Что такое свет в физике — определение, свойства и природа света

Источники освещения: естественные и искусственные

Взяв паспортные данные на классическую лампу накаливания и светодиод, можно выяснить световую отдачу каждого изделия. Для этого указанный в люменах поток делят на потребляемую мощность (Вт).

В чем измеряется освещенность

Эти данные наглядно демонстрируют преимущества новых технологических решений.

Следует подчеркнуть! Современные светодиодные лампы в несколько раз экономичнее, по сравнению с газоразрядными аналогами. В отличие от последних, они не содержат вредные вещества. Потенциальных потребителей привлекают их долговечность и устойчивость к механическим воздействиям.

Солнечный и лунный свет – естественные источники. Физиологические особенности человека сформировались с учетом соответствующего спектрального распределения.

Опыт Т. Юнга

Для демонстрации явления интерференции и для определения длины волны света Т.Юнг поставил специальный эксперимент.

Для получения четкой интерференционной картины необходимо иметь два когерентных световых луча, то есть, луча, обладающих одинаковой длиной волны и имеющих постоянную разность фаз. Освещая две близких щели, можно за ними на экране получить условия для сложения и вычитания световых волн – интерференцию. Главная идея опыта Юнга была в том, чтобы для освещения щелей использовать не простой световой луч, который использовали исследователи до Юнга, а луч, прошедший через маленькое отверстие, за которым, в соответствии с принципом Гюйгенса будет возбуждена единая когерентная волна, и именно она должна использоваться для освещения двух щелей, с получением за ними интерференционной картины.

Закон прямолинейного распространения света

Любой школьник, перешедший в 9-11 класс, должен знать, что свет в однородной среде распространяется по прямолинейной траектории, а его скорость равна 3х108
м/с
. С такой скоростью луч долетает от Земли до Луны (расстояние между которыми 384 000 километров) всего примерно за 1,2-1,3 секунды!

Исходя из прямолинейного распространения света, выводятся многие понятия, такие как тень, угол падения и отражения, и многое другое. Разный раздел науки по-разному использует эти данные, но они имеют большое значение в технике и теории.

Подытоживая скажем, что лексическое значение греческого слова «фотон» четко передает его смысл – это свет. Свет одновременно является и электромагнитной волной, и потоком частиц фотонов, которые распространяются от источника излучения и заполняют собой все окружающее пространство по законам прямолинейного распространения, дифракции, интерференции и т. д.

И естественное, и искусственное освещение имеют одинаковые свойства, за исключением, разве что длины волны, ее амплитуды и других, более конкретных характеристик каждой волны.

Почему небо голубое, а трава зеленая?

Вообще-то это два вопроса, а не один. И поэтому мы дадим два разных, но связанных между собой ответа. Мы видим ясное небо в полдень голубым, потому что короткие волны света более эффективно рассеиваются при столкновении с молекулами газа в атмосфере, чем длинные. Так что голубизна, которую мы видим в небе — это синий свет, рассеянный и многократно отраженный молекулами атмосферы.

Но на восходе и закате небо может приобретать красноватый цвет. Да, и такое бывает, поверьте. Это происходит потому, что когда Солнце находится близко к горизонту, свету, чтобы достичь нас, приходится проделать более долгий путь через гораздо более плотный слой атмосферы (к тому же еще и довольно пыльный), чем когда Солнце находится в зените. Все короткие волны поглощаются, и нам остается довольствоваться длинными, отвечающими за красную часть спектра.

А вот с травой все слегка по-другому. Она выглядит зеленой, потому что поглощает все длины волн, кроме зеленых. Зеленые ей, видите ли, не по душе, поэтому она их отражает обратно нам в глаза. По этой же причине любой объект имеет свой цвет — мы видим ту часть спектра света, которую он не смог поглотить. Черные предметы выглядят черными, потому что поглощают все длины волн, практически ничего при этом не отражая, а белые — наоборот, отражают весь видимый спектр света. Это также объясняет, почему черное нагревается на солнце гораздо сильнее, чем белое.

Небо голубое, трава зеленая, собака — друг человека

Энергия и импульс фотона

Каждый фотон переносит некоторое количество энергии. Именно это количество называется энергией фотона.

Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:

Подставляем вместо E формулу энергии фотона: p = hv/c

А вместо частоты формулу v = с/λ: p = hc/cλ

Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.

Электромагнитная природа света

То, что обычный солнечный луч является электромагнитной волной, является доказанным научным фактом. Над этим трудились многие умы, в частности, Эйнштейн, Вавилов и другие. Не один раздел физики посвящен доказательству того факта, что свет возникает в результате различных возбуждений в атомах и молекулах.

Это может быть тепловое, химическое или электромагнитное воздействие. При прохождении различных процессов в атоме он излучает кванты энергии во всем видимом диапазоне.

Определение электромагнитной природы излучения доказано многими экспериментами, а также теорией. Наиболее полное описание данных вопросов дал известный ученый Максвелл в своих уравнениях по электромагнетизму.

По каким параметрам измеряется интенсивность света?

Обычный покупатель даже не задумывается, в чем измеряется свет и насколько это важная информация. Ведь свет, являясь физической величиной, измеряется по многим количественным и качественным параметрам. Их обязательно необходимо учитывать, планируя ремонт в квартире и подсчитывая количество лампочек, необходимых для каждой комнаты.

Свет можно измерять по следующим характеристикам:

• интенсивности;
• силе;
• яркости.

Просто так, «на глазок» вы не сумеете определить все необходимые параметры, поэтому стоит позаботиться о покупке приборов, которые помогут вам сохранить свое зрение и позитивный психологический настрой в любое время суток.

Нужно ли, на самом деле, измерять степень освещенности и что такое единица измерения света?

Ученые доказали, что тусклый или, наоборот, слишком яркий свет разрушают сетчатку человеческого глаза, из-за чего ухудшается острота зрения. Из-за разрушения сетчатки скорость и качество функционирования мозга снижаются. Недостаточное количество яркости увеличивает в людях сонливость, понижает работоспособность и ухудшает настроение

Следует учесть, что мы не берем во внимание ситуации, в которых тусклое свечение украшает обстановку: романтическое свидание, просмотр фильма и так далее. Насыщенный световой поток прибавляет сил, энергии, желания работать, тем самым быстрее утомляя человека

Единица измерения света установлена СанПиНом называют санитарные правила и нормы — данные, на которые нужно равняться при измерении освещенности. Замеры делаются для определения не только степени освещенности, но и уровня шума, пыли, загрязненности, вибрации. По мнению докторов, постоянный недостаток света на рабочем месте приводит к переутомлению сотрудников, ухудшению зрения и концентрации внимания. Рабочие становятся менее трудоспособными, что может вылиться в несчастный случай по невнимательности или другим причинам.

Помимо людей, от недостаточной освещенности страдают и другие живые организмы: растения, животные. Для быстрого развития и плодородного цветения растениям обязательно нужен мощный поток света. У животных из-за некачественного освещения могут появиться нарушения в росте и развитии, репродуктивной функции, наборе массы тела и может снизиться активность существа.

Измерение количества света для светодиодных устройств

Для наглядности удобно представить значение освещенности в типовых ситуациях. Эти значения можно сравнить с параметрами, которые приводят в сопроводительной документации производители светодиодных приборов.

Таблица освещенности

В рекламных проспектах для улучшения продаж лампочку могут назвать яркой и энергосберегающей. Чтобы сделать правильный вывод о потребительских параметрах изделия, можно пользоваться представленной выше информацией.

Волновые свойства света

То, что свет – это волна излучения с определенными волновыми свойствами, начали предполагать многие ученые еще в 17-18 веках. Опыты Юнга, Френеля, Ньютона явственно показали, что волновые характеристики выражаются в двух ключевых явлениях: дифракции и интерференции.

Именно они имеют значения при доказательстве того, что мы имеем дело с волной.

Луч видимого диапазона излучения способен как бы огибать препятствия любой формы и засвечивать даже ту область, которая якобы находится в тени. Отклонение от прямолинейного распространения, которое невозможно для твердых частиц, получило название дифракции.

Также доказано, что излучение может накладываться друг на друга и как бы дополнять волны аналогичной природы, либо же «тушить», уменьшать их интенсивность. Это явление получило название интерференции.

Оно активно применяется, к примеру, при производстве автомобильных фар – в их стеклах есть специальная фактура, которая позволяет использовать интерференцию и максимально увеличивать интенсивность свечения.

Но утверждение, что свет – это только волна, также находит протесты. Так как другие опыты, скажем, русского ученого Вавилова, показывают, что ему свойственна двойственная характеристика.

Общие сведения

Каждому человеку жизненно необходим качественный по всем физическим показателям свет. Световая отдача, яркость и интенсивность светового потока как в естественных, так и в искусственных условиях требуют непременного планирования, организации и последующего контроля имеющихся показателей перечисленных критериев. Любой, используемый нами источник света, представлен предметом, излучающим его по отношению к поверхности освещаемого объекта. Чем больше световых волн попадает на площадь данной поверхности, тем отчетливее и лучше виден рассматриваемый предмет. Именно эта величина именуется в физике освещенностью или интенсивностью света.

Конкретный вид распределения интенсивности световых волн в пространстве, куда они непосредственно падают, называется интерференцией

Физические свойства светового потока влияют на здоровье глаз, нервной системы и других жизненно важных органов человека, поэтому к обустройству жилого, учебного и рабочего помещения важно подходить с особой тщательностью

Свет, как физический фактор, имеет немало изученных специалистами характеристик, каждая из которых обладает своими единицами измерения. Перечислим основные из них:

• Сила света — параметр энергии, распространяемой за отдельный промежуток времени в определенном направлении. Единица измерения — канделы (Кд).
• Освещенность — демонстрирует отношение потока света к поверхности, на которую он падает. Единица измерения — люксы (Лк).
• Светоотдача — отражает отношение света и мощности осветительных устройств, которые его излучают. Единица измерения — люмены (Лм).

Таким образом, в оптике существует несколько важных физических факторов — светоотдача, яркость, сила и интенсивность, которые важно учитывать при приобретении специализированных осветительных устройств и аксессуаров к ним, последующем планировании и оборудовании ими помещения. Большинству рядовых покупателей разобраться в этих нюансах довольно сложно

Наиболее информативными являются единицы измерения, указанные производителем на упаковке товара — Лм/Вт, Кд, Лк и пр. Предлагаем узнать, в чем измеряется интенсивность света далее.

А что там — за видимой областью спектра?

По мере того, как волны становятся короче, цвет меняется от красного к синему, доходит до фиолетового и, наконец, видимый свет исчезает. Но сам свет не исчез — а перешел в область спектра, которая называется ультрафиолетом. Хоть эту часть спектра света мы уже не воспринимаем, но именно она заставляет светиться люминесцентные лампы, некоторые виды светодиодов, а также всякие прикольные светящиеся в темноте штучки. Дальше уже идут рентгеновское и гамма-излучение, с которыми лучше дел не иметь вообще.

С другого конца области спектра видимого света, там где заканчивается красный цвет, начинается инфракрасное излучение, которое скорее тепло, чем свет. Вполне может вас поджарить. Затем идет микроволновое излучение (очень опасное для яиц), а еще дальше — то, что мы привыкли называть радиоволнами. У них длины уже измеряются сантиметрами, метрами и даже километрами.

Длина волны света

Измерив оптическую разность хода световых лучей и расстояние между интерференционными полосами в опыте Юнга, можно получить формулу, по которой рассчитывается длина световой волны. Другим вариантом определения длины света является измерение радиуса колец Ньютона, и вычисление разности оптического хода волн, исходя из геометрии линзы.

Оказалось, что свет представляет собой волны очень небольшой длины – от $4×10^{-7}м$ для фиолетового до $8×10^{-7}м$ для красного цветов.

Волновой характер световых волн и их длина накладывают ограничение на предельное увеличение светового микроскопа. Объекты, имеющие величину меньше длины световой волны, будут «огибаться» световыми волнами, и увидеть их будет невозможно. Поэтому для большего увеличения в электронных микроскопах применяется поток электронов, которые в соответствии с принципом корпускулярно-волнового дуализма обладают свойствами волн с очень малой длиной.

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]:

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.