Свет и его свойства: Урок 16. волновые свойства света. приборы, использующие волновые свойства света — Естествознание — 11 класс

Урок 16. волновые свойства света. приборы, использующие волновые свойства света — Естествознание — 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 16. Волновые свойства света. Приборы, использующие волновые свойства света

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

• какова роль знаний о волновых свойствах света для объяснения принципа действия световых приборов
• где применяется интерференция и поляризация
• какие устройства делают свет поляризованным

Глоссарий по теме:

Интерференция света – перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких световых волн.

Дифракция света – огибание электромагнитной волной препятствий соизмеримых с длиной волны.

Дифракционная решётка – оптический прибор, применяющийся для разложения светового излучения в спектр.

Поляризация света – выделение из пучка естественного света лучей с определенной ориентацией вектора напряженности электрического поля.

Полное внутреннее отражение – явление возврата светового луча в исходную среду после попадания на границу раздела двух сред при падении его из более оптически плотной среды в менее плотную.

Поляризатор – прибор, превращающий естественный свет в линейно-поляризованный.

Оптоволокно (оптические световоды) – нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.

Спектральный анализ – совокупность методов качественного и количественного определения состава объекта, основанная на изучении спектров взаимодействия материи с излучением, включая спектры электромагнитного излучения.

Естественный свет – оптическое излучение с быстро и беспорядочно изменяющимися направлениями напряженности электромагнитного поля.

Линейно—поляризованный свет – это электромагнитная волна, поляризованная таким образом, что направление вектора напряженности электрического поля остается неизменным

Основная и дополнительная литература по теме урока:

• Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017 – §28, С. 90-93.
• Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Какова роль знаний о световых явлениях и волновых свойствах света для объяснения принципов функционирования и применения световых приборов?

Начнём с интерференции света.

Интерференция света принципиально не отличается от интерференции других волн. Однако наблюдение и исследование интерференции световых волн затруднено, так как свет не является строго монохроматическим. Впервые эту проблему решил английский физик Томас Юнг.

Опыт Юнга заключался в следующем: свет падает на экран, в котором имеется узкая щель. проходя через щель, волна попадает на второй экран с двумя щелями. Каждая из этих щелей создает свою волну с одинаковыми свойствами. Эти волны могут интерферировать. Результатом интерференции является появление светлых и темных полос на третьем экране. Светлая полоса свидетельствует о том, что волны на экран пришли в одной фазе и усиливают друг друга, а темная полоса является результатом ослабления двух волн. Для усиления волн необходима одинаковая фаза. Следовательно, разность расстояний (разность хода) должна быть кратной четному числу длин полуволн.

Для ослабления волн они должны приходить в точку в противофазе. То есть для этого разность расстояний должна быть кратной нечетному числу длин полуволн.

Если интерференционной картине сопоставить график интенсивности света I, то он будет иметь вид синусоиды.

Положение максимумов и минимумов синусоиды будет зависеть от длины волны света, падающего на щель.

Как мы уже говорили ранее, белый свет полихроматический, т.е. включает спектр цветов от красного до фиолетового. Поэтому при интерференции мы наблюдаем максимумы не белого цвета, а всего спектра. Положение цветной полоски зависит от длины волны каждого света, входящего в белый.

Таким образом, не только с помощью призмы, но и с помощью интерференции можно разложить свет на спектр.

Наиболее эффективно для разложения света использовать не одну, а несколько щелей. Устройство, состоящее из многих равноотстоящих щелей, стали называть дифракционной решёткой. И чем больше щелей и чем они плотнее, тем больше эффективность дифракционной решетки как спектрального прибора. С помощью дифракционной решётки можно определить длину световой волны.

k·λ=d·sinφ,

k – номер рассматриваемого максимума

λ – длина световой волны

d – период дифракционной решётки

Следующее волновое свойство света, которое мы рассмотрим – это поляризация

Свет представляет собой электромагнитную волну, свойства которой таковы, что вектор напряженности электрического поля всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля и оба этих вектора перпендикулярны скорости распространения волны.

В то же время в разных точках пространства и в разные моменты времени векторы E и B, оставаясь перпендикулярными друг другу и вектору скорости, могут изменять направления. Такой свет называется естественным.

При помощи специальных приборов, называемых поляризаторами, из такого естественно поляризованного света можно выделить волну, в которой направления векторов E и В будут оставаться неизменными. Такая волна называется линейно поляризованной.

Обычно поляризаторы представляют собой пластины, сделанные из прозрачного материала, например, из турмалина, герапатита, исландского шпата.

Через поляризатор проходят только те волны, вектор напряженности которых параллелен оси кристалла. В результате прохождения через поляризатор свет из естественного превращается в линейно-поляризованный.

Если же на пластину направить линейно-поляризованный свет, то интенсивность света на выходе будет зависеть от положения оси кристалла относительно направления вектора напряженности.

В частности, если ось кристалла перпендикулярна вектору напряженности, то свет не пройдет через эту пластину.

Линейно-поляризованный свет можно получить также при помощи лазерных источников

Давайте вспомним из курса физики еще одно свойство света, которое широко используется человеком. Это явление полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения наблюдается, когда свет переходит из более плотной оптической среды в менее плотную.

Явление полного внутреннего отражения нашло применение в современных устройствах.

Допустим, нам нужно передать луч света на некоторое расстояние вдоль некоторого извилистого пути (подобно тому, как по проводу передается ток). Создают двойную стеклянную трубку из материалов с различной оптической плотностью.

Сердцевину делают из оптически более плотного вещества, а внешнюю трубку из вещества с меньшим показателем преломления. Подобная трубка называется оптическим световодом. Ее также называют оптическим волокном.

Оптические световоды применяются в настоящее время для передачи информации с очень высокой плотностью.

Компьютеры, к которым подключена оптоволоконная связь, работают гораздо эффективнее, чем, например, компьютеры, подключенные к сети при помощи телефонной линии.

Сегодня на уроке мы изучили волновые свойства света и рассмотрели приборы, использующие их свойства. Это дифракционная решётка, поляризатор, оптический световод.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Текст задания 1:

Используя конспект урока, найдите и выделите цветом по вертикали и горизонтали понятия.

1. Огибание волнами препятствий
2. С помощью этого оптического прибора можно естественный свет превратить в плоско-поляризованный
3. Волновое свойство света, применяемое в дифракционных решётках
4. В этом приспособлении для передачи информации используется явление полного внутреннего отражения

Правильный вариант: дифракция, поляризатор, интерференция, оптоволокно.

Текст задания 2:

Вставьте пропущенные слова.

Если налить в стакан воду и поднять её выше уровня глаз, то поверхность воды при рассмотрении её снизу кажется посеребрённой вследствие __________ __________ ___________.

Правильный вариант: полного внутреннего отражения.

свойства, источники света, распространение света

 

Когда-то в древности люди считали, что наша способность видеть обусловлена некими лучами, исходящими из глаз и как-бы «ощупывающими» поверхность предметов. Каким бы смешным сегодня не казалось подобное представление, задумайтесь – а вы знаете, что такое свет? Откуда он берется? Как мы воспринимаем его, и почему разные предметы имеют разный цвет?

Включите лампочку и поднесите к ней руку. Вы ощутите исходящее от лампочки тепло. Соответственно, свет – это излучение. Всякое излучение переносит энергию, однако далеко не всякое излучение мы можем воспринимать зрительно. Сделаем вывод, что свет – это видимое излучение.

Свойства света

Опытным путем установлено, что свет имеет электромагнитную природу, поэтому можно дополнить наше определение следующим образом: свет – это видимое электромагнитное излучение.

Свет может проходить сквозь прозрачные тела и вещества. Поэтому свет солнца проникает к нам через атмосферу, хотя при этом свет преломляется. А встречаясь с непрозрачными предметами, свет отражается от них, и мы можем воспринимать этот отраженный свет глазом, и таким образом видим.

Часть света при этом впитывается предметами, и они нагреваются. Темные предметы нагреваются сильнее светлых, соответственно, большая часть света впитывается ими, а отражается меньшая. Поэтому эти предметы выглядят для нас темными.

Больше всего света впитывают предметы черного цвета. Именно поэтому летом в жару не стоит одевать черные вещи, потому что можно получить тепловой удар. По этой же причине летом мамы обязательно надевают детям светлые головные уборы, которые нагреваются значительно меньше, чем волосы, имеющие более темный цвет.

Источники света

Тела, от которых свет исходит, называются источниками света. Различают естественные и искусственные источники света. Самый известный абсолютно всем жителям нашей планеты естественный источник света – это Солнце.

Солнце – это не только источник видимого света, но и тепла, вследствие которого и возможна жизнь на Земле. Другие естественные источники света – это звезды, атмосферные явления типа молнии, живые существа, такие как светлячки, и так далее.

Благодаря человеку существуют также и искусственные источники. Раньше для людей основным источником света в темное время был огонь: свечи, факелы, газовые горелки и так далее. В наше время наиболее распространенными являются электрические источники света. Причем они подразделяются в свою очередь на тепловые (лампы накаливания) и люминесцентные (лампы дневного света, газосветовые лампы).

Распространение света

Еще одно свойство света – это прямолинейное распространение. Свет не может огибать препятствия, поэтому за непрозрачным предметом образуется тень. Тень часто является не совсем черной, потому что туда попадают различные отраженные и рассеянные лучи света от других предметов.

Однако, если на пути распространения света возникает непрозрачная преграда, то лучи света не смогут пробиться сквозь нее. Именно поэтому возникают солнечные затмения, когда луна в своем движении оказывается между солнцем и Землей.

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Электромагнитная индукция: применение индукции
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspОтражение света: законы отражения

Основные свойства света. Свет и освещение

Основные свойства света

Сила света или яркость освещенной поверхности являются наиболее понятными характеристиками освещенности, оцениваемыми глазом Многие опытные фотографы могут делать это с большой точностью и теряются лишь в условиях искусственногоо свещения или при работе в незнакомых географических широтах.

Абсолютная темнота, т. е. полное отсутствие видимого света, существует, и ее нетрудно получить. Абсолютного света не существует, если не считать таковым блеск самой яркой звезды. На Земле теоретически максимальный уровень.

В реальных условиях влажность, загрязнение, облачность, отражение от слоев воздуха с различной температурой и многие другие факторы снижают этот уровень. Диапазон существующей на Земле освещенности простирается от яркого солнечного света на экваторе до безлунной ночи. Фотографические и видеосистемы проектируются в расчете на надежное функционирование при наиболее сильной освещенности, а их способность работать в условиях слабой освещенности определяется совершенством аппаратуры.

Почти все факторы, влияющие на уровень освещенности, могут быть выявлены, определены и даже предсказаны. Хотя погодные условия меняются, можно рассчитать уровень освещенности, если известны широта местности, время года, время суток и состояние неба (ясно, облачно, тяжелые тучи и т. д.). Вышедшие из употребления калькуляторы экспозиции, основанные на этом принципе, обеспечивали достаточно высокую точность.

Белый, или дневной, свет — это совокупность электромагнитных излучений с различными длинами волн, которую глаз воспринимает как белый цвет. Распределение по длинам волн не всегда равномерно, но глаз способен компенсировать эти отличия. Все указанные «типы» света могут восприниматься глазом как«белый».

Труднее оценить спектральный состав света, т.е. совокупность электромагнитных излучений с различными длинами волн, составляющих видимый свет. Белый цвет — это смесь излучений со всеми длинами волн видимого спектра, от фиолетового до красного, в равных пропорциях; при фотографировании и видеозаписи полная гамма цветов воспроизводится с использованием сравнительно ограниченной чувствительности к полосам частот, соответствующих синему, зеленому и красному цветам. Аналогично действует человеческий глаз, который не обладает одинаковой чувствительностью ко всем длинам волн, а имеет пики и провалы чувствительности. Разные люди отличаются друг от друга чувствительностью к цветам или восприятием цветовых сигналов головным мозгом, подтверждением чему является, например, существование дальтонизма.

Некоторые источники света, которые воспринимаются глазом как «белые», на самом деле не являются таковыми. Головной мозг не различает бледные оттенки голубого, желтого, розового или другие слабо окрашенные цвета, если в какой-либо из этих цветов окрашено излучение единственного имеющегося в данный момент светильника, и воспринимает их как белые. Другие источники света выглядят как истинно белые даже в сравнении с дневным светом, однако это не так — в их цветовом спектре имеются «провалы», которые глаз не замечает, а фотопленка и аппаратура видеозаписи улавливают. Наиболее распространенными источниками света с таким дискретным спектром являются люминесцентные лампы. Существуют приборы для анализа цветового состава излучения, с помощью которых можно осуществить необходимую корректировку, а современные фотоэмульсии передающие телевизионные трубки специально делаются с определенным диапазоном работоспособности, что позволяет выполнить окончательную визуальную настройку изображения, исходя из очевидного согласования цветов. Даже ограниченные знания по рассматриваемому вопросу могут быть весьма полезны для получения оптимальных по качеству изображений.

Остальные свойства света легче поддаются пониманию, но и они бесконечно разнообразны. В зависимости от размера или площади источника света по отношению к предмету можно получить самые различные изображения последнего. Двумя предельными вариантами освещения можно считать: освещение, создаваемое, с одной стороны, совершенно белым светлым облачным небом над заснеженным пространством и, с другой стороны, — единственным прожектором с узким направленным пучком света ночью. Между этими предельными вариантами освещения существует множество других.

Характер освещения зависит от размера источника света и расстояния до него. Источник света площадью 1м2, расположенный над небольшим предметом на высоте 10см, создает освещение, эквивалентное освещению под открытым небом, а тот же источник, расположенный на расстоянии 10м, по характеру создаваемого освещения подобен маленькому узкому окну. Важное значение имеет угол падения света на предмет (который непосредственно связан сточкой наблюдения). Максимальное количество света, отраженного от обычного предмета, воспринимается в том случае, когда источник света расположен в непосредственной близости к точке наблюдения. Если свет падает на предмет с одной стороны, то половина предмета находится в тени; если к наблюдателю обращена теневая сторона, можно убедиться, что освещены лишь незначительная часть поверхности контуры предмета. Но источников света может быть несколько, и они создадут целый узор света и тени на наблюдаемом сюжете. Некоторые источники света могут показаться простыми, но на самом деле это не так. Одним из таких источников является солнце на ясном голубом небе — точечный источник белого света и гигантский источник рассеянного бледно-голубого света.

В том, что мы видим как «свет», могут быть скрыты разрывы непрерывности — моменты темноты. Люминесцентная лампа мерцает с частотой электросети (50-60 Гц). Высокочастотная стробоскопическая лампа также кажется источником непрерывного света, но на самом деле она производит сотни отдельных вспышек в секунду Световой импульс от лампы-вспышки кажется мгновенным, однако он продолжается в течение сравнительно длительного времени, около 50 мс; световой импульс от автоматической электронной импульсной лампы, производящей примерно такой же визуальный эффект, длится 1/50 мс.

Свет (физика) — Циклопедия

Свет на электромагнитной шкале Свет. Двойственность природы света. Популярная физика // capitanchocopie [16:00]

Свет — электромагнитные волны видимого спектра. К видимому диапазону принадлежат электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5 × 10 ¹⁴ — 4 × 10¹⁴ Гц), то есть с длиной волны от 390 до 750 нанометров.

В физике термин «свет» имеет несколько более широкое значение и является синонимом оптического излучения, то есть включает в себя инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра.

Свойства света изучаются разделами физики оптикой и спектроскопией. Измерение интенсивности света — область фотометрии.

[править] Физическая природа и свойства света

Благодаря дисперсии белый свет можно разложить в спектр с помощью призмы

Как и любые другие электромагнитные волны, свет характеризуется частотой, длиной волны, поляризацией и интенсивностью. В вакууме свет распространяется с постоянной скоростью, не зависящей от системы отсчета — скоростью света. Скорость распространения света в веществе зависит от свойств вещества и в целом меньше скорости света в вакууме. Длина волны связана с частотой законом дисперсии, который также определяет скорость распространения света в среде.

Взаимодействуя с веществом, свет рассеивается и поглощается. При переходе из одной среды в другую изменяется скорость распространения света, что приводит к преломлению. Наряду с преломлением на границе двух сред свет частично отражается. Преломление и отражение света используется в различных оптических приборах: призмах, линзах, зеркалах, позволяющих формировать изображение.

Излучение и поглощение света происходит квантами: фотонами, энергия которых зависит от частоты:

[math] E = h \nu [/math],

где E — энергия кванта, [math] \nu [/math] — частота, h — постоянная Планка.

Обычный дневной свет состоит из некогерентных электромагнитных волн с широким набором частот. Такой свет принято называть белым. Белый свет имеет спектр, который соответствует спектру излучения Солнца. Свет с другим спектром воспринимается как цветной. Дисперсия света позволяет разложить свет на цветные составляющие.

Как и любая другая электромагнитная волна, свет характеризуется поляризацией. Дневной свет обычно неполяризованный или частично поляризованный. Степень поляризации света меняется при каждом акте отражения от любой поверхности или прохождения через любую среду.

Свет переносит энергию. В частности, солнечный свет является одним из основных источников энергии на Земле. Часть этой энергии воспринимается живыми организмами при фотосинтезе. Использование солнечной энергии человечеством — одна из важнейших современных проблем.

[править] Оптические явления в природе. Источники и приемники света

Физические тела, атомы и молекулы которых излучают свет, называют источниками света. Источники света бывают искусственные и естественные, тепловые и люминесцентные, точечные и протяженные. Например, полярное сияние — естественный, протяженный для наблюдателя на Земле, люминесцентный источник света.

Источниками света является Солнце, вспышка молнии, лампа накаливания, экран телевизора, монитора и т. п. Свет могут излучать также организмы (некоторые морские животные, светлячки и др.)

Устройства, с помощью которых можно выявить световое излучение, называют приемниками света. Среди природных приемников света — органы живых существ.

[править] Восприятие света глазом

Из человеческих органов чувств больше информации об окружающей среде дает нам зрение. Однако видеть окружающий мир люди могут только потому, что существует свет.

Человек видит электромагнитные волны в том видимом диапазоне, который соответствует рецепторам, поглощающим свет соответствующих частот, вызывая при этом соответствующие импульсы в нервной системе. Сетчатка человеческого глаза имеет два типа светочувствительных клеток: палочки и колбочки. Палочки не имеют особой чувствительности к определенному диапазону спектра, зато более чувствительны к свету вообще, поэтому позволяют видеть черно-белое изображение. Колбочки имеют в своем составе молекулы, которые чувствительны к различным диапазонам видимого спектра, поэтому позволяют видеть в цвете.

[править] История исследования света

Древнегреческий философ Эмпедокл утверждал, что Афродита создала человеческий глаз из четырех элементов: огня, воздуха, земли и воды, причем она зажгла в глазу огонь, благодаря которому человек может видеть. Так возникла ложная теория эманации, в которой сомневался в своей «Оптике» Евклид, позже Лукреций. Во 2 веке книгу под названием «Оптика» написал также Птолемей. Он описал преломление света, однако придерживался того взгляда, что человек видит благодаря лучам, исходящих из глаза.

В «Книге об оптике» 1021 года Альхазен развил теорию оптических явлений, постулируя, что освещенная поверхность излучает во всех направлениях, но в глаз попадает только один из таких лучей. Ему принадлежит изобретение камеры-обскуры. По его мнению свет — это поток маленьких частиц. Альхазен описал и пытался объяснить многочисленные оптические явления, такие как тени, затмение, радуга, проводил эксперименты по разделению света на разные цвета, пробовал объяснить бинокулярное зрение, изменение видимых размеров Луны и Солнца вблизи горизонта. Благодаря этим исследованиям Альхазен считается отцом современной оптики.

Начиная с 17 века научные споры о природе света шли между сторонниками волновой и корпускулярной теорий. Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции — пленуме. Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и поддержал Исаак Ньютон. Волновую теорию света разрабатывали Роберт Гук и Христиан Гюйгенс. По мнению Гюйгенса, световые волны распространяются в специальной среде — эфире.

В начале 19 века опыты Томаса Янга с дифракцией дали сильное свидетельство в пользу волновой теории. Было открыто, что свет является поперечными волнами и характеризуется поляризацией. Янг предположил, что различные цвета соответствуют разным длинам волны. В 1817 году свою волновую теорию света изложил в мемуарах для Академии наук Огюстен Жан Френель. После создания теории электромагнетизма свет был идентифицирован как электромагнитные волны.

Победа волновой теории пошатнулась в конце 19 века, когда опыт Майкельсона-Морли не выявил существования эфира. Волны требуют среды, в которой они могли бы распространяться, однако тщательно спланированные эксперименты не подтвердили существование этой среды. Это привело к созданию специальной и общей теории относительности. Природа электромагнитных волн оказалась сложнее, чем распространение возмущений. Рассмотрение задачи о тепловом равновесии абсолютно черного тела со своим излучением привел к появлению идеи об излучении света порциями — световыми квантами, которые получили название фотонов. Анализ явления фотоэффекта показал, что поглощение световой энергии тоже происходит квантами.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен иметь одновременно и волновые свойства, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярные свойства, чем объясняется его поглощение и излучение квантами.

Что такое свет, цвет и спектральные цвета

Как всякая волна, свет излучается и поглощается физическими телами. Свет излучается нагретыми или иначе находящимися в возбужденном состоянии телами и веществами.

Как физическое явление, Свет изучается в физике, в разделе оптика. Причем Свет это не одиночная волна с определенными характеристиками, а поток волн, разной длины и частоты.

Из школьного курса физики мы знаем, что как всякие другие волны, свет может быть разложен на составляющие его волны при помощи дифракционной решетки (дифракция) или при помощи призмы (дисперсия). После такого разложения мы получаем спектр волн разной длины, при этом большой участок этого спектра будет невидим человеческим глазом.

Дифракционный и дисперсионный спектры имеют некоторые различия.

Дифракция, это явление отклонения от прямолинейного направления движения волны при прохождении ее через препятствия (щель, отверстие, стержень), размер которого соизмеримы с длиной волны. В случае дифракции, мы получаем картинку, имеющую несколько максимумов, не растянутую ни в какой из областей спектра (нормальный дифракционный спектр).

Нормальный дифракционный спектр равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн.

Дисперсия это физическое явление, связанное с распространением волн разной длины с разной скоростью в данном веществе. Коэффициент, полученный в результате таких опытов, называют коэффициентом преломления среды.

Дисперсионный спектр сильно сжат в области волн имеющих большую длину, и сильно растянут в области волн имеющих меньшую длину волны. Дисперсионный спектр располагается в порядке убывания длин волн.

Видимая часть спектра называется оптическим диапазоном спектра.

Цвет и спектральные цвета

Что такое цвет? Физика дает следующий ответ на этот вопрос: Цвет, это качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения, и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. [1.1]

Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом с окружающими источниками света и не светящимися объектами. [1.1]

В непрерывном световом спектре, в котором одни цвета плавно переходят в другие так, что определить точно границы каждого цвета и связь его с определенной длиной волны сложно принято различать следующие цвета в зависимости от длины волны [3. 1]:

№ п/п	Название цвета		Длина волны (нм)
		От	До
1	Фиолетовый	380	440
2	Синий	440	480
3	Голубой	480	510
4	Зеленый	510	550
5	Желто-зеленый	550	575
6	Желтый	575	585
7	Оранжевый	585	620
8	Красный	620	780

Диапазон волн от 0 нм до 380 нм, принято считать невидимым и называть ультрафиолетовой областью оптического излучения.

Диапазон волн от 780 нм до 1 мм, принято считать невидимым и называть инфракрасной областью оптического излучения.

Непрерывный оптический спектр

На рисунке 1 приведен главный максимум дифракционного цветового спектра.

Органы зрения живых существ воспринимают свет, отраженный от физических объектов и предметов. Цвет предмета, воспринимаемый органами зрения будет соответствовать длинам волн, отражаемых данными объектами. На пример, листва нам кажется зеленой по тому, что зеленую составляющую спектра лист отражает, а все другие составляющие, наоборот, поглощает. Или другой пример: апельсин оранжевый, по тому, что именно оранжевая составляющая светового спектра отражается апельсином.

Чувствительность органов зрения живых существ не постоянна в зоне видимого светового спектра. Для человека, на пример, на основании данных [3.2] чувствительность органов зрения приведена на Рисунке 2.

Спектральная чувствительность палочкового зрения (рисунок 2, кривая 2 — глаз адаптирован к ночным яркостям) характеризует работу глаза при столь малом количестве света, что его не хватает даже для частичного возбуждения колбочек. Кривая относительной спектральной чувствительности глаза имеет максимум на длине волны в 507 нм.

Для глаза, адаптированного к дневным яркостям V(λ) (рисунок 2, кривая 1), на длинах волн 510 нм и 610 нм характерно двукратное снижение чувствительности. Если же глаз адаптирован к ночным яркостям V’(λ) (рисунок 2, кривая 2), то снижение чувствительности в два раза наблюдается на длинах волн 455 нм. и 550 нм.

Рисунок 2. Относительная спектральная чувствительность глаза человека

Максимумы на кривых 1 и 2 на рисунке 2, равные единице, относительны. Дело в том, что палочковый аппарат ночного зрения человека намного чувствительнее, и для восприятия предельно малого светового сигнала (например, едва видимой точки на темном фоне) палочкам необходима примерно в пятьсот раз меньшая мощность, чем колбочкам. При этом палочки, действующие при периферическом (боковом) зрении, не позволяют определить цвета точки, в то время как колбочки, фиксирующие точку при прямом зрении, дают возможность увидеть и ее цвет [3.3].

Кроме этого, чувствительность человеческого глаза неодинакова к разным цветовым компонентам света. Чувствительность максимальна при 555 нм (желто-зеленый свет) и сводится к минимуму при более длинных (красный свет) и коротких (синий свет) длинах волн. Чувствительность человеческого глаза к воздействию красного излучения (650 нм) составляет всего 10% от максимальной чувствительности. Иными словами, чтобы добиться ощущения той же яркости, что и у желто-зеленого света, интенсивность красного света должна быть в десять раз больше [4.1].

Если соединить видимые красный и синий диапазон спектра, то мы получим цветовой круг Рисунок 3. Цветовой круг это способ представления непрерывности цветовых переходов в видимой части спектра. Сектора круга окрашены в различные цветовые тона, размещенные в порядке расположения спектральных цветов, причем пурпурный цвет связывает крайние красный и фиолетовый цвета.

Рисунок 3. Цветовой круг и триады цветов, дающие при смешивании белый цвет.

Цветовой круг впервые был предложен Исааком Ньютоном в 1704 году. Цветовой круг имеет большое значение для понимания законов смешивания спектральных цветов. Так на пример, вершины треугольника, вписанного в цветовой круг, однозначно указывают на триады цветов, которые при смешивании дадут белый цвет.

Рисунок 4. Цветовое поле видимого спектра.

В общем случае, оттенки цветов получаемые при смешивании простых спектральных цветов представлены на Рисунке 4.

Не спектральные цвета и смешивание цвета

Для восприятия цвета очень важно такое явление, как метамерия, особенности глаза и психики. [1.2]. Метамерия, это свойство зрения, при котором свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета. Иначе метамерией можно назвать восприятие двух окрашенных образцов одинаково окрашенными под одним источником освещения, но различно окрашенными под другим источником освещения. Это можно объяснить разными спектральными характеристиками источников освещения и разными наполняющими цветами в красочных покрытиях рассматриваемых образцов.

Физиологически метамерия зрения основана на строении периферического отдела зрительного анализатора биологического объекта. В соответствии с теорией происхождения видов, предки человека получили органы зрения от рыб. Эта гипотеза получила в настоящее время, как множество подтверждений, так и не меньшее число опровержений.

У человека, как и у карпа, роль периферического отдела зрительного анализатора выполняет сетчатка, в которой за восприятие цвета отвечают особые клетки, называемые колбочками.

В общем случае, можно создать такие условия, при которых пучок оранжевого спектрального цвета, пучок оранжевого не спектрального цвета (полученный смешением желтого и красного спектральных цветов) и пучок пурпурного не спектрального цвета (полученный смешением синего и красного спектральных цветов) могут восприниматься зрительным анализатором наблюдателя, как пучки одинакового цвета.

Однако если пропустить эти три пучка через дисперсионную призму, то мы получим:

Для оранжевого спектрального цвета: одну полоску, соответствующую длине волны первичного светового пучка.

Для оранжевого не спектрального цвета (полученного смешением желтого и красного спектральных цветов): две полоски, соответствующие длинам волн составляющих желтого и красного спектральных цветов первичного светового пучка.

Для пурпурного не спектрального цвета (полученного смешением синего и красного спектральных цветов): две полоски, соответствующие длинам волн составляющих синего и красного спектральных цветов первичного светового пучка.

В общем случае, результирующие цвета получаемые при смешивании цветов иллюстрирует Рисунок 5.

Рисунок 5. Результирующие цвета, получаемые при смешивании спектральных цветов

Данное наблюдение представляется мне важным при создании цвета красителя для окрашивания насадки.

Теории восприятия цвета

На сегодняшний день, существуют несколько теорий восприятия цвета. Пожалуй, самой распространенной из них является Трехкомпонентная теория, предложенная тремя авторами: М.В. Ломоносовым, Т. Юнгом и Г. Гельмгольцем. Согласно этой теории, в органе зрения человека существуют три цветоощущающих аппарата: красный, зеленый и синий. Каждый из них возбуждается в большей или меньшей степени, в зависимости от длины волны излучения. Затем возбуждения суммируются аналогично тому, как это происходит при суммируемом смешении цветов. Суммарное возбуждение ощущается человеком как тот или иной цвет. В своей работе «Цветовое зрение» авторы Л.Н. Миронова, И.Д. Григорьевич отмечают: «…Трехкомпонентная теория хорошо объясняет важнейшие закономерности цветового зрения: адаптацию, индукцию, цветовую слепоту, спектральную чувствительность глаза, зависимость цвета от яркости и другие, Однако, следует заметить, что в наше время известны факты, свидетельствующие о более сложной картине функционирования органа зрения. ..» [2.1].

Другой, очень распространенной и имеющей множество подтверждений, теорией является теория оппонентных цветов Э. Геринга. Геринг выдвинул предположение, что в колбочках сетчатки могут существовать три вида гипотетических веществ: бело-черные, красно-зеленые и желто-синие. Световой поток влечет их разрушение (одни световые лучи) с образованием белого, красного или желтого цветов или синтез (другие световые лучи) чорного, зеленого или синего цвета. Геринг предполагал, что имеются четыре основных цвета красный, желтый, зеленый и синий, и что они попарно связаны с помощью двух антагонистических механизмов зелено-красного механизма и желто-синего механизма. Постулировался также третий оппонентный механизм для ахроматически дополнительных цветов белого и черного. Из-за полярного характера восприятия этих цветов Геринг назвал эти цветовые пары «оппонентными цветами». Из его теории следует, что не может быть таких цветов, как зеленовато-красный и синевато-желтый. Таким образом, теория оппонентных цветов постулирует наличие антагонистических цветоспецифических нейронных механизмов. Например, если такой нейрон возбуждается под действием зеленого светового стимула, то красный стимул должен вызывать его торможение. Предложенные Герингом оппонентные механизмы получили частичное подтверждение после того, как научились регистрировать активность нервных клеток, непосредственно связанных с рецепторами. Так, у некоторых позвоночных, обладающих цветовым зрением, были обнаружены красно-зеленые и желто-синие горизонтальные клетки. У клеток красно-зеленого канала мембранный потенциал покоя изменяется и клетка гиперполяризуется, если на ее рецептивное поле падает свет спектра 400-600 нм, и деполяризуется при подаче стимула с длиной волны больше 600 нм. Клетки желто-синего канала гиперполяризуются при действии света с длиной волны меньше 530 нм и деполяризуются в интервале 530-620 нм.

Множество проводимых исследований подтвердили предположения этих двух теорий, так например колбочки у приматов существуют всего трех типов: воспринимающие цвет в фиолетово-синей, зелено-жёлтой, в желто-красной частях спектра. Каждый вид колбочек интегрирует поступающую лучистую энергию в довольно широком диапазоне длин волн, и диапазоны чувствительности трех видов колбочек перекрываются, различаясь лишь диаграммой величины чувствительности.

Человеческое зрение, таким образом, является трёхстимульным анализатором, то есть спектральные характеристики цвета выражаются всего в трех значениях. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, цвета воспринимаются как одинаковые.

В животном мире известны четырёх- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, так что цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными так, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминисценции компонентов их мочи.

Характеристика органов зрения карпа

Как уже говорилось выше, в соответствии с теорией происхождения видов, предок человека унаследовал органы зрения от низших позвоночных, или от рыб, что вызывает большое сомнение у некоторых, уважаемых в научных кругах, авторов [5]:

«. ..Если принять как факт, что цветовое зрение мы унаследовали от низших позвоночных (рыб), что доказывается анатомическим, физиологическим, химическим и структурным сходством строения сетчатки, то эволюцию цветового зрения следует изучать не на приматах, а начиная с рыб. Тогда рассуждения об эволюции цветового зрения от протонопии до тритонопии (С.В.Кравков) нельзя признать обоснованной. Ведь уже у карпа имеются все три типа колбочек и даже детекторов оппонентного типа, хотя и находятся эти детекторные клетки еще в самой сетчатке, а не в латеральном коленчатом теле, как у приматов и человека (Пэдхем Ч., Сондерс Ж., 1978). Хотя карп обладает повышенной чувствительностью в красно-оранжевой, а не зелено-желтой области спектра, диапазоны частот реагирования рецепторов карпа и человека почти не различаются по ширине.

Таким образом, эволюция цветового анализатора шла параллельно с развитием анатомических и функциональных отделов центральной нервной системы (промежуточного, среднего мозга, коры), по „вертикали“, а не в сторону дифференциации цветочувствительных клеток периферического отдела анализатора (колбочек сетчатки), по горизонтали. Сохранение (даже небольшое расширение) диапазона чувствительности при усовершенствовании структуры цветового анализатора в ходе наземной эволюции высших позвоночных свидетельствует, что цвет играл существенную роль в их жизнедеятельности. Но только у той биологической линии, которая привела к возникновению человека. О центральном значении цветоразличения для человека свидетельствует хотя бы тот факт, что все 6,5 миллиона колбочек как у карпа, так и у человека, располагаются в фовеа-центральной зрительной ямке, области максимально четкого зрения …».

Далее автор делает вывод [5]: «…Итак, мы видели, что для видов, значительно уступающих человеку в психическом развитии (растения, насекомые, рыбы, пресмыкающиеся, птицы), цвет не отделим от функций размножения, питания и выживания, т.е. от всего биологического цикла …».

Из сказанного становится ясным, что максимум цветового восприятия карпа обыкновенного лежит в красно-оранжевой области светового спектра, что находит свое подтверждение в большом количестве работ других авторов.

Автор считает, что диапазон чувствительности в области видимого спектра карпа обыкновенного и человека почти не различается по ширине, что противоречит данным некоторых других источников.

Автор подчеркивает подобность строения органов зрения карпа и человека не только качественно: «…колбочки как у карпа, так и у человека располагаются в фовеа-центральной зрительной ямке» но и количественно: «все 6,5 миллиона колбочек как у карпа, так и у человека…».

Кроме этого, автор считает функцию распознания цвета, в частности карпом, не отделимой от функций размножения, питания и выживания, то есть от всего биологического цикла. Это пожалуй самый ценный для нас вывод, для нас — рыбаков, осуществляющих ловлю этой умной рыбы, маскируя насадку под привлекающую ее, рыбу, пищу.

Справедливости ради, нужно отметить, что в результате биофизических исследований органов зрения рыб, пресноводных, пресмыкающихся, приматов, человека, были получены другие, очень интересные факты, способные поставить под сомнение приведенные выше заключения.

Так на пример, в своей статье «О зрении животных», опубликованной в электронном журнале «LiveJournal» некий Евгений [6], приводит интересные факты, касающиеся возможностей органов зрения различных животных, птиц, рыб, ссылаясь на результаты научных исследований, опубликованные в научных изданиях. Так на пример, относительно золотых рыбок, относящихся к карповидным, Евгений пишет: «… 14. Золотые рыбки — тетрахроматы и видят длины волн от 300 нм (и даже ниже) до примерно 730 нм — то есть весь человеческий диапазон, плюс хороший кусок ультрафиолета, плюс пограничную с инфракрасным область… ». Ссылаясь на статью известных биологов Shozo Yohoyama, Huan Zhang, Z. Bernhard Radlwimmer, Nathan S. Blow «Adaptive Evolution of Color Vision of the Commoran Coclacanth (Latimeria Chalumnae)» [6.1], опубликованную в 26 марта 1999 года в Ню-Йорке, и перепечатанную журналом «Evolution» в мае 1999 года, Евгений пишет: «…15. Латимерия (целакант) — древняя, долгое время считавшаяся вымершей рыба, обитающая на глубине около 200 м. Света там почти нет, а те его остатки, что все-таки туда просачиваются — исключительно синие. Тем не менее, она тоже обладает цветным зрением, с нашей точки зрения весьма уникальным. Латимерия — дихромат, но все богатство воспринимаемой ею гаммы укладывается, по нашим меркам, в почти неотличимые оттенки синего в узеньком диапазоне длин волн возле 480 нм. Максимумы цветового восприятия её рецепторов отстоят друг от друга всего на 7 нанометров: 478 и 485 нм. …». Относительно карпа обыкновенного, ссылаясь на статью [6.2] «The eyes of the common carp and Nile tilapia are sensitive to near-infrared» японских авторов Taro MATSUMOTO and Gunzo KAWAMURA, Евгений пишет: «…16. Обыкновенный карп может видеть в ближнем инфракрасном диапазоне (865 нм) — там же, где работают пульты управления телевизором и где рассеяние света в воде и воздухе существенно ниже».

Учитывая эти данные, мы можем усомниться в утверждении о равенстве ширины светового спектра воспринимаемого органами зрения карпа и человека.

Интересным представляется мнение А.М. Черноризова, высказанное им в его докторской диссертации на тему «Нейронные механизмы цветового зрения».

Проведя опыты на речном карпе, Carpio Cyprims L.; на 13 карпах in vivo (живых карпах) и более чем 200 карпах in vitro, и проанализировав другие, известные ему работы, автор пришел к заключению [7.1]: «…Исследование и моделирование процессов передачи информации о цвете в нейронных сетях зрительной системы является одной из главных задач психофизиологии цветовосприятия в рамках современной психофизиологии как науки о нейронных механизмах психических процессов и состояний. Адекватной экспериментальной моделью для этого является сетчатка глаза, которая по сложности строения и возможностям интегральной обработки параметров зрительных образов напоминает мозг (Jasper, Raynauld, 1975; Хьюбел, 1990). На уровне нервных элементов сетчатки осуществляется переход от кодирования цвета цо принципам трехкомпонентной теории Ломоносова-Юнга-Гельмгольца (слой фоторецепторов) к кодированию цвета по принципам теории оппонентных цветов Геринга (слой горизонтальных и биполярных клеток). В сетчатке происходит формирование цветооппонентных („красно-зеленых“, RG-типа; „сине-желтых“, YB-типа) и ахроматических (нецветооппонентных „яркостных“, В-типа, и „темновых“, D-типа) нейронных систем, которые, по нашим данным, обладают разной функцией в процессе цветокодирования. …».

Далее автор отмечает [7.1]: «…В поведенческих опытах Wolf (1925) показано, что рыбы из одного с карпом семейства Cyprinidae могут различать до 20 различных цветов в диапазоне от 340 до 760 нм. При этом рыбы отличают пурпурный цвет (смесь синего и красного спектральных излучений) от любого другого цвета. Hamburger (1926) выявил существование дополнительных цветов для рыб {Phoxinus laevisAG, семейство Cyprinidae), а также способность отличать белый цвет от какого-либо спектрального цвета. Таким образом, всю гамму цветов для рыб, как и для человека, можно представить в виде замкнутой круговой диаграммы (круга Ньютона) (Herter, 1953). Herter (1953) констатировал явления одновременного и последовательного яркостного и цветового контрастов для цветового зрения рыб. Horio (1938) в опытах на карпах показал, что при различении зрительных стимулов рыбы чаще ориентируются на цвет, чем на форму. Способность рыб, в частности, карпа, правильно оценивать цвет предметов независимо от условий освещения (константность восприятия цвета) продемонстрирована в поведенческих и Электрофизиологических исследованиях (Oyama, Jitsumori, 1974; Диментман и др., 1975; Максимова и др., 1975; Crawford et.al., 1990). Наконец, цветовое зрение рыб, как и у человека, трихроматично. На это указывают данные микроспектрофотометрических, нейрофизиологических и поведенческих экспериментов (для обзора см.: Измайлов и др., 1989).

Имеются данные о наличии в сетчатке костистых рыб фоторецепторов с пиком чувствительности в ультрафиолетовой области спектра (Neumeyer, Arnold, 1989). Не ясна роль этих рецепторов в цветовом зрении рыб ввиду того, что оптическая система камерного глаза этих животных не пропускает ультрафиолетовые лучи. Однако, имеются данные о влиянии активности рецепторов этого типа в различение цветов в синей области спектра (400-480 нм) (Neumeyer, Arnold, 1989).

У рыб и амфибий хорошо развита система ретино-тектальных зрительных проекций, что обусловливает сложный характер обработки цветового сигнала уже на уровне нейрональных структур сетчатки. В этой ситуации сетчатка этих животных может служить моделью для изучения принципов цветокодирования, реализуемых у приматов центральными отделами зрительного анализатора. …»

Подводя итог проведенным исследованиям, автор замечает [7.1]: «…Достоверность результатов достигалась большим объемом выборки и использованием современных статистических методов многомерного анализа (метрическое многомерное шкалирование). Представленные в работе данные получены в более чем 500 опытах на 26 моллюсках, 40 лягушках, 13 карпах in vivo и более чем 200 карпах in vitro. На изолированной сетчатке карпа внутриклеточно исследованы спектральные реакции 538 горизонтальных клеток и 45 биполярных клеток. …».

Анализируя приведенные выше исследования, с высокой степенью достоверности, можем предположить следующее:

Сетчатки глаза карпа и человека очень похожи по функционированию и строению, и «. ..по сложности строения и возможностям интегральной обработки параметров зрительных образов напоминают мозг…».

Имеются данные о наличии у рыб рецепторов, помогающих им различать цвета в области синего цвета, а также в значительном диапазоне инфракрасной зоны спектра.

Особое внимание нужно обратить на то, что максимальная активность нейронов мозга карпа зарегистрирована при раздражении его фоторецепторов пурпурным цветом, который является не спектральным цветом, а результатом суммирующего действия двух спектральных цветов: синего и красного.

Выводы

1. Сетчатки глаза карпа и человека очень похожи по функционированию и строению, а по сложности строения и возможностям интегральной обработки параметров зрительных образов напоминают мозг.

2. Диапазон чувствительности в области видимого спектра органов зрения карпа и человека значительно различается по ширине, что дает карпу возможность видеть объекты в синей части спектра и в невидимой области инфракрасного цвета, предположительно до длин волн около 865 нм. Это, в свою очередь, объясняет то, как карп может найти пищу в условиях практически полной темноты, например, ночью.

3. Максимум цветового восприятия карпа лежит в красно-оранжевой области светового спектра.

4. Максимальная активность нейронов мозга карпа зарегистрирована при раздражении его фоторецепторов пурпурным цветом, который является не спектральным цветом, а результатом суммирующего действия двух спектральных цветов: синего и красного.

5. Карп способен отличать белый спектральный цвет от какого-либо другого цвета.

6. Во время распознавания объекта, карп более склонен ориентироваться на цвет объекта, чем на его форму.

7. Функцию распознания цвета у карпа не отделима от функций размножения, питания и выживания, то есть от всего биологического цикла.

Заключение

Сделанные мною и приведенные выше, выводы, не претендуют на научную ценность и вполне могут быть ошибочными. Но в своих экспериментах с окрашиванием насадок я придерживаюсь следующих, изложенных мною ниже правил.

Мои насадки имеют преимущественно оранжевый спектральный цвет, оранжевый не спектральный цвет, пурпурный не спектральный цвет и белый не спектральный цвет. Они обязательно яркие и отчетливо выделяются на фоне окружающих предметов.

Насадки дают обильное, легко различимое облако мути имеющее тот же цвет, что и насадка.

В свои насадки я пытаюсь включать энзимы, способные поднять температуру поверхности насадки, по сравнению с температурой окружающей среды, хотя бы на один градус. Это позволяет выделить насадку на фоне окружающих ее объектов (заставляет насадку светиться изнутри) и делает ее более привлекательной и легко распознаваемой рецепторами инфракрасного зрения зрительного аппарата рыбы.

Литература:

1. Википедия. Свободная энциклопедия.

1.1. Цвет: http://ru. wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82

1.2. Метамерия: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0 %D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%8F_(%D1%86%D0%B2%D0%B5%D1%82)

2. Л.Н. Миронова, И.Д. Григорьевич, «Цветовое зрение», 2004 — 2008 годы.

2.1. Трех компонентная теория восприятия цвета. http://www.mironovacolor.org/theory/color_vision/

3. А. Прядко «Система световых величин» http://rus.625-net.ru/625/2004/03/light.htm

3.1. Цвет и длина волны.

3.2. Чувствительность органов зрения человека.

3.3. Максимумы ночного и дневного зрения.

4. «Освещение теплиц. Освещение и люди.» http://www.lighting.philips.com/ru_ru/trends/light/lightandhumans.php?main=ru_ru&parent=ru_r…

5. П.В. Яньшин, «Семантика цветового образа. К вопросу о „биологической целесообразности“ цветового зрения», Провинциальная ментальность России в прошлом, настоящем и будущем. Материалы III международной конференции по исторической психологии российского сознания. Ежегодник Российского психологического общества. Т. 3, вып. 2. Самара, СамГПУ, 1999. С. 200-217.

5.1. Взято по адресу: http://colormind.narod.ru/_private/YanshinOnColorSemantics.htm

6. Евгений, «О зрении животных», «LiveJournal» http://eugenebo.livejournal.com/45235.html

6.1. http://www.life.illinois.edu/ib/426/handouts/Yokoyama%20celacanth%20PNAS99.pdf

6.2. http://www3.interscience.wiley.com/journal/118658551/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0 7. Черноризов Александр Михайлович. Нейронные механизмы цветового зрения : Дис. … д-ра психол. наук : 19.00.02 : Москва, 1999 227 c. РГБ ОД, 71:99-19/41-8

7.1. http://www.lib.ua-ru.net/diss/cont/124401.html

Автор: Саваченко Григорий

Статья с сайта http://www.sportfishing.ua

Основные свойства света и его роль в создании фотографий

Всем привет! Сегодня мы рассмотрим основные свойства света, что такое спектральный диапазон, и какую роль играет выбор освещения для хорошей фотографии.

Большинство фотографов знают или подозревают, что в фотографии нет ничего другого, чем запись световых лучей чувствительной средой. Поэтому, свойства света являются ключевым фактором фотографии – он создаёт изображение и определяет его стиль, тени, блеск, контуры предметов и т.д. Поэтому, важно понимать использование основных свойств света в тандеме с камерой, для получения хорошего фото.

Возможно, понимание основ природы свойств света является лишним, однако, чем больше Вы будете знать о свете, тем более инициативной будет работа, и тем легче Вы достигнете желаемых результатов. И поэтому давайте начнём с нуля…

 

Свойства света и их значение для фотографов

Даже если цифровая фотография во многом отличается от классической (химический процесс), то это, по сути, не важно, независимо от метода фотографирования, важен лишь процесс захвата световых лучей. Если оба метода будут достаточно высокого качества, результат должен быть тот же — те же лучи света должны создать аналогичное изображение в химическом процессе и цифровом носителе. На практике, конечно, оба метода отличаются — в классической химической фотографии важны процедуры и лимиты химической обработки, в то время как в цифровой фотографии важны знания лимитов цифровых датчиков, пределы и проблемы цифрового представления свойств света и цвета, форматов изображений, варианты различных редакторов и т.п. Но, несмотря на химический или цифровой метод записи, несомненно, можно сказать, что они содержит фотографические сцена, а хороший свет даёт больше шансов для получения качественного результата. Поэтому фотографы так много уделяют внимания хорошему свету.

Радуга является обычным природным примером того, как проявляются оптические свойства света. Капли воды в воздухе работают как маленькие призмы, разделяя свет на его цветные компоненты — спектр.

Очень важно научиться практически понимать свойства света для фотографов. Также важно иметь возможность представить на сцене то, как будет выглядеть показанный на носителе образ и, возможно, какие другие изменения, в частности, в цифровом фото, будет необходимо сделать. Также очень важно и полезно понимать, как отображаемая сцена меняется в зависимости от осветления и других условий. Например, какое влияние будет иметь погода, время суток или изменение свойств угла света к тени, контуры объекта, захват структур и т.п. Как не парадоксально, но природа тоже является в некотором смысле большой фото-студией, свойства которой сложно было бы воссоздать в реальной студии.

свойства различных длин волн и видимый свет

 

Физические основы свойств света

Хотя, подробные знания физики, касающиеся свойств света, не являются ключом к созданию хорошо фото, однако, поверхностные знания могут очень пригодиться в практических ситуациях. Физические основы свойств видимого света и их знание является полезным, в частности, в цифровой фотографии, где способ записи света цифровым датчиком и представление света и цвета в компьютере, напрямую связаны с физическими законами.

Спектр света. По определению, спектр — это свет в видимой части электромагнитного излучения. Человек, однако, способен регистрировать только очень небольшую часть существующего на Земле излучения и еще меньшую часть излучения, существующего во вселенной. Вполне логично, однако, человек развился так, что его способность воспринимать излучение, как и свет и его свойства, определяется цветами нашей природы и света Солнца. Если быть более точными, на развитие зрения влияют свойства видимого света Солнца и пропускная способность земной атмосферы.

Основными свойствами света являются:

Длина волны (скорость или частота колебаний).
Интенсивность (и, следовательно, сила и амплитуда волны).
Поляризация (то есть направление колебаний).

Скорость колебаний световой волны человек воспринимает, как цвет. Медленнее волны (с более длинной длиной волны) человек воспринимает как красный, в то время как быстрые колебания мы воспринимаем диапазоном от синего до фиолетового. Высота волны (амплитуда) соответствует свойствам интенсивности света, в принципе, следовательно, его яркости.

Различные длины волны света, люди, назвали, как цвет света. Каждая одна конкретная длина света будет глазом восприниматься как один конкретный цвет. Цвета, которые таким образом можно создать называются спектральными цветами. Спектральные цвета создают диапазон от красного, это цвет света, который идёт в направлении от коротких периодов, таким образом, длинных волн, через жёлтый и от зелёного до фиолетового, где спектр выделяется из видимого диапазона.

Важно отметить, что популярные цветовые модели RGB, CMYK, Lab и HSB основаны на человеческом восприятии, на не на основных оптических свойствах видимого света.

Человек воспринимает лишь очень небольшую часть общего электромагнитного спектра — примерно от 400 до 700 нм. Но даже внутри этого, с физической точки зрения, узкого спектра, мы различаем удивительно количество цветов, но лишь некоторые из них имеют названия.

Освещение, основные свойства света, светофильтры реферат по физике

• Источник рисующего света располагают, как правило, в передней

полусфере по отношению к лицу так, чтобы фотографируемый человек мог

его видеть, не изменяя положения головы в пространстве. Источник

рисующего света всегда расположен выше или на уровне лица

портретируемого и непосредственно перед ним по линии симметрии лица

или же в пределах до 60-70 градусов вправо или влево. Это объясняется тем,

что переднебоковое и несколько верхнее освещение наиболее привычно для

нашего. глаза, вместе с тем оно наилучшим образом выявляет объемную

форму лица. Наиболее ощутима взаимосвязь между формой лица и

положением источника рисующего света при съемке в анфас, наименее – при

съемке в профиль. Чем больше на лице выступает нос, чем глубже посажены

глаза, тем ближе к оси симметрии лица должен находиться источник

рисующего света. В практике съемки портрета выработан целый ряд

приемов, позволяющих оптимальным образом установить источник

рисующего света. Конечно, не стоит эти приемы принимать как догму, в

конечном счете все зависит от творческого подхода к съемке.

• Если осветитель расположен на оси симметрии лица, его высоту

следует определять по величине тени под носом – желательно, чтобы

величина тени не превышала половины расстояния от носа до верхней губы.

Также обратите внимание на затемнение глазных впадин: хорошо, если

верхние веки освещены рисующим светом. Когда источник рисующего света

расположен впереди сбоку, его высоту и положение в пространстве

регулируют чаще всего так, чтобы тень от носа пересекала удаленную от

источника света (теневую) щеку, оставляя на верхней ее части светлый блик.

Некрасиво выглядят снимки, на которых. тень от носа пересекает. Линию губ,

а глаза пропадают в тени надбровных дуг.

• Также очень важно взаимное расположение фотоаппарата и источника

рисующего света. Если источник света и фотоаппарат расположены на одной

плоскости на оси симметрии, то снимок получается плоский, не передающий

объем и форму.

Свойства света

Наши глаза воспринимают эти длины волн как разные цвета. Если только одна длина волны или ограниченный диапазон длин волн присутствуют и входят в наших глазах они интерпретируются как определенный цвет. Если один длина волны присутствует, мы говорим, что у нас есть монохроматический свет . Если присутствуют все длины волн видимого света, наши глаза интерпретируют это как белый свет. Если нет длин волн в видимом диапазоне, мы интерпретируем это как темное. Взаимодействие света с веществом Скорость света и показатель преломления Энергия света связана с его частотой и скорость следующая: E = hν = hC / λ , где E = энергия h = постоянная Планка, 6,62517 x 10 -27 эрг . сек ν = частота C = скорость света = 2.99793 x 10 10 см / сек λ = длина волны Скорость света C в вакууме составляет 2,99793 x 10 10 см / сек. Свет не может двигаться быстрее, чем это, но если он проходит через вещество, его скорость уменьшится. Обратите внимание, что из уравнение, приведенное выше — С = νλ Частота колебаний, ν, остается постоянным, когда свет проходит через вещество.Таким образом, если скорость C уменьшается при прохождении через вещество, длина волны λ также должна уменьшаться. Здесь мы определяем показатель преломления , n, материал или вещество как отношение скорости света в вакууме, C до скорости света в материале, через который он проходит, C m . n = C / C м Обратите внимание, что значение показателя преломления всегда будет больше 1.0, так как C m никогда не может быть больше, чем C. Как правило, C м зависит от плотности материала, при этом C м уменьшается с увеличением плотность. Таким образом, материалы с более высокой плотностью будут иметь более высокое преломление индексы. Показатель преломления любого материала зависит от длины волны света. потому что разные длины волн в разной степени интерферируют атомы, составляющие материал.В целом показатель преломления варьируется линейно с длиной волны. Материалы можно разделить на 2 класса в зависимости от того, как скорость света определенной длины волны меняется в зависимости от материал. Материалы, показатель преломления которых не зависит от направления, световые путешествия называются изотропными материалами. В этих материалах скорость света не зависит от направление, в котором движется свет.Изотропные материалы имеют единый постоянный показатель преломления для каждой длины волны. Минералы которые кристаллизуются в изометрической системе в силу своей симметрии, изотропны. Точно так же стекло, газы, большинство жидкостей и аморфные твердые тела изотропны. Материалы, показатель преломления которых зависит от направления, световые путешествия называются анизотропными материалы.Эти типы материалов будут иметь ряд показатели преломления между двумя крайними значениями для каждого длина волны. Анизотропные материалы можно разделить на два подкласса, хотя рассуждения, лежащие в основе этих подразделений, будут станет ясно в более поздней лекции. Минералы, кристаллизующиеся в тетрагональной и гексагональной формах кристаллические системы (а также некоторые пластмассы) — одноосные и характеризуются двумя крайними показателями преломления для каждого длина волны. Минералы, кристаллизующиеся в триклинной, моноклинной и орторомбические кристаллические системы двухосные и характеризуется 3 показателями преломления, один из которых промежуточное между двумя другими. Воздух изотропен, так как это газ. Показатель преломления воздуха обычно принимается равным 1.0, хотя его истинное значение — 1.0003.

Свет и его свойства | Давайте поговорим о науке

Введение

Свет повсюду вокруг нас. Он не только позволяет нам видеть в темноте, но и свойства света важны для многих аспектов нашей жизни. Отражения в зеркалах заднего вида автомобилей помогают нам обезопасить себя. Преломление через линзы очков или контактных линз помогает некоторым людям видеть лучше. В более общем смысле, электромагнитных волн (из которых видимый свет является одним из примеров) передаются как сигнал, который улавливают наши радиоприемники, чтобы мы могли слушать музыку.Импульсы инфракрасного света передаются в виде сигналов, поэтому мы можем общаться с нашими телевизорами. Этот справочник посвящен видимому свету и тому, как мы с ним взаимодействуем.

Свет и его свойства

В вакууме (контейнер без воздуха) свет движется со скоростью примерно 299 792 458 метров в секунду (м / с). Это известно как скорость света . Это самое быстрое, что может двигаться во Вселенной! Для сравнения, скорость звука всего около 300 м / с.Вот почему во время грозы вы всегда видите молнию, прежде чем услышите гром.

Важно знать, что свет проходит по прямой через материал.

Волны и спектр света

Свет обладает свойствами волн. Подобно океанским волнам, световые волны имеют гребни и впадины. Расстояние между одним гребнем и другим, равное расстоянию между одним гребнем и другим, называется длиной волны .Частота волны — это количество гребней (или впадин), которые проходят точку за одну секунду. Длина волны, умноженная на частоту, равна скорости, с которой волна распространяется.

Цвета видимого света: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый. Эти разные цвета света имеют разные длины волн и разные частоты. Красный свет имеет самую длинную длину волны и самую низкую частоту видимого спектра. Фиолетовый цвет имеет самую короткую длину волны и самую высокую частоту видимого спектра.Посмотрите на две волны на картинке ниже. Вы можете себе представить, как если бы они оба двигались вправо с одинаковой скоростью, количество фиолетовых гребней, пересекающих край прямоугольника за одну секунду, было бы больше, чем количество красных гребней.

Красные и фиолетовые световые волны (© 2020 Let’s Talk Science).

Есть еще свет, невидимый для человека. Ультрафиолетовый свет и рентгеновские лучи также являются светом, но имеют слишком малую длину волны и слишком высокую частоту, чтобы быть видимыми для нас. Инфракрасный свет , который может быть обнаружен очками ночного видения, и радиоволны , которые улавливаются вашим радио, чтобы вы могли слышать музыку, имеют слишком длинные длины волн и слишком низкие частоты, чтобы их мог видеть человеческий глаз.

Цветок хризантемы в видимом свете (вверху), ультрафиолетовом свете (в центре) и инфракрасном свете (внизу) (Источник: Дэйв Кеннард [CC BY-SA] через Wikimedia Commons).

Видимый свет вместе с этими невидимыми типами огней составляют так называемый электромагнитный спектр (EMS).

Электромагнитный спектр (давайте поговорим о науке, используя изображение, предоставленное Inductiveload через Wikimedia Commons).

Основные цвета света

Из художественного класса вы помните, что основные цвета — красный, желтый и синий. Они могут смешиваться, образуя вторичные цвета — оранжевый, зеленый и фиолетовый. У света также есть основные цвета. Но эти цвета отличаются от цветов, которые мы используем в красках и маркерах. Основные цвета света: красный , зеленый и синий .Вторичные цвета света — это голубой, (полученный путем объединения синего и зеленого), пурпурный, (полученный путем комбинирования синего и красного) и желтый, (сделанный путем комбинирования зеленого и красного). Компьютерные экраны используют различное количество красного, синего и зеленого света, чтобы передать все цвета, которые вы видите. Когда основные цвета света комбинируются, получается , белый свет (см. Ниже).

Основные цвета света. Синий, зеленый и красный свет освещают черную стену, чтобы показать второстепенные цвета, с белым светом посередине (Источник: Pko [Общественное достояние] через Wikimedia Commons).

Человеческий глаз воспринимает цвет с помощью трех типов фоторецепторов клеток , которые чувствительны к длинным, средним и коротким длинам волн видимого света. Например, длина волны желтого света воспринимается так же, как комбинация красного и зеленого света, как на изображении выше. Это потому, что они таким же образом стимулируют клетки глаза. Другими словами, чистый желтый свет физически отличается от комбинации красного и зеленого света, но оба они воспринимаются нами как желтые.Знаете ли вы, что два оттенка зеленого легче различить человеческому глазу, чем другие цвета? Если вы пойдете в малярный цех и наложите все красные и все зеленые варианты краски, вам будет легче различать зеленые оттенки, чем красные. Это связано с тем, что зеленый цвет находится в середине видимого спектра.

Свойства света | PVEducation

Электромагнитный спектр.

Свет, который мы видим каждый день, составляет лишь часть всей энергии, излучаемой солнцем, падающим на Землю. Солнечный свет — это форма «электромагнитного излучения», а видимый свет — это небольшая подгруппа электромагнитного спектра, показанного справа.

Электромагнитный спектр описывает свет как волну определенной длины. Описание света как волны впервые получило признание в начале 1800-х годов, когда эксперименты Томаса Янга, Франсуа Араго и Огюстена Жана Френеля показали интерференционные эффекты в световых лучах, указывающие на то, что свет состоит из волн.К концу 1860-х годов свет рассматривался как часть электромагнитного спектра. Однако в конце 1800-х годов проблема с волновым взглядом на свет стала очевидной, когда эксперименты по измерению спектра длин волн от нагретых объектов не могли быть объяснены с помощью волновых уравнений света. Это несоответствие было разрешено в работах 1900 и 1905 гг. Планк предположил, что полная энергия света складывается из неразличимых энергетических элементов или квантов энергии. Эйнштейн, исследуя фотоэлектрический эффект (высвобождение электронов из некоторых металлов и полупроводников при попадании света), правильно различил значения этих квантовых элементов энергии.За свою работу в этой области Планк и Эйнштейн получили Нобелевскую премию по физике в 1918 и 1921 годах, соответственно, и на основании этой работы свет можно рассматривать как состоящий из «пакетов» или частиц энергии, называемых фотонами.

Сегодня квантовая механика объясняет как наблюдения волновой природы, так и природы частиц света. В квантовой механике фотон, как и все другие квантово-механические частицы, такие как электроны, протоны и т. Д., Наиболее точно изображается как «волновой пакет».Волновой пакет определяется как набор волн, которые могут взаимодействовать таким образом, что волновой пакет может казаться пространственно локализованным (аналогично прямоугольной волне, которая возникает в результате добавления бесконечного числа синусоидальных волн), или может попеременно появляться просто как волна. В случаях, когда волновой пакет пространственно локализован, он действует как частица. Поэтому, в зависимости от ситуации, фотон может выступать либо как волна, либо как частица, и это понятие называется «дуальность волна-частица».

Полное физическое описание свойств света требует квантово-механического анализа света, поскольку свет — это тип квантово-механической частицы, называемой фотоном. Для фотоэлектрических приложений такой уровень детализации требуется редко, поэтому здесь даются лишь несколько предложений о квантовой природе света. Однако в некоторых ситуациях (к счастью, редко встречающихся в фотоэлектрических системах) свет может вести себя таким образом, который, судя по простым объяснениям, данным здесь, кажется противоречащим здравому смыслу.Термин «здравый смысл» относится к нашим собственным наблюдениям, и на него нельзя полагаться при наблюдении квантово-механических эффектов, потому что они происходят в условиях, находящихся за пределами диапазона человеческого наблюдения. Для получения дополнительной информации о современной интерпретации света см. Волновой пакет, или фотон, изображен ниже в PVCDROM.

Фотон высокой энергии для синего света.

Фотон с меньшей энергией для красного света.

Фотон низкой энергии для инфракрасного света. (должен быть невидимым)

Есть несколько ключевых характеристик падающей солнечной энергии, которые имеют решающее значение для определения того, как падающий солнечный свет взаимодействует с фотоэлектрическим преобразователем или любым другим объектом.Важными характеристиками падающей солнечной энергии являются:

• спектральный состав падающего света;
• — плотность мощности излучения Солнца;
• угол, под которым падающее солнечное излучение падает на фотоэлектрический модуль; и
• лучистая энергия солнца в течение года или дня для определенной поверхности.

К концу этой главы вы должны быть знакомы с вышеуказанными четырьмя концепциями.

7 основных свойств света для детей с примерами

Что такое свет?

Свет — это форма энергии, которую дают светящиеся объекты.Солнце, лампочка, свеча и т. Д. Являются светящимися объектами. Другие объекты, которые не излучают свет, называются несветящимися объектами. Свет может проходить через прозрачные материалы. Стекло, вода, прозрачный пластик и воздух являются прозрачными материалами. через полупрозрачные материалы. Калька, матовое стекло и вощеная бумага являются полупрозрачными материалами.

Свойства света

Есть 7 основных свойств света:

• Отражение света
• Преломление света
• Дифракция света
• Световые помехи
• Поляризация света
• Рассеяние света
• Рассеяние света

Свет ведет себя по-разному, когда падает на разные объекты.Когда свет падает на поверхность несветящегося объекта, он может вести себя тремя способами:

1. Когда свет падает на прозрачные объекты, он передается на другую сторону, поэтому мы можем видеть сквозь прозрачные объекты.
2. Когда свет падает на грубые непрозрачные объекты, большая часть этого света поглощается и превращается в тепловую энергию. Черная поверхность поглощает большую часть света.
3. Когда свет падает на гладкую блестящую поверхность, он отражается в одном определенном направлении. Это отражение света называется отражением света .

Свет распространяется по прямой:

В однородной изотропной среде световые лучи всегда движутся по прямым линиям. Технически это называется прямолинейным распространением света. Точечная камера — лучший пример этого правила. Простая точечная камера состоит из трех частей: фотопленки и точечной апертурной пластины. и объект.

В этом простом устройстве формирование изображения неподвижного объекта осуществляется на фотопленке или листе белой бумаги. Те световые лучи, которые проходят через отверстие, формируют изображение объекта.На рисунке такие два луча, выходящие из объекта и проходящие через отверстие, формируют изображение объекта, изображение, сформированное этим устройством, инвертировано. Размер изображения прямо пропорционален расстоянию между экраном-точечным отверстием и фотографическим экраном. Для получения резкого изображения. Размер отверстия должен быть намного меньше размера объекта, иначе будет сформировано размытое изображение. Этот рисунок показывает, что свет распространяется по прямым линиям.

Рассеивание света

«Разделение белого света на составляющие его цвета называется рассеянием света.«Солнечный свет часто называют белым светом, хотя это сочетание разных цветов. Мы можем видеть эти цвета на радуге: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый.

Мы можем разделить белый свет на его цвета, пропустив его через призму. Полученная полоса из семи цветов называется спектром белого света.

Почему белый свет рассеивается?

Когда луч белого света попадает в призму, все цвета белого света преломляются под разными углами.Это заставляет белый свет разделяться на составляющие его цвета. Красный свет меньше всего изгибается, фиолетовый свет изгибается больше всего и преломляется под самым большим углом. Таким образом, белый свет распадается на составляющие его цвета.

Когда этот спектр снова проходит через другую призму, как показано на рисунке, получается луч белого света.

Радужное образование

«Радуга образуется, когда солнечный свет преломляется и полностью отражается крошечными капельками воды».

Радуга — это естественная демонстрация преломления, рассеивания и полного внутреннего отражения света.Когда белый свет солнца проходит через крошечные капли дождя, приостановившиеся после дождя, может появиться радуга. Капли дождя в воздухе действуют как крошечные призмы: они преломляют и отражают солнечный свет, а затем разделяют его на разные цвета. Цветовая схема радуги такая же, как и в спектре, созданном призмой: поскольку красный цвет меньше всего изгибается, а фиолетовый — больше всего отклоняется от исходного пути, поэтому в радуге красный цвет появляется вверху, а фиолетовый цвет. появляется внизу. Другие цвета появляются между этими двумя цветами.

Цвета света

Понимание цветов очень полезно в фотографии и освещении театра. Люди, которые работают с огнями разного цвета, должны знать, как из нескольких основных цветов создавать огни разного цвета. Цвета, которые можно использовать для создания любого другого цвета, называются основными цветами для получения белого света.

красный + синий + зеленый = белый

Когда два основных цвета смешиваются, они дают вторичный цвет. Голубой, желтый и пурпурный — второстепенные цвета.В цветном телевизоре используются разные сочетания цветов.

красный + зеленый = желтый

красный + синий = голубой

синий + зеленый = пурпурный

Мы можем получить другие цвета света, смешивая огни основного и дополнительного цветов.

Цвета предметов:

Когда белый свет падает на несветящиеся объекты, они отражают одни цвета и поглощают все другие. Цвет объекта — это цвет света, который он отражает. Красный объект кажется красным, потому что он отражает красный цвет света и поглощает все остальные цвета. Трава на нашем газоне кажется зеленой, поскольку она отражает зеленый свет в наши глаза. Почему черная машина кажется черной?

Когда все цвета света отражаются в наши глаза, объект кажется белым. А когда все цвета света поглощаются объектом, он кажется черным. Черные объекты не отражают никакого света. Цветные объекты отражают смесь цветов. цвета.

Смотрите также:

См. Также:

Отражение света

Преломление света

Волновые свойства света

Волновые свойства света

---

Свойства волны света

---

В современной физике свет или электромагнитное излучение можно наблюдать в одном из два взаимодополняющих способа: как волна в абстрактном электромагнитное поле , или как поток безмассовых частиц называется фотонов . Хотя любое из них является приемлемым описанием света, поскольку для наших целей во вводной астрономии волновое описание будет больше полезный.

Свет как волна

Количество, которое «колеблется», — это электромагнитное поле, эзотерическая, но вполне измеримая сущность: ваши огни сияй, и твоя микроволновка работает, и твое радио играет, потому что электромагнитный поле существует. В качестве Как показано на соседнем изображении, волна имеет связанную с ней длину волны.

Длине света обычно обозначают греческий символ «лямбда».Некоторые общие единицы длины, используемые для длин волн электромагнитного излучения. излучения приведены в следующей таблице. (Микрометр часто до сих пор называют его старым названием — мкм .)

Единицы длины волны
Единицы	Символ	Длина
сантиметр	см	10 -2 метров
Ангстрем		10 -8 см
нм	нм	10 -9 метров
микрометр	нм	10 -6 метров

Длина волны, энергия и частота

Скорость света в вакууме обычно обозначается как c . это универсальная константа, имеющая значение
c = 3 x 10 ¹⁰ см / сек

Скорость света в среде обычно меньше этой. Обычно термин «скорость света» без дополнительных уточнений, относится к скорости в вакууме.

Волну можно охарактеризовать ее длиной волны, но мы также можем охарактеризовать ее по частоте (сколько длин волн проходит фиксированную точку в данном время; подумайте о том, чтобы сидеть на причале — в заливе — считать количество воды волны, проходящие за одну минуту) и энергии , которую он несет (подумайте о волна воды сбивает вас с ног при сильном прибое).Для световых волн соотношение между длинами волн (обычно обозначается греческим «лямбда»), частота (обычно обозначается греческим «ню»), а энергия E

, где c — скорость света, а h — еще одно универсальное постоянная называется Константа Планка , которая имеет значения
ч = 4,135 x 10 ^-15 эВ-сек = 6,625 x 10 ^-27 эрг-сек

в двух различных полезных наборах единиц (эВ означает «электрон-вольт»; электрон вольт и эрг — две общие единицы энергии). Таким образом, эти уравнения позволяют нам свободное преобразование частоты, длины волны и энергии для электромагнитных волны: указание одного также определяет другие.

Радиоволны имеют длину волны от нескольких миллиметров (микроволны) до километров. Длина волны видимого света мала. Видимый свет колеблется от 4 x 10 ^-7 до 7 x 10 ^-7 метров или 400-700 нм. Часто разные астрономы из разных областей используют разные единицы для описания одних и тех же явлений.(Не путайте физические понятия с выбором единиц измерения.)

Свет как частица

Мы описали волновые свойства света, но Эйнштейн получил Нобелевскую премию НЕ по теории относительности, а за то, что называется фотоэлектрическим эффектом. Этот эффект продемонстрировал, что экспонометр измеряет свет в дискретных связках, называемых ФОТОНАМИ. Есть некоторые контексты, в которых свет ведет себя как частица, и в других контекстах, где он ведет себя как волна. На самом деле Ньютон чувствовал, что свет состоит из частиц, но теперь мы знаем, что он демонстрирует как волну, так и частицу характеристики. Можно думать о свете как о состоящем из много фотонов или «пучков волн» каждая волна с определенной частотой (или длиной волны).

Таким образом, еще один способ думать о приведенной выше формуле для энергии электромагнитного излучения означает, что оно описывает соотношение между энергией фотона и его длиной волны.

Легкие упражнения

Вот некоторые упражнения, иллюстрирующие преобразование энергии, длины волны и частоты электромагнитных волн.

Учебное пособие по физике: Волнообразное поведение света

Извечная дискуссия, которая продолжается среди ученых, связана с вопросом: «Является ли свет волной или потоком частиц?» Заслуживающие внимания и выдающиеся физики рассмотрели каждую сторону аргумента, предоставив множество свидетельств каждой из сторон.Дело в том, что свет проявляет поведение, характерное как для волн, так и для частиц. В этом разделе Учебника по физике основное внимание будет уделено волнообразной природе света.

Свет проявляет определенные поведения, которые характерны для любой волны, и их трудно объяснить с точки зрения чисто частиц. Свет отражается так же, как и любая волна. Свет преломляется так же, как любая волна. Свет дифрагирует так же, как дифрагирует любая волна.Свет подвергается интерференции так же, как и любая волна. И свет проявляет эффект Доплера так же, как любая волна проявляет эффект Доплера. Свет ведет себя в соответствии с нашим концептуальным и математическим пониманием волн. Поскольку свет ведет себя как волна, есть все основания полагать, что это может быть волна. В Уроке 1 мы исследуем разнообразие поведения, свойств и характеристик света, которые, кажется, поддерживают волновую модель света.На этой странице мы сосредоточимся на трех конкретных типах поведения — отражении, преломлении и дифракции.

Волна не просто останавливается , когда достигает конца среды. Скорее, волна будет подвергаться определенному поведению, когда встречается с концом среды. В частности, будет некоторое отражение от границы и некоторая передача в новую среду. Проходящая волна преломляется (или изгибается), если приближается к границе под углом. Если граница представляет собой просто препятствие, имплантированное в среду, и если размеры препятствия меньше, чем длина волны, тогда будет очень заметная дифракция волны вокруг объекта.Каждое из этих режимов — отражение, преломление и дифракция — характеризуется конкретными концептуальными принципами и математическими уравнениями. Отражение, преломление и дифракция волн были впервые представлены в Разделе 10 учебного пособия по физике. В Разделе 11 учебного курса по физике обсуждались отражение, преломление и дифракция звуковых волн. Теперь мы увидим, как световые волны демонстрируют свою волновую природу посредством отражения, преломления и дифракции.

Отражение световых волн

Известно, что все волны подвержены отражению, или отражению от препятствия.Большинство людей привыкли к тому, что световые волны тоже отражаются. Отражение световых волн от зеркальной поверхности приводит к формированию изображения. Одна из характеристик отражения волны состоит в том, что угол, под которым волна приближается к плоской отражающей поверхности, равен углу, под которым волна отходит от поверхности. Эта характеристика наблюдается для волн на воде и звуковых волн. Это также наблюдается для световых волн. Свет, как и любая волна, при отражении от поверхностей подчиняется закону отражения.Более подробно об отражении световых волн мы поговорим в Блоке 13 Физического Класса. Пока достаточно сказать, что отражательное поведение света свидетельствует о волнообразной природе света.

Преломление световых волн

Известно, что все волны претерпевают рефракцию при переходе из одной среды в другую. То есть, когда волновой фронт пересекает границу между двумя средами, направление, в котором движется волновой фронт, претерпевает внезапное изменение; путь «изогнут».«Такое поведение рефракции волны можно описать как концептуальными, так и математическими принципами. Во-первых, направление« изгиба »зависит от относительной скорости двух сред. Волна изгибается в одну сторону, когда проходит из среды, в которой она медленно перемещается в среду, в которой перемещается быстро; и при перемещении от быстрой среды к медленной среде , фронт волны будет изгибаться в противоположном направлении. Во-вторых, величина изгиба зависит от фактических скоростей движения два носителя с каждой стороны границы.Величина изгиба — это измеримое поведение, которое следует определенным математическим уравнениям. Эти уравнения основаны на скоростях волны в двух средах и углах, под которыми волна приближается к границе и отходит от нее. Известно, что свет, как и любая волна, преломляется при переходе из одной среды в другую. Фактически, исследование преломления света показывает, что его преломляющее поведение следует тем же концептуальным и математическим правилам, которые управляют преломляющим поведением других волн, таких как волны на воде и звуковые волны. Более подробно преломление световых волн будет обсуждаться в Разделе 14 учебного курса по физике. На данный момент достаточно сказать, что преломляющее поведение света свидетельствует о волнообразной природе света.

Дифракция световых волн

Отражение включает изменение направления волн, когда они отражаются от преграды. Преломление волн включает изменение направления волн, когда они переходят из одной среды в другую.А дифракция включает изменение направления волн, когда они проходят через отверстие или вокруг препятствия на своем пути. Волны на воде могут перемещаться по углам, препятствиям и прорезям. Звуковые волны делают то же самое. А что насчет света? Огибают ли световые волны препятствия и отверстия? Если они это сделают, то это предоставит еще больше доказательств, подтверждающих веру в то, что свет ведет себя как волна.

Когда свет встречает препятствие на своем пути, препятствие блокирует свет и имеет тенденцию вызывать образование тени в области позади препятствия. Свет не проявляет очень заметной способности огибать препятствие и заполнять светом область позади него. Тем не менее, свет рассеивается вокруг препятствий. На самом деле, если вы внимательно посмотрите на тень, вы заметите, что ее края очень нечеткие. Эффекты интерференции возникают из-за дифракции света вокруг разных сторон объекта, в результате чего тень от объекта становится нечеткой. Это часто демонстрируется в классе физики с помощью лазерного луча и демонстрации пенни.Свет, рассеивающийся вокруг правого края пенни, может конструктивно и разрушительно мешать свету, рассеивающемуся вокруг левого края пенни. В результате создается картина интерференции; узор состоит из чередующихся колец света и тьмы. Такой рисунок заметен только в том случае, если узкий луч монохроматического света (то есть света с одной длиной волны) направлен на монету. На фотографии справа изображена интерференционная картина, созданная таким образом. Поскольку световые волны рассеиваются по краям пенни, волны разбиваются на разные волновые фронты, которые сходятся в одной точке на экране, создавая интерференционную картину, показанную на фотографии. Можете ли вы объяснить это явление с точки зрения частиц света? Эта удивительная демонстрация дифракции за пенни дает еще одну причину, по которой вера в волнообразную природу света дает центы (я имею в виду «смысл»). Эти эффекты интерференции будут обсуждаться более подробно позже в этом уроке.

Свет ведет себя как волна — он подвергается отражению, преломлению и дифракции, как и любая другая волна. Однако есть еще больше причин верить в волнообразную природу света.Перейдите к Уроку 1, чтобы узнать больше о поведении, которое невозможно объяснить с помощью чисто частичного взгляда на свет.

Что такое фотон? Определение, свойства, факты

Представьте себе луч желтого солнечного света, сияющий через окно. Согласно квантовой физике, этот луч состоит из миллиардов крошечных световых пакетов, называемых фотонами, движущихся по воздуху. Но что такое фотон?

Фотоны — это материал, из которого состоит свет. Предоставлено: JFC.

Определение

Фотон — это наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения. Это основная единица всего света.

Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью ко всем наблюдателям 2,998 x 10 ⁸ м / с. Это обычно называется скоростью света и обозначается буквой c.

Согласно теории квантов света Эйнштейна, энергия фотонов равна частоте их колебаний, умноженной на постоянную Планка.Эйнштейн доказал, что свет — это поток фотонов, энергия этих фотонов — это высота их частоты колебаний, а интенсивность света соответствует количеству фотонов. По сути, он объяснил, как поток фотонов может действовать как волна и как частица.

Свойства фотона

Основные свойства фотонов:

• Они имеют нулевую массу и энергию покоя. Они существуют только как движущиеся частицы.
• Несмотря на отсутствие массы покоя, это элементарные частицы.
• У них нет электрического заряда.
• Они стабильны.
• Это частицы со спином 1, что делает их бозонами.
• Они несут энергию и импульс, которые зависят от частоты.
• Они могут взаимодействовать с другими частицами, такими как электроны, например с эффектом Комптона.
• Они могут быть разрушены или созданы многими естественными процессами, например, при поглощении или испускании радиации.
• Находясь в пустом пространстве, они движутся со скоростью света.

История

Природа света — рассматриваете ли вы его как частицу или волну — была одной из величайших научных дискуссий. На протяжении веков философы и ученые спорили по вопросу, который едва решился столетие назад.

Ученики ветви индуистской философии VI века до н.э., называемой Вайшешика, обладали удивительной физической интуицией в отношении света. Как и древние греки, они считали, что мир основан на «атомах» земли, воздуха, огня и воды. Считалось, что сам свет состоит из таких очень быстро движущихся атомов, которые называются теджас. Это удивительно похоже на нашу современную теорию света и составляющих его фотонов, термин, введенный тысячами лет спустя, в 1926 году, химиком Гилбертом Льюисом и физиком-оптиком Фритиофом Вольферсом.

Позднее, около 300 г. до н.э., древнегреческий физик Евклид совершил огромный прорыв, когда предположил, что свет распространяется по прямым линиям. Евклид также описал законы отражения, а столетие спустя Птолемей дополнил их сочинениями о преломлении.Однако только в 1021 году законы преломления были официально установлены в основополагающей работе Ибн аль-Хайсама Китаб аль-Маназир или Книге оптики .

Ренессанс ознаменует собой новую эру научных исследований природы света. Следует отметить вторжение Рене Декарта в эссе 1637 года под названием La dioptrique, , где он утверждал, что свет состоит из импульсов, которые мгновенно распространяются при контакте с «шарами» в среде. Позднее в Traité de la lumière , опубликованном в 1690 году, Христиан Гюйгенс рассматривал свет как сжимаемые волны в упругой среде, как волны звукового давления.Гюйгенс показал, как создавать отраженные, преломленные и экранированные световые волны, а также объяснил двойное лучепреломление.

К этому времени ученые разделились на два укрепившихся лагеря. Одна сторона считала свет волной, а другая рассматривала свет в виде частиц или корпускул. Великим поборником так называемых «корпускуляристов» был никто иной, как Исаак Ньютон, которого многие считали величайшим ученым всех времен. Ньютон совсем не любил волновую теорию, поскольку это означало, что свет мог уходить слишком далеко в тень.

На протяжении большей части 18 века корпускулярная теория доминировала в спорах о природе света. Но затем, в мае 1801 года, Томас Янг представил миру свой знаменитый эксперимент с двумя щелями, в котором он продемонстрировал интерференцию световых волн.

Эксперимент Юнга с щелью показывает, как каждая щель действует как источник сферических волн, которые «интерферируют» при движении слева направо, как показано выше. Предоставлено: факультет физики Луисвиллского университета.

В первой версии эксперимента Янг фактически использовал не две прорези, а одну тонкую карту.Физик просто накрыл окно листом бумаги с крошечной дырочкой, через которую проходил тонкий луч света. С картой в руке Янг стал свидетелем того, как луч раскололся надвое. Свет, проходящий с одной стороны карты, мешал свету с другой стороны карты, создавая полосы, которые можно было наблюдать на противоположной стене. Позже Янг использовал эти данные для расчета длин волн света разных цветов и очень близко подошел к современным значениям. Демонстрация предоставит твердое свидетельство того, что свет — это волна, а не частица.

Между тем, на этот раз во Франции корпускуляристское движение набирало обороты после того, как недавние события приписали поляризацию света некоторой асимметрии между световыми корпускулами. Они потерпели большое поражение от Огюстена Френеля, который в 1821 году показал, что поляризацию можно объяснить, если бы свет был поперечной волной без продольных колебаний. Ранее Френель также предложил точную волновую теорию дифракции.

К этому моменту у последователей Ньютона не было стабильной почвы для продолжения дебатов.Казалось, свет — это волна, вот и все. Проблема заключалась в том, что легендарный эфир — таинственная среда, необходимая для поддержания электромагнитных полей и выполнения законов распространения Френеля — отсутствовал, несмотря на все усилия всех, чтобы его найти. На самом деле, никто никогда этого не делал.

Огромный прорыв произошел в 1861 году, когда Джеймс Клерк Максвелл собрал экспериментальные и теоретические знания об электричестве и магнетизме в 20 уравнениях. Максвелл предсказал «электромагнитную волну», которая может самоподдерживаться даже в вакууме при отсутствии обычных токов.Это означает, что для распространения света не требуется эфир! Более того, он предсказал, что скорость этой волны составит 310 740 000 м / с ^-1 — это всего лишь несколько процентов от точного значения скорости света.

«Согласованность результатов, кажется, показывает, что свет и магнетизм — это воздействия одного и того же вещества, а свет — это электромагнитное возмущение, распространяющееся через поле в соответствии с электромагнитными законами», — писал Максвелл в 1865 году.

С этого дня концепция света впервые была объединена с концепциями электричества и магнетизма.

14 декабря 1900 года Макс Планк продемонстрировал, что тепловое излучение испускается и поглощается дискретными пакетами энергии — квантами. Позже Альберт Эйнштейн показал в 1905 году, что это применимо и к свету. Эйнштейн использовал термин Lichtquant , или квант света. Теперь, на заре 20-го века, новая революция в физике снова будет зависеть от природы света. На этот раз дело не в том, является ли свет сумеречной или волной. И то, и другое или нет.

Современная теория света и фотонов

Эйнштейн считал, что свет — это частица (фотон), а поток фотонов — это волна. Немецкий физик был убежден, что свет имеет природу частиц после открытия им фотоэлектрического эффекта, при котором электроны вылетают из поверхности металла, подверженной воздействию света. Если бы свет был волной, этого не могло бы быть. Другой загадочный вопрос заключается в том, как фотоэлектроны размножаются при попадании яркого света. Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект тем, что «сам свет — частица», за что впоследствии получил Нобелевскую премию по физике.

Суть теории квантов света Эйнштейна состоит в том, что энергия света связана с частотой его колебаний.Он утверждал, что энергия фотонов равна «постоянной, умноженной на частоту колебаний Планка», и эта энергия фотона является высотой частоты колебаний, в то время как интенсивность света соответствует количеству фотонов. Различные свойства света, который представляет собой тип электромагнитной волны, обусловлены поведением чрезвычайно маленьких частиц, называемых фотонами, которые невидимы невооруженным глазом.

Эйнштейн предположил, что, когда электроны в веществе сталкиваются с фотонами, первый забирает энергию последнего и вылетает, и что чем выше частота колебаний ударяющих фотонов, тем больше энергия электронов, которые вылетят. У некоторых из вас есть работающее доказательство этой идеи в собственном доме — это солнечные батареи! Короче говоря, он говорил, что свет — это поток фотонов, энергия этих фотонов — это высота их частоты колебаний, а интенсивность света связана с количеством фотонов.

Эйнштейн смог доказать свою теорию, получив постоянную Планка из своих экспериментов с фотоэлектрическим эффектом. Его вычисления дали значение постоянной Планка 6,6260755 x 10 ^-34 , что в точности то, что Макс Планк получил в 1900 году в ходе своих исследований электромагнитных волн.Это однозначно указывает на тесную взаимосвязь между свойствами и частотой колебаний света как волны и свойствами и импульсом света как частицы. Позже, в течение 1920-х годов, австрийский физик Эрвин Шредингер развил эти идеи в своем уравнении для квантовой волновой функции, описывающем, как выглядит волна.

Спустя более ста лет с тех пор, как Эйнштейн показал двойную природу света, швейцарские физики из Федеральной политехнической школы Лозанны впервые сделали снимок этого двойного поведения. Команда под руководством Фабрицио Карбоне в 2015 году провела умный эксперимент, в котором лазер использовался для стрельбы по нанопроволоке, заставляя электроны вибрировать. Свет движется по этому крошечному проводу в двух возможных направлениях, как автомобили на шоссе. Когда волны, идущие в противоположных направлениях, встречаются, они образуют новую волну, которая выглядит так, как будто она стоит на месте. Здесь эта стоячая волна становится источником света для эксперимента, излучаемого вокруг нанопроволоки. Они выпустили новый пучок электронов для изображения стоячей волны света, которая действует как отпечаток волновой природы света.Результат можно увидеть ниже.

Первая фотография света как частицы и волны. Кредит: EPFL.

Как выглядит фотон

Вы когда-нибудь задумывались, какую форму имеет фотон? Ученые размышляли над этим вопросом на протяжении десятилетий, и, наконец, в 2016 году польские физики создали первую в истории голограмму одиночной легкой частицы. Команда Варшавского университета создала голограмму, одновременно направив два световых луча в светоделитель, сделанный из кристалла кальцита. Светоделитель похож на перекресток светофора, поэтому каждый фотон может либо пройти прямо, либо сделать поворот. Когда фотон сам по себе, каждый путь одинаково вероятен, но чем больше фотонов задействовано, тем больше они взаимодействуют, и шансы меняются. Если вам известна волновая функция одного из фотонов, можно определить форму второго по положению вспышек, появляющихся на детекторе. Полученное изображение немного похоже на мальтийский крест, точно так же, как волновая функция, предсказанная уравнением Шредингера.

Голограмма одиночного фотона, восстановленная на основе необработанных измерений, видимых в левой части, в сравнении с теоретически предсказанной формой фотона в правой части. Предоставлено: FUW

Факты о фотонах

• Не только свет состоит из фотонов, но и вся электромагнитная энергия (т.е. микроволны, радиоволны, рентгеновские лучи) состоит из фотонов.
• Первоначальная концепция фотона была разработана Альбертом Эйнштейном. Однако именно ученый Гилберт Н. Льюис первым использовал слово «фотон» для его описания.
• Теория, которая утверждает, что свет ведет себя и как волна, и как частица, называется теорией дуальности волна-частица.
• Фотоны всегда электрически нейтральны. У них нет электрического заряда.
• Фотоны не распадаются сами по себе.

.

Свет и его свойства: Урок 16. волновые свойства света. приборы, использующие волновые свойства света — Естествознание — 11 класс