Что такое свет

Что такое свет

Современная физическая оптика рассматривает свет как разновидность электромагнитных волн, воспринимаемых глазом человека. Другими словами можно сказать, что свет - это видимое электромагнитное излучение.

Видимый свет

Что такое свет

Как известно, электромагнитные волны различаются частотой и длиной волны. И в зависимости от этих значений электромагнитное излучение делят по частотным диапазонам.

В физике видимым светом принято считать электромагнитные волны, длины которых лежат в диапазоне от 380 нм (частота колебаний 750 ТГц) до 780 нм (частота колебаний 429 ГГц).

Вне физической оптики к понятию «свет» относят также электромагнитные волны, не видимые глазом человека, в инфракрасном диапазоне с длиной волны 1 мм — 780 нм и частотой 300 ГГц — 429 ТГц и в ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 380 — 10 нм и частотой 7,5·1014 Гц — 3·1016 Гц.

Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения называют оптической областью спектра. Верхняя граница оптического диапазона является длинноволновой границей инфракрасного излучения, а нижняя - коротковолновой границей ультрафиолетового излучения. Таким образом, диапазон оптического излучения - от 1 мм до 10 нм.

Как же возникает свет? Оказывается, он образуется в результате процессов, происходящих внутри атомов при изменении их состояния. При этом возникает поток частиц, называемых фотонами. Они не имеют массы, но обладают энергией.

Получается, что свет одновременно обладает свойствами электромагнитной волны и свойствами дискретных частиц - фотонов.

Источники света

Что такое свет

Любое тело, излучающее электромагнитные волны с частотой, расположенной в диапазоне видимого света, можно назвать источником света. Все источники света делятся на естественные, созданные самой природой, и искусственные, созданные людьми.

Самый важный естественный источник света на Земле - это, конечно же, Солнце. Оно даёт нам не только свет, но и тепло. Благодаря энергии солнечного света на нашей планете существует жизнь. Свет излучают Луна, звёзды, кометы и другие космические тела. Источниками естественного света могут быть не только тела, но и природные явления. Во время грозы мы видим, каким мощным светом озаряет всё вокруг вспышка молнии. Полярные сияния, светящиеся живые организмы, минералы и др. - это тоже природные источники света.

Самым первым и самым древним искусственным источником света можно назвать огонь костра. Позднее люди научились использовать другие виды топлива и создавать переносные источники света: свечи, факелы, масляные лампы, газовые фонари и др. Все эти источники были основаны на горении и вместе со светом выделяли большое количество тепла.

С изобретением электричества появились электрические лампочки, до сих пор использующиеся людьми в качестве источников света.

Геометрическая оптика

Что такое свет 

Распространение света в прозрачной среде, его отражение от зеркально-отражающихся поверхностей, преломление на границе двух прозрачных сред происходит по определённым законам, изучением которых занимается геометрическая оптика.

Для изучения различных световых явлений в геометрической оптике применяются такие понятия, как точечный источник света и световой луч.

Основное понятие геометрической оптики - световой луч.

Обычная лампа распространяет свет равномерно во все стороны. Закроем эту лампу непрозрачным материалом таким образом, чтобы свет, излучаемый ею, мог проходить лишь в небольшое узкое отверстие. Через него пойдёт узкий световой поток, направленный вдоль прямой линии. Эта линия, вдоль которой распространяется световой пучок, называется световым лучом. Направление этого луча не зависит от его поперечных размеров.

Свечи, фонари, лампы и другие источники света имеют довольно большие размеры по сравнению с расстоянием, на которое распространяется их свет. Их называют протяжёнными источниками света. Точечным источником света считается такой источник, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием, до которого доходит этот свет. Например, космическая звезда, имеющая на самом деле огромные размеры, может считаться точечным источником света, так как расстояние, на которое этот свет распространяется, огромно по сравнению с размерами самой звезды.

Рассмотрим основные законы геометрической оптики.

Закон прямолинейного распространения света

Что такое свет

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона служит опыт, в котором свет от точечного источника проходит через небольшое отверстие в экране. В результате образуется узкий световой пучок, а в плоскости, расположенной за экраном параллельно ему, появляется правильный световой круг с центром на прямой, вдоль которой свет распространяется.

Разместим между источником света и экраном небольшой предмет. На экране мы увидим тень этого предмета. Тень - это область, куда не попадает световой луч. Её появление объясняется прямолинейным распространением света. Если источник света точечный, то образуется только тень. Если же его размеры довольно велики по сравнению с расстоянием до предмета, то создаются тень и полутень. Ведь в этом случае световые лучи исходят от каждой точки источника. Некоторые из них, попадая в область тени, подсвечивают её края, и тем самым создают полутень - область, в которую световые лучи попадают частично.

Закон прямолинейного распространения объясняет природу солнечного и лунного затмений. Солнечное затмение происходит, когда Луна располагается между Солнцем и Землёй, и тень от Луны падает на Землю.

Что такое свет

Закон прямолинейного распространения света использовали ещё древние греки при установке колонн. Если колонны расположить строго по прямой линии, то самая ближайшая из них зрительно закроет собой все остальные.

Закон отражения света

Что такое свет

Если на пути светового луча встречается отражающая поверхность, то световой луч меняет своё направление. Падающий и отражённый лучи и нормаль (перпендикуляр) к отражающей поверхности, восстановленная в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол между лучами делится этой нормалью на две равные части. Наиболее распространённая формулировка закона отражения: «Угол падения равен углу отражения». Но это определение не указывает направление отражённого луча. Между тем отражённый луч пойдёт в направлении, обратном падающему лучу.

Что такое свет

Если размеры неровностей поверхности меньше длины световой волны, то лучи, падающие параллельным потоком, отразятся зеркально и также пойдут параллельными потоками.

Если же размеры неровностей превышают длину волны, то узкий пучок будет рассеиваться, и отражённые лучи пойдут по разным направлениям. Такое отражение называют диффузным, или рассеянным. Но, несмотря на беспорядочное рассеивание, закон отражения выполняется и в этом случае. Для любого луча угол падения и угол отражения будут равны.

Что такое свет

Закон преломления света

Что такое свет

Опустим карандаш в чашку с водой. Зрительно нам кажется, что он словно переломился надвое на поверхности воды. На самом деле с карандашом ничего не произошло. Причина в том, что луч света падает на поверхность воды под одним углом, а уходит вглубь под другим. Из-за этого искажаются размеры и расположение физических тел.

Что такое свет

Изменение направления светового луча на границе раздела двух прозрачных для световых волн сред называют преломлением  света.

Закон, описывающий преломление световых волн, называется законом Снеллиуса (Снелля или Снелля) по имени его автора - голландского математика Виллеброрда Снеллиуса, открывшего его в 1621 г.

Что такое свет

Согласно этому закону угол падения света на поверхность раздела и угол преломления связаны отношением:

n1 sinƟ1 = n2 sinƟ2,

или sinƟ1 / sinƟ2 = n2/ n1,

где n1 - показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;

Ɵ1 - угол между падающим на поверхность раздела световым лучом и нормалью к этой поверхностью;

n2 - показатель преломления среды, в которую попадает свет после границы раздела;

Ɵ2 - угол между прошедшим поверхность раздела лучом и нормалью к этой поверхности.

Показатель преломления среды - это отношение скорости света в вакууме к его скорости в данной среде:

n = c/v

Чем больше он отличается от единицы, тем бóльшим будет угол отклонения светового луча при переходе из вакуума в среду.

Отношение n2/ n1 называют относительным показателем преломления.

Луч света, входящий в более плотную среду, образует с нормалью к этой поверхности меньший угол, то есть преломляется вниз. Но в реальности кажется, что этот угол, наоборот, бóльший, чем угол падения. В результате этого мы наблюдаем искажение размеров, формы и расположения предметов. Предметы, находящиеся в воде, кажутся нам бóльшими, чем они есть на самом деле, и расположенными выше. Так, купальщики часто ошибаются, оценивая глубину водоёма. Они видят дно приподнятым, а глубина кажется им меньшей.

Из-за преломления солнечного света в атмосфере мы наблюдает восход Солнца немного раньше, а закат немного позже, чем эти явления происходили бы, если бы атмосферы не было.

На основе явления преломления построены объективы фото- и кинокамер, микроскопов, телескопов, биноклей и других оптических приборов, в составе которых есть оптические линзы или призмы.

При переходе света из более плотной среды в менее плотную (например, из воды в воздух) можно наблюдать полное внутреннее отражение светового луча. Оно возникает, когда угол падения равен некоторому значению, называемому предельным углом полного внутреннего отражения. При этом падающие лучи полностью отражаются от поверхности раздела. Преломлённые лучи исчезают совсем. 

Что такое свет

Это явление используют в волоконных светодиодах, которые изготавливают из оптически прозрачного материала. Они представляют собой очень тонкие нити. Свет, попадающий в них, полностью отражается от внутренних боковых поверхностей и распространяется на большие расстояния.

Что такое свет

Геометрическая оптика рассматривает свойства света без учёта его волновой теории и квантовых явлений. Конечно, точно описывать оптические явления она не может. Но так как её законы намного проще по сравнению с обобщающими волновыми законами, то её широко используют при расчёте оптических систем.