нах кван­то­вой тео­рии про­цесс П. с. свя­зан с пе­ре­хо­дом элек­тро­нов в ато­ма­х и мо­ле­ку­лах, по­гло­щаю­щих из­лу­че­ние, с низ­ких уров­ней энер­гии на бо­лее вы­со­кие. Об­рат­ный пе­ре­ход в ос­нов­ное или ниж­нее воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние мо­жет со­вер­шать­ся с из­лу­че­ни­ем фо­то­на или бе­зыз­лу­ча­тель­но, или ком­би­ни­ро­ван­ным пу­тём, при­чём спо­соб об­рат­но­го пе­ре­хо­да оп­ре­де­ля­ет, в ка­кой вид энер­гии пе­ре­хо­дит энер­гия по­гло­щён­но­го све­та.

Обыч­но ин­тен­сив­ность све­та I умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем про­хо­ди­мо­го в ве­ще­ст­ве рас­стоя­ния l по экс­по­нен­ци­аль­но­му за­ко­ну: I=I

–αl, где I0 – на­чаль­ная ин­тен­сив­ность све­та, α  – по­ка­за­тель по­гло­ще­ния, за­ви­ся­щий от про­зрач­но­сти сре­ды. Этот за­кон экс­пе­ри­мен­таль­но ус­та­нов­лен П. Бу­ге­ром в 1729 и тео­ре­ти­че­ски вы­ве­ден И. Лам­бер­том в 1760 (см. Бу­ге­ра – Лам­бер­та – Бе­ра за­кон).

За­ви­си­мость по­ка­за­те­ля по­гло­ще­ния α от дли­ны вол­ны све­та λ на­зы­ва­ет­ся спек­тром по­гло­ще­ния ве­ще­ст­ва. Спектр по­гло­ще­ния изо­ли­ро­ван­ных ато­мов (напр., ато­мов раз­ре­жен­ных га­зов) со­сто­ит из уз­ких спек­траль­ных ли­ний, т. е. по­ка­за­тель по­гло­ще­ния α от­ли­чен от ну­ля толь­ко в оп­ре­де­лён­ных уз­ких диа­па­зо­нах длин волн (ши­ри­ной 0,1–1 нм), со­от­вет­ст­вую­щих час­то­там собств. ко­ле­ба­ний элек­тро­нов внут­ри ато­мов. Мо­ле­ку­ляр­ный спектр по­гло­ще­ния, оп­ре­де­ляе­мый ко­ле­ба­ния­ми ато­мов в мо­ле­ку­лах, со­сто­ит из по­лос по­гло­ще­ния (ши­ри­ной 10 нм – 10 мкм). По­гло­ще­ние твёр­дых тел ха­рак­те­ри­зу­ет­ся, как пра­ви­ло, очень ши­ро­ким диа­па­зо­ном длин волн (10–100 мкм) с боль­шим зна­че­ни­ем α. Ка­че­ст­вен­но это объ­яс­ня­ет­ся тем, что в кон­ден­си­ров. сре­дах силь­ное взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду час­ти­ца­ми при­во­дит к бы­ст­рой пе­ре­да­че энер­гии, от­дан­ной све­том од­ной из них, все­му кол­лек­ти­ву час­тиц. Все эти час­ти­цы из­лу­ча­ют на несколько раз­ли­чаю­щих­ся час­то­тах, в ре­зуль­та­те че­го спектр ста­но­вит­ся ши­ро­ким.

В про­во­дя­щих сре­дах (ме­тал­лах, плаз­ме) взаи­мо­дей­ст­вие со све­том в зна­чит. сте­пе­ни оп­ре­де­ля­ет­ся сво­бод­ны­ми элек­тро­на­ми, по­это­му α за­ви­сит от элек­тро­про­вод­но­сти сре­ды. П. с. в про­во­дя­щих сре­дах силь­но влия­ет на все про­цес­сы рас­про­стра­не­ния све­та в них; фор­маль­но это учи­ты­ва­ет­ся тем, что член, со­дер­жа­щий α, вхо­дит в вы­ра­же­ние для ком­плекс­но­го по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния сре­ды. Па­даю­щая све­то­вая вол­на по­гло­ща­ет­ся прак­ти­че­ски пол­но­стью в тон­ком (ок. 10 нм) слое; её энер­гия пре­вра­ща­ет­ся в энер­гию дви­же­ния элек­трон­ной плаз­мы. Дви­жу­щие­ся элек­тро­ны из­лу­ча­ют, в ре­зуль­та­те че­го фор­ми­ру­ет­ся от­ра­жён­ная вол­на, уно­ся­щая до 99% энер­гии (под­роб­нее см. в ст. Ме­тал­ло­оп­ти­ка). Тем не ме­нее мож­но сде­лать та­кой тон­кий слой зо­ло­той фоль­ги, что он бу­дет час­тич­но про­пус­кать свет. Мож­но так­же на­пы­лить тон­кий слой се­реб­ра на стек­ло или др. про­зрач­ную под­лож­ку, и это бу­дет час­тич­но про­пус­каю­щим (ок. 30%) и час­тич­но от­ра­жаю­щим (ок. 30%) по­кры­ти­ем, ис­поль­зуе­мым в ка­че­ст­ве све­то­де­ли­те­ля. Ос­таль­ные ≈40% све­та по­гло­ща­ют­ся.

Ко­гда свет по­гло­ща­ет­ся мо­ле­ку­ла­ми ве­ще­ст­ва, рас­тво­рён­но­го в прак­ти­че­ски не по­гло­щаю­щем рас­тво­ри­те­ле, или мо­ле­ку­ла­ми га­за, по­ка­за­тель α ока­зы­ва­ет­ся про­пор­цио­наль­ным чис­лу по­гло­щаю­щих мо­ле­кул на еди­ни­це дли­ны пу­ти све­то­вой вол­ны, или, что то же, в еди­ни­це объ­ё­ма, за­пол­нен­но­го про­хо­дя­щим све­том, т. е. про­пор­цио­на­лен кон­цен­тра­ции С рас­тво­рён­но­го ве­ще­ст­ва (ус­та­нов­ле­но нем. учёным А. Бе­ром, 1852). В ре­аль­ных га­зах и рас­тво­рах это вы­пол­ня­ет­ся не все­гда.

Спек­тры по­гло­ще­ния мо­гут быть на­столь­ко ин­ди­ви­ду­аль­ны­ми, что по ним мож­но эф­фек­тив­но кон­тро­ли­ро­вать хи­мич. со­став рас­тво­ров. Напр., аде­к­ват­ным спо­со­бом про­вер­ки под­лин­но­сти ал­ко­голь­ной про­дук­ции яв­ля­ет­ся из­ме­ре­ние спек­тров по­гло­ще­ния, ин­ди­ви­ду­аль­ных не толь­ко для про­из­во­ди­те­лей, но и для поч­вы, на ко­то­рой рос ви­но­град.

При вы­со­ких ин­тен­сив­но­стях све­та на­чи­на­ют про­яв­лять­ся не­ли­ней­ные эф­фек­ты, α ста­но­вит­ся функ­ци­ей ин­тен­сив­но­сти све­та и за­кон Бу­ге­ра на­ру­ша­ет­ся (не­ли­ней­ное П. с.). Та­кие эф­фек­ты мо­гут про­ис­хо­дить и при од­но­вре­мен­ном по­гло­ще­нии не­сколь­ких фо­то­нов (см.

Мно­го­фо­тон­ное по­гло­ще­ние све­та). Ин­тен­сив­ность флук­туи­рую­ще­го по­то­ка фо­то­нов при этом ста­би­ли­зи­ру­ет­ся; изъ­я­тие фо­то­нов из ис­ход­но­го пуч­ка мо­жет про­ис­хо­дит пáрами (двух­фо­тон­ное по­гло­ще­ние), трой­ка­ми и т. д. Про­ре­жи­ва­ние пуч­ка про­ис­хо­дит в мес­тах наи­боль­шей кон­цен­тра­ции фо­то­нов, т. е. во флук­туа­ци­он­ных вспле­сках ин­тен­сив­но­сти. В ре­зуль­та­те вспле­ски сгла­жи­ва­ют­ся и по­ток фо­то­нов ста­но­вит­ся бо­лее ре­гу­ляр­ным. В та­ких не­ли­ней­ных про­цес­сах эф­фек­тив­ность по­дав­ле­ния фо­тон­ных флук­туа­ций не­вы­со­ка, тем не ме­нее они по­зво­ля­ют сни­зить фо­тон­ные шу­мы да­же ни­же уров­ня шу­ма иде­аль­но­го ла­зе­ра, что осо­бен­но важ­но в сверх­точ­ных оп­тич. из­ме­ре­ни­ях.

Про­ти­во­по­лож­ным про­цес­сом яв­ля­ется не­ли­ней­ный на­сы­ще­ния эф­фект, обу­слов­лен­ный тем, что очень боль­шая до­ля по­гло­щаю­щих час­тиц, пе­рей­дя в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и ос­та­ва­ясь в нём срав­ни­тель­но дол­го, те­ря­ет спо­соб­ность по­гло­щать свет, что за­мет­но из­ме­ня­ет ха­рак­тер П. с. сре­дой. Ко­гда поч­ти все элек­тро­ны ве­ще­ст­ва под дей­ст­ви­ем све­та пе­ре­хо­дят в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и по­гло­щаю­щих час­тиц нет, на­сту­па­ет т. н. про­свет­ле­ние среды – прак­ти­че­ски пол­ное от­сут­ст­вие по­гло­ще­ния (см. Про­свет­ле­ния эф­фект).

Ес­ли в по­гло­щаю­щей сре­де ис­кус­ст­вен­но соз­да­на ин­вер­сия на­се­лён­но­стей, то ка­ж­дый фо­тон из па­даю­ще­го по­то­ка име­ет бóльшую ве­ро­ят­ность ин­ду­ци­ро­вать ис­пус­ка­ние точ­но та­ко­го же фо­то­на, чем быть по­гло­щён­ным са­мо­му (см. Вы­ну­ж­ден­ное ис­пус­ка­ние). В этом слу­чае ин­тен­сив­ность вы­хо­дя­ще­го све­та пре­вос­хо­дит ин­тен­сив­ность па­даю­ще­го, т. е. име­ет ме­сто уси­ле­ние све­та, а по­ка­за­тель по­гло­ще­ния α ста­но­вит­ся от­ри­ца­тель­ным, по­это­му та­кое яв­ле­ние на­зы­ва­ет­ся от­ри­ца­тель­ным П. с. На нём ос­но­ва­но дей­ст­вие кван­то­вых ге­не­ра­то­ров (ла­зе­ров) и кван­то­вых уси­ли­те­лей.

Не­ли­ней­ные эф­фек­ты по­гло­ще­ния мо­гут про­яв­лять­ся не толь­ко при боль­ших ин­тен­сив­но­стях из­лу­че­ния. Напр., для са­мо­про­из­воль­но­го по­тем­не­ния солн­це­за­щит­ных оч­ков с ме­няю­щей­ся про­зрач­но­стью дос­та­точ­но яр­ко­го сол­неч­но­го све­та.

П. с. ис­поль­зу­ет­ся в разл. об­лас­тях нау­ки и тех­ни­ки. На нём ос­но­ва­ны осо­бо вы­со­ко­чув­ст­ви­тель­ные ме­то­ды ко­ли­че­ст­вен­но­го и ка­че­ст­вен­но­го хи­мич. ана­ли­за (в ча­ст­но­сти, аб­сорб­ци­он­ный спек­траль­ный ана­лиз), спек­тро­фо­то­мет­рия, ко­ло­ри­мет­рия и др. Вид спек­тра П. с. уда­ёт­ся свя­зать с хи­мич. струк­ту­рой ве­ще­ст­ва; по ви­ду спек­тра мож­но так­же ис­сле­до­вать ха­рак­тер дви­же­ния элек­тро­нов в ме­тал­лах, вы­яс­нить зон­ную струк­ту­ру по­лу­про­вод­ни­ков и др.

Кто включает свет на районе? — Strelka Mag

Вместе с Ingrad мы продолжаем рассказывать про городские районы и их особенности. Уличное освещение кажется чем-то обыденным, но за ним скрывается большая работа по проектированию. Strelka Mag поговорил с директором проекта «Нагорное» Русланом Соловьёвым и узнал у него про особенности освещения в городских районах.

 

Кто отвечает за свет в городе

«Как только новый жилой комплекс вводят в эксплуатацию вся система наружного освещения тут же передается на баланс эксплуатирующей компании. Она будет решать когда и где включать свет и нести всю ответственность за бесперебойную работу системы и её отдельных элементов.

В Москве самой крупной организацией, эксплуатирующей объекты наружного освещения, является ГУП «Моссвет». При передаче системы наружного освещения на баланс «Моссвету» необходимо получить от него технические требования на разработку проекта освещения. Этот документ подробно регламентирует параметры районной системы света.

Степень освещенности зависит от типа дороги и территории вокруг. В темное время суток не должно оставаться мертвых зон. Оборудование для освещения в новых районах обязательно подключают к интернету. Так «Моссвет» получает необходимые данные и управляет освещением. | Рендер ЖК «Михайлова, 31»​

 

Как управляют светом

Уличным освещением чаще всего управляют дистанционно с помощью сети Ethernet. Включение и выключение система производит автоматически в зависимости от наступления дня и ночи. Есть несколько режимов работы освещения. Например, в соответствии с точным временем восходов и закатов солнца устанавливается таймер.

Пространство во дворе и со стороны дороги освещают по-разному. Как правило, внутри двора пространство пытаются сделать более камерным, а внешняя, фасадная сторона, которая выходит на улицу, должна быть более парадной и яркой. | Рендер ЖК «Новочеремушкинская, 17»​

Либо автоматические датчики распознают интенсивность естественного освещения и запускают или отключают светильники. Это снижает издержки на обслуживание наружного освещения. Но сами режимы автоматической работы программирует человек. Есть и параметры постепенного увеличения или ослабления интенсивности освещения.

 

Из чего состоит свет

Основная задача наружного освещения — увеличить видимость на улице в тёмное время суток, поэтому в районе стараются исключить все «темные» зоны. Во многом за счёт наружного cвета. На деле это не только фонари, но сложная инженерно-техническая система. Она состоит из распределительной сети, опор наружного освещения, светотехнической части и многих других элементов.

Наружное освещение создает безопасную среду в темное время суток. Это в первую очередь фонари, которые стоят во дворе. | Рендер ЖК «Лесопарковый»​

Разработать проект наружного освещения помогает светотехнический расчет. Он определяет не только количество фонарей, их оптимальное местоположение и параметры светильников, но и внешний вид. Например, от правильно подобранных опор зависит качество освещения. Сегодня их выполняют в любом стиле: от классического до хай-тека. Благодаря разнообразному оформлению опоры подчеркивают любое архитектурное пространство.

Светильники подбирают так, чтобы они не диссонировали с обликом здания и были незаметны, а пучки света подчеркивали архитектурные элементы. | Рендер ЖК «Михайлова, 31»​

 

Почему просто фонарей недостаточно

Для создания определенного образа фасадов используют уже архитектурно-художественное освещение. Оно акцентирует внимание на доминантах проекта.

Освещение не должно бить в окна квартир. При проектировании формируют пучки света так, чтобы они не засвечивали квартиру. Если на первом этаже жилых домов есть коммерческие помещения, там делают более яркое освещение, чтобы не оставалось темных пятен. | Рендер ЖК «Новочерёмушкинская»​

Прежде всего разрабатывается концепция освещения, учитываются особенности архитектуры, как относительно объекта встает-садится солнце, как фасадные материалы взаимодействуют со светом, проводится анализ местоположения объекта.

Растения и малые архитектурные формы тоже подсвечивают. Считается, что без ландшафтного освещения район не будет иметь законченный вид. | Рендер ЖК «Лесопарковый»​

У облицовочных материалов разное светопоглощение: например, клинкер и камень неодинаково отражают и воспринимают свет. Их надо по-разному подчеркивать и учитывать это при разработке проекта. Поэтому расположение объекта, особенности архитектурного ансамбля и все остальные параметры имеют большое значение».

Умные фары — как работает адаптивный свет

Технологии в современном мире развиваются со скоростью света, применение которого, кстати, тоже не стоит на месте. Автомобиль никак не может обойтись без собственного освещения, поэтому фары играют большую роль для водителей, в том числе и встречных. Только-только лампы с газами галогенов применялись во всех автомобильных конструкциях, но теперь это уже устаревший способ, который давно заменили фары, светящие с помощью мощных светодиодов.

Светодиоды удобны тем, что на их основе легко создаются новые технологии. Так, например, была придумана функция умного освещения, которое легко подстраивается под окружающий машину мир. Именно её в последние несколько лет постоянно добавляют производители автомобилей в конструкцию каждой своей модели. Но создавалась она постепенно:

  • Первым шагом стала система закреплённого поворотного освещения, когда при активном указателе поворота горит дополнительный свет, указывающий на угол ровно в 40 градусов;
  • После появился динамический свет, при котором фара могла поворачиваться внутрь и наружу, соответствуя движениям руля;
  • Итак постепенно технологии устарели, развились и дошли до системы умного освещения под названием «Adaptive Front Lighting System», которая использует светодиоды.

В арсенале данной системы есть несколько режимов на всё случаи жизни на дороге:

  • Второстепенные дороги с машинной скоростью от пятидесяти до ста километров час – свет из фар падает не симметрично, чтобы достаточно хорошо освещать дорогу перед автомобилем, но не слепить встречных водителей;
  • Магистраль с редким автомобильным потоком – камера следит за объектами на дороге и отправляет системе сигнал, если впереди появляется встречная машина, и тогда свет подстроится под зрение другого водителя;
  • Режим для освещения дороги при неблагоприятных условиях;
  • Движение в спальных кварталах города и так далее.

Электромагнитные волны — скорость, длина, формулы

Волны: что это и какими бывают

Давайте сначала разберемся, что такое волна.

Волна — это распространение колебаний в пространстве.

Волны бывают механическими и электромагнитными.

Главные герои этой статьи — электромагнитные волны. Немного удовлетворим ваше любопытство и скажем, что это те волны, которые мы потрогать не можем. Но все остальное чуть позже. Главное — терпение.

Механические волны — это те волны, колебания которых можно почувствовать физически, потому что они распространяются в упругой среде.

Представьте, что вы стоите на железнодорожных путях. Нет, вы не Анна Каренина, вы — экспериментатор.

Если к вам приближается поезд, вы рано или поздно его услышите. Вернее, услышите, как только звуковая волна со скоростью 𝑣 = 330 м/с достигнет ваших ушей.

Если приложить ухо к рельсу, то это произойдет значительно быстрее, потому что скорость звука в твердом теле больше, чем в воздухе. Кстати, под водой скорость звука больше, чем в воздухе, но меньше, чем в твердых телах.

Если вы когда-нибудь трогали музыкальную колонку, то знаете, что звук чувствуется и на ощупь.

Волны также принято делить на продольные и поперечные:


Продольные — это те волны, у которых колебание происходит вдоль направления распространения волны.



  • Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.

Поперечные — волны, у которых колебание происходит поперек направления распространения волны.

  • Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
  • Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.


Морская волна — продольная или поперечная?

На самом деле в ней есть и продольная, и поперечная составляющие, поэтому ее нельзя отнести к конкретному типу.

Электромагнитные волны

Увы, мы не можем потрогать руками электромагнитные волны. Осталось разобраться, как это так: волна есть, а возможности пощупать ее — нет.

Электромагнитная волна появляется благодаря электромагнитному полю.

Вот есть электрическое поле — его создает любой электрический заряд. Есть магнитное поле — оно возникает из-за движущегося заряда. А их взаимодействие — это электромагнитное поле.

Если совсем честно, то электрическое и магнитное поле не могут существовать в отдельности, потому что частицы всегда есть электрическое поле и она всегда худо-бедно да движется. Рассмотрение в отдельности электрических и магнитных полей может быть только в теоретической физике. В реальных инженерных задачах рассматривается обязательно электромагнитное поле.

Электромагнитная волна — это распространение электромагнитного поля. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется (меняет свое значение и направление вектор напряженности электрического поля), магнитное поле колеблется (меняет значение и направление вектор магнитной индукции), эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.


К электромагнитным волнам относятся радио, Wi-Fi и даже свет.

Разве свет не из частиц состоит?

Ничего от вас не скроешь. Дело в том, что свет — это как Гермиона с маховиком времени в двух местах сразу — одновременно и частица и волна.

Можете перечитать фразу выше, чтобы с ней смириться. Это не шутка. Экспериментально давно обнаружено, что свет в одних экспериментах ведет себя, как частица, а в других, как волна.

Все это безумство называется корпускулярно-волновым дуализмом. И это работает не только со светом, но и с другими волнами. В общем, у физики тоже бывает раздвоение личности.

Характеристики электромагнитной волны

Чтобы изучать любое явление, его нужно как-то охарактеризовать.

Длина волны

Это самая важная характеристика для волны. Ей называется расстояние между двумя точками этой волны, колеблющихся в одной фазе. Если проще, то это расстояние между двумя «гребнями».

Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.


Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.

Период

Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.

Формула периода колебания волны

T = t/N

T — период [с]

t — время [с]

N — количество колебаний [-]

Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.



Частота

Частота — это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.

Формула частоты колебания волны

υ = N/t = 1/T

υ — частота [Гц]

t — время [с]

N — количество колебаний [-]

T — период [с]

Скорость

Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость.

Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.

Формула скорости

𝑣 = S/t

𝑣 — скорость [м/с]

S — путь [м]

t — время [с]

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

  • путь — длина волны
  • время — период

А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.

Формула скорости волны

𝑣 = λ/T

𝑣 — скорость [м/с]

λ — длина волны [м]

T — период [с]

Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с.-12 с.

Теперь возьмем формулу скорости

𝑣 = S/t

По условию S = 1000λ

То есть

𝑣 = 1000λ/t

Выражаем длину волны

λ = 𝑣t/1000

Подставляем значения скорости света и известного нам времени:

λ = 3*108* 2*10-121000 =600 нм

И соотносим со шкалой видимого света


Из шкалы видно, что длине волны в 600 нм соответствует оранжевый цвет излучения.

Ответ: цвет освещения при заданных условиях будет оранжевым.

Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!

Рубрика «Разрушаем мифы»

А теперь давайте немного о распространенных заблуждениях. Присаживайтесь поудобнее — этот разговор, к сожалению, не на пару минут.

Миф 1. Вышки 5G вредны для нашего здоровья

Одна из теорий против 5G гласит, что новый тип связи может стать причиной раковых заболеваний. Справедливости ради — такие же обвинения не раз поступали в адрес 2G, 3G, 4G и более ранних поколений беспроводных сетей.

Стандарт 5G может использовать разные частотные диапазоны. Как правило, это низкий диапазон 600 МГц, а также средние частоты 2,5 ГГц, 3,5 ГГц и 3,7–4,2 ГГц.

В России «Государственная комиссия по радиочастотам» (ГКРЧ) рекомендует для выделения и использования под 5G частотный диапазон 27,1-27,5 ГГц. Американским операторам также скоро будут доступны диапазоны 37 ГГц, 39 ГГц и 47 ГГц.

Диапазон от 30 ГГц (миллиметровые волны) относится к так называемому спектру крайне высоких частот — и именно он вызывает большинство опасений по поводу вреда 5G для здоровья человека. Все еще недостаточно исследований, которые изучают влияние высоких частот на организм.


Источник: The Islands’ Sounder

Тем не менее, известно, что даже в верхнем диапазоне излучение 5G не обладает достаточной энергией для разрушения человеческой ДНК или влияния на клетки. А значит, не может вызвать рак и не представляет опасность для нашего организма. По этой же причине нельзя верить в теорию, что 5G убивает птиц — этому излучению просто не хватит сил, чтобы кого-то убить.

К опасному излучению относятся волны, распространяемые на частотах от 30 ПГц (петагерц) — утрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Они могут влиять на атомную структуру клеток и разрывать химические связи в ДНК. Именно поэтому, например, врачи советуют избегать долгого пребывания на солнце.

Миф 2. Шапочки из фольги защищают от вредного излучения

Кстати, они наоборот любую электромагнитную волну усиливают. Это доказали студенты из MIT (Массачусетский технологический институт), которые исследовали это опытным путем.

Ребята установили антенну в четырех частях от головы добровольцев: на лбу, затылке, висках и в районе мозга. И сравнивали показатели радиосигнала в шапочке для фольги и без нее. Оказалось, что сигнал не ослабляется, а усиливается. Так что шапочка вас не спасет от вредного излучения, а наоборот — только усилит сигнал.

Миф 3. Микроволновки убивают еду, и она становится неживой

Электромагнитный фон возле СВЧ-печей выше больше, чем природный более, чем в миллион раз, но вреда человеку не наносит. Санитарные требования к этим приборам очень жёсткие, поэтому опасности микроволновка не представляет. Например, благодаря системе блокировки дверцы генерация микроволнового излучения прекращается, когда дверца открыта. Также в микроволновке обязательно должна быть система защиты от утечки излучения. Гораздо опаснее электромагнитные излучения от солнца или солярия, потому что там есть ультрафиолет, который легко повреждает клетки кожи человека.

Продукты становятся теплее за счёт нагревания в них воды. И когда мы их греем, могут образовываться радикалы — но это происходит при любом способе теплового воздействия. Например, при жарке могут образовываться ещё и канцерогены.

Наш организм способен бороться с небольшим количеством «вредных» радикалов благодаря иммунитету. При нагревании пищи образуется то количество радикалов, с которым организм способен бороться, поэтому ничего страшного ни в микроволновке, ни в кастрюле, в которой вы греете суп, нет.

Видимый свет: свойства, диапазон, спектр, источники

Видимый свет — это видимая часть электромагнитного излучения, т.е. видимое излучение, воспринимаемое сетчаткой человеческого глаза.

Видимый свет — единственный тип электромагнитных волн, известный людям с незапамятных времен, хотя его природа была неизвестна до 1860-х годов. Люди были очарованы оптическими явлениями, такими как радуга, видимая на фотографии. На протяжении веков спорили о том, имеет ли свет конечную скорость или распространяется мгновенно.

Из этой статьи вы узнаете, как стала понятна природа света и почему мы видим мир в цветах.

В 1861 году Джеймс Максвелл опубликовал уравнения, в которых доказал, что электричество и магнетизм являются двумя видами одного и того же явления — электромагнетизма. Уравнения Максвелла не только связно объяснили все электрические и магнитные явления, но и предсказали существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света c = 3 * 108 м / с. Естественным выводом было предположить, что свет — это электромагнитная волна.

Свойства

Электромагнитная волна характеризуется:

  • частотой ν, которая представляет собой число полных циклов изменения магнитного или электрического поля в секунду, выраженное в герцах (Гц), 1 Гц = 1 с-1.
  • длиной волны λ, которая является расстоянием между ближайшими точками, где электрическое или магнитное поле находится в одной и той же фазе цикла.

Эти величины связаны между собой: чем выше частота, тем короче длина волны: ν = c / λ , где где c — скорость света.

Диапазон.

Видимый свет охватывает очень узкий диапазон в спектре электромагнитных волн, от 380 до 780 нм. Излучение меньшей длины волны является ультрафиолетовым, а излучение большей длины волны — инфракрасным.

Поэтому мы видим только очень ограниченную часть электромагнитного спектра, для остальной части электромагнитного спектра у нас нет сенсорных клеток, и мы вынуждены прибегать к техническим средствам. Часто информация, которую мы регистрируем с помощью технических средств, таких как инфракрасные камеры, затем «переводится» в цвета, которые мы видим.

Спектр

Человеческий глаз воспринимает свет разной длины волны как впечатление различных цветов (рис. 1).

  • фиолетовый от 380 нм до 436 нм;
  • синий от 436 нм до 495 нм;
  • зеленый от 495 нм до 566 нм;
  • желтый, от 566 нм до 589 нм;
  • оранжевый 589 нм — 627 нм;
  • красный от 627 нм до 780 нм.
Рис. 1. Спектр видимого света

Белый свет — это смесь всех цветов. Вы можете увидеть это, разложив свет в призме или посмотрев на радугу, которая возникает в результате дисперсии белого света на капельках воды в облаках.

Как получается, что мы видим мир в красках? Когда белый свет падает на тело, часть излучения поглощается, а часть отражается от его поверхности. Если тело поглощает свет от красного до зеленого и отражает синий и фиолетовый свет, то при рассмотрении в белом свете оно будет иметь оттенок синего или фиолетового, в зависимости от соотношения этих цветов в отраженном свете.

Видимый свет лишь слегка поглощается как атмосферой Земли, так и водой. Эта особенность чрезвычайно важна для жизни на Земле. Ему мы обязаны не только способностью видеть окружающее нас пространство, но и самим происхождением жизни на Земле. Жизнь не могла бы существовать без фотосинтеза, для которого необходим свет.

Свет имеет волновую природу, т.е. он подвержен различным физическим явлениям, характерным для волн, таким как дифракция или интерференция. Но в то же время он имеет корпускулярную природу — он состоит из фотонов, элементарных частиц с нулевым зарядом и массой покоя. Отсутствие массы покоя означает, что фотон не существует в состоянии покоя, он может двигаться только со скоростью света.

Энергия фотона прямо пропорциональна частоте волны и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны:

E = h * ν = ( h * c ) / λ, где

где ν — частота волны, λ — длина волны, c = 3 * 108 — скорость света, h — постоянная Планка, h = 6,63*10-34 Дж*с = 4,14*10-15 эВ·c.

Смешивая вместе красные, синие и зеленые лучи света, можно получить любой цвет. Смешивание света равной интенсивности этих трех цветов дает белый свет (рис. 2). Изменяя пропорцию каждого цвета, можно получить другой цвет. Явление создания новых цветов путем наложения лучей видимого света разной длины называется аддитивным синтезом.

Рис. 2. Аддитивный синтез цвета

Чувствительность человеческого глаза к цветам обусловлена наличием в сетчатке трех типов фоторецепторов, называемых колбочками. Каждый тип колбочек чувствителен к разным цветам света: красному, зеленому и синему. В зависимости от соотношения этих трех цветов, регистрируемых колбочками, в мозге формируется впечатление о полученном цвете.

Центр области видимого света находится на длине волны около 555 нм, что соответствует желто-зеленому цвету. К свету этого цвета чувствительность глаза наиболее высока. Кривая чувствительности глаза стремится к нулю как на длинноволновой, так и на коротковолновой стороне (рис. 3).

Рис. 3. Чувствительность глаз к свету разной длины волны

Все современные мониторы, телевизоры, цифровые камеры и подобные устройства работают по принципу аддитивного смешивания цветов. Комбинируя цвета RGB (красный, зеленый, синий) в любом количестве комбинаций, можно получить широкий спектр производных цветов на экране.

Источники.

Источником видимого света может быть пламя свечи, газ в люминесцентной лампе или зажженная лампочка, а также отражающий солнечный свет объект.

Как работает свет | HowStuffWorks

Свет одновременно очевиден и загадочен. Каждый день мы купаемся в желтом тепле и отгоняем темноту с помощью ламп накаливания и люминесцентных ламп. Но что такое свет? Мы мельком видим его природу, когда солнечный луч проходит сквозь пыльную комнату, когда после бури появляется радуга или когда соломинка для питья в стакане воды выглядит бессвязной. Эти проблески, однако, вызывают только больше вопросов. Свет распространяется волной, лучом или потоком частиц? Это один цвет или много цветов, смешанных вместе? Имеет ли он частоту, подобную звуку? И каковы некоторые из общих свойств света, такие как поглощение, отражение, преломление и дифракция?

Вы можете подумать, что ученые знают ответы на все вопросы, но свет продолжает их удивлять.Вот пример: мы всегда считали само собой разумеющимся, что свет движется быстрее, чем что-либо еще во Вселенной. Затем, в 1999 году, исследователи из Гарвардского университета смогли замедлить луч света до 38 миль в час (61 километр в час), пропустив его через состояние вещества, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна. Это почти в 18 миллионов раз медленнее, чем обычно! Еще несколько лет назад никто бы не подумал, что такой подвиг возможен, но таков капризный путь света. Как только вы думаете, что поняли это, оно бросает вызов вашим усилиям и, кажется, меняет свою природу.

Тем не менее, мы далеко продвинулись в своем понимании. Некоторые из самых ярких умов в истории науки сосредоточили свой мощный интеллект на этом предмете. Альберт Эйнштейн пытался представить, каково это — лететь на луче света. «Что, если бы кто-то побежал за лучом света?» он спросил. «Что, если бы кто-то ехал на балке?… Если бы кто-то бежал достаточно быстро, она бы вообще перестала двигаться?»

Однако Эйнштейн забегает вперед. Чтобы понять, как работает свет, мы должны поместить его в соответствующий исторический контекст.Наша первая остановка — древний мир, где некоторые из первых ученых и философов размышляли над истинной природой этого таинственного вещества, которое стимулирует зрение и делает вещи видимыми.

Что такое свет? | HowStuffWorks

За столетия наше представление о свете резко изменилось. Первые настоящие теории о свете исходили от древних греков. Многие из этих теорий стремились описать свет как лучей — прямую линию, движущуюся от одной точки к другой.Пифагор, наиболее известный своей теоремой о прямоугольном треугольнике, предположил, что зрение возникает в результате световых лучей, выходящих из глаза человека и падающих на объект. Эпикур утверждал обратное: объекты испускают световые лучи, которые затем попадают в глаз. Другие греческие философы, в первую очередь Евклид и Птолемей, весьма успешно использовали диаграммы лучей, чтобы показать, как свет отражается от гладкой поверхности или изгибается при переходе из одной прозрачной среды в другую.

Арабские ученые взяли эти идеи и еще больше усовершенствовали их, разработав то, что сейчас известно как геометрическая оптика — применение геометрических методов к оптике линз, зеркал и призм.Самым известным практиком геометрической оптики был Ибн аль-Хайтам, живший на территории современного Ирака между 965 и 1039 годами нашей эры. Ибн аль-Хайтам определил оптические компоненты человеческого глаза и правильно описал зрение как процесс, включающий отражение световых лучей от предмет для глаз человека. Арабский ученый также изобрел камеру-обскуру, открыл законы преломления и изучил ряд световых явлений, таких как радуги и затмения.

К 17 веку некоторые выдающиеся европейские ученые стали иначе относиться к свету.Одной из ключевых фигур был голландский математик-астроном Христиан Гюйгенс. В 1690 г. Гюйгенс опубликовал свой «Трактат о свете», в котором описал волновую теорию . В этой теории он размышлял о существовании некой невидимой среды — эфира, заполняющей все пустое пространство между объектами. Далее он предположил, что свет образуется, когда светящееся тело вызывает серию волн или вибраций в этом эфире. Затем эти волны продвигаются вперед, пока не столкнутся с объектом. Если этот объект — глаз, волны стимулируют зрение.

Это была одна из самых ранних и наиболее красноречивых волновых теорий света. Не все восприняли это. Исаак Ньютон был одним из таких людей. В 1704 году Ньютон предложил другой подход — описывать свет как корпускулы или частицы. В конце концов, свет распространяется по прямым линиям и отражается от зеркала так же, как мяч отскакивает от стены. На самом деле никто не видел частицы света, но даже сейчас легко объяснить, почему это может быть. Частицы могут быть слишком маленькими или двигаться слишком быстро, чтобы их можно было увидеть, или, возможно, наши глаза видят сквозь них.

Как оказалось, все эти теории одновременно и правильны, и ошибочны. И все они полезны для описания определенного поведения света.

Как работают светящиеся в темноте вещи?

Светящиеся в темноте штуки можно увидеть в самых разных местах, но чаще всего они встречаются в игрушках. У моего сына, например, есть светящееся в темноте йо-йо, светящийся в темноте мяч, светящийся в темноте мобиль и даже (если вы можете в это поверить) пара Светящиеся в темноте пижамы! По ним его легко найти ночью!

Если вы когда-нибудь видели какой-либо из этих продуктов, то знаете, что все они должны быть «заряжены».Вы подносите их к свету, а затем относите в темное место. В темноте они будут светиться в течение 10 минут. Некоторые из новых светящихся в темноте вещей будут светиться в течение нескольких часов. Обычно это мягкий зеленый свет, и он не очень яркий. Вы должны быть в почти полной темноте, чтобы заметить это.

Все светящиеся в темноте изделия содержат люминофоров . Люминофор — это вещество, излучающее видимый свет после подачи питания. Два места, где мы чаще всего видим люминофоры, — это экран телевизора или монитор компьютера и флуоресцентные лампы.На экране телевизора электронный луч попадает на люминофор, чтобы активировать его (подробности см. в разделе «Как работает телевидение»). В флуоресцентном свете ультрафиолетовый свет возбуждает люминофор. В обоих случаях мы видим видимый свет. Экран цветного телевизора фактически содержит тысячи крошечных люминофорных элементов изображения, излучающих три разных цвета (красный, зеленый и синий). В случае флуоресцентного света обычно используется смесь люминофоров, которые вместе создают свет, который кажется нам белым.

Химики создали тысячи химических веществ, которые ведут себя как люминофор.Люминофоры имеют три характеристики:

  • Тип энергии, которую они требуют для возбуждения
  • Цвет видимого света, который они излучают
  • Продолжительность времени, в течение которого они светятся после подачи питания (известное как стойкость люминофора )

Чтобы сделать игрушку, светящуюся в темноте, вам понадобится люминофор, питающийся обычным светом и обладающий очень длительной стойкостью. Этими свойствами обладают два люминофора: сульфид цинка и алюминат стронция.Алюминат стронция новее — это то, что вы видите в «супер» светящихся в темноте игрушках. Он обладает гораздо более длительной стойкостью, чем сульфид цинка. Люминофор смешивают с пластиком и формуют так, чтобы получился светящийся в темноте материал.

Иногда вы увидите что-то светящееся, но не требующее зарядки. Самое распространенное место – на руках дорогие часы. В этих продуктах люминофор смешивается с радиоактивным элементом, и радиоактивные выбросы (см. Как работает ядерное излучение) непрерывно заряжают люминофор.В прошлом радиоактивным элементом был радий с периодом полураспада 1600 лет. Сегодня в большинстве светящихся часов используется радиоактивный изотоп водорода под названием тритий (с периодом полураспада 12 лет) или прометий, искусственный радиоактивный элемент с периодом полураспада около трех лет.

Как работают лампочки | HowStuffWorks

До изобретения лампочки освещение мира после захода солнца было грязной, трудной и опасной задачей. Чтобы полностью осветить большую комнату, требовалась связка свечей или факелов, а масляные лампы, хотя и были довольно эффективными, имели тенденцию оставлять следы копоти на всем, что находилось поблизости.

Когда в середине 1800-х наука об электричестве действительно начала развиваться, изобретатели повсюду требовали разработать практичное и доступное электрическое устройство домашнего освещения. Англичанин сэр Джозеф Свон и американец Томас Эдисон сделали это примерно в одно и то же время (в 1878 и 1879 годах соответственно), и в течение 25 лет миллионы людей во всем мире установили в своих домах электрическое освещение. Простая в использовании технология была таким улучшением по сравнению со старыми способами, что мир никогда не оглядывался назад.

Самое удивительное в этом историческом повороте событий то, что сама лампочка вряд ли может быть проще. Современная лампочка, которая не сильно изменилась со времен модели Эдисона, состоит всего из нескольких частей. В этой статье мы увидим, как эти части объединяются, чтобы производить яркий свет в течение нескольких часов подряд.

Основы света

Свет — это форма энергии, которая может быть высвобождена атомом. Он состоит из множества маленьких пакетов, похожих на частицы, которые обладают энергией и импульсом, но не имеют массы.Эти частицы, называемые светом , фотонами , являются основными единицами света. (Для получения дополнительной информации см. Как работает свет.)

Атомы испускают световые фотоны, когда их электронов возбуждаются. Если вы читали «Как работают атомы», то знаете, что электроны — это отрицательно заряженные частицы, которые движутся вокруг ядра атома (которое имеет суммарный положительный заряд). Электроны атома имеют разные уровни энергии, зависящие от нескольких факторов, включая их скорость и расстояние от ядра.Электроны с разными энергетическими уровнями занимают разные орбитали. Вообще говоря, электроны с большей энергией движутся по орбиталям дальше от ядра. Когда атом приобретает или теряет энергию, это изменение выражается в движении электронов. Когда что-то передает энергию атому, электрон может временно перейти на более высокую орбиту (дальше от ядра). Электрон удерживает это положение лишь крошечную долю секунды; почти сразу же он возвращается к ядру, на свою первоначальную орбиту.Когда он возвращается на свою первоначальную орбиту, электрон высвобождает дополнительную энергию в виде фотона, в некоторых случаях фотона света.

Длина волны излучаемого света (определяющая его цвет) зависит от того, сколько энергии высвобождается, что зависит от конкретного положения электрона. Следовательно, разные виды атомов испускают разные виды световых фотонов. Другими словами, цвет света определяется тем, какой атом возбужден.

Это основной механизм работы почти всех источников света.Основное различие между этими источниками заключается в процессе возбуждения атомов.

В следующем разделе мы рассмотрим различные части электрической лампочки

Световедение для детей — простое введение в оптику

Световедение для детей — простое введение в оптику Реклама

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.

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, находящегося на расстоянии 149 миллионов километров (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.

Картина: Энергия света любит путешествовать вовне! 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 (1629–1695) 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 простой, 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 четыре особенно интересных и полезных способа, которые мы описываем как отражение, преломление, дифракция и интерференция.

Отражение

Самое очевидное в свете то, что он будет отражаться от 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. Точно 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 себе 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 вокруг 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 виде 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).

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 закрученный 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, когда металлы расплавляются электрическим током.Атомы здесь сильно возбуждены! Фотография Мартина Райта, предоставлена ​​ВМС США.

Если вы читали нашу статью об энергии, 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 заставит атом поглощать энергию? Ты мог бы 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.

Электрические лампы старого образца 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 возбудить атомы другими способами. Энергосберегающие лампочки которые используют флуоресценцию, более энергоэффективны, потому что они заставлять атомы разбиваться и сталкиваться, излучая много света, не создавая высокая температура. 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) на составляющие его цвета, потому что 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 как «цвет») — 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 очередной раз. 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.

Это не то, как есть, это то, как вы это видите

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!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

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

Книги

Для юных читателей
  • Освещающий мир света с Максом Аксиомой, суперученым Эмили Сон и Ником Дерингтоном.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 украшают это 32-страничное введение для детей от 7 до 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 от 9 до 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 автора Ник Арнольд. Scholastic, 1999. 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
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.

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

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

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

Цитировать эту страницу

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

Подробнее на нашем сайте…

Световедение для детей. Простое введение в оптику

Световедение для детей. Простое введение в оптику Реклама

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.

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, находящегося на расстоянии 149 миллионов километров (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.

Картина: Энергия света любит путешествовать вовне! 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 (1629–1695) 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 простой, 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 четыре особенно интересных и полезных способа, которые мы описываем как отражение, преломление, дифракция и интерференция.

Отражение

Самое очевидное в свете то, что он будет отражаться от 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. Точно 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 себе 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 вокруг 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 виде 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).

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 закрученный 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, когда металлы расплавляются электрическим током.Атомы здесь сильно возбуждены! Фотография Мартина Райта, предоставлена ​​ВМС США.

Если вы читали нашу статью об энергии, 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 заставит атом поглощать энергию? Ты мог бы 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.

Электрические лампы старого образца 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 возбудить атомы другими способами. Энергосберегающие лампочки которые используют флуоресценцию, более энергоэффективны, потому что они заставлять атомы разбиваться и сталкиваться, излучая много света, не создавая высокая температура. 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) на составляющие его цвета, потому что 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 как «цвет») — 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 очередной раз. 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.

Это не то, как есть, это то, как вы это видите

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!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

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

Книги

Для юных читателей
  • Освещающий мир света с Максом Аксиомой, суперученым Эмили Сон и Ником Дерингтоном.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 от 9 до 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 автора Ник Арнольд. Scholastic, 1999. 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
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.

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

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

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

Цитировать эту страницу

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

Подробнее на нашем сайте…

Световедение для детей. Простое введение в оптику

Световедение для детей. Простое введение в оптику Реклама

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.

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, находящегося на расстоянии 149 миллионов километров (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.

Картина: Энергия света любит путешествовать вовне! 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 (1629–1695) 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 простой, 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 четыре особенно интересных и полезных способа, которые мы описываем как отражение, преломление, дифракция и интерференция.

Отражение

Самое очевидное в свете то, что он будет отражаться от 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. Точно 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 себе 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 вокруг 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 виде 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).

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 закрученный 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, когда металлы расплавляются электрическим током.Атомы здесь сильно возбуждены! Фотография Мартина Райта, предоставлена ​​ВМС США.

Если вы читали нашу статью об энергии, 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 заставит атом поглощать энергию? Ты мог бы 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.

Электрические лампы старого образца 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 возбудить атомы другими способами. Энергосберегающие лампочки которые используют флуоресценцию, более энергоэффективны, потому что они заставлять атомы разбиваться и сталкиваться, излучая много света, не создавая высокая температура. 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) на составляющие его цвета, потому что 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 как «цвет») — 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 очередной раз. 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.

Это не то, как есть, это то, как вы это видите

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!

Рекламные ссылки

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

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

Книги

Для юных читателей
  • Освещающий мир света с Максом Аксиомой, суперученым Эмили Сон и Ником Дерингтоном.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 украшают это 32-страничное введение для детей от 7 до 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 от 9 до 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 автора Ник Арнольд. Scholastic, 1999. 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
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.

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

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

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

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.

Как работает свет: Давайте разберемся: что же такое свет?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Пролистать наверх