33. Физическая природа света. Волновые свойства света. Длина световой волны. Физические и психофизические характеристики света.
Физическая природа света двойственна. Свет проявляет себя и как электромагнитная волна, и как поток частиц – фотонов. Дуализм света отражается формулой ε = hv, так как энергия фотона ε является квантовой характеристикой, а частота колебаний v – характеристикой волнового процесса. Свету присущи все свойства электромагнитных волн:
1) отражение — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными оптическими свойствами в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. 2) преломление — явление изменения пути следования светового луча (или других волн), возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами. 3) интерференция — нелинейное сложение интенсивностей двух или нескольких световых волн. 4) дифракция — явление огибания светом преграды или прохождения через узкое отверстие.
Что Такое Свет-Волна Или Частица
5) поляризация — явление направленного колебания векторов напряженности электрического поля E или напряженности магнитного поля H.
Характеризуя волновые процессы часто используют длину волны .
Длина волны – это расстояние, на которое волновой процесс распространяется за время, равное периоду рассматриваемых колебаний.
где с =310 8 м/с – скорость света в вакууме, — период колебаний.
Частотным границам видимого света (3,8 – 7,5)10 14 Гц соответствует интервал значений длин волн от 400 до 790 нм (1 нм = 10 -9 м).
Характеристики света. 1) Цвет — качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов.
Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом c окружающими источниками света, а также несветящимися объектами. 2) Яркость — характеристика светящихся тел, равная отношению силы света в каком-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. 3) Освещённость — физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности. 4) Световой поток — физическая величина, характеризующая „количество“ световой энергии в соответствующем потоке излучения.5) Световая отдача источника света — отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности.
34. Отражение и преломление света. Полное внутреннее отражение. Волоконная оптика, ее применение в медицине.
Закон отражения света. Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения; угол отражения равен углу падения.
Есть ли цвет, который никто не видел?
Если луч света падает на плоскую отражающую поверхность, то нормаль – это перпендикуляр к отражающей поверхности (рис. 1)
Если луч падает на изогнутую поверхность, то нормаль – это продолжение радиуса, проведенного из центра кривизны в точку падения (или – перпендикуляр к касательной плоскости); см. рис.2.
Мы видим большинство предметов окружающего мира благодаря световым лучам, отраженным от их поверхностей. Реже приходится иметь дело с предметами, которые сами являются источниками света.
Очень часто отражающие поверхности имеют мелкомасштабные неровности. Например, на листе бумаги. Поэтому свет, падающий на лист бумаги, отражается в самых разнообразных направлениях, и лист бумаги виден с разных направлений. Закон преломления света.
Этот закон выполняется в тех случаях, когда свет проходит из одной прозрачной среды в другую, и состоит в следующем: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения. Закон преломления света имеет убедительное обоснование в волновой теории света. При переходе луча из одной среды в другую меняется скорость света, что приводит к повороту фронта световой волны и, соответственно, к резкому изменению направления световых лучей как перпендикуляров к фронту волны. При этом относительный показатель преломления оказывается равным отношению скорости света в этих средах, взятых по ходу луча:
Получается, что этот показатель зависит не только от свойств преломляющего вещества, но так же и от того, из какой среды пришел падающий луч.
В качестве стандартной среды сравнения, из которой приходит падающий луч, был принят вакуум, в котором скорость любых электромагнитных волн одинакова и равна с = 310 8 м/с
Абсолютный показатель преломления вещества равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в этом веществе:
Среда с бóльшим абсолютным показателем преломления называется оптически более плотной. При прохождении луча из оптически более плотной среды в менее плотную угол преломления оказывается больше, чем угол падения.
В этих условиях, увеличивая угол падения, мы придем к тому, что рано или поздно угол преломления окажется равным 90 0 : преломленный луч будет скользить по поверхности раздела двух сред, а при дальнейнешем увеличении угла – отражаться. Это явление полного внутреннего отражения. Оно лежит в основе волоконной оптики. Волоконная оптика — раздел оптики, который изучает физические явления, возникающие и протекающие в оптических волокнах. Опти́ческое волокно́ — нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения.
Жёсткие прямые или заранее изогнутые одножильные световоды и жгуты из волокон диаметром 15—50 мкм применяют в медицинских приборах для освещения внутренних полостей носоглотки, желудка, бронхов и т. д. Так же используются для передачи изображения. Приборы с В. О. широко применяются в терапии, хирургии, урологии, офтальмологии, пульмонологии и других областях медицины. Примером является аппарат эндоскоп – специальный прибор для осмотра внутренних полостей. Использование волоконной оптики позволяет передавать свет внутрь органа, избегая при этом его нежелательного нагревания, и допускает осмотр большей части полостей благодаря гибкости волоконно-оптических систем.
Источник: studfile.net
1. Дисперсия света
В (1666) году Исаак Ньютон, занимаясь усовершенствованием телескопов, обратил внимание на то, что изображение, получаемое с помощью объектива телескопа, окрашено по краям. Чтобы проверить предположение о роли преломления света в появлении разноцветных световых полос, учёный использовал щель в ставне в качестве источника света. На пути полученного узкого пучка разместил стеклянную призму.
Из опыта Ньютона следовал важный вывод.
Белый свет является сложным: пройдя через призму, он разлагается на различные цвета.
Гипотеза Ньютона была настолько необычной для его современников: что вызвала сильное волнение и вопросы среди учёных Ньютон доказал справедливость своей теории: разложил одной призмой белый свет на спектр и поставил вторую перевёрнутую призму, собрав спектр обратно в белый луч.
Преломлённый белый свет превратился в радугу из семи цветных полос, которую Ньютон назвал спектром. В спектре Ньютон выделил семь цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый.
Оптический спектр (от лат. spectrum — «видение», «изображение») — распределение оптического излучения по длинам волн.
Явление разложения света призмой на разноцветные полосы Ньютон назвал дисперсией.
Дисперсия (от лат. dispersio — «рассеяние») — разложение света на спектральные цвета при прохождении через оптически плотное вещество вследствие зависимости показателя преломления и скорости света в веществе от частоты (или длины) световой волны.
Различным цветам соответствуют различные показатели преломления: лучи красного цвета отклоняются на меньший угол, наибольший угол отклонения у лучей фиолетового цвета.
В трактате «Оптика» Ньютон написал:
Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости.
Как известно, показатель преломления среды (n) зависит от скорости света (upsilon) в веществе:
n = c v , где (c) — скорость света в вакууме.
Чем оптически плотнее среда, тем больше показатель преломления, тем меньше скорость света в веществе. Поэтому лучи фиолетовой части спектра преломляются сильнее (отклоняются на больший угол) по сравнению с лучами красного света, которые имеют большую длину волны (меньшую частоту).
Дисперсия света — зависимость показателя преломления от длины волны света.
Дисперсией объясняется радуга. В каплях воды солнечные лучи преломляются и образуют спектр.
При прохождении белого света через две призмы (рис.) на выходе наблюдается только «одноцветный» свет, который называется монохроматическим (происхождение термина от др.-греч. «один цвет»).
Свет каждого цвета располагается в достаточно узком интервале частот. Например, частота красного света соответствует интервалу 405-480 ТГц. Обычно для характеристики монохроматического цвета используют только одну определённую частоту.
Формирование у человека цветового восприятия физических тел является сложным физиологическим процессом. С точки зрения электромагнитной природы света окрашенность тел определяется зависимостью «поглощательной» способности тела от длины волны падающего света.
Данная зависимость используется в светофильтрах , которые в зависимости от вещества светофильтра поглощают свет конкретных длин волн (например, пленка со свойством сильно поглощать сине-зеленые лучи видимого спектра при освещении светом с такой же длиной волны будет казаться черной).
Источник: www.yaklass.ru
9 класс
Вы уже знаете, что абсолютный показатель преломления среды определяется её свойствами.
Являются ли свойства среды единственным фактором, определяющим показатель преломления, или существуют какие-либо другие причины, от которых он зависит?
Для ответа на этот вопрос проделаем опыт, изображённый на рисунке 145 (все изображённые на рисунке предметы размещены на классной доске с металлической основой и удерживаются на ней благодаря имеющимся на них магнитам).
Рис. 145. Наблюдение дисперсии света при преломлении в призме световых лучей разной частоты
Разместим около объектива осветителя О диафрагму Д с горизонтальной щелью (расположенной перпендикулярно плоскости чертежа) и синий светофильтр Ф (т. е. синее стекло). При этом на экране (роль которого выполняет укреплённая на доске и немного отогнутая бумажная полоска) на уровне световых лучей получится изображение щели синего цвета (на рисунке 145, а его положение обозначено символом C1).
Заменим синий фильтр на красный — и на том же месте вместо синего изображения щели увидим красное K1.
Теперь на пути красного светового пучка поставим треугольную стеклянную призму NEM (рис. 145, б; объёмное изображение призмы — на рис. 145, г). Проходя через призму, луч отклоняется в сторону более широкой её части NM, в результате чего изображение щели смещается вниз в положение K2.
Проделаем тот же опыт, предварительно заменив красный светофильтр на синий (рис. 145, в). Мы обнаружим, что изображение щели, полученное в синих лучах, прошедших через призму, окажется в положении C2, т.е. сместится в том же направлении, что и красное, но на большее расстояние.
Проведённый опыт свидетельствует о том, что лучи синего цвета, имеющие большую частоту, чем красные, преломились сильнее красных. Это означает, что абсолютный показатель преломления стекла, из которого изготовлена призма, зависит не только от свойств стекла, но и от частоты (от цвета) проходящего через него света.
Из рисунка 145, д видно, что уже на грани NE призмы при одном и том же угле падения α синий луч преломился сильнее красного:
βc βк,
значит, sin α / βc > sin α / βк,
т. е. nc > nк.
Coответственно для синих лучей больше и оптическая плотность стекла, но скорость их распространения в стекле меньше скорости красных, поскольку скорость обратно пропорциональна показателю преломления:.
Зависимость показателя преломления вещества и скорости света в нём от частоты световой волны называется дисперсией света.
Слово «дисперсия» происходит от латинского dispersio и означает «рассеяние, развеивание».
Теперь, убрав с осветителя фильтр, пропустим через призму пучок белого света (рис. 146).
Рис. 146. Разложение пучка белого света в спектр
Мы увидим, что этот пучок не только отклонился к более широкой части призмы, но и разложился в спектр 1 , в котором семь цветов — красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий и фиолетовый (как в радуге) — плавно переходят друг в друга.
1 В данном случае под спектром понимается совокупность частот или длин волн, содержащихся в излучении какого-либо вещества.
(В общем случае в физике спектр — это совокупность всех значений какой-либо физической величины, характеризующей систему или процесс.)
Это наводит на мысль, что белый свет является сложным, состоящим из световых волн разных цветов (и соответственно разных частот).
Синий и красный лучи, выделенные в предыдущем опыте из белого света с помощью фильтров, при прохождении через призму не разлагались в спектр. Это говорит о том, что цветные лучи являются простыми, или, как их ещё называют, монохроматическими (от греческих слов monos — один, единственный и Chromatikos — цветной, окрашенный). Свет каждого цвета представлен волнами настолько узкого интервала частот, что обычно его характеризуют одной определённой частотой.
Чтобы удостовериться, что призма не окрашивает, а именно разлагает белый свет, поставим на пути вышедшего из призмы и разложившегося в спектр пучка собирающую линзу (рис. 147).
Рис. 147. Сложение спектральных цветов с помощью линзы
Мы увидим, что после преломления в линзе разноцветные лучи, пересекаясь в точке А, «складываются», приобретая белый цвет.
Сложить спектральные цвета и получить белый цвет можно и на более простом опыте. Возьмём картонный диск с изображёнными на нём разноцветными секторами и укрепим его на валу центробежной машины (рис. 148). При быстром вращении диска создаётся впечатление, что он белый.
Рис. 148. Опыт по сложению спектральных цветов
Зададимся вопросом, почему окружающие нас тела, освещённые одним и тем же солнечным светом, имеют разные цвета. В чём заключается физическая причина такого различия? Чтобы выяснить это, проделаем опыт.
Рис. 149. Установка для получения сплошного спектра и объяснения того, почему окружающие нас тела, освещённые солнечным светом, имеют разные цвета
C помощью установки, изображённой на рисунке 149, получим на белом экране (или на укреплённом на доске листе белой бумаги) спектр, изображённый на рисунке 150, а. Закроем правую часть спектра широкой бумажной полоской, например зелёного цвета. Мы увидим, что цвет полоски остаётся ярко-зелёным и не меняет оттенка только в той области, где на неё падают зелёные лучи. А при освещении лучами других цветов она либо меняет оттенок (в жёлтой части спектра), либо выглядит тёмной (рис. 150, б).
Рис. 150. Сплошной (непрерывный) спектр
Значит, покрывающая полоску краска обладает способностью отражать только зелёный свет и поглощать свет всех остальных цветов.
Мы повторили с вами опыты, которые проделал И. Ньютон в 1666 г. Он пропускал через призму узкий пучок солнечного света, проходящего через маленькое отверстие в ставне.
В настоящее время для получения чётких и ярких спектров используют специальные оптические приборы.
На рисунке 151 показано устройство и внешний вид одного из таких приборов — двухтрубного спектроскопа.
Рис. 151. Схема устройства и внешний вид двухтрубного спектроскопа
Рассмотрим принцип действия спектроскопа. В трубе К (рис. 151, а), называемой коллиматором, имеется узкая щель S. Через эту щель исследуемый свет входит в прибор и расширяющимся пучком падает на линзу Л1. Поскольку щель S расположена в фокальной плоскости этой линзы, то свет выходит из линзы параллельным пучком, а затем падает на призму П.
Так как волны разных цветов (т. е. разных частот) отклоняются призмой на разные углы, то из призмы выходят параллельные пучки разного направления (на рисунке показаны крайние лучи только двух пучков — красного и фиолетового). Эти пучки, преломившись в линзе Л2, образуют в её фокальной плоскости ЭЭ1 изображения щели S. Причём изображения, соответствующие волнам разных частот, приходятся на разные места плоскости ЭЭ1.
Если на щель падает белый свет, то все изображения щели сливаются в цветную полосу, в которой представлены все цвета.
Если же исследуемый свет представляет собой смесь нескольких монохроматических (простых) цветов, то спектр получится в виде узких линий соответствующих цветов, разделённых тёмными промежутками.
В спектрографе в плоскости ЭЭ1 помещается фотопластинка, на которой получается фотография спектра. Фотография спектра называется спектрограммой.
Если же в плоскость ЭЭ1 поместить матовое стекло, то образующийся на нём спектр можно наблюдать глазом, увеличив изображение с помощью линзы. В этом случае прибор называется спектроскопом. Внешне спектрограф и спектроскоп выглядят одинаково (рис. 151, б).
На рисунке 152 показан однотрубный спектроскоп (внешний вид — рис. а; устройство — рис. б и в). В школе его обычно используют при выполнении лабораторных работ по оптике.
Рис. 152. Внешний вид и схема устройства однотрубного спектроскопа, применяемого при выполнении школьных лабораторных работ по оптике
В том, как он действует, вы разберётесь самостоятельно при выполнении задания 3 из упражнения 45.
Спектроскоп был сконструирован в 1815 г. немецким физиком Йозефом Фраунгофером. Этот прибор был необходим учёному для исследования явления дисперсии, которым он занимался в то время.
Вопросы:
1. Что называется дисперсией света?
2. Расскажите об опыте по преломлению белого света в призме. (Ход опыта, результаты, вывод.)
3. Расскажите об опыте, изображённом на рисунке 152.
4. В чём заключается физическая причина различия цветов окружающих нас тел?
5. Используя рисунок 151, расскажите об устройстве спектрографа.
6. Что такое спектрограмма?
7. Чем спектрограф отличается от спектроскопа?
Упражнения:
Упражнение № 45
1. На столе в тёмной комнате лежат два листа бумаги — белый и чёрный. В центре каждого листа наклеен оранжевый круг. Что вы увидите, осветив эти листы белым светом; оранжевым светом такого же оттенка, как и круг?
2. Напишите на белом листе бумаги первые буквы названий всех цветов спектра фломастерами соответствующих цветов: К — красным, О — оранжевым, Ж — жёлтым и т. д. Рассмотрите буквы через трёхсантиметровый слой ярко окрашенной прозрачной жидкости, налитой в тонкостенный стакан. Запишите результаты наблюдений и объясните их.
Указание: в качестве указанной жидкости можно использовать, например, малиновый или лимонный сироп, различные соки и т. п.
3. Рассмотрите рисунок 152, в и объясните, почему при входе в призму ADB лучи отклоняются в сторону более широкой её части (угол преломления меньше угла падения), а при входе в призму DBE — в сторону более узкой её части (угол преломления больше угла падения).
Источник: xn—-7sbbfb7a7aej.xn--p1ai
Основные характеристики света
Функциональный или, как теперь принято говорить, архитектурный свет — это сегмент освещения, где крайне важны базовые знания и понимание основных качественных и количественных характеристик света для правильного подбора оборудования в проект.
1 Световой поток
Световой поток — количество излучаемого света и один из самых значимых параметров светильника. Оперируя данной величиной, можно выбрать тип и количество световых инструментов для конкретной задачи или помещения.
Единицы измерения:
лм (lm) — Люмен
Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан
Стоит учесть, что восприятие равного количества светового потока сильно отличается у разных типов приборов, а именно: у приборов акцентного и рассеянного света.
Для приблизительной оценки количества света и его распределения существуют светотехнические расчеты на базе современных программ (DiaLux, Relux).
2 Мощность
Мощность — количество электрической энергии, которое световой прибор потребляет из сети. Не следует ориентироваться на этот параметр для оценки количества света. Это связано с тем, что каждый светодиодный светильник сконструирован по-разному и имеет различную базу элементов: источник света, оптику, особенности корпуса и др.
Поэтому светильники с равной мощностью могут излучать разное количество света.
3 Освещенность
Освещенность – показывает плотность распределения светового потока на заданной площади.
Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. При удалении его от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.
Единицы измерения:
лк (lx) — Люкс
Один люкс равен одному люмену на квадратный метр
4 Яркость
Яркость (не путать с освещенностью и световым потоком) показывает нам какое количество света отражается от поверхности объекта в направлении наблюдателя.
Например, темный стол и лежащий на нем лист белой бумаги будут иметь различную яркость, несмотря на одинаковую освещенность. Измеряется в канделах на метр квадратный.
Единицы измерения:
кд/м2 — канделы/метр квадратный
5 Контрастность
Контрастность освещения – разница в освещенности двух точек, которые мы чаще наблюдаем одновременно.
Высокая контрастность создает определенный драматический эффект. Она дает возможность существования акцентов, привлечение и направление внимания наблюдателя в заданную зону. Если зажечь спичку в темной комнате, волей-неволей, вы на нее посмотрите.
6 Коэффициенты пропускания, преломления, отражения
Коэффициенты относятся как к материалам и поверхностям, так и к самим светильникам. Свет, проходя через оптическую систему и преломляется, и отражается, и поглощается. Именно поэтому честно – писать уровень светового потока от светильника, а не от источника света, так как значительная его часть теряется на оптике светильника.
7 Индекс цветопередачи (CRI)
Индекс или коэффициент цветопередачи — важный количественный параметр, который показывает насколько точно человеческий глаз воспринимает освещаемые прибором цвета по сравнению с эталонными источниками света — солнцем и лампой накаливания, у которых этот показатель равен 100.
Способность различать цветовые полутона имеет разную степень важности в различных проектах: в музеях, ресторанах, магазинах и жилых пространствах цвета играют важнейшую роль, во вспомогательных помещениях и проходных зонах — это менее критично.
Выбор значения индекса цветопередачи определяется типом освещаемого пространства:
70 и ниже — удовлетворительный — подходит для складских и утилитарных задач.
80 — хороший — подходит для жилых и рабочих пространств.
90 — отличный — для ресторанов, бутиков, салонов красоты.
95-97 — повышенный — специальное решение для музеев и галерей.
8 Цветовая температура
Цветовая температура — величина, которая отражает «оттенок» излучаемого света, в градации от теплого до холодного. Измеряется в градусах Кельвина (К).
Единицы измерения:
К — Кельвины
Эта характеристика света влияет на биоритмы человека, поэтому от выбора правильной цветовой температуры зависит физическое и эмоциональное состояние человека, а также атмосфера пространства.
2400 К — очень теплое, почти оранжевое свечение. Подойдет для спальных комнат, зон отдыха, спа салонов и лаунж пространств. Создает комфортную атмосферу для расслабления.
2700 К — теплое свечение, близкое к уютному свету от лампы накаливания. Является решением для домашних интерьеров, гостиничных номеров, кафе и ресторанов.
3000 К — теплое свечение, менее располагающее к релаксации. Универсальное решение для всех видов жилых и общественных пространств: магазинов, салонов красоты и прочих.
3500 К — ближе к нейтральному оттенку белого света. Подойдет для магазинов, ресторанов, холлов и рабочих пространств.
4000 К — нейтральный белый свет, создает бодрую атмосферу для активной работы. Такой свет подходит для офисных пространств, торгово-развлекательных центров, тренажерных залов.
5000 К (и выше) — холодный свет, близкий к голубому. Не самый комфортный для человека, поэтому в основном используется для освещения ювелирных украшений, рыбы и морепродуктов.
Нейтральный и холодный свет обладает способностью создавать ощущение «чистоты». По этой причине его используют в салонах красоты, медицинских центрах, общественных санузлах.
Источник: aledo-pro.ru