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:
,
где E — энергия кванта, — 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.
Характеристики света[править]
К основным характеристикам света относят его яркость и спектральный состав.
Ощущаемая яркость света связана с его интенсивностью и кривой видности человеческого глаза. Спектральная характеристика — более широкое понятие, нежели понятие цвета. Цвет — человеческое ощущение, обладающее свойством метамерии (вырождение
— восприятие различных объектов, как идентичных). Спектральная характеристика света определяется распределением интенсивности различных длин волн в суммарном спектре сложного излучения.
Другие физические величины, связанные со светом: освещённость, световой поток, световая отдача.
Видимый спектр[править]
Диапазон видимого света в спектре электромагнитного излучения. Указаны длина волны и частота электромагнитного излучения (в ).
Видимый свет — часть спектра электромагнитного излучения с длинами волн в приблизительном диапазоне 380—760 (от фиолетового до красного).
Цвета видимой части спектра[править]
Одной из субъективных характеристик света является его цвет, который определяется длиной волны излучения, или преобладающим, суммарным спектром сложного излучения.
Видимый свет
— электромагнитное излучение с длинами волн ≈ от 380 — до 760 (воспринимаемы глазом как цвета радуги от фиолетового до красного).
Скорость света[править]
В ХIХ веке было обнаружено, что свет может распространяться в безвоздушном пространстве, где звук уже не распространяется. Известен классический опыт: наблюдение за колокольчиком через прозрачный колпак, из-под которого постепенно выкачивают воздух. Наступает момент, когда видно, как по-прежнему бьется молоточек по колокольчику, — но звука уже не слышно. Это означает, что световые колебания распространяются в особой среде. Эту среду Гюйгенс назвал мировым эфиром (часто использовали короткое выражение, «эфир» — но в этом случае возникает путаница, смешение понятий эфир (вещество) и эфир (пространство)).
Скорость света в вакууме с
= 299 792 458 м/с Скорость света, как и других видов электромагнитного излучения, зависит от вида среды. В материалах с высокой плотностью скорость света существенно уменьшается, что вызывает эффекты преломления и дисперсии света.
Время, за которое луч света, отправленный с Земли, достигает Луны.
[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.
Теоретическая часть. Свет – это электромагнитное излучение
Свет – это электромагнитное излучение.
Электромагнитное излучение возникает при любом движении электрических зарядов. В различных условиях оно проявляет как волновые (с энергией , – постоянная Планка = 6,626·10–34 Дж·c), так и корпускулярные свойства (с энергией – физическая концепция теории относительности, согласно которой полная энергия физического объекта (физической системы, тела) равна его (её) массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме, где – энергия объекта, – его масса, – скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м/с).
Таким образом, электромагнитное излучение – электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами, – заряженными частицами, атомами, молекулами и пр. В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания.
Отметим, что воздействие света на глаз или какой-либо другой приемный аппарат состоит, прежде всего, в передаче этому аппарату энергии, переносимой световой волной.
Свет – невидимый для глаза, но становится видимым при столкновении с поверхностью.
Из волн разной длины образуются цвета. Все цвета вместе образуют белый свет. Глаз воспринимает диапазон так называемого видимого света, от 0.4 мкм до 0.76 мкм, за пределами которого находятся ультрафиолетовый и инфракрасный свет.
Отметим, что такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона (рассеяние фотонов на свободных электронах) можно успешно истолковать с классической точки зрения только на основе представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами.
Виды освещения
В зависимости от источника света освещение может быть трех видов: естественное, искусственное и совмещенное.
Естественное освещение
Естественное освещение – освещение земной поверхности за счет излучения солнца.
Единственным источником естественного освещения является солнце. Оно излучает прямой солнечный свет, часть которого рассеивается в атмосфере и создает рассеянное излучение. Таким образом, различают свет, падающий непосредственно от солнца и свет “неба” – солнечного света, рассеянного атмосферой. Естественное освещение меняется в зависимости от времени дня, состояния погоды и времени года. Главная особенность естественного освещения – непостоянство интенсивности и спектрального состава его излучения. Изменение освещенности подвержено влиянию закономерных и случайных факторов. К закономерным факторам относятся высота солнца над горизонтом и географическая высота. К случайным факторам относятся дождь, снег, туман, прояснения и т.д.
Освещенность помещения зависит от интенсивности прямого солнечного света, а также от окраски отражающих поверхностей окружающих зданий, от окраски потолка, стен, пола, мебели в самом помещении. Темные цвета поглощают большое количество световых лучей, белый цвет и светлые тона обеспечивают наибольшее отражение световых лучей – 70 –90 %, желтый цвет – 50 %, цвет натурального дерева – 40 %, зеленый и серый – 30 %, голубой – 25 %, светло-коричневый – 15 %, синий и фиолетовый – 10 %, черный – 1 %. Окраска стен и мебели оказывает также психофизическое действие. Так, красный, оранжевый и желтый цвета относятся к теплым тонам. Красный цвет возбуждает, желтый тонизирует. Они улучшают настроение, повышают работоспособность. Эти яркие цвета широко используют в дизайне детских комнат. Окраска стен и обивки мебели в красный, розовый цвета не приемлема для легковозбудимый людей.
Согласно санитарным нормам все помещения, в которых постоянно находятся люди, должны иметь естественное освещение.
Естественное освещение делится на следующие виды:
– верхнее естественное освещение;
– боковое естественное освещение;
– комбинированное естественное освещение.
Верхнее и комбинированное естественное освещение обеспечивают более равномерное освещение помещения, нежели боковое естественное освещение.
Боковое естественное освещение создаёт значительную неравномерность в освещении участков, расположенных вблизи окон или вдали от них.
При применении только бокового освещения создается высокая освещенность вблизи световых проемов и низкая в глубине помещения и при этом возможно образование теней от оборудования больших размеров.
При недостаточности естественного освещения используется комбинированное (совмещенное) освещение. Комбинированное освещение представляет собой освещение, при котором в светлое время суток используется одновременно искусственный и естественный свет.
Естественное освещение характеризуется тем, что создаваемая освещенность изменяется в чрезвычайно широких пределах в зависимости от времени дня, года, метеорологических факторов: облачности, и отражающих свойств поверхности земли.
Поэтому естественное освещение нельзя количественно задавать величиной освещенности.
В качестве нормируемой величины для естественного освещения принята относительная величина – коэффициент естественной освещенности (КЕО), , который представляет собой выраженное в процентах отношение освещенности в данной точке внутри помещения к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности ,создаваемой светом полностью открытого небосвода, то есть
.
Таким образом, КЕО оценивает размеры оконных проёмов, вид остекления и переплетов, их загрязнение, то есть способность системы естественного освещения пропускать свет.
Искусственное освещение
Искусственное освещение предусматривается во всех производственных и бытовых помещениях, где недостаточно естественного света, а также для освещения помещений в ночное время.
По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на рабочее, аварийное, эвакуационное, охранное, дежурное. Рабочее освещение обеспечивает зрительные условия нормальной работы, прохода людей и движения транспорта. Аварийное освещение устраивают для продолжения работы при внезапном отключении рабочего освещения. При этом нормируемая освещенность должна составлять 5 % от рабочего освещения, но не менее 2 лк внутри зданий и не менее 1 лк для территории предприятий, Эвакуационное освещение предусматривается для эвакуации людей из помещений при авариях в местах, опасных для прохода людей, на лестничных клетках (должно быть в помещениях не менее 0,5, а на открытых территориях – не менее 0,2 лк). Для охранного освещения площадок предприятий и дежурного освещения помещений выделяют часть светильников рабочего или аварийного освещения.
В качестве источников света применяют газоразрядные лампы или лампы накаливания. Совокупность источника света и осветительной арматуры представляет собой светильник. Наиболее важными функциями осветительной арматуры являются предохранение глаз работающих от чрезмерно больших яркостей источников света, а также перераспределение светового потока лампы, которое повышает эффективность осветительной установки. По распределению светового потока в пространстве различают светильники прямого, рассеянного и отраженного света, а по конструктивному исполнению – светильники открытые, закрытые, защищенные, пыленепроницаемые, влагозащитные, взрывозащищенные, взрывобезопасные. По назначению светильники делятся на светильники общего и местного освещения.
Искусственное освещение может быть общим (равномерным или локализованным) и комбинированным (к общему добавляется местное). Применение только местного освещения запрещается.
В кодексе о труде в морском судоходстве скзано:
Руководящий принцип В3.1.4 – Освещение
1. На всех судах жилые помещения моряков должны обеспечиваться электрическим освещением. Если не имеется двух независимых источников электричества для освещения, то должна обеспечиваться дополнительная система аварийного освещения с помощью ламп или осветительных приборов надлежащей конструкции.
2. В каютах у изголовья каждой койки должны устанавливаться электрические лампочки для чтения.
3. Соответствующие нормы естественного и искусственного освещения должны устанавливаться компетентным органом.
В Российском морском регистре указано, что во всех судовых помещениях, местах и пространствах, освещение которых является важным для обеспечения безопасности плавания, управления механизмами и устройствами, обитаемости и эвакуации пассажиров и экипажа, посадки и высадки лоцмана, должны быть установлены стационарные светильники основного освещения, которые получают питание от основного источника электрической энергии.
Распределительные щиты основного освещения должны получать питание по отдельным фидерам. От щитов основного освещения допускается осуществлять питание электрических приводов неответственного назначения мощностью до 0,25 кВт и отдельных каютных электрических грелок с номинальным током до 10 А. Освещение коридоров, машинных помещений, туннелей валопроводов, указателей уровня воды в котле должно получать питание не менее чем по двум независимым фидерам с таким расположением светильников, чтобы даже в случае выхода из строя одного из фидеров обеспечивалась возможно большая равномерность освещения.
Освещенность отдельных помещений и пространств должна быть не менее указанной в таблице ниже. Указанные требования не относятся к судам, имеющим освещение, питаемое напряжением ниже 30 В.
