Какую природу имеет свет – Природа и законы света 🚩 Естественные науки

Природа и законы света 🚩 Естественные науки

 

Сегодня каждый ребенок старшего школьного возраста, проявляющий интерес к окружающей действительности, знает, что такое свет, и какую природу он имеет. В школах и колледжах лаборатории оснащены оборудованием, позволяющим увидеть подтверждение тем законам, которые сформулированы в учебниках. Чтобы выйти на такой уровень понимания и представления, человечеству пришлось пройти долгий и тяжелый путь познания. Пробиться сквозь догматизм и мракобесие.

В древнем Египте считали, что окружающие людей предметы испускают собственное изображение. Попадая в глаза людей, излучение формирует у них соответствующее изображение. Древнегреческий ученый Аристотель представлял картину мира иначе. Это человек, его глаз является источником лучей, которыми он «ощупывает» предмет. Сегодня суждения подобного рода вызывает снисходительную улыбку. Фундаментальное изучение физической природы света началось в рамках общего развития науки. 

К началу восемнадцатого века наука накопила достаточный объем знаний и наблюдений, чтобы сформулировать основные понятия о том, какую природу имеет свет. Точка зрения Христиана Гюйгенса заключалась в том, что излучение распространяется в пространстве волнообразно. Знаменитый и уважаемый Исаак Ньютон пришел к выводу, что свет это не волна, а поток мельчайших частиц. Эти частицы он назвал корпускулами. На тот момент научное сообщество приняло корпускулярную теорию о свете.

На основе этого постулата легко представить из чего состоит свет. Ученые и экспериментаторы почти двести лет изучали свойства света в видимой части спектра. К середине 19-го века в физике как науке, появились иные представления о том, что такое свет. Закон электромагнитного поля, который сформулировал шотландский ученый Джеймс Максвелл, гармонично соединил идеи Гюйгенса и Ньютона. По сути свет это волна и частица одновременно. За единицу измерения светового потока приняли квант электромагнитного излучения или другим словом – фотон.   

Фундаментальные исследования света в природе позволили накопить достаточную информацию, и сформулировать основные законы, которые объясняют свойства светового потока. В их числе значатся следующие явления:

·         Прямолинейное распространение луча в однородной среде;

·         Отражение луча от непрозрачной поверхности;

·         Преломление потока на границе двух неоднородных сред.

В своем учении о свете Ньютон объяснял наличие разноцветных лучей присутствием в них соответствующих частиц.

Действие закона преломления можно наблюдать в бытовых условиях. Для этого не требуется специальное оборудование. Достаточно в солнечный день поставить на солнце стеклянный стакан, наполненный водой, и поместить в него чайную ложечку. При переходе из одной среды в другую, более плотную, частицы изменяют траекторию движения. В результате изменения траектории, ложечка в стакане представляется искривленной. Так объясняет это явление Исаак Ньютон.     

В рамках квантовой теории этот эффект объясняется изменением длины волны. Когда луч света попадает в более плотную среду, скорость его распространения уменьшается. Такое происходит, когда световой поток переходит из воздуха в воду. И наоборот, скорость потока увеличивается при переходе из воды в воздух. Этот фундаментальный закон используется в приборах, которые применяются для определения плотности технических жидкостей. 

В природе эффект преломления светового потока все желающие могут увидеть летом после дождя. Семицветная радуга над горизонтом возникает в результате преломления солнечного света. Свет проходит через плотные слои атмосферы, в которых накопись мелкодисперсные водяные пары. Из школьного курса оптики известно, что белый свет разделяется на семь составляющих. Эти цвета легко запомнить – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. 

Закон отражения сформулирован еще древними мыслителями. Используя несколько формул, наблюдатель может определить изменение направления светового потока после встречи с отражающей поверхностью. Падающий и отраженный световой поток находятся в одной плоскости. Угол падения луча равен углу отражения. Эти свойства света используются в микроскопах и зеркальных фотоаппаратах.  

Закон прямолинейного распространения гласит, что в однородной среде видимый свет распространяется по прямой линии. Примером однородных сред могут быть воздух, вода, масло. Если на линии распространения луча поместить предмет, то возникнет тень от этого предмета. В неоднородной среде направление потока фотонов меняется. Часть поглощается средой, часть меняет вектор движения.

На протяжении всей истории своего развития человечество пользуется естественными и искусственными источниками света. К числу естественных принято относить следующие источники:

·         Солнце;

·         Луна и звезды;

·         Некоторые представители флоры и фауны.

Некоторые специалисты относят к этой категории огонь, который присутствует в костре, печи, камине. Северное сияние, которое наблюдается в Арктических широтах, тоже входит в перечень. 

Важно отметить, что природа света у перечисленных «светил» разная. Когда электрон в структуре атома, переходит с высокой орбиты на низкую, в окружающее пространство выделяется фотон. Именно этот механизм лежит в основе возникновения солнечного света. На Солнце длительное время сохраняется температура выше шести тысяч градусов. Поток фотонов «отрывается» от своих атомов и устремляется в космическое пространство. Примерно 35% этого потока попадают на Землю. 

Луна не испускает фотонов. Это небесное тело только отражает свет попавший на поверхность. Поэтому лунное освещение не приносит тепла, как солнечное. Свойство некоторых живых организмов и растений испускать кванты света приобретено ими вследствие длительной эволюции. Светляк в ночной тьме привлекает к себе насекомых для пропитания. Человек не имеет таких способностей и для повышения комфорта использует искусственное освещение.   

Еще сто пятьдесят лет тому назад большое распространение имели свечи, лампы, лучины и факелы. Население земли, в своем большинстве, использовало один источник света – открытый огонь. Свойства света интересовали инженеров и ученых. Изучение волновой природы света привело к важным изобретениям. В обиходе появились электрические лампы накаливания. В последние годы на рынке представлены осветительные приборы на базе светодиодов. 

Волна света в оптическом диапазоне воспринимается глазами человека. Диапазон восприятия невелик, от 370 до 790 нм. Если частота колебания ниже этого показателя, то ультрафиолетовое излучение «оседает» на коже в виде загара. Коротковолновые излучатели используются в солярии для ухода за кожей в зимний период. Инфракрасное излучение, частота которого за пределами верхней границы, ощущается как тепло. Практика последних лет подтвердила преимущества инфракрасных обогревателей перед электрическими.

Человек воспринимает окружающий мир благодаря способности своих глаз воспринимать электромагнитные волны. Сетчатка глаза обладает способностью улавливать фотоны и предавать полученную информацию для обработки в определенные участки мозга. Этот факт свидетельствует о том, что люди являются частью окружающей природы.

www.kakprosto.ru

Природа света

Первые теории о природе света — корпускулярная и волновая — появились в середине 17 века. Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света. Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон.

Согласно волновой теории свет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство — светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса. 
Каждая точка эфира, до которой дошел волновой процесс, является источником элементарных вторичных сферических волн, огибающая которых образует новый фронт колебаний эфира.

Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила  в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга.

Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Например, явление поляризации света показало. что световые волны поперечны. Упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, где имеет место деформация сдвига. Поэтому эфир должен быть твердой средой, но в то же время не препятствовать движению космических объектов. Экзотичность свойств упругого эфира являлась существенным недостатком первоначальной волновой теории.

Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет — электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).

Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других — свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.

 

В настоящее время установлено, что корпускулярно — волновая двойственность свойств присуща также любой элементарной частице вещества. Например, обнаружена дифракция электронов, нейтронов.

Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением двух форм существования материи — вещества и поля.

 

 

 

www.examen.ru

6.1.2 Физическая природа света и цвета

Напомним, что свет представляет собой электромагнитное излучение, связанное с флуктуацией электрического и магнитного полей. Иными словами, свет пред­ставляет собой энергию, а цвет есть продукт взаимодействия этой энергии с веще­ством. Однако для понимания природы цвета необходимо совершить небольшой экскурс в физику световых явлений и коснуться природы источников цвета.

Свет имеет двойственную природу, обладая свойствами волны и частицы. Корпус­кулы света, называемые фотонами, излучаются источником света в виде волн, распро­страняющихся с постоянной скоростью порядка 300000 км/с. Аналогично морским волнам световые волны имеют гребни и впадины. Поэтому в качестве ха­рактеристики световых волн используют длину волны, представляющую собой рас­стояние между двумя гребнями (единица измерения — метры или ангстремы, рав­ные 10

8м), и амплитуду, определяемую как расстояние между гребнем и впадиной.

Разные длины волны воспринимаются нами как разные цвета: свет с большой дли­ной волны будет красным, а с маленькой — синим или фиолетовым. В случае если свет состоит из волн разной длины (например, белый цвет содержит все длины волн,

то наш глаз смешивает разные длины воли в одну, получаем таким образом один результирующий цвет.

Рис. 6.3. Характеристики световой волны

Альтернативными характеристиками электромагнитного излучения являются час­тота (измеряемая в герцах или циклах/с) и энергия (измеряемая в электроно-вольтах). Чем короче длина волны, тем больше ее частота и выше энергия. И на­оборот, чем больше длина волны, тем меньше частота и ниже энергия.

6.1.3 Излученный и отраженный свет

Все, что мы видим в окружающем нас пространстве, либо излучает свет, либо его отражает.

Излученный цвет — это свет, испускаемый активным источником. Примерами таких источников могут служить солнце, лампочка или экран монитора. В основе их дей­ствия обычно лежит нагревание металлических тел либо химические или термоядер­ные реакции. Цвет любого излучателя зависит от спектрального состава излучения. Если источник излучает световые волны во всем видимом диапазоне, то его цвет бу­дет восприниматься нашим глазом как белый. Преобладание в его спектральном со­ставе длин волн определенного диапазона (например, 400 — 450 нм) даст нам ощуще­ние доминирующего в нем цвета (в данном случае сине-фиолетового). И наконец, присутствие в излучаемом свете световых компонент из разных областей видимого спектра (например, красной и зеленой) дает восприятие нами результирующего цвета (в данном случае желтого). Но при этом в любом случае попадающий в наш глаз излу­чаемый цвет сохраняет в себе все цвета, из которых он был создан.

Отраженный свет возникает при отражении некоторым предметом (вернее, его поверхностью) световых волн, падающих на него от источника света. Механизм отражения цвета зависит от цветового типа поверхности, которые можно условно разделить на две группы:

Первую группу составляют ахроматические (иначе бесцветные) цвета: черный, белый и все серые (от самого темного до самого светлого). Их часто называют ней­тральными. В предельном случае такие поверхности либо отражают все падающие на них лучи, ничего не поглощая (идеально белая поверхность), либо полностью лучи поглощают, ничего не отражая (идеальная черная поверхность). Все осталь­ные варианты (серые поверхности) равномерно поглощают световые волны раз­ной длины. Отраженный от них цвет не меняет своего спектрального состава, изменяется только его интенсивность.

Вторую группу образуют поверхности, окрашенные в хроматические цвета, которые по-разному отражают свет с разной длиной волны. Так, если вы осветите белым

цветом листок зеленой бумаги, то бумага будет выглядеть зеленой, потому что ее поверхность поглощает все световые волны, кроме зеленой составляющей белого цвета. Что же произойдет, если осветить зеленую бумагу красным или синим цве­том? Бумага будет восприниматься черной, потому что падающие на нее красный и синий цвета она не отражает. Если же осветить зеленый предмет зеленым све­том, это позволит выделить его на фоне окружающих его предметов другого цвета.

Процесс отражения света сопровождается не только связанным с ним процессом поглощения в приповерхностном слое. При наличии полупрозрачных предметов часть падающего света проходит через них (рис. 6.4). На этом свойстве основано действие фильтров фотоаппаратов, вырезающих из области видимого спектра нужный цветовой диапазон (иначе — отсекающих нежелательный цветовой спектр). Чтобы лучше понять этот эффект, прижмите к поверхности лампочки пластину цвет­ного оргстекла. В результате наш глаз «увидит» цвет, не поглощенный пластиком.

Рис. 6.4. Процессы отражения, поглощения и пропускания света объектом.

Каждый объект имеет спектральные характеристики отражения и пропускания. Эти характеристики определяют, как объект отражает и пропускает свет с опреде­ленными длинами волн.

• Спектральная кривая отражения определяется путем измерения отраженного

света при освещении объекта стандартным источником.

•Спектральная кривая пропускания определяется путем измерения света, яро-шедшего сквозь объект.

Некоторые измерительные устройства позволяют даже вводить поправки, компен­сирующие изменение условий внешнего освещения.

Спектральные характеристики отражения и пропускания связаны с явлением мета» метрии, суть которого состоит в том, что объекты с разными спектральными характе­ристиками могут выглядеть одинаково при одном освещении и по-разному — при дру­гом. Такое различие обусловлено как составом объектов, так и спектральным составом внешнего освещения. Для определения спектральных характеристик объектов исполь­зуют специальные приборы, спектрофотометры, со стандартными источниками света.

Указанные различия в механизмах формирования излученного и отраженного

цвета важны для понимания восприятия цвета глазом человека.

studfile.net

2.3. Природа и свойства света

При спектральном анализе о качественном и количественном составе вещества мы судим по излучению анализируемой пробы. В источнике света одновременно излучает большое количество атомов и ионов. Для того, чтобы понять природу спектра, надо рассмотреть, как излучает отдельный атом или ион. Свободные (не взаимодействующие друг с другом и с другими частицами) атомы и ионы имеют строго определенное строение и излучают определенные порции света. Для понимания природы эмиссионных спектров необходимо знать строение свободных атомов и ионов, а также «строение» самого света.

Способность света распространяться прямолинейно в однородной прозрачной среде (или в пустоте) была известна еще в древности. При построении изображения предметов в оптических приборах широко пользуются представлением о световом луче. Оно является основным в геометрической оптике.

При падении луча на границу раздела двух сред происходит отражение и преломление света. Отражение подчиняется закону: падающий и отраженный луч лежат в одной плоскости и угол падения равен углу отражения. Преломленный луч также лежит в одной плоскости с падающим, но величина угла преломления зависит от угла падения следующим образом: отношение синусов углов для данных сред является постоянной величиной, называемой показателем преломления.

(5)

Физика (теоретическая и экспериментальная) однозначно определяет, что свет состоит из мельчайших частиц – корпускул (корпускулярная теория). Прямолинейное распространение света соответствует движению частиц в отсутствии внешних сил, а отражение происходит также как соударение упругих шариков с плоской поверхностью. Преломление по данной теории происходит, если предположить, что среда с большим показателем преломления притягивает корпускулы света. Различные цвета по теории объяснялись различием в величине корпускул. Данная теория была предложена Ньютоном, но впоследствии от нее отказались, так как были открыты явления, которые не возможно было объяснить с помощью корпускул.

Если два луча от одного и того же источника света встречаются в одной точке пространства, то происходит интерференция света, т.е. взаимное усиление или ослабление интенсивности лучей. При прохождении света через небольшое отверстие наблюдается его дифракция, т.е. отклонение света от первоначального направления в одной и той же среде, например в воздухе. Данные явления типичны для волновых процессов. Также была установлена связь с электрическими и магнитными явлениями. Таким образом, утвердилась волновая теория, согласно которой свет – это электромагнитные волны. Они непрерывно излучаются нагретым телом и распространяются в вакууме или в прозрачной среде. Точки пространства, до которых дошли колебания, сами становятся источниками вторичных волн. В каждой такой точке возникает электромагнитное поле, напряженность которого периодически меняется. Интенсивность светового пучка определяется амплитудой электромагнитных колебаний. Время, в течении которого происходит полный цикл изменения напряженности поля в одной точке пространства, называется периодом колебания (Т), после окончания которого весь процесс в точности повторяется в течение каждого следующего периода. Величина, обратная периоду, называется частотой ().

(2)

Частота показывает, сколько колебаний происходит в 1сек. Световым колебаниям соответствуют очень большие частоты, примерно 10¹⁴ – 10¹⁵Гц. Напряженность поля в любой момент времени зависит от фазы () колебания, т.е. от того, какая часть периода прошла от начала колебаний.

Например, если от момента возникновения колебаний прошло время, равное ¼ Т, то напряженность поля будет максимальной.

Фаза колебаний величина безразмерная. Для ее нахождения необходимо все время, прошедшее от момента возникновения колебаний, разделить на Т. При этом целое число в частном соответствует числу полных колебаний, а дробный остаток дает фазу колебаний в данный момент. Если весь период колебаний считать равным 360⁰ или 2 радиан, то фаза также будет измеряться в градусах или радианах. Фаза, соответствующая началу периода равна 0, для ¼ Т =90⁰, или /2, для ½ Т =180⁰, или  и т.д. Особое значение имеет не сама фаза колебаний в данный момент, а разность фаз двух волн, пришедших в 1 и ту же точку пространства. Если разность фаз равна 0, то напряженности поля складываются, что приводит к увеличению амплитуды колебаний, при разности фаз 180⁰ происходит взаимное гашение полей, наблюдается полное прекращение колебаний.

Разность фаз и интерференция света возникают в результате того, что колебания, прежде чем достигнут 1 и той же точки пространства, проходят разный путь. Электромагнитные волны распространяются со скоростью света с300000км/сек=310¹⁰см/сек. Пока колебания от одной точки среды распространяются до другой точки, проходит некоторое время, в течение которого фаза колебаний в первой точке успевает измениться. Поэтому в 1 и тот же момент времени фаза колебаний (и напряженность поля) для разных точек пространства будет разной (напряженность поля периодически меняется).

Расстояние между двумя ближайшими точками, поле в которых меняется одинаково (в одной фазе), называется длиной волны 

(3)

Световые колебания разной длины волны (или частоты) воспринимаются глазом как различные цвета.

По корпускулярной теории скорость света в оптически более плотной среде, например в воде, больше, чем в воздухе, а по волновой, наоборот, меньше. Прямое измерение скорости света в воде и в воздухе показало, что права волновая теория: скорость света в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе, и показатель преломления воды по отношению к воздуху n=1,33.

Волновая теория хорошо объясняла почти все известные тогда явления, однако вскоре оказалось, что в некоторых случаях результаты опытов находятся в противоречии с этой теорией. Наиболее наглядно это противоречие видно в опытах по фотоэлектрическому эффекту. В любом металле имеются свободные электроны. Они могут перемещаться внутри куска металла, не выходя за его пределы. Для вырывания свободных электронов из металла необходимо совершить определенную работу, которая называется работой выхода. Для различных металлов она разная. При падении светового пучка на металл энергия световой волны передается свободным электронам. За счет этой дополнительной энергии некоторые электроны могут вылететь из металла. Это явление называется фотоэффектом. По волновой теории с увеличением амплитуды электромагнитных колебаний интенсивность светового пучка растет. Поэтому при работе с более интенсивными пучками света энергия, переданная каждому электрону, возрастает. Кинетическая энергия валентных электронов должна увеличиваться.

Число и скорость освобожденных электронов в зависимости от интенсивности и частоты света были измерены для многих металлов. Было установлено:

1. При увеличении интенсивности света определенной длины волны средняя энергия вылетевших электронов остается неизменной, но растет их число.

2. Даже небольшое уменьшение частоты света приводит к падению скорости электронов. При некоторой частоте скорость электронов становится практически равной нулю и переход к свету с еще меньшей частотой приводит к полному прекращению фотоэффекта.

3. Эта граница фотоэффекта зависит от работы выхода металла. Для металлов с большей работой выхода нужен свет с большей частотой.

Данные результаты опытов непонятны с точки зрения волновой теории, но они объясняются в современной теории света.

Атомы и молекулы излучают электромагнитные волны отдельными группами (волновыми пакетами). Каждый такой пакет распространяется как одно целое и обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его называют по аналогии с другими частицами – фотоном. При взаимодействии с материальными частицами фотон ведет себя как частица, однако обладает при этом и волновыми свойствами. Как и другие частицы, фотон переносит энергию. Его энергия – это суммарная энергия электромагнитного поля всего волнового пакета и зависит только от частоты колебаний 

(4)

где h=6,6210^-34Джс – постоянная Планка;

 — частота (Гц)

Вероятность нахождения фотона в точке х₀ максимальна, так как амплитуда волны в точке х₀ максимальна. Но существует вероятность обнаружить фотон и в других точках пространства.

Рис. 6

Интенсивность света J определяется числом фотонов N и энергией фотонов.

(5)

На основании современных представлений можно легко понять особенности фотоэффекта. При увеличении интенсивности света растет число фотонов, тогда как энергия каждого фотона остается неизменной, так как частота осталась прежней. Фотон поглощается полностью и его энергия передается одному электрону. Поэтому число свободных электронов растет, а их кинетическая энергия остается постоянной. При увеличении частоты света растет энергия каждого фотона, поэтому увеличивается и скорость свободных электронов. Легко понять также появление определенной граничной частоты фотоэффекта: когда для данного металла работа выхода одного электрона больше, чем энергия одного фотона, фотоэффект не наблюдается.

Таким образом, при изучении света, нужно одновременно пользоваться и волновыми и корпускулярными представлениями. Распространение света следует рассматривать, пользуясь волновой теорией, так как каждый фотон является группой волн и его движение как целого полностью определяется распространением этих волн. При изучении поглощения или испускания света веществом, наоборот, главную роль играет энергия фотона и лучше пользоваться представлением о свете как о потоке частиц.

Энергию фотонов часто измеряют в электрон – вольтах (эВ). 1эВ – это энергия, которая приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разностью потенциалов 1В. Длина волны фотона

(6)

Длина волны также измеряется обычно в ангстремах (), микронах (мк), миллимикронах (ммк), метрах (м). Соотношения между указанными величинами следующие:

(7)

где

Корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но и веществу. С каждой частицей вещества также связана волна материи (волна де-Бройля). При этом сохраняется связь (7).

Кроме энергии Е вещество еще характеризуется импульсом

(8)

где — число волн в единице длины, т.е. волновое число

(9)

(10)

Отсюда длина волны де-Бройля

(11)

Для материальной частицы массой m, движущейся со скоростью  импульс (если). Следовательно

(12)

с=2,997910⁸м/с

Возьмем в качестве частицы электрон, его масса m₀=9,110^-28г. Пусть электрон имеет энергию 10кэВ. Т.е. . Кинетическая энергия электрона

Тогда , или

Т.е. длина волны электрона с напряжением V равна

Для электрона с энергией 10кэВ

Можно вычислить длину волны де-Бройля для любой массы.

Для массы 60кг: первая космическая скорость – 7км/с=710³м/с, вторая космическая скорость – 11км/с=11.

— длина волны де-Бройля

Частота

Т.к. длина электрона меньше, чем длины волн света, то с использованием пучков электронов можно строить микроскоп. При этом можно будет различать более мелкие детали, чем в оптическом микроскопе, где .

Световые волны являются электромагнитными волнами в определенном диапазоне частот. Длина волны электромагнитных волн может изменяться в очень широких пределах от нескольких километров до малых долей ангстрема. Полный спектр содержит все типы электромагнитного излучения, расположенные по порядку от длинных к коротким волнам. В зависимости от длины волны меняется характер излучения и его свойства. В области длинных волн электромагнитное излучение имеет чисто волновой характер. Порция энергии, соответствующая отдельной группе волн, очень мала. Поэтому выделить отдельные кванты практически невозможно. Наоборот, в области коротких волн энергия одного кванта велика, и он может быть без труда обнаружен. Однако волновые свойства в связи с очень малой длиной волны почти незаметны.

Весь спектр удобно разделить на отдельные области в зависимости от применяемых источников излучения, методов разложения его в спектр и регистрации. Наиболее длинноволновая область спектра соответствует радиоволнам. Генерация и прием таких волн осуществляются методами радиотехники. Эти волны используют для радиовещания, более короткие – для телевидения.

Следующая область с более короткими волнами называется микроволновой с длинами волн от десятков сантиметров до десятых долей миллиметра. В этой области также применяют радиотехнические средства для получения и регистрации электромагнитных волн. Их используют для целей радиолокации и в последнее время в спектральном анализе.

Еще более короткие волны характеризуют оптическую область спектра: инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую. Разложение излучения в спектр осуществляется с помощью оптических спектральных аппаратов. Излучение и поглощение света в оптических областях спектра тесно связано со строением отдельных атомов и молекул и широко используется в спектральном анализе. К инфракрасной области относят излучение с длиной волны от нескольких миллиметров (частично перекрывая длинноволновую область) до 0,75мк (7500).Инфракрасная область подразделяется на ближнюю (<25мк) и дальнюю (>25мк). Практически дальнюю инфракрасную область используют реже, чем ближнюю.

Видимая область занимает узкий участок спектра примерно от 4000 до 7500). Электромагнитное излучение, соответствующее этой области, воспринимается глазом человека как видимый свет различных цветов в зависимости от длины волны. Видимое излучение занимает только маленький участок во всем электромагнитном спектре, но способность глаза непосредственно видеть только эти волны делает его главным для человека. Для спектрального анализа эта область также представляет значительный интерес, хотя и меньший, чем соседние: ультрафиолетовая и ближняя инфракрасная области.

Ультрафиолетовая область спектра примыкает к фиолетовому участку видимой области и продолжается в сторону коротких волн вплоть до рентгеновских лучей. В связи с некоторыми различиями в спектральных приборах и методах регистрации спектра ее разделяют на три участка: область ближнего и среднего ультрафиолета (4000— 2300),область дальнего ультрафиолета (2300— 1850) и областьвакуумного ультрафиолета (1850— 50), излучение в которой поглощается воздухом.

К области вакуумного ультрафиолета примыкает рентгеновская область, которая важна для медицины и техники а также и для спектрального анализа, так как излучение и поглощение рентгеновских лучей связано с изменением внутреннего строения атомов.

За рентгеновской областью расположена область -лучей, которые возникают при различных процессах в ядрах атомов.

Изображение областей спектра приведено на рис. 7

Рис. 7. Области спектра

В таблице 1 приведены применяемые в спектральном анализе величины и соотношения между ними.

Таблица 1

Единицы измерения

Величина	Единица измерения	Соотношение между единицами	Соотношение между величинами
Длина волны	Метр (м)	1м=106мк=109ммк=1010	; ; ;
	Микрон (мк) или микрометр (мкм)	1мк=10-6м=103ммк=104
	Миллимикрон (ммк) или нанометр (нм)	1ммк=10-9м=10-3мк=10
	Ангстрем ()	1=10-10м=10-4мк=10-1ммк
Частота	Герц (Гц) или сек-1		; ;
	Мегагерц (МГц)	1МГц=106Гц
Волновое число	Обратный метр (м-1)	1м-1=10-2см-1	; ;
	Обратный сантиметр (см-1)	1см-1=102м-1
Энергия фотона Е	Джоуль (Дж)	1Дж=107эрг=6,24191018эВ	; ;
	Эрг (эрг)	1эрг=10-7Дж=6,24191011эВ
	Электронвольт (эВ)	1эВ=1,6020710-19Дж=1,60207 10-12эрг

studfile.net

Природа света. Измерение скорости света. Волновая оптика

Природа света. Измерение скорости света. Волновая оптика

Оптика – это раздел физики, изучающий световые явления.
А что такое свет?

Взгляды ученых на природу света с течением времени изменялись.

С 18 века в физике шла борьба между приверженцами волновой теории и корпускулярной теории.

Известный ученый И.Ньютон считал: свет — это поток корпускул (частиц), выбрасываемых светящимся телом, которые распространяются в пространстве прямолинейно. Это предположение подтверждалось законом прямолинейного распространения света.

Английский ученый Р.Гук читал: свет – это механические волны. Подтверждением этой теории были работы Х. Гюйгенса, Т. Юнга, О. Френеля и др.

По современным представлениям свет имеет двойственную природу ( корпускулярно-волновой дуализм):
— свет обладает волновыми свойствами и представляет собой электромагнитные волны, но одновременно является и потоком частиц – фотонов. В зависимости от светового диапазона проявляются в большей мере те или иные свойства.

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА

Методы измерения скорости света можно разделить на астрономические и лабораторные.

Астрономический метод

В 1676году впервые осуществил измерение света датский физик О. Ремер.
Ремер наблюдал затмение спутника Юпитера Ио.

Ио – спутник Юпитера
I – спутник находился в тени Юпитера 4ч. 28 мин.
II – спутник вышел из тени на 22 мин.

Измерения проводились дважды: при наименьшем удалении Юпитера от Земли и через 6 месяцев, когда расстояние между Землей и Юпитером становилось наибольшим.

Полученное различие в продолжительности времени затмения объяснялось тем, что свет, распространяясь с конечной скоростью должен был пройти дополнительное расстояние, равное диаметру орбиты Земли.

Из-за плохой точности измерений Ремер получил лишь очень приблизительное значение скорости света 215 000 км/с.

Лабораторный метод

В 1849г. — французский физик Физо.

С помощью зеркала А свет от источника S направлялся на зубчатое колесо К, которое вращалось. Пройдя сквозь колесо свет достигал плоского зеркала З. После отражения снова падал на колесо и мог или пройти сквозь него, или нет (в зависимости от угла поворота колеса).

Скорость света определялась формулой:

где Z – число зубцов на вращающемся колесе
L= 8,6 км – расстояние между колесом и зеркалом
w (омега) – наименьшая угловая скорость вращения колеса, при которой свет не попадает к наблюдателю/

Физо получил скорость света — 313 000км/с.

Точность измерения скорости света

Впервые схему опыта измерения скорости света предложил Галилео Галилей в 1638 году, однако, в то время еще невозможно было поставить этот эксперимент.
Первое измерение скорости света было осуществлено датским ученым Ремером в 1676 году. В последующие годы еще многие ученые экспериментировали в этой области, и точность измерения скорости света постоянно повышалась.

Скорость света в вакууме

По современным измерениям скорость света в вакууме равна

Приблизительно при решении задач для вычислений берут обычно величину c = 300 000 км/с.

class-fizika.ru

ТЕМА ПОНЯТИЕ «СВЕТ»

ТЕМА ПОНЯТИЕ «СВЕТ»

Скоробогатова А.К. 1

---

1МБОУ «СОШ № 28», города Воронежа

Усеинова А.А. 1

---

1МБОУ СОШ № 28

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

1. мощность излучения

2. Сила света

3. отражение света

4. преломление света

5. Распространение света

1.График

2.Длина волн

3.Частота и период.

• Скорость света.

• Спектральный состав.

• Источники света.

• Свет — это электромагнитное излучение, видимое человеческому глазу. Оно состоит из волн разной длины, воспринимаемых как разные цвета. Очень длинные волны воспринимаются как красный, а очень короткие как фиолетовый. Между ними находятся оранжевый, жёлтый, зелёный, синий и индиго. Ниже красного находятся инфракрасные, микро- и радиоволны; выше фиолетового находятся ультрафиолет, рентгеновское и гамма-излучение Свет – гармоническое колебание. Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.

Но более простыми словами.

1. Лучистая энергия, воспринимаемая глазом, делающая окружающий мир видимым.

2. Тот или иной источник освещения.

Примечание:

Электромагнитное излучение — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.

Природа света

• В V веке до н. э., Эмпедокл предположил, что всё в мире состоит из четырёх элементов: огня, воздуха, земли и воды. Он считал, что из этих четырёх элементов, богиня Афродита создала человеческий глаз, и зажгла в нём огонь, свечение которого и делало зрение возможным. Для объяснения факта, что тёмной ночью человек видит не так хорошо, как днём, Эмпедокл постулировал взаимодействие между лучами, идущими из глаз и лучами от светящихся источников, таких, как солнце.

• Примерно в 300 году до н. э. Евклидом был написан труд «Оптика», дошедший до наших дней, в котором он исследовал свойства света. Евклид утверждал, что свет распространяется по прямой линии, он изучал законы отражения света и описал их математически. Он выразил сомнение в том, что зрение является следствием исхождения луча из глаза, задаваясь вопросом: как человек, открыв в ночное время глаза, устремлённые в небо, может моментально увидеть звёзды. Проблема решалась только, если скорость луча света, исходящего из человеческого глаза, была бесконечно большой.

• Пи­фа­гор был одним из пер­вых уче­ных, кто дал на­уч­ную ги­по­те­зу от­но­си­тель­но при­ро­ды света. Он пер­вый не толь­ко до­га­дал­ся, но и до­ка­зал, что свет рас­про­стра­ня­ет­ся пря­мо­ли­ней­но. В XVII веке сто­рон­ни­ком этой тео­рии стал Исаак Нью­тон. Он объ­яс­нял много све­то­вых яв­ле­ний, ос­но­вы­ва­ясь на том, что свет – это поток спе­ци­аль­ных ча­стиц. Согласно корпускулярной теории, свет представляет собой поток частиц (корпускул), испускаемых светящимися телами. Ньютон считал, что движение световых корпускул подчиняется законам механики. Так, отражение света понималось аналогично отражению упругого шарика от плоскости. Преломление света объяснялось изменением скорости корпускул при переходе из одной среды в другую.

• В это же время по­яви­лась дру­гая тео­рия – вол­но­вая тео­рия света. Сто­рон­ни­ком этой тео­рии был Хри­сти­ан Гюй­генс. Он пы­тал­ся объ­яс­нить те же яв­ле­ния, что и Нью­тон, толь­ко с той по­зи­ции, что свет – это волна. Рассматривала свет как волновой процесс, подобный механическим волнам. Каждая точка, до которой доходит волна, становится центром вторичных волн, а огибающая этих волн дает положение волнового фронта в следующий момент времени. Под волновым фронтом Гюйгенс понимал геометрическое место точек, до которых одновременно доходит волновое возмущение. С помощью принципа Гюйгенса были объяснены законы отражения и преломления.

• И хотя все указывало на то, что свет – это волна, В XIX веке Ген­рих Герц изу­чал свой­ства элек­тро­маг­нит­ных волн и по­ка­зал, что свет может быть ча­сти­цей. Герц от­крыл яв­ле­ние фо­то­эф­фек­та.

• В XX веке при­шли к окон­ча­тель­но­му ре­ше­нию, введя по­ня­тие кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­во­го ду­а­лиз­ма света.

Свет ведет себя при рас­про­стра­не­нии как волна (вол­но­вые свой­ства), а при из­лу­че­нии и по­гло­ще­нии – как ча­сти­ца (со всеми свой­ства­ми ча­стиц). То есть свет имеет двой­ную при­ро­ду.

По­это­му все яв­ле­ния рас­смат­ри­ва­ют­ся с по­зи­ций этих двух тео­рий.

Примечание :

Фотоэффект — под дей­стви­ем света из ме­тал­ли­че­ской пла­сти­ны, за­ря­жен­ной от­ри­ца­тель­но, вы­би­ва­ют­ся элек­тро­ны.

Свойства света

1. Мощность излучения.

Световой поток — физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения, оцененную с позиции его воздействия на зрительный аппарат человека.

Обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт создаёт световой поток, равный примерно 1300 лм

Сила света.

Это одна из основных световых величин, характеризующая источник видимого излучения. Она равна отношению светового потока распространяющегося от источника внутри элементарного телесного угла, который содержит данное направление, к этому телесному углу.

Единица измерения в Международной системе единиц (СИ): кандела (кд)

Отражение.

Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

От то­чеч­но­го ис­точ­ни­ка света на гра­ни­цу раз­де­ла па­да­ет све­то­вой луч. Часть этого луча прой­дет внутрь сле­ду­ю­щей про­зрач­ной среды, а часть от­ра­зит­ся. В дан­ном слу­чае от­ра­же­ни­ем мы можем на­звать такое яв­ле­ние, при ко­то­ром часть па­да­ю­ще­го све­то­во­го луча от­ра­жа­ет­ся, т. е. воз­вра­ща­ет­ся в ту же среду, из ко­то­рой свет упал на гра­ни­цу раз­де­ла.

Рас­смат­ри­вая яв­ле­ния от­ра­же­ния, мы долж­ны ска­зать о за­ко­нах от­ра­же­ния света.

За­ко­ны от­ра­же­ния.

Луч па­да­ю­щий, луч от­ра­жен­ный и пер­пен­ди­ку­ляр, вос­став­лен­ный в точку па­де­ния луча, лежат в одной плос­ко­сти.

Угол па­де­ния луча равен углу от­ра­же­ния луча.

Диф­фуз­ное от­ра­же­ние – это от­ра­же­ние от до­ста­точ­но ше­ро­хо­ва­тых по­верх­но­стей. Ярким при­ме­ром диф­фуз­но­го от­ра­же­ния можно на­звать от­ра­же­ние от белой бу­ма­ги

Зер­каль­ное от­ра­же­ние – это от­ра­же­ние, когда все лучи, упав­шие на дан­ную по­верх­ность па­рал­лель­но друг другу, также от­ра­зи­лись.

Преломление света.

Преломление света – это явление изменения направления движения светового луча при переходе из одной среды в другую. Различные среды, пропускающие свет, имеют различную оптическую плотность. Скорость света в них различна.

Угол, который образует падающий луч к проведенному к границе двух сред перпендикуляру после попадания во вторую среду, называется углом преломления. Опытным путем установлено, что если свет падает из среды оптически менее плотной в более плотную, то угол падения будет больше угла преломления. Скорость распространения света

Если же наоборот – оптическая плотность первой среды больше оптической плотности вещества второй среды, то угол падения будет меньше угла преломления. При изменении угла падения угол преломления будет также меняться. Однако отношение этих углов не остается постоянным. А вот отношение синусов этих углов – это постоянная величина.

где α – угол падения, γ – угол преломления, n – постоянная величина для двух конкретных сред, не зависящая от угла падения.

Закон преломления света звучит следующим образом: падающий и преломленный луч лежат в одной плоскости, причем отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – величина постоянная для двух сред.

Законы отражения и преломления света обусловливают многие явления в нашей жизни. Именно благодаря им мы видим мир таким, каков он есть.

Скорость распространения света меньше в оптически более плотной средой.

Примечание

Опти́ческая пло́тность — мера ослабления света прозрачными объектами (такими, как кристаллы, стекла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография, металлы и т. д.)

5.Распространение света.

Распространение света. На границе двух сред свет преломляется. В однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Если между глазом и каким-нибудь источником света поместить непрозрачный предмет, то источник света мы не увидим. Объясняется это тем, что в однородной среде свет распространяется по прямым линиям.

Прямолинейное распространение света — факт, установленный ещё в глубокой древности. Об этом писал основатель геометрии Евклид (300 лет до нашей эры).Прямолинейностью распространения света в однородной среде объясняется образование тени. Тени людей, деревьев, зданий и других предметов хорошо наблюдаются на земле в солнечный день.

О положении окружающих нас предметов в пространстве мы судим, подразумевая, что свет от объекта попадает в наш глаз по прямолинейным траекториям. Наша ориентация во внешнем мире целиком основана на предположении о прямолинейном распространении света. Именно это допущение привело к представлению о световых лучах.

Световая волна.

Электромагнитная волна видимого диапазона длин волн . Частота световой волны определяет ”цвет”.

График световой волны

График световой волны, это график электромагнитной волны.

В электромагнитной волне векторы Е и Н перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет электрический вектор Е, поэтому его называют световым вектором. Плоскость, в которой колеблется световой вектор Е называется плоскостью колебаний, а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор Н– плоскостью поляризации.

V-направление распространения волны.

Фронт волны, это — точки среды, в которых векторы или имеют одинаковую фазу.

Длина волн

Расстояние между частицами, колеблющимися с одинаковой фазой, м.

Частота волн

это число полных колебаний или циклов волны, совершенных в единицу времени.

Период колебания волны

наименьший промежуток времени, за который волна совершает одно полное колебание (то есть возвращается в то же состояние, в котором он находился в первоначальный момент, выбранный произвольно)., секунды

Формулы:

Длина: скорость умноженная на период или скорость деленная на частоту. метр

Период: единица времени деленная на частоту или длина волны деленная на скорость. секунды

Частота: скорость деленная на длину волны. Герц

Скорость света.

Скорость света в вакууме — абсолютная постоянная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c»(произносится как «цэ»).

Чтобы определить скорость света в любой среде, нужно скорость света в вакууме разделить на показатель преломления.

Спектральный состав.

Световые излучения, воздействующие на глаз и вызывающие ощущение цвета, подразделяют на простые (монохроматические) и сложные. Излучение с определенной длиной волны называют монохроматическим. Простые излучения не могут быть разложены ни на какие другие цвета.

Спектр — последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитного колебания.

Цвет возникает в результате взаимодействия белого света с материей.

Оптическая область спектра электромагнитные излучений состоит из трех участков: невидимых ультрафиолетовых излучений (длина волн 10—400 нанометров), видимых световых излучений (длина волн 400—750 нанометорв), воспринимаемых глазом как свет и невидимых инфракрасных излучений (длина волн 740 нанометров — 1—2 мм).

Нанометр – 1*10-9(степень)

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.

Искусственные источникисвета — технические устройства различной конструкции и с различными способами преобразования энергии, основным назначением которых является получение светового излучения (как видимого, так и с различной длиной волны, например, инфракрасного).

Список использованной литературы.

1.ru.wikipedia.org

2.http://fizportal.ru/light

3.http://interneturok.ru

4.http://www.nado5.ru

5.http://zreni.ru/

6.учебник по физики 8 класс А.В. Перышкин

Просмотров работы: 883

school-science.ru

Природа света | Lightroom.ru

Есть одна тема, о которой очень любят говорить профессиональные фотографы. Более того, они считают, что это тема одна из самых значимых в фотографии. И эта тема — свет. Пейзажисты говорят об условиях освещения и о специфических типах света. Портретисты часто говорят о свете как об инструменте, влияющем на результат. Фотожурналисты и путешественники говорят о том, чтобы «поймать момент» при определенном освещении. Все профессиональные фотографы говорят о свете, и условиях освещения.

Если свет так важен для профессиональных фотографов, то и простым фотографам следует знать и понимать, что такое свет и какой он бывает. Поэтому задача данной статьи — рассмотреть, какой бывает свет и как он влияет на вашу фотографию.

 

Тройная природа света.

Профессионалы скажут вам, что для любого фотографа свет имеет тройную природу: цвет или окраска, направление и тип. Эти три составляющие влияют на то, как в итоге будет выглядеть фотография.  Понимание и правильное использование этих составляющих позволяет создавать самые лучшие фотографии.

 

Цветовая составляющая света

В 1665 году, Сэр Исаак Ньютон, провел эксперимент, показавший, что видимый свет состоит из семи цветов (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый).

Сейчас мы знаем, что на самом деле в свете гораздо больше цветов, из которых складывается спектр. А человеческий глаз вообще различает только часть спектра, и различные инфра красные и ультра фиолетовые цвета остаются за границами нашего зрения.

Чистый, белый свет, на самом деле есть ни что иное, как сочетание различных цветов. Поэтому свет не всегда бывает «чистым». Часто цветовой баланс «чистого» света может быть смещен в сторону какого то одного определенного цвета. И когда такое случается — свет меняется. Естественный свет вообще не бывает постоянным, он меняется постоянно, на протяжении всего дня. И что самое главное для фотографа, именно изменение света может придать совершенно разное настроение одной и той же фотографии. Точнее даже не само изменение света, меняет настроение фотографии, а изменение цветовой составляющей света, направления света,  позволяет фотографу передать именно то настроение, которое ему хочется. Не просто показать зрителю объект, а передать определенную атмосферу вокруг объекта, наладить визуальный контакт со зрителем.  Хорошие фотографы всегда выбирают свет, который позволит им не просто сфотографировать объект, а передать некое эмоциональное послание, настрой, который сам фотограф вкладывает в свою работу. Неискушенные фотографы, которые не знают о природе света и как им управлять, зачастую не могут добиться того чего хотят, и остаются недовольны собственными снимками, потому что смогли передать изображение, но это изображение получилось скучное и мертвое, не вызывающее никаких эмоций у зрителей.

 

Нейтральный свет

Фото 1. Нейтральный свет

Нейтральный свет, не имеющий явно выраженной цветовой окраски, идеален в случае, когда хочется получить «натуральный» цвет объекта съемки. На фото 1 показана фотография, сделанная в нейтральных условиях  освещения. Эти условия подразумевают, что свет не добавляет никакого «чуждого» цветового оттенка к изображению. Это очень важно для этой фотографии морской волны, потому что белый цвет пены критичен для этого снимка и мы должны снимать волну в свете, не имеющем «цветовой примеси». Поэтому для данной фотографии — нейтральный свет как раз то что надо.

Нейтральный свет мы можем найти в течении всего дня, когда солнце уже окончательно встало, но еще не начало садится. Фактически самый нейтральный свет  мы имеем тогда, когда солнце стоит в зените, прямо над головой.

Те фотографы, которые хотят использовать нейтральный свет, должны помнить о некоторых правилах.

Сильная облачность смещает окраску нейтрального света в сторону голубоватого. Тневые области так же имеют немного синеватый оттенок. Свет, который чем то отфильтрован или отражен, так же может оказаться не «чисто белым», нейтральным. То есть фотограф снимающий в лесу, может обнаружить, что нейтральный свет стал немного зеленоватым, пройдя через листья. А фотограф работающий где то в каньоне, со светом отраженным от стен, может заметить, что отраженный свет тоже получил небольшую окраску, после того как соприкоснулся со скалой.

 

Теплый свет

Теплый свет хорош для того, чтобы создать мечтательное, «зовущее» изображение. Людям свойственно ассоциировать теплый свет с чувством комфорта, дружественности и романтичности. Например, пара влюбленных, сидящих на берегу возле костра, бросающего на них теплый свет. Муж и жена, отмечают свой юбилей, сидя за столом освещенным теплым, дрожащим огнем свечей.

Фото 2. Теплый свет

На фото 2  показано, какие условия создают теплый свет. Фотография сделана в то время, когда солнце уже клонилось к горизонту и свет стал очень теплым. Теплые тона особенно заметны на скале. Эти тона придают фотографии очень нежное, манящее настроение. Трудно не заметить, насколько важна здесь цветовая составляющая освещения.

На фотографии запечатлен один из наиболее «снимаемых» водопадов в Калифорнии. Я видел несколько фотографий этого водопада, сделанных профессиональными фотографами и все эти снимки были сделаны в теплом свете. Другими словами, для некоторых фотографий, подобных этой, правильный свет это обязательное условие, которое нельзя упускать из вида. Если упустите — то хорошей фотографии вы не получите.

Проще всего теплый свет застать сразу после восхода солнца или непосредственно перед закатом. Из за низкого положения солнца, его лучи преломляются в воздухе и смещаются в сторону красного спектра. Но сразу после заката и непосредственно перед рассветом, солнце стоит так низко, что преломление его лучей в атмосфере приводит к смещению в синий спектр, что убивает теплый свет и дает холодный.

Самые теплые тона бывают где то в течении получаса после восхода и получаса до заката. После восхода, теплота уходит постепенно, на протяжении пары часов после рассвета. По опыту можно заметить так же, что на закате  свет более теплый, чем на восходе. Фотографы, использующие теплый свет, так же должны не забывать о тенях и облаках, приобретающих синеватый оттенок. 

 

Холодный свет

Холодный свет хорош для создания атмосферы спокойствия, тишины и замороженности. Людям свойственно воспринимать голубой и синий цвет как несущий прохладу и спокойствие. Как показательный пример — лед, ранним зимним утром, когда он имеет интенсивный голубой оттенок.

Фото 3. Теплый и холодный свет

 
На фото 3 показан пример холодного света. Точнее на этом фото есть и холодный и теплый свет. Облака над горизонтом имеют очень теплый оттенок, за счет последних лучей заходящего солнца, а океан уже поглотили  сумерки.  Океан освещен холодным светом, отраженным от неба и это придает ему атмосферу спокойствия и прохлады.

Контраст между холодными и теплыми тонами усиливает общее впечатление от фотографии. Эта фотография хорошо передает атмосферу наступления ночи. Когда теплое солнце уже почти скрылось за горизонтом и на смену ему приходит прохлада ночного океана.
 
Чаще всего холодный свет можно застать в коротких промежутках между первыми лучами солнца и самим восходом, а так же после заката, но до наступления полной темноты. В это короткое время земля освещена мягким, спокойным, голубоватым светом. Иногда можно застать и смешанное освещение, такое как на фотографии 3.  Ну и конечно, холодные синие тона часто можно получить в тени или при большой облачности.

К возникновению холодного света так же приводит преломление солнечных лучей в атмосфере. Только теперь это преломление ведет к смещению в синий спектр. Собственно свет постоянно преломляется в атмосфере. Именно из за преломления света в атмосфере огромная прозрачная масса воздуха видится нам как голубое небо. И цвет этого неба постоянно меняется в течении дня, в зависимости от того, как в данный момент преломляются лучи.

Перед восходом и после заката, земля освещена не прямыми лучами солнца, а светом, отраженным от голубого неба, что и дает синеватый оттенок. То же самое происходит и с тенями при ярком солнце. Тени приобретают синеватый отлив из за того, что освещение, которое есть в тени — преимущественно отраженное.

 

Цвет и Насыщенность

Насыщенность это другой аспект, крайне важный для любого фотографа. С фотографической точки зрения, насыщенность связана с интенсивностью цветовой составляющей.  Чем ярче цвет, тем сильнее насыщенность. Блеклые цвета наоборот имеют слабую насыщенность. С технической точки зрения, насыщенность связана с тем, как много белого света окрашивается другим цветом. Насыщенные цвета имеют очень маленькую составляющую белого света, поэтому они и кажутся яркими. И чем сильнее цвет «разбавлен» белым, тем он менее насыщен. 

Фото 4. Насыщенные цвета

Фотография 4 имеет насыщенные цвета. Яркие краски на фотографии приятны для глаза. Листья имеют яркий и четкий красный, оранжевый и  желтый цвет. Объект на фотографии выглядит даже лучше чем в жизни — это характерно для насыщенных цветов.

Фото 5. Слабо насыщенные цвета

На фотографии 5 пример слабо насыщенных цветов. Трава и листья деревьев имеют блеклый, тусклый зеленый цвет. Это результат того что фотография была сделана при неблагоприятном освещении. 
 
Так как цвет придает настроение и усиливает впечатление от фотографии, то и насыщенность очень важна. Часто фотографы хотят богатых, ярких красок. Закат — самый характерный пример для этого случая. Чем более насыщенные краски у заката — тем он более впечатляющий.

Фотографы должны знать какие факторы влияют на насыщенность. Одним из самых значимых факторов является время дня, когда была сделана фотография. Обычно, ранним утром и вечером цвета более насыщенные чем в середине дня. Если вы пристальнее посмотрите на красивые пейзажные фотографии, то обратите внимание, что в основном все они были сделаны или в первой или во второй половине дня, а не в середине. Одна из причин этого — в насыщенности цветов.

Оптимальные условия для поляризатора

 
Другим путем ведущим к увеличению насыщености, является использование поляризационного фильтра. Поляризованный свет снижает насыщенность красок. Не будем вдаваться в физику поляризованного света, заметим только, что поляризаторы как раз и нужны для того, чтобы «отфильтровать» поляризованный свет и тем самым увеличить насыщенность. Но следует знать, что поляризационный фильтр при разных условиях не всегда дает один и тот же результат. Наибольший эффект от поляризатора получается тогда, когда камера расположена под правильным углом к направлению солнечных лучей. В идеале это перпендикулярно лучам света. На рисунке 6 показано оптимальное положение камеры относительно объекта и направления солнечного света при использовании поляризатора. То есть между объектом, камерой и источником света должен быть прямой угол. Как только мы начнем удаляться от перпендикулярного положения, эффект от поляризатора начнет снижаться. Поэтому, если солнце будет прямо перед вами или у вас за спиной, никакого эффекта от поляризатора вы не получите.

Так же поляризатор проблематично использовать для широкоугольных снимков и панорам. Широкоугольные объективы захватывают слишком большое изображение, что приводит к тому, что углы между камерой, солнцем и разными точками изображения будут сильно отличаться друг от друга. То есть поляризатор будет давать разный эффект для разных областей широкоугольной фотографии. Типичный пример — пейзаж снятый с широкоугольным (панорамным) объективом. Насыщенность красок неба будет сильно отличаться по краям фотографии и в ее середине.

Кроме поляризатора и времени дня на насыщенность влияет и экспозиция. При разной экспозиции вы получите разную насыщенность цветов. Для примера, фотографы использующие слайдовую пленку, часто специально недоэкспонируют изображение где то на пол ступени, чтобы увеличить насыщенность красок. Но то как экспозиция влияет на насыщенность, зависит от пленки или цифровой матрицы фотоаппарата, цветов изображения и многих других факторов. Поэтому трудно заранее предсказать как повлияет изменение экспозиции на насыщенность. Лучший совет в данной ситуации — использовать автоматический брейкетинг (если ваш фотоаппарат достаточно продвинутый и имеет такую функцию), а затем просто из 3 сделанных фотографий выбрать ту, которая понравилась больше.

Цвет и его восприятие человеком.

Когда имеешь дело с цветовой составляющей света, надо помнить о нескольких вещах. Первая из них — человеческий мозг. Мозг не просто пассивно получает и передает информацию. Перед тем как мы осознаем информацию, наш мозг уже успевает обработать ее. Так как мозг каждого человека работает по своему, то и информацию он обрабатывает по своему. Приведем пару примеров для иллюстрации. Один профессор психологии рассказал об интересном эксперименте. На человека надевали специальные очки, которые показывали все вверх ногами. Но человек не мог долго воспринимать информацию в таком виде. Через какое то время мозг человека адаптировался и начинал обрабатывать входящую информацию по другому, переворачивая изображение обратно!  Другими словами человеческий глаз получал перевернутое изображение, а затем мозг переворачивал изображение обратно и человек воспринимал изображение снова как нормальное.  Второй пример — простые горнолыжные очки. Если вы оденете очки с желтыми защитными стеклами, то какое то время все вокруг, и снег и небо, будет иметь ярко выраженную желтизну. А потом ваш мозг адаптируется к этому, начнет отфильтровывать желтизну и вы снова станете воспринимать окружающий мир в нормальных цветах

Как видно из последнего примера, человеческий мозг может изменять те цвета которые мы видим на самом деле. Просто большую часть времени мы не осознаем этого. Например когда вы выходите из темного помещения на яркий свет, первые секунды вы не уверены в том что все цвета вокруг — правильные. Для фотографов это создает проблему — они не могут быть уверены в том, что зритель воспримет цвета фотографии так же как и они сами. То есть мы не всегда видим цвета такие какие они есть на самом деле. Касательно теплых и холодных тонов это выражается в следующем. Цвет объектов по своей природе неизменен, но может меняться в зависимости от освещения объекта и от цветовой составляющей освещения. Человеческий мозг имеет тенденцию частично отфильтровывать «лишние» цветовые составляющие (вспомните пример с желтыми очками). То есть те цвета которые на самом деле очень теплые или очень холодные, мы видим менее теплыми и менее холодными чем они есть на самом деле, и какими их видит камера и какими они записаны на пленку или цифровую матрицу.  Поэтому неопытный фотограф, незнающий о том что вечером объекты приобретают теплые тона, может быть удивлен, когда обнаружит, что на отпечатке, кожа его любимой жены приобрела желтоватый оттенок, хотя «живьем» его глаз никакой желтизны не обнаружил.

Так что же делать если мы не можем доверять собственным глазам? Есть пару советов. Совет первый — вглядывайтесь. Если вы хотите увидеть насколько теплые или холодные тона получатся на фотографии освещенного объекта, то всмотритесь в ближайшую тень, до тех пор пока ваши глаза не адаптируются. Затем быстро переведите взгляд на освещенный объект. В течении короткого времени вы будете воспринимать теплые тона более приближенными к их реальному виду. И наоборот, чтобы увидеть как получится тень, вначале присмотритесь к освещенному объекту (но не смотрите прямо на свет! ) а когда адаптируетесь, переведите взгляд на тень.

Второй совет надо просто выучить. Фотограф обязан :

1. Понимать  что такое цветовая составляющая света и какие условия приводят дают свет определенного типа.
2. Понимать как воспринимает свет камера и человеческий мозг
3. Наработать определенный опыт чтобы понимать в каком виде, то что мы видим глазами, будет зафиксировано камерой

С этим пониманием и опытом фотограф сможет предугадать как его действия отразятся на цветовой тональности фотографии. 

«Правильные» цвета

 

Чтобы получить на пленке или матрице фотокамеры те цвета которые вы хотите, мало просто навести камеру на объект и нажать на спуск затвора. В случае пленки нельзя забывать о том, что большинство пленок, особенно профессиональных, предназначены для определенных условий. Есть пленки специально для дневной съемки, есть для вечерней и ночной.  И если условия, для которых создана пленка, не будут соблюдены, то результат будет заметно отличаться от ожидаемого

Цифровые камеры немного более гибкие в этом плане. Они могут подстраиваться под определенные условия освещения. Это происходит потому что цифровая камера не просто фиксирует цвет а постоянно вычисляет цветовую температуру. Возможно вам более привычно слово — баланс белого. Чем более «продвинутая» камера тем больше у нее возможностей по управлению цветовой температурой. Но сейчас мы не будем углубляться в тонкости цветовой температуры в цифровых фотокамерах, ибо это отдельная большая тема.

 

Тип света

 

Тип света часто определяется понятиями жесткий или мягкий свет. Но эти понятия достаточно туманны. Если вы скажете человеку далекому от фотографии что вы сделали снимок при мягком свете, то скорее всего он просто не поймет о чем вы говорите. Но есть более практичное объяснение тому что есть мягкий и жесткий свет.  Мягкость или жесткость света определяется сочетанием контраста, деталей в тенях и динамическим диапазоном. Кроме того мягкий или жесткий свет может быть характеризован его зрительным восприятием и той эмоциональной нагруженностью, которую он передает зрителю. 

 

Жесткий свет

Фото 7. Жесткий свет

 
Жесткий свет прямой, резкий, и часто показывает объект в несколько неприглядном, «суровом», виде. 

 

На фотографии 7 характерный пример жесткого света. Фотография была сделана в пустыне, когда солнце было прямо в зените. В результате фотография получилась как бы очень «грубой», земля просто залита солнцем, а тени настолько черные, что в них не различить деталей. На большинство людей подобная фотография будет производить немного «давящее», неуютное впечатление. Хотя без сомнения определенный художественные смысл есть и в данной фотографии, жесткий свет как бы выпячивает, подчеркивает, насколько старый и разрушенный кузов у автомобиля.

Жесткий свет имеет очень высокий контраст. Это хорошо видно на фото 7. Земля в солнечных лучах настолько яркая, что еще чуть чуть и смотреть на нее станет просто неприятно. А в тени наоборот — практически полная темнота. Линия между разделяющая тень и освещенные участки очень четкая, острая как лезвие ножа.
На фотографии нет ни одного места где свет плавно переходил бы в тень. Все переходы резкие и внезапные.

Жесткий свет имеет тенденцию уничтожать детали в тенях. Как видно на примере с машиной, в тени практически невозможно разглядеть ни одной детали, только сплошное черное пятно. Конечно если несколько увеличить экспозицию, это выявит некоторые детали в тенях, но при этом земля на освещенных участках станет еще более выбеленной. Потеря деталей в тенях следствие широкого динамического диапазона жесткого света.

Динамический диапазон определяет диапазон тональных значений который может зафиксировать некое устройство (в нашем случае фотокамера). Другими словами, это диапазон тонов от самой темной точки которую может зафиксировать камера, до самой светлой точки. В фотографии динамический диапазон измеряется в стопах. Когда освещенность увеличивается на 1 стоп, то количество света попадающее в камеру удваивается. Изменение экспозиции на одну ступень и есть изменение на один стоп, на 2 ступени — 2 стопа и так далее. Цветные пленки и лучшие цифровые камеры имют динамический диапазон где то в 5 стопов. Это значит что самая светлая точка, которая будет зафиксирована, где то в 32 раза светлее чем самая темная (каждый стоп удваивает количество света, так что получается что 5 стопов — это 2 * 2 * 2 * 2 * 2 = 32). Слайдовая фотопленка имеет динамический диапазон в 3 стопа. К сожалению, объект освещенный жестким светом имеет динамический диапазон в 10 и более стопов. Другими словами так как динамический диапазон ваша камеры гораздо меньше, то камера просто не в состоянии зафиксировать все детали (самые светлые и самые темные точки). Только черно белая фотопленка может иметь динамический диапазон примерно равный 10 стопам. В цвете же, при жестком освещении, детали в ярких и темных областях будут теряться. 

В основном, опытные фотографы предпочитают потерять детали в темных а не в светлых областях, то есть в случае жесткого света — это детали в тенях.

Жесткий свет создает ощущение грубости, резкости и окостенелости. В большинстве случаев это неприятное для человека ощущение. Но фотограф вполне может использовать это ощущение если того требует художественный замысел. К примеру, прекрасный цветок снятый в жестком свете будет выглядеть малопривлекательно.
Частично это связано с тем крайне высоким контрастом, и темными областями уходящими в полный мрак. Другая причина в том, что жесткий свет имеет тенденцию снижать насыщенность. В результате цветок получится очень блеклым.

Фото 8. Жесткий свет

 Но все это не говорит о том, что жесткий свет нельзя использовать. Для него есть свое место. Он может быть использован для подчеркивания грубости и окостенелости. К примеру фотография пустыни сделанная в жестком свете, подчеркнет атмосферу безжизненности песчаных просторов. На фотографии 8 специально выбран жесткий свет, чтобы подчеркнуть атмосферу запустения могилы, расположенной где то далеко в пустыне.
 
Жесткий свет  появляется тогда, когда мы имеем один небольшой, но очень яркий источник света. Полуденное солнце — типичный пример достаточно жесткого света. Несмотря на то что солнце само по себе конечно совсем не маленькое, фактически, в зените оно находится на самом большом расстоянии от нас и кажется совсем небольшим. К тому же в этом положении солнца, его свет практически ничем не фильтруется и не преломляется что так же приводит к жесткому освещению. Таким образом, фотографии сделанные в тот момент, когда солнце в зените, а небо ясное и воздух чистый — будут сделаны при весьма жестком освещении.

Мягкий свет

 

Фото 9. Мягкий свет

 Противоположностью жесткому свету, вполне логично является мягкий свет. Он может быть сложный по своей структуре и объекты в мягком свете зачастую выглядят очень привлекательно.

На фото 9 типичный пример фотографии в мягком свете. Для создания атмосферы, которую фотограф хотел придать этой фотографии, мягкий свет является обязательным условием. На этой фотографии свет и тень сложно перемешаны, и нет явных резких переходов. К тому же мягкий свет увеличивает насыщенность красок.

Мягкий свет малоконтрастный. Яркие и затемненные области имеют тенденцию смешиваться вместе. Переход между светом и тенью плавный, градиентный, в отличии от резкого перехода при жестком свете.

Как видно на фото 9, мягкий свет не уничтожает детали в тенях. Это говорит о том что мягкий свет имеет гораздо менее широкий динамический диапазон чем жесткий свет. При мягком свете у фотографа гораздо больше  шансов, что динамический диапазон самой сцены будет более менее совпадать с динамическим диапазоном камеры, и детали в темных и светлых областях не будут потеряны.

Мягкий свет создает ощущение комфорта. В пейзажных фотографиях, мягкий свет чаще всего используется как раз для того чтобы усилить ощущение красоты места, которое снимает фотограф. И опять же не забывайте о том что при мягком свете, краски более насыщенные чем при жестком.

Мягкий свет создает большой источник света, или если свет от источника, каким либо образом фильтруется. Свет, отраженный от какой либо поверхности, часто становится мягким. Когда свет фильтруется в атмосфере, то он тоже становится мягким. Это одна из причин, почему облачные или даже дождливые дни лучше подходят для съемки цветов. Так же по этой причине большинство хороших пейзажей делается в первой или второй половине дня. Свет смягчается проходя через массы воздуха на его пути.

 

 

Направление.

Последней характеристикой света является его направление. Точнее направление света по отношению к фотокамере и объекту съемки. Есть три основных направления — прямой, боковой и тыловой. Каждое направление имеет свои характеристики и создает свою атмосферу на фотографии. 

Прямой свет

 

Фото 10. Прямой свет

Прямой свет освещает объект «в лоб», когда источник света находится за фотографом, или над фотографом или в непосредственной близости от фотографа. Прямой свет часто можно увидеть на плохих пейзажах и гораздо реже на хороших.
Пример такого света на фотографии 10. Обычно объект, освещенный прямым светом выглядит довольно неинтересно. На примере видно, что тени практически отсутствуют а само изображение получается «плоским», лишенным объема, потому что такое направление света имеет тенденцию минимизировать текстуры изображения. 
 
Чаще всего объекты освещены прямым светом в середине дня, когда солнце находится над головой фотографа и светит непосредственно на объект.

 

Боковой свет

 

Фото 11. Боковой свет

 
Боковой свет подсвечивает объект со стороны, под небольшим углом. Это направление света придать совершенно другую атмосферу всей сцене.
На фотографии 11 показана сила бокового света. Если бы на этой фотографии был прямой свет, то вы практически не увидели бы этой песчаной «ряби». Вместо нее была бы просто однообразная масса песка. А боковой свет, показывает нам настоящие пустынные дюны.

Боковой свет хорош тогда когда фотографу надо подчеркнуть текстуру объекта. Это хорошо видно на примере 11. Другими словами, боковой свет подчеркивает форму объекта, его рельеф. Легко заметить что боковой свет  влияет на тени. Тени становятся более длинными, что зачастую заметно усиливает эмоциональное впечатление от объекта. С другой стороны, длинные выраженные тени сами по себе становятся интересны.

Боковой свет возникает когда солнце стоит низко над горизонтом. То есть фотографы могут застать боковой свет рано утром или наоборот, ближе к вечеру.

Контровый

Контровый свет подсвечивает объект сзади. То есть свет направлен прямо в объектив. Так же как и боковой свет, тыловой может придавать совершенно другую атмосферу.

Фото 12. Контровый свет

На фото 12 заснят закат — это один из примеров контрового света. В этом случае большинство объектов (например деревья и скалы на переднем плане) будут выглядеть как силуэты. Показ объектов в виде силуэтов, одно из типичных применений контрового света. Силуэт возникает из за того, что динамический диапазон изображения намного больше динамического диапазона фотокамеры, к тому же получается, что «лицевая» сторона всех объектов находится в тени.

Фото 13. Контровый свет

 
Фото 13 демонстрирует другой пример контрового света. В этом случае источник света просвечивает объект съемки.
Часть света проникает сквозь лист. При этом возникает впечатление, что светится сам лист, источника света как такового не видно вообще. Подобное контровое освещение четко выделяет прожилки на листе и подчеркивает цвета.

Контровый свет хорош для создания фотографий с определенной атмосферой.  Например силуэты, точнее сама форма силуэта, часто становится наиболее значимой во всем изображении. А «сквозное» применение тылового света имеет тенденцию подчеркивать детали объекта. Другими словами контровый свет больше всего подходит не для того чтобы показать сам объект, а чтобы произвести на зрителя то или иное впечатление.

Так же как и боковой свет, мы можем часто поймать контровое освещение, когда солнце стоит низко над горизонтом, разница только в том, что в этом случае свет должен быть направлен прямо на фотокамеру. Это создает ряд проблем для фотографов. Во первых, если на объективе установлен какой то фильтр, то свет может отразиться от поверхности объектива, попасть на фильтр, снова отразиться и попасть на объектив и так далее… Сами понимаете что ничего хорошего в этом случае вы не снимите. Но эту проблему можно решить просто сняв фильтр.

Во вторых, цифровые фотоаппараты плохо реагируют на яркие источники света, направленные прямо в объектив. Вокруг источника, на снимке, может появиться отвратительная окантовка. В этом плане фотопленка ведет себя гораздо лучше. Так же не стоит забывать, что при контровом освещении фотограф может потерять множество деталей изображения, которые он хотел бы показать зрителю. В этом случае можно попробовать использовать различные приемы, такие как использование вспышки, в противовес контровому свету, или сведение воедино 2 цифровых изображений, сделанных с разной экспозицией и т.д.

 

Подведем итоги

Мы рассмотрели основные характеристики освещения и то, как различный свет влияет на само изображение и восприятие изображения зрителем. Если вы хотите получать по настоящему интересные фотографии, то вы не должны забывать о свете. Старайтесь постоянно держать в голове всю информацию о свете, представлять как будет выглядеть задуманная фотография в том или ином освещении. По началу конечно будет сложно, но опыт обязательно придет. Главное помните о свете и экспериментируйте

Читайте так же статью — «Режимное время: два волшебных часа«

 

 

lightroom.ru