Введение.
Первые
научные гипотезы о природе света
были высказаны в 17 веке. К этому
времени были обнаружены два замечательных
свойства света – прямолинейность
распространения в однородной среде
и независимость распространения
световых пучков, т.е. отсутствие влияния
одного пучка света на распространение
другого светового пучка.
И. Ньютон
в 1672 г. высказал предположение о
корпускулярной природе света. Против
корпускулярной теории света выступали
современники Ньютона – Р. Гук
и Х. Гюйгенс, разработавшие волновую
теорию света.
Скорость
света. Первым большим успехом в
изучении природы света было измерение
скорости света.
Самый
простой способ измерения скорости
света заключается в измерении
времени распространения светового
сигнала на известное расстояние.
Например, можно встать с электрическим
фонарем напротив зеркала, в момент
включения фонаря запустить секундомер,
а в момент времени, соответствующий возвращению
света, отраженного зеркалом, остановить
секундомер. По измеренному времени t и
расстоянию 2l, пройденному светом, находится
скорость c света:
c=2l/t
Однако
попытки осуществления такого рода
опытов оканчивались неудачей, никакого
запаздывания света даже при расстоянии
до зеркала в несколько километров
обнаружить не удалось.
Впервые
экспериментально скорость света была
определена астрономическим методом.
Датский ученый Олаф Ремер (1644-1710) в 1676
г. обнаружил, что при изменении расстояния
между Землёй и планетой Юпитер вследствие
их обращения вокруг Солнца происходит
изменение периодичности появления спутника
Юпитера Ио из его тени. В том случае, когда
Земля находится по другую сторону от
Солнца по отношению к Юпитеру, спутник
Ио появляется из-за Юпитера на 22минуты
позже, чем это должно произойти по расчетам.
Но спутники обращаются вокруг планет
равномерно, - следовательно, это запаздывание
кажущееся. Ремер догадался, что причиной
запаздывания появления спутника Юпитера
при увеличении расстояния между Землёй
и Юпитером является конечность скорости
света. При перемещении Земли на противоположную
сторону ее орбиты расстояние между Землёй
и Юпитером увеличилось на диаметр земной
орбиты, т.е. на 300млн. км. Разделив это расстояние
на кажущееся время запаздывания, Ремер
нашел, что скорость света превышает 200
000 км/с.
Более
точные измерения показывают, что
скорость света равна 299 792 км/с или примерно
300 000 км/с.
Электромагнитная
природа света. Одним из наиболее
трудных для волновой теории света
был вопрос о том, что же колеблется
при распространении световых волн,
в какой среде они распространяются.
На
вопрос о природе света и механизме его
распространения давала ответ гипотеза
Максвелла. На основании совпадения экспериментально
измеренного значения скорости света
в вакууме со значением скорости распространения
электромагнитных волн Максвелл высказал
предположение, что свет – электромагнитные
волны. Эта гипотеза подтверждается многими
экспериментальными фактами. Представлениям
электромагнитной теории света полностью
соответствуют экспериментально открытые
законы отражения и преломления света,
явления интерференции, дифракции и поляризации
света.
Корпускулярно-волновой
дуализм. Законы фотоэффекта, явления
взаимодействия света с веществом
электромагнитная теория света объяснить
не может. В 20 веке в физике утвердились
представления о корпускулярно-волновом
дуализме свойств света.
Тот факт,
что свет в одних опытах обнаруживает
волновые свойства, а в других –
корпускулярные, означает, что природа
света более сложна, чем природа
привычных нам тел окружающего
мира. Свет не является совокупностью
частиц, подобных маленьким дробинкам,
нельзя его представлять себе и подобным
звуковым волнам или волнам на поверхности
воды.
В любых
световых явлениях при глубоком их
изучении обнаруживается неразрывная
связь корпускулярных и волновых
свойств света.
Глава
1.
Свет
и его общая
характеристика.
Свет
— электромагнитное излучение, испускаемое
нагретым или находящимся в возбуждённом
состоянии веществом, воспринимаемое
человеческим глазом. Под светом понимают
не только видимый свет, но и примыкающие
к нему широкие области спектра.
В физике
свет изучается в разделе Оптика,
может рассматриваться либо как
электромагнитная волна, скорость распространения
в вакууме которой постоянна,
либо как поток фотонов: частиц, обладающих
определённой энергией и нулевой
массой.
Одной
из характеристик света является его цвет,
который определяется длиной волны для
монохроматического излучения, или суммарным
спектром сложного излучения.
Свет
может распространяться там где
звук уже не существует (если смотреть
через прозрачный колпак, из-под которого
выкачали воздух, то видно, как бьётся
молоточек колокольчика под колпаком,
а звука не слышно). Значит, световые колебания
распространяются в особой среде, эту
среду Гюйгенс назвал эфиром (современная
наука отрицает существование эфира).
Яркость
— это поток, посылаемый в данном направлении
единицей видимой поверхности в единичном телесном угле. Отношение силы света, излучаемого поверхностью,
к площади её проекции на плоскости, перпендикулярной
оси наблюдения.
Единицей измерения СИ служит нит
(1нт=1кд/1м²). Существуют также
другие единицы измерения яркости — стильб
и апостильб: Апости́льб (обозначение: асб, asb;
от греч. αποστίλβω — сверкаю)
— устаревшая единица яркости освещённой поверхности в системе СГС.1
апостильб — это яркость поверхности,
равномерно рассеивающей свет по всем
направлениям и обладающей светимостью
1 лм/м². 1 асб = 1/π × 10-4 сб = 0,3199 нт = 10 -4 Лб.[1] Си́ла све́та — это поток излучения, приходящийся на единицу телесного угла, в пределах которого
он распространяется. Телесный угол нужно
выбирать таким образом, чтобы поток в
нём можно было считать равномерным, тогда
сила света источника по определённому
направлению численно равна световому
потоку, заключённому в единичном телесном
угле.
Единица измерения СИ: кандела (кд)=Ватт (Вт)(или Люмен
(лм))/ Стерадиан (ср) Если световой поток
испускается точечным источником равномерно
по всем направлениям, то
есть истинная сила света точечного источника
по любому направлению.
Освещённость
— физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу
поверхности:
Единицей
измерения освещённости в системе СИ
служит люкс (1 люкс = 1 люмену
на квадратный
метр), в СГС
— фот (один фот равен 10 000
люксов). В отличие от освещённости, выражение
количества света, отражённого поверхностью,
называется яркостью.
Освещённость
прямо пропорциональна силе
света источника
света. При удалении его от освещаемой
поверхности её освещённость уменьшается
обратно пропорционально квадрату расстояния
(Закон
обратных квадратов).
Когда
лучи света падают наклонно к освещаемой
поверхности, освещённость уменьшается
пропорционально косинусу угла падения лучей.
Освещённость
от точечного источника находят по формуле:
где
— сила света в канделах;
— расстояние до источника света;
— угол падения лучей света относительно
нормали к поверхности.
Освещённость
в фототехнике определяют с помощью экспонометров и экспозиметров, в фотометрии — с помощью люксметров.
Световой
поток — соответствующая энергетическому потоку
излучения световая величина, то есть мощность излучения,
воспринимаемая нормальным человеческим
глазом.
Для вычисления
величины светового потока необходимо
проинтегрировать в диапазоне от
380 до 780 нм спектральную мощность излучения
Φeλ (измеряется в Вт/нм), помноженную на кривую спектральной
чувствительности глаза
Vλ; результат следует умножить на фотометрический
эквивалент излучения Km=683 лм/Вт:
Измерение
светового потока от источника света
производится при помощи специальных
приборов — сферических фотометров, либо фотометрических гониометров. Трудность измерения
заключается в том, что необходимо измерить
поток, который испускается во всех направлениях —
в телесный
угол 4π.
Для этого
можно использовать сферический
фотометр — прибор, представляющий собой
сферу с внутренним покрытием, имеющим
коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый
источник света помещается в центр сферы
и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в
стенку сферы и покрытого фильтром с кривой
пропускания, равной кривой спектральной
чувствительности глаза, измеряется сигнал,
пропорциональный освещенности фотоэлемента,
которая, в свою очередь, в данном устройстве
пропорциональна световому потоку от
источника света (фотоэлемент измеряет
только рассеяный свет, так как заслонён
от прямого излучения источника специальным
экраном). Путём сравнения полученного
сигнала с сигналом от эталонного источника света можно
измерить абсолютный световой поток источника
света.
Другая
возможность состоит в применении
фотометрических гониометров. В
этом случае производится измерение
освещённости, создаваемой исследуемым
источником, на воображаемой сферической
поверхности. Для этого люксметр
проходит последовательно при помощи
гониометра все позиции на сфере. Интегрируя
измеренные освещённости (измеряются
в люксах: 1 люкс = 1 люмен/м²) по площади
сферы (м²), получим абсолютный световой
поток источника света (в люменах). Условием
получения абсолютных значений является
калиброванный в абсолютных величинах
люксметр. Можно также использовать простой
фотоэлемент, если сравнивать измеренный
поток с потоком от эталонного источника.
Световая
отдача источника
света — отношение
излучаемого источником светового
потока к потребляемой
им мощности. Измеряется в люменах
на ватт (лм/вт). Служит характеристикой
источников как таковых и их экономичности,
показывая какое количество затраченной
энергии переходит в тепло или какие-либо
другие виды энергии кроме электромагнитной.