Природа света это – Природа света. Скорость света. Видеоурок. Физика 11 Класс

Природа света. Скорость света. Видеоурок. Физика 11 Класс

Что такое свет? Какова природа света? Почему белый свет разлагается на цвета? Сколько на самом деле цветов существует, семь или миллионы? Подобные вопросы будоражили любопытство человека практически всю его историю, от первых мыслителей и вплоть до XX века. Но, чтобы ответить на эти и другие вопросы, нужно понять природу света, которая, как оказалось, весьма сложная. В ходе этого урока вы познакомитесь с основными научными концепциями по вопросу о природе света, узнаете аргументы сторонников той или иной научной теории.

Тема: Оптика

Урок: Природа света. Скорость света

 

Оптика – раздел физики, который изучает световые явления и законы, установленные для них, а также взаимодействие света с веществом, природу света.

Информация о мире приходит к человеку посредством зрения. При помощи света мы получаем большую часть информации об окружающем мире.

Первые сведения о свете появились 2,5 тысячи лет назад.

Пифагор был одним из первых ученых, кто дал научную гипотезу относительно природы света (см. Рис. 1). Он первый не только догадался, но и доказал, что свет распространяется прямолинейно. Он, а затем и другие геометры, вплоть до Евклида, использовали световые явления отражения и преломления для построения основ геометрии. Недаром один из разделов оптики так и называется – геометрическая оптика.

Рис. 1. Пифагор

Пифагор: «Свет – поток частиц, которые излучают предметы, проникая в глаз человека, они приносят информацию о том, что же нас окружает».

В XVII веке сторонником этой теории стал Исаак Ньютон (см. Рис. 2). Он объяснял много световых явлений, основываясь на том, что свет – это поток специальных частиц.

Рис. 2. Исаак Ньютон

Ньютон не был столь категоричен в суждении о корпускулярной природе света и давал свои утверждения весьма обтекаемо, оставляя место сомнениям.

«Корпускула» происходит от лат. corpusculum – частица. Поэтому теория Ньютона стала называться корпускулярной теорией света.

Факты:

1. Прямолинейное распространение света.

2. Закон отражения.

3. Закон образования тени от предмета.

В это же время появилась другая теория – волновая теория света.

Сторонником этой теории был Христиан Гюйгенс (см. Рис. 3). Он пытался объяснить те же явления, что и Ньютон, только с той позиции, что свет – это волна.

Рис. 3. Христиан Гюйгенс

Гюйгенс построил волновую теорию света по аналогии с волновыми процессами на воде и в воздухе и потому считал, что световые волны также должны распространяться в какой-то упругой среде, которую назвал световым эфиром. Эта идея прослужила основой волновой оптики вплоть до начала XX века.

В те времена уже было замечено, что свет распространяется не только прямолинейно.

1. Свет может огибать препятствия – дифракция (см. Рис. 4).

Рис. 4. Дифракция

2. Волны могут складываться – интерференция (см. Рис. 5).

Рис. 5. Интерференция

 

Эти явления свойственны только волнам, поэтому Гюйгенс считал, что свет – это волна.

Корпускулярная теория не могла объяснить, как один луч проходит через другой. Если рассматривать свет как поток частиц, то должно наблюдаться взаимодействие, а его не наблюдалось, и это говорило в пользу того, что свет – волна.

В середине XIX века была создана теория Максвелла. Он доказал, что электромагнитное поле распространяется со скоростью 300 тысяч км в сек.

Вследствие проведенных опытов было выяснено, что с такой скоростью распространяется и свет.

Свет – частный случай электромагнитной волны.

 XVII в. – датский ученый Ремер провел эксперимент, в котором выяснилось, что скорость распространения света равна примерно 300 тысяч км в сек.

1848 г. – Ипполит Физо доказал, что скорость света составляет 300 тысяч км в сек.

Это все подтверждало тот факт, что свет является электромагнитной волной.

В XIX веке Генрих Герц (см. Рис. 6) изучал свойства электромагнитных волн и показал, что свет может быть частицей. Герц открыл явление фотоэффекта.

Рис. 6. Генрих Герц

Генрих Герц изучал электромагнитные волны, изначально считая, что их не существует, и проявил настоящее мужество, первым признав их реальность как природного объекта.

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

Это может выполняться только в том случае, если свет – поток частиц.

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.

 

Список рекомендованной литературы

1. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразоват. учреждений и шк. с углубл. изучением физики: профильный уровень / А.Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др. Под ред. А.А. Пинского, О.Ф. Кабардина. Рос. акад. наук, Рос. акад. образования. – М.: Просвещение, 2009.
2. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
3. Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Санкт-Петербургская Школа (Источник).
2. Realphys.com (Источник).
3. ОАО «Энергия» (Источник).

 

Рекомендованное Домашнее задание

Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10–11 кл. – М.: Дрофа, 2010. – № 1019, 1021

1. Какие факты, связанные с распространением света, использовались сторонниками корпускулярной теории природы света?
2. Фотоэффект подтверждал волновую или корпускулярную концепцию о природе света?
3. Как называется концепция двойственной природы света?
4. В каких случаях свет нужно рассматривать как поток частиц?

interneturok.ru

Природа света Википедия

Таблица «Оптика» из Циклопедии 1728 г.

О́птика (от др.-греч. ὀπτική «наука о зрительных восприятиях») — раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов спектра. Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию и рентгенологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики

[1].

Важнейшие понятия оптики: преломление и отражение света (ход лучей света на примере призмы)

Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности.

Содержание

• 1 Природа света
• 2 Характеристики света
  • 2.1 Скорость света
• 3 Оптика других диапазонов
• 4 Разделы оптики
  • 4.1 Классическая оптика
  • 4.2 Геометрическая оптика
    • 4.2.1 Параксиальное приближение
    • 4.2.2 История
  • 4.3 Физическая оптика
• 5 Современная оптика
  • 5.1 Физиологическая оптика
  • 5.2 Рентгеновская оптика
  • 5.3 Темы, связанные с современной оптикой
• 6 Примечания
• 7 См. также
• 8 Литература
• 9 Ссылки

Природа света[

ru-wiki.ru

Электромагнитная природа света

Свет – это видимый участок спектра электромагнитной волны, длина которого находится в диапазоне от 0,4 мкм до 0,76 мкм. Определенный свет может быть поставлен в соответствие с каждой спектральной составляющей оптического излучения. Окраска спектральных составляющих зависит от длины волны. По мере уменьшения ее длины меняется цвет излучения. Изменение цвета происходит в таком порядке:

• красный;
• оранжевый;
• желтый;
• зеленый;
• голубой;
• синий;
• фиолетовый.

Красный свет, который соответствует наибольшей длине волны, определяет красную границу спектра. Фиолетовой границе соответствует фиолетовый свет. Естественный свет не имеет цвета, он представлен в виде суперпозиции электромагнитных волн всего видимого спектра.

Электромагнитная природа света

Естественный свет возникает в результате испускания электромагнитных волн при помощи возбужденных атомов. Характер данного возбуждения может быть различным: химический, тепловой, электромагнитный. В результате данного возбуждения атомы излучают электромагнитные волны в течение 10-8 секунд. Энергетический спектр атома достаточно широкий, поэтому электромагнитные волны излучаются из всего видимого спектра. Начальная фаза, поляризация и направление имеют случайный характер. Именно поэтому естественный свет не поляризован.

Поскольку свет представляет собой электромагнитные волны, в основу оптической физики положены уравнения Максвелла и все соотношения электромагнитных волн, что вытекают из них. В соответствии с электромагнитной теорией Максвелла $ \frac{C}{V} = \sqrt{\xi \mu} = n$, где $C$ и $V$ — скорости распространения света в среде с магнитной $\mu $ и диэлектрической $\xi $ проницаемостью в вакууме.

Это соотношение связывает электрические, оптические и магнитные постоянные вещества. В соответствии с теорией Максвелла, $\mu $ и $\xi$ — это величины, которые не зависят от длины световой волны, поэтому электромагнитная не теория не может объяснить явление дисперсии, то есть зависимость показателей преломления от длины световой волны.

Значения показателей преломления могут охарактеризовать оптическую плотность среды, а также оптические плотные среды. Длина световой волны с показателем $n$ напрямую связана с длиной волны в вакууме:

$\lambda = \frac{\lambda_0}{n} $

Понятие о когерентности и сложение колебаний

Определение 1

Когерентность – это коррелированность нескольких волновых или колебательных процессов во времени, которая проявляются при их сложении. Колебания когерентные в том случае, если разность их фаз во времени постоянна, а при сложении колебаний возникает колебание такой же частоты.

Классическая волновая оптика рассматривает среды, которые линейны по своим оптическим свойствам, иными словами, магнитная и диэлектрическая проницаемость которых не зависит от интенсивности света. Поэтому принцип суперпозиции волн справедлив в волновой оптике. Явления, что наблюдаются при распространении света в нелинейных средах, изучаются в нелинейной оптике.

Оптические нелинейные эффекты существенны при больших интенсивностях света, что излучается при помощи мощных лазеров. Две волны, что имеют одинаковую частоту, накладываются друг на друга и возбуждают в определенной точке колебания одинакового направления:

$A_1 cos {\omega t + \alpha 1}, A_2 cos {\omega t + \alpha 2}$

В данной точке амплитуда результирующего колебания будет выглядеть следующим образом:

$A^2 = A_{1}^{2} + A_{2}^{2} + 2A_1 a_2 cos {\sigma}$, где $\sigma = \alpha_2 — \alpha_1$

Определение 2

Если разность фаз $\sigma$ колебаний, что возбуждаются волнами, во времени остается постоянной, то такие волны называются когерентными.

Интерференция световых волн

Явление интерференции света заключается в отсутствии суммирования интенсивности световых волн при их наложении друг на друга, иными словами, при взаимном усилении данных волн в одних точках и ослаблении в других точках пространства. Когерентность – это необходимое условие интерференции. Монохроматические волны одинаковой частоты, которые не ограничены в пространстве волны, удовлетворяют данное условие.

Поскольку ни один реальный источник не дает монохроматического света, то волны, что излучаются источниками света, всегда некогерентные. Но из-за поперечности электромагнитных волн, когерентности недостаточно для того, чтобы получить интерференционную картину. Как было сказано ранее, положительность процесса излучения примерно равна 10-8 секунд. За этот период возбужденный атом растрачивает свою избыточную энергию на излучение, после чего возвращается в нормальное состояние и процесс излучения света прекращается. Спустя некоторое время атом вновь может возбудиться и начать процесс излучения. Данное прерывистое излучение света характерно для любого светового источника, независимо от особенностей тех процессов, которые протекают в источнике и вызывают возбуждение атомов.

Оптическая длина пути

Пусть разделение на две когерентные волны происходит в конкретной точке $O$. До точки $M$, где можно наблюдать интерференционную картину, в результате преломления $n_1$ одна волна прошла путь $S_1$, а вторая волна в среде $n_2$ прошла путь $S_2$. В точке $O$ фаза колебаний равна $\omega t $, а в точке $M$ первая волна возбуждает колебание $A_1 cos{\omega \left(t) \frac{S_1}{V_1}+ \alpha_1 \right) }$.

Вторая волна создает колебание: $A_2 cos{\omega \left(t) \frac{S_2}{V_2}+ \alpha_2 \right) }$, где

• $V_1 = \frac{c}{n_1} $
• $V_2 = \frac{c}{n_2} $ — это фазовая скорость первой и второй волны.

Определение 3

Произведение геометрической длины пути световой волны, которая обозначается символом $S$, на показатель преломления данной среды называется оптической длиной волны $L$. А $\delta –L_2 – L_1$, что является разностью оптических длин, называется оптической разностью хода.

Если оптическая разность хода равна целому числу волн в вакууме $\delta = m \lambda_0 (m_0 = 0,1,2…)$, то $\sigma = 2m \pi $ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в одинаковой фазе. Следовательно, это максимум. Поэтому, если оптическая разность хода $\delta = (2m +1)\frac {\lambda_0 }{2}$, то $\sigma = (2m+1) \pi$ и колебания, что возбуждаются в точке $М$, происходят в противофазе.

В завершении хочется сказать, что электромагнитная природа света подтверждена окончательно. В 2009 году ученые-физики разработали методику, которая способна с точностью измерить колебания магнитной составляющей света. Уже давно стало ясно, что свет – это электромагнитная волна. Первым это открыл Максвелл. Он получил волнообразное решение своих уравнений и вычислил скорость данных волн. В результате этого получилось значение, которое было очень близким к скорости света. Ученый тут же предположил, что свет является электромагнитной волной, а частота ее колебаний определяет некоторые свойства (в первую очередь, это цвет света).

Электромагнитная волна (радиоволна или рентгеновское излучение) представлена в виде пары магнитного и электрического полей, которые постоянно превращаются друг в друга, поддерживая ее распространение. Магнитный и электрический векторы направляются перпендикулярно друг к другу и направлению распространения волны.

spravochnick.ru

это раздел физики, изучающий поведение и свойства света. Оптические приборы

Одним из древних и объемных разделов физики является оптика. Ее достижения применяются во многих науках и сферах деятельности: электротехнике, промышленности, медицине и других. Из статьи можно узнать, что изучает эта наука, историю развития представлений о ней, важнейшие достижения, и какие существуют оптические системы и приборы.

Что изучает оптика

Название этой дисциплины имеет греческое происхождение и переводится, как «наука о зрительных восприятиях». Оптика — раздел физики, изучающий природу света, его свойства, законы, связанные с его распространением. Эта наука исследует природу видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поскольку именно благодаря свету люди способны видеть окружающий мир, этот раздел физики также является дисциплиной, связанной со зрительным восприятием излучения. И неудивительно: глаз — это сложная оптическая система.

История становления науки

Оптика зародилась еще в античные времена, когда люди пытались понять природу света и выяснить, каким образом удается видеть предметы окружающего мира.

Древние философы считали видимый свет или лучами, выходящими из глаз человека, или потоком мельчайших частиц, разлетающихся от объектов и попадающих в глаз.

В дальнейшем природу света изучали многие видные ученые. Исаак Ньютон сформулировал теорию о корпускулах — крошечных частичках света. Другой ученый, Гюйгенс, выдвинул волновую теорию.

Природу света продолжали исследовать физики 20 века: Максвелл, Планк, Эйнштейн.

В настоящее время гипотезы Ньютона и Гюйгенса объединены в понятии корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому, свет имеет свойства и частицы, и волны.

Разделы

Предмет исследований оптики — это не только свет и его природа, но также приборы для этих исследований, законы и свойства этого явления и многое другое. Поэтому в науке выделяются несколько разделов, посвященных отдельным сторонам исследований.

Это:

• геометрическая оптика;
• волновая;
• квантовая.

Ниже будет подробно рассмотрен каждый раздел.

Геометрическая оптика

В данном разделе существуют следующие законы оптики:

Закон о прямолинейности распространения света, проходящего через однородную среду. Световой луч рассматривается, как прямая линия, вдоль которой проходят световые частицы.

Закон отражения:

Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления:

Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред.

Средством изучения свойств света в геометрической оптике являются линзы.

Линза — это прозрачное тело, которое способно пропускать и видоизменять световые лучи. Они делятся на выпуклые и вогнутые, а также на собирающие и рассеивающие. Линза является основной составляющей всех оптических приборов. Когда толщина ее мала по сравнению с радиусами поверхностей, она называется тонкой. В оптике формула тонкой линзы выглядит так:

1/d + 1/f = D, где

d — расстояние от предмета до линзы; f — расстояние до изображения от линзы; D — оптическая сила линзы (измеряется в диоптриях).

Волновая оптика и ее понятия

Поскольку известно, что свет имеет все свойства электромагнитной волны, отдельный раздел физики изучает проявления этих свойств. Он называется волновая оптика.

Основные понятия данного раздела оптики — это дисперсия, интерференция, дифракция и поляризация.

Явление дисперсии было обнаружено Ньютоном, благодаря его опытам с призмами. Это открытие является важным шагом к пониманию природы света. Он обнаружил, что преломление световых лучей зависит от их цвета. Это явление было названо дисперсией или рассеянием света. Сейчас уже известно, что цвет зависит от длины волны. Кроме того, именно Ньютон предложил понятие спектра для обозначения радужной полоски, получаемой при дисперсии посредством призм.

Подтверждением волновой природы света является интерференция его волн, открытая Юнгом. Так называют наложение друг на друга двух или нескольких волн. В результате можно видеть явление усиления и ослабления колебаний света в различных точках пространства. Красивыми и знакомыми каждому проявлениями интерференции являются мыльные пузыри и радужная разноцветная пленка разлитого бензина.

Любому волновому процессу свойственно явление дифракции. Этот термин переводится с латинского, как «разломанный». Дифракция в оптике — это огибание волнами света краев препятствий. Например, если на пути светового пучка расположить шарик, то на экране за ним появятся чередующиеся кольца — светлые и темные. Это называется дифракционная картина. Исследованием явления занимались Юнг и Френель.

Последнее ключевое понятие волновой оптики — это поляризация. Свет называют поляризованным, если направление колебаний его волны является упорядоченным. Поскольку свет является продольной, а не поперечной волной, то и колебания происходят исключительно в поперечном направлении.

Квантовая оптика

Свет — это не только волна, но и поток частиц. На основе этой его составляющей возникла такая отрасль науки, как квантовая оптика. Ее появление связывают с именем Макса Планка.

Квантом называют любую порцию чего-либо. А в данном случае говорят о квантах излучения, то есть порциях света, выбрасываемых при нем. Для обозначения частиц используют слово фотоны (от греческого φωτός — «свет»). Это понятие было предложено Альбертом Эйнштейном. В данном разделе оптики формула Эйнштейна E=mc² также применяется для изучения свойств света.

Главная задача этого раздела — изучение и характеристика взаимодействия света с веществом и исследования его распространения в нетипичных условиях.

Свойства света как потока частиц проявляются в таких условиях:

• тепловое излучение;
• фотоэффект;
• фотохимические процессы;
• вынужденное излучение и др.

В квантовой оптике существует понятие неклассического света. Дело в том, что квантовые характеристики светового излучения невозможно описать в рамках классической оптики. Неклассический свет, например, двухфотонный, сжатый, применяется в разных сферах: для калибровки фотоприемников, при точных измерениях и др. Еще одно применение — квантовая криптография — секретный способ передачи информации с помощью двоичных кодов, где вертикально направленному фотону присвоен 0, а горизонтально направленному — 1.

Значение оптики и оптических приборов

В каких сферах технологии оптики нашли главное применение?

Во-первых, без этой науки не было бы оптических приборов, известных каждому человеку: телескоп, микроскоп, фотоаппарат, проектор и другие. С помощью специально подобранных линз люди получили возможно исследовать микромир, вселенную, небесные объекты, а также запечатлевать и транслировать информацию в виде изображений.

Кроме того, благодаря оптике был сделан ряд важнейших открытий в области природы света, его свойств, открыты явления интерференции, поляризации и другие.

Наконец, широкое применение оптика получила в медицине, например, в изучении рентгеновского излучения, на основании которого был создан аппарат, спасший немало жизней. Благодаря этой науке также был изобретен лазер, широко применяющийся при хирургических вмешательствах.

Оптика и зрение

Глаз — это оптическая система. Благодаря свойствам света и возможностям органов зрения, можно видеть окружающий мир. К сожалению, мало кто может похвастаться идеальным зрением. С помощью этой дисциплины, стало возможно вернуть возможность людям лучше видеть с помощью очков и контактных линз. Поэтому медицинские учреждения, занимающиеся подбором средств коррекции зрения, также получили соответсвующее название — оптика.

Можно подвести итог. Итак, оптика — это наука о свойствах света, затрагивающая многие сферы жизни и имеющая широкое применение в науке и в быту.

fb.ru

Физическая природа света и цвета. — Студопедия.Нет

Лекция № 5

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦВЕТА

Вопросы:

1. История исследований света и его распространения в пространстве.Взаимосвязь света и цвета.

2. Физическая природа света и цвета.

История исследований света и его распространения в пространстве. Взаимосвязь света и цвета.

Наука о цвете формируется на протяжении многих столетий. Желание объяснить присутствие цвета в окружающем пространстве подвигло человечество к поиску закономерностей цветообразования и цветовосприятия, значении света в восприятии цвета.

С начала существования человечества люди знали лишь естественный свет Солнца, Луны и Звезд. Настало время, и люди научились самостоятельно добывать огонь. Костер был первым искусственным источником света и одновременно источником тепла. Тысячелетиями исчисляется время совершенствования искусственных источников от костра до электрических лампи лазеров.

С древних времен существовал вопрос о понятии света и его распространении в пространстве. Древнегреческими учеными в V веке до н. э. была высказана гипотеза о так называемых “глазных лучах”. Эмпедокл предположил что богиня Афродита создала человеческий глаз, и зажгла в нём огонь, свечение которого и делало зрение возможным. Глаза испускают лучи, которые ощупывают необходимые предметы, чтобы различить их или узнать.

В 55 году до н. э. римский писатель Лукреций, продолживший идеи ранних греческих философов-атомистов, в своём сочинении «О природе вещей» писал, что свет и тепло солнца состоят из мельчайших движущихся частиц.

В противоположность данным утверждениям Аристотель и Демокрит, считавшие, что свет исходит из самих тел, которые мы видим.

Начиная с 17 века научные споры о природе света шли между сторонниками волновойи корпускулярной теорий.

Основателем волновой теории можно считать Рене Декарта, который рассматривал свет как возмущения в мировой субстанции — пленуме. Далее волновую теорию светаразрабатывали Роберт Гук и Христиан Гюйгенс. По мнению Гюйгенса световые волны распространяются в особой среде — эфире. “Волновая” теория света и исходила из того предположения, что вся Вселенная заполнена упругой средой, называемой эфиром. Если в упругой среде в некоторых точках появится источник света, то частицы эфира начинают совершать колебательные движения, и это движение передается от точки к точке подобно тому, как распространяются колебания в упругой веревке, то есть получается волна, которая называется продольной.Расстояние между частицами, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны и обозначается как лямбда. Время, за которое частица проходит длину волны, называется периодом, обозначается Т.Число колебаний в единицу времени называетсячастотой. Вдоль луча бегут волны с громадной скоростью. (Скорость распространения светового луча, или скорость света в вакууме С=300 000 км/с)

Корпускулярную теорию сформулировал Пьер Гассенди и продолжил Исаак Ньютон. Ньютону принадлежит гипотеза о том, что свет — это поток материальных частиц, корпускул, движущихся от источника света с большой скоростью, которая и является скоростью света.Корпускулы, излучаемые светящимся телом, попадая в глаз человека, вызывают ощущение света. Эта теория, носившая название “корпускулярной”, подтверждала многие явления и имела большое распространение.

Волновая теория света объяснила целый ряд необъяснимых до ее появления оптических явлений и получила всеобщее признание, а корпускулярная теория была отвергнута, вплоть до рубежа 19–20 столетий.

В середине 19 в. было доказано теоретически и проверено экспериментально, что СВЕТ – это электромагнитные колебания, а не упругие поперечные колебания эфира, природа которого осталась невыясненной. Согласно новой электромагнитной теории света, разработанной выдающимся английским физиком Джеймсом Максвелом, свет представляет собой периодически меняющиеся в пространстве электрическое и магнитное поля, причем скорость распространения света и вектора, характеризующие электрическое и магнитное поля, перпендикулярны друг другу.

Энергия, распространяющаяся в виде электромагнитных колебаний, получила название электромагнитной энергии(энергия излучения, или световая энергия).

Итак, в оптике явление света рассматривается как сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами¹. Оптика как наука, берет свое начало с геометрической оптики Евклида и Птоломея, затем, наиболее значительные работы в этой сфере проводил Декарт. Явлением цвета наиболее продуктивно занимались Ньютон, Ломоносов, Осгвальд и другие ученные.

Физическая природа света и цвета.

То, что цвет — это электромагнитная волна, воспринимаемая человеческим глазоми видимый участок спектра, И. Ньютон описал в работе «Оптика». Несмотря на то, что задолго до этого английский философ и естествоиспытатель Роджер Бэкон также наблюдал оптический спектр в стакане с водой, первое объяснение видимого излучения дал именно И. Ньютон. Подобные попытки исследования цвета чуть позже были проведены Иоганном Гете в труде «Теория цветов»,в XVIII веке, в России, М. В. Ломоносовым.

И. Ньютону удалось разложить белый свет на цветаспектра что явилось первым значительный прорывом в изучении цвета.

Главной предпосылкой ученого к открытию спектра стало стремление усовершенствовать линзы для телескопов: основным недостатком телескопических изображений являлось наличие окрашенных в радужные цвета краев.

В 1666 году он произвел в Кембридже опыт разложения белого цвета призмой: через маленькое круглое отверстие в ставне окна в затемненную комнату проникал луч света, а на его пути оказывалась стеклянная трехгранная призма, пучок света в которой преломлялся. На экране, стоявшем за призмой, появлялась разноцветная полоса, позднее названная спектром.Он определил, что луч белого дневного света составляют лучи разных цветов, а именно: красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего (голубого), индиго и глубоко фиолетового.

Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. — М.: Государственное издательство тсхнико- теоретической литературы, 1954.

 

 

Он объяснил, что их смешение является главной причиной многообразия цветовых гармоний, богатства красок природы.

Он так же обнаружил, что цветной луч, отражаясь и преломляясь бесконечное множество раз, остается той же окраски, откуда следовало, что цвет — некая устойчивая характеристика. Он также заметил, что при добавлении к цветному лучу белого света происходит его усложнение, в результате чего цвет разрежается и слабнет, пока не исчезнет совсем, с образованием серого или белого. Таким образом, чем сложнее цвет, тем он менее полон и интенсивен.

И. Ньютон установил также, что можно наоборот, смешав семь цветов спектра, вновь получить белый цвет. Для этого он поместил на пути разложенного призмой цветного пучка (спектра) двояковыпуклую линзу, которая снова налагает различные цвета один на другой; сходясь, они образуют на экране белое пятно. Если же поместить перед линзой (на пути цветных лучей) узкую непрозрачную полоску, чтобы задержать какую-либо часть спектра, то пятно на экране станет цветным.

Ученый также определил показатель преломления лучей различного цвета. Для этой цели в экране прорезалось отверстие; перемещая экран, можно было выпустить через отверстие узкий пучок лучей того или иного цвета. Такой выделенный пучок, преломляясь во второй призме, уже не растягивался в полосу: ему соответствует определенный показатель преломления, значение которого зависит от цвета выделенного пучка. Зависимость показателя преломления от цвета получила название «дисперсия цвета» (от лат. dispergo – разбрасываю).

Изучая природу света и цвета, Ньютон пришел к выводу, что постоянные цвета естественных тел происходят по причине того, что некоторые тела отражают одни сорта лучей, другие тела — иные сорта обильнее, чем остальные¹. Цветные порошки, как заметил Ныотон, подавляют и удерживают в себе весьма значительную часть света, которым они освещаются. И они становятся цветными, отражая наиболее обильно свет их собственной окраски². Ньютон И. Оптика или трактат об сражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. — М.: Государственное издательство техшко- теоретической литературы, 1954. — 367 с.

Необходимо сказать, что, несмотря на дальнейшие изыскания, данную теорию (корпускулярная теория света) считать неверной нельзя, потому что цвет действительно можно рассматривать как поток фотонов — элементарных безмассовых частиц, двигающихся со скоростью света, и имеющих электрический заряд, равный нулю. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, то есть проявление одновременно свойств частицы и волны. Назвать И. Ньютона противником волновой теории не представляется возможным: он не отвергал эту идею. Ньютон провел аналогию между цветом и звуком, считая, что оба этих явления имеют подобную природу, чем, вероятно, предвосхитил открытие электромагнитной природы звука и света. «Как звук колокольчика, или музыкальной струны, или других звучащих тел есть не что иное, как колеблющееся движение, и в воздухе от предмет распространяется не что иное, как это движение…в последнем же появляются ощущения этих движений в форме цветов».

С другой стороны в трактате, представленном в Королевское общество в 1675 году, он пишет, что свет не может быть просто колебаниями эфира, так как тогда он, например, мог бы распространяться по изогнутой трубе, как это делает звук. Но также он предлагает считать, что распространение света возбуждает колебания в эфире, что и порождает дифракцию и другие волновые эффекты.

 

В XVIII веке в России, М. В. Ломоносов исследуя проблемы цветовых явлений и делает ряд важных открытий, которые не получили широкой известности. Он обнаружил, что свет составляют, как бы три эфира, которые истекают от солнца и светящихся тел подобно реке. Эфиры обладают тремя типами движения, которые он назвал беспрестанным, зыблющимся и коловратным. Эфирные потоки составляют три типа частиц разных размеров. Из них, соляные частицы составляют эфир красного, ртутные — желтого, серные — голубого цвета. Остальные цвета образуются смешением красного, желтого и голубого. Эфирные частицы сцепляются с подходящими частицами на поверхности предметов и заставляют их колебаться с той или иной интенсивностью. Часть движения, таким образом, передастся, а оставшееся движение определяет видимый нами цвет. Если поверхность предмета поглотила коловратное или вращающиеся движение эфирных частиц — глаз видит черный цвет.

Так Ломоносов открыл физико-химическую природу цвета.

Согласно этой теории, температура влияет на интенсивность краски, что он доказал на опыте. Глаз человека воспринимает цвет, благодаря тому, что движение эфирных частиц, не поглощенное предметом, производит соответствующее движение на дне глаза.

 

По мере развития волновой теории света было уточнено то, что каждому цвету соответствует определенная частота световой волны. Английский ученый Т. Юнг, в 1800 году разработавший волновую теорию интерференции на основе сформулированного им принципа суперпозиции волн. По результатам своих опытов он довольно точно оценил длину волны света в различных цветовых диапазонах.

Согласно принципу интерференции (нелинейное сложение интенсивностей нескольких световых волн) темноту можно получить, сложив свет со светом, то есть взаимно погасить свет. Юнг исследовал различные приложения принципа интерференции и пришел к заключению, что свет должен распространяться волновым движением. Объяснить полосы интерференции с точки зрения истечения оказалось совершенно невозможным. Он вычислил также среднюю длину волны света различных цветов. Томас Юнг предполагал, что цвета соответствуют волнам различной длины, при чем в красных лучах волны самые длинные, в фиолетовых — самые короткие.

С развитием квантовой механики утвердилась идея Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, по которой свет должен обладать одновременно волновыми свойствами, чем объясняется его способность к дифракции и интерференции, и корпускулярными свойствами, чем объясняется его поглощение и излучение.

Для полного понимания сущности цвета обратимся к понятию электромагнитного излучения, то есть к распространяющемуся в пространстве возмущению электромагнитного поля. Электромагнитное излучение принято делить по частотным диапазонам, между которыми нет резких переходов — границы условны. На Рис.2 представлен полный спектр электромагнитного излучения, отградуированный по уменьшению частоты: радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Рисунок 2 ‑ Полный спектр электромагнитного излучения

 

В общем спектре электромагнитных излучений видимое излучение составляет очень небольшой процент.

studopedia.net