Скорость света в воздухе как найти

В астрономии есть много интересных терминов. Многие из них человек использует в повседневной жизни и даже не задумывается о их значении.

Что такое скорость света и в чём измеряется данная величина?

Что под собой подразумевает скорость света

Каждый из нас хоть раз слышал выражение “быстрее скорости света”, но далеко не все понимают, чему равна данная величина и в чём она измеряется. Если не использовать терминологию, и объяснять простыми словами, то скорость света – это некий временной промежуток.

Если быть точнее, то временной промежуток, за который преодолел солнечный луч определённое расстояние. Временные промежутки физика измеряет в секундах. Расстояние принято измерять в метрах.

Справка! Некоторые учёные используют в своих измерениях другие условные единицы.

Но если обратить внимание на измерение скорости света, то данная величина подразумевает измерение в метрах в секунду. Основная закономерность движения света заключается в том, что солнечный луч будет двигаться с постоянной быстротой и скоростью.

Это невозможно сделать человеку или автомобилю, потому что рано или поздно скорость увеличится или понизится, а некоторые условия заставят предмет остановиться. Солнечный луч движется без остановки.

Чему равняется скорость света

В физике также принято рассматривать положение света в безвоздушном пространстве, то есть вакууме. Если световой луч выходит за приделы этого вакуума, то на него начинают влиять различные условия.

Например, в вакууме нет кислорода и ветра, а в воздушном пространстве есть ветра. Свет проходит несколько медленнее через различный материал: стекло, воду, и так далее. Поскольку это является неким барьером, к таким предметам применяется понятие преломления.

Каждый из этих барьеров имеет свой уровень преломления, и при различных физических вычислениях эти преломления должны учитываться.

Справка! Также преломление света принято называть рефракцией. Активно используется при проектировании каких-либо изобретений. Зачастую это относится к изобретениям, где используется оптика и линзы: бинокли, телескопы, очки.

Меньше всего солнечный луч поддаётся преломлению, если проходит через воздушное пространство.

Какое значение скорости света можно назвать самым точным

Поскольку определение скорости света – термин не новый, учёные сделали достаточное количество открытий и провели множество исследований, касательно света и его преломления.

На сегодняшний день самым точным значение скорости света является – 299 792 километра в секунду. Такое число было установлено еще в 1933 году, и это значение актуально по сей день.

Справка! Со временем произошли погрешности в измерении метра, поэтому число неоднократно искажалось.

Какое значение имеет скорость света в различных условиях и средах

Скорость света принято высчитывать, исходя из определённых условий. Стоит сразу уточнить, что процедура достаточно сложная и проблематичная. Важно учесть все возможные преломления.

На сегодняшний день рассматривают три основных показателя:

• вода;
• стекло;
• воздух.

Как правило, величина преломления через воздух самая низкая. При высчитывании принято считать и сравнивать солнечные лучи в безвоздушном пространстве, а затем вводится коэффициент преломления. Только при правильно составленной формуле можно точно высчитать скорость света в различных условиях.

Формула определения скорости света

Как и любая физическая величина, скорость света имеет свою формулу. Выглядит она таким образом: C = λ/T.

Каждая буква имеет своё значение. Учёные берут эту формулу, как основу для расчёта скорости света в безвоздушном пространстве.

Величина этой скорости в идеальном вакуумном пространстве составляет 299 792 458 метров в секунду. Создать такой вакуум можно только в космосе, поэтому физики рассматривают многие примеры только на примере космического пространства.

Тогда не нужно учитывать различную величину преломления и так далее. В условиях земли идеальный вакуум с постоянной скоростью света можно только в искусственных условиях.

Скорость света также принято называть скоростью фотона.

Справка! Фотоном называют малейшую частицу света, который больше всего во Вселенной.

В безвоздушном пространстве скорость света не будет никак изменяться. Она не сможет увеличиваться и уменьшаться в идеальных условиях, так как нет никаких дополнительных преломлений.

Если рассматривать пример скорости света на Земле, то минимальная скорость света будет изменяться в зависимости от дополнительных условий.

Как изменялась скорость света

Скорость света менялась со временем. Чем точнее становилась аппаратура и чем больше проводилось опытов, тем точнее можно было установить скорость света. Многие учёные пытались неоднократно измерить скорость света.

Долгое время считалось, что она бесконечная и её невозможно изменить. Такой позиции придерживались вплоть до 17 века. После этого периода появились новый умы, который посчитали, что луч может иметь начало и конец и его можно измерить.

Справка! Первые измерения провел учёный Олаф Рёмер. Учёный из Дании заметил, что затмение Юпитера немного запаздывает.

Это стало отправной точкой и учёный решил примерно пересчитать эту скорость. Значение было приближено в 220 тысячам километров в секунду. Чуть позже за примерные расчёты взялись и другие учёные. Он также был далёк от нынешнего значения, но получил более точное значение.

Затем скоростью света начали интересоваться и другие служители науки. Вычисления пытались произвести учёные из разных стран и городов. Но до 70-х годов прошлого века не было введено более точных и новых измерений.

После 70-х годов начала появляться новая аппаратура, которая позволила произвести более точные измерения.

Галилей и его открытия

Измерения Галилея буквально поразили публику и своей простотой, и гениальностью. Он смог измерить примерную скорость света буквально подручными средствами.

Он со своим помощником посетили ближайшие холмы у дома, и заранее записали расстояние между ними. Запасаясь фонарями и заслонками, они приступили к осуществлению своего опыта.

Они начали поочерёдно закрывать и открывать фонари, тем самым пытались рассчитать скорость света. Они заранее договорились с каким временным промежутком будут открывать и закрывать фонарный свет.

Но, к сожалению, эксперимент не увенчался успехом. Для того, чтобы рассчитать скорость света, им бы пришлось находиться друг от друга на слишком большом расстоянии.

Рёмер и Бредли и их расчёты, касательно скорости света

Один из опытов, который позволил узнать примерное значение скорости света. Этот тот самый опыт, который был связан с затмением Юпитера. Учёные сделали достаточно простой шаг и разделили расстояние на время и получили примерное значение в 214 тысяч километров.

Это стало отправной точкой. Пускай, это было не точно и с большим количеством недочётов, но благодаря именно этим учёным величиной заинтересовались и начали изучать её более подробно.

Физо и его расчёты

Многие учёные отнеслись к расчётам предыдущих коллег достаточно скептически. Но не взирая на это, результаты были близки к настоящей длине, которая подтверждена сейчас официально и широко используется в расчётах, тогда этого не знали и пытались пересчитать.

Подобно Галилею, Физо игнорировал наблюдение за космическими телами и проводит опыт в лабораторных условиях. Эксперимент был прост: луч направлялся на зеркало, и отразившись проходил через колёсные зубцы.

После этого свет отражался на дополнительную поверхность, расположенную на достаточном расстоянии. Вращение колеса увеличивалось до тех пор, пока луч не попадал на то самое зеркало. Тогда были получены цифры в 313 тысяч километров, после того, как пересмотрели эти расчёты, была определена более точная цифра.

Существует ли скорость быстрее световой

Такое возможно только при создании дополнительных условий. Быстрее солнечного света будет солнечный зайчик или энергия. Также электроны и другие частицы.

Такие условия возможны в искусственных условиях, либо при наличии каких-то дополнительных условий.

Справка! Скорость времени также быстрее скорости света.

Физика и космос – это связанные между собой отрасли, которые постоянно подвергаются изучению. Благодаря этим измерениям можно проводить дальнейшие исследования и ставить более точные числа.

Скорость света:

Измерить скорость света ученые пытались давно. Например, Галилей проводил такой опыт. На вершине одного из холмов (рис. 221) находился с фонарем его ассистент, на вершине другого холма — он сам. Ассистент должен был снять крышку со своего зажженного фонаря в тот момент, когда увидит вспышку света фонаря Галилея. Измерив промежуток времени между вспышкой своего фонаря и моментом, когда он увидел вспышку света фонаря ассистента, и зная расстояние между холмами, Галилей пытался определить скорость света. Однако измеряемый промежуток времени был так мал, что Галилей рассматривал его лишь как время реакции человека. Скорость же света он считал бесконечно большой.

После Рёмера скорость света измеряли неоднократно все более совершенными методами. Более точные результаты были получены в опытах американского ученого А. Майкельсона. С ними вы познакомитесь в 11-м классе. Полученное им значение скорости света равнялось 299 700 

Принятое в настоящее время значение скорости света в вакууме

(пустоте) равно Если не требуется особая точность, то значение скорости округляется до

Скорость света в вакууме является максимальной. Скорость света в воздухе, как показали опыты, отличается от этого значения лишь незначительно. В других прозрачных средах скорость света меньше, чем в воздухе, например:
в воде  в скипидаре

в стекле    в алмазе

О среде, в которой свет распространяется с меньшей скоростью, говорят как об оптически более плотной и, наоборот, о среде, в которой свет распространяется быстрее, — как об оптически менее плотной. Обратите внимание, что слова «более (менее) плотный» не связаны с плотностью р вещества, в котором распространяется свет. Так, например, в скипидаре, плотность которого  меньше плотности воды свет распространяется медленнее, чем в воде, значит, скипидар является оптически более плотной, чем вода, средой.

А как распространяется свет? Проведем опыт. Поставим на столе три экрана с отверстиями (рис. 222).

Зажжем свечу или электрическую лампочку и попытаемся, перемещая экраны, увидеть свет через отверстия в них. Затем возьмем тонкий прямой стержень и вставим его в отверстия. Мы увидим, что стержень проходит через все отверстия.

Значит, они расположены на одной прямой. А теперь сместим один экран. Свет в глаз больше не попадает. Это говорит о том, что свет распространяется прямолинейно.

В опыте средой, в которой распространялся свет, был воздух. А если взять другую среду, например воду, то как в ней будет распространяться свет?

Проведем опыт. В стеклянный сосуд нальем воду и добавим немного молока, чтобы луч стал видимым. Фонарь или лазерную указку, от которых идет пучок света, поднесем к стенке сосуда (рис. 223). Мы увидим в воде прямую светящуюся линию. Она образована светом, отраженным от частичек молока. Значит, и в воде свет распространяется прямолинейно. И воздух, и вода имеют по всему объему одинаковые физические свойства, поэтому являются однородными средами.

Теперь можно сформулировать закон: в однородной среде свет распространяется прямолинейно.

А если среда неоднородна (состоит из нескольких различных однородных сред)? Тогда этот закон выполняется только в случае, когда световой луч падает перпендикулярно к поверхности среды (рис. 224, а). Во всех других случаях при переходе из одной среды в другую свет меняет свое направление (рис. 224, б).

С неоднородностью среды связано искривление лучей, приводящее к образованию миражей (рис. 225).

Неоднородность среды есть следствие различной температуры соседних слоев воздуха.

• Заказать решение задач по физике

Прямолинейностью распространения света объясняются многие явления, например образование тени и полутени. Возьмем миниатюрную электрическую лампочку, мячик и экран. Расположим их, как показано на рисунке 226. В область усеченного конуса между лучами 1 и 2 свет не попадает. На экране мы видим четко очерченную тень.

А теперь осветим мячик двумя лампочками (рис. 227).

На экране мы увидим тень, т. е. область, куда нс попадает свет ни от лампочки 1, ни от лампочки 2, и полутени (области ). В области не попадает свет только от одной лампочки. Тень и полутень можно получить и от одного источника, если он не является точечным (рис. 228).

 

Для любознательных:

Образованием тени и полутени можно объяснить солнечные и лунные затмения. Когда Луна оказывается между Землей и Солнцем, на поверхность Земли в область 2 солнечные лучи не попадают и жители этой местности оказываются свидетелями полного солнечного затмения (рис. 229). В области 1 и 3 свет попадает частично, это области полутени. Жители этих мест будут видеть ту часть Солнца, от которой в данную область попадает свет.

Главные выводы:

1. Скорость света в вакууме примерно равна 300 000 
2. Скорость света в прозрачных жидких и твердых средах меньше скорости света в воздухе.
3. Чем меньше скорость света в среде, тем среда оптически более плотная.
4. В однородных прозрачных средах свет распространяется прямолинейно.

В физике принято за аксиому, что скорость распространения света — величина постоянная (константа) с конечным значением приблизительно в 300000 км/с. Обозначается она буквой «с» и не может быть превышена в существующей концепции мироздания. Почему так случилось, и как к этому пришли ученые, расскажем ниже.

Чтобы определить скорость любого объекта, сначала необходимо точно определить его характеристики и выяснить, что нас интересует на самом деле. Если рассматривать физическое тело, то его скорость можно определять исходя из разных характеристик. Если рассматривать тело, как материальную точку, то интересным будет только центр масс, если принять во внимание размеры, то нужно изучать движение каждой точки на поверхности и в массиве вещества. Сложности возникают, если тело при движении по прямой еще и вращается, или совершает колебательные движения. В этом случае определить скорость каждого атома вещества в определенный момент будет очень сложно.

Какое отношение это имеет к свету и его распространению в пространстве? Чтобы узнать, чему равна скорость света в физике, нужно выяснить, что же такое свет, и что именно перемещается от источника к наблюдателю. Если в случае с материальным телом относительно несложно найти центр масс, или выбрать конкретную точку на поверхности, или в объеме и маркировать ее, то в случае с такой эфемерной субстанцией, как свет, сделать это очень сложно. Сейчас попытаемся объяснить почему.

Несколько слов о природе света

С точки зрения обычного человека, свет — это обычное природное явление, позволяющее видеть различные предметы вокруг. Есть самостоятельные источники света — нагретые вещества, солнце, звезды, лампочки, светодиоды. Есть другие источники, отражающие свет — рефлекторы фонариков, зеркала, Луна, водная гладь. Для пользования светом нет необходимости углубляться в тайны его строения и происхождения.

Для физика свет — это одна из самых сложных загадок мироустройства, над изучением которых ученые работают  уже несколько сотен лет и пока только приоткрыли завесу тайны. Для инженера свет — это определенная часть спектра электромагнитного излучения, которая воспринимается глазами человека. По своей природе свет ничем не отличается от других электромагнитных волн, поэтому, определяя, чему равняется скорость света, мы должны понимать, что с такой же скоростью перемещаются и другие виды излучения, например, радиоволны, переносящие телевизионный и радиосигнал.

Впервые электричество и магнетизм увязал в один комплекс Джеймс Клерк Максвелл, который, по словам Альберта Эйнштейна, этим открытием «навсегда изменил мир», по крайней мере, в умах физиков. Теорию Максвелла о природе света блестяще подтвердил Генрих Герц, но уже после смерти ученого. Случилось это в 1880 году, который можно считать началом изучения света, как электромагнитной волны.

После многочисленных экспериментов ученые установили, что область видимого света ограничена довольно узкой частью спектра — от 380 до 750 нм (10^-9м). Это соответствует расстоянию от фиолетового до красного цвета в палитре. Расположившиеся между ними цвета обладают другими частотами и длинами волны. Зачем это нужно знать? Для того чтобы понять, что свет неоднороден. Если определять скорость света в вакууме км в час (км/ч), то обязательно нужно уточнять, рассматривается белый свет (аналог материальной точки в случае с физическим телом), или каждая отдельная длина волны.

В случае со светом это очень важно, потому, что при  изучении его распространения физики рассматривают две составляющих — групповую и фазовую скорость. Что это такое, мы уточним ниже, после того, как выясним более подробно, что же такое свет.

Рассмотрение света, как электромагнитной волны, закончим информацией о том, что некоторые люди могут видеть за пределами фиолетовой и красной части спектра. Эти зоны называются ультрафиолетовой и инфракрасной. Излучение этих пограничных областей спектра распространяется по тем же законам, что и видимый свет. То есть, геометрическая оптика работает и здесь. Это же касается и рентгеновского излучения, которое никто не называет светом, но по сути, это одно и то же.

Измеряя скорость света в метрах в секунду (м/с) ученые одновременно находят скорость перемещения любого электромагнитного излучения, находящегося в пределах частот от нуля до бесконечного количества Герц. Ученый Элефтериос Гулильмакис из Института квантовой оптики в Германии выразился так «с точки зрения физики, никакой разницы между светом и другими видами электромагнитного излучения нет, все описывается одними и теми же уравнениями и математикой».

Но движемся дальше, как луч света в вакууме. После активизации интереса к природе электромагнитного излучения со стороны многих ученых появились вполне резонные возражения — свет во многих случаях  ведет себя не как волна, а как поток частиц. Об этом говорил еще Исаак Ньютон, задолго до Максвелла, исследуя прямолинейное распространение света, преломление в призмах и отражение от плоских поверхностей.

Но в 1801 году Томас Юнг выполнил свой простой, но наглядный эксперимент с двойной оптической щелью, доказавший что свет, все же волна (интерференция и дифракция свойственна только волнам). Такие противоречия в определении природы света длились до 1900 года, когда Макс Планк определил, что свет излучается как волна, но не непрерывно, а порциями, так называемыми квантами, или фотонами. Теорию Планка подтвердили исследования еще одного выдающегося ученого — Альберта Эйнштейна. Ими созданы ряд уравнений, которые описывают поведение света и как волны, и как частицы.

Такая двойная природа видимого света несколько усложняет процесс определения его скорости, как в вакууме, так и в других прозрачных средах.  История о том, как вычислили скорость света достаточно сложная, но, безусловно, интересная, учитывая то, что занимались проблемой и астрономы, и физики-теоретики, и всемирно известные экспериментаторы.

История вычисления скорости света

Величина скорости света, принятая сейчас за константу, 299792458 м/с возникла не просто так. Путь к точному вычислению был долгим и трудным. Хотя во времена алхимиков, философов и других мыслящих людей Средних и более древних веков о скорости света задумывались мало, считалось аксиомой, что свет распространяется мгновенно. Во времена, когда скорость полета стрелы, арабского скакуна и сокола были величинами значительными, о возможности измерения параметров распространения света никто и не задумывался.

Первым попробовал определить скорость света попробовал Галилео Галилей. Теоретически он разработал методику эксперимента, в котором предполагалось открывать фонарь, расположенный на расстоянии в несколько миль от наблюдателя, и фиксировать время на часах фонарщика и ученого. Зная расстояние и разницу во времени, легко вычислить скорость. Но даже гений Галилей не мог предположить, с какими огромными числами придется работать. Неизвестно, пытался ли он реализовать замысел, но его явно ждала неудача — таких точных хронометров, чтобы заметить разницу во времени в те времена еще не было.

Теперь мы знаем, в чем измеряется скорость света, это сотни тысяч километров в секунду. О масштабах скорости Галилей, да и много его последователей могли только догадываться. Но уже в 1676 году Олаф Ремер понял, что масштабы реально космические. Для измерения он использовал уже известные данные о расстоянии от Земли до Юпитера. Идея повторяла замысел Галилея, но в качестве фонаря он использовал отраженных от Юпитера свет, а в качестве заслонки — спутники планеты гиганта.

Ученый заметил, что когда Юпитер ближе всего к Земле и дальше всего (орбита эллиптическая), то время между затмениями спутников отличается. Ремер предположил, что происходит так из-за конечности скорости света (по тем временам смелое, можно сказать, революционное предположение). После наблюдений и вычислений был получен результат — 214000 км/с. О точности измерения судить не будем — приборы того времени не могли позволить большего. Но главное было сделано — определен порядок величины. Ученые поняли, что скорость огромная. Осталось только уточнить цифры.

Удалось это сделать только в 1728 году, когда Джеймс Брэдли исследовал аберрацию звезд (изменение положения звезды на небе из-за движения Земли по орбите). Наблюдение велось на протяжении года за одной из звезд созвездия Дракона. Результат получился впечатляющим — 301000 км/с. Учитывая расстояния, с которыми оперировал астроном, состояние материально-технической базы и уровень математики того времени, можно только поразится точности измерений.

Но физики не остановились на этом, ученый Арман Физо разработал свой метод определения скорости светового луча. Эксперимент провели в 1849 году. Суть его состояла в использовании отраженного луча от зеркала на расстоянии в 8 км. Луч проходил между лопастями колеса, вращающегося с огромной скоростью. По мере увеличения скорости вращения замерялось время появления луча в зазоре. Расчетная скорость получилась в 315 000 км/с.

Методику эксперимента улучшил Леон Фуко, использовавший вместо зубчатого колеса вращающееся зеркало. Он получил результат в 298 000 км/с. Такие числа не давали покоя теоретикам, которые стремятся все обосновать с помощью математики. Только после появления теории электромагнитного излучения Максвелла, это удалось сделать. Физики-теоретики Вебер и Кольрауш в 1857 году рассчитали скорость света, учитывая величины магнитной и электрической проницаемости разных веществ. У них скорость получилась 299788 км/с. Позже эта величина была подтверждена другими физиками и считалась самой точной для вакуума.

Улучшить результат удалось только в 1958 году, когда ученый Фрум получил результат в 299792.5 км/с. В эксперименте он использовал новейшие интерферометры и электрооптические затворы, неизвестные в начале ХХ столетия. Эволюция измерения скорости света выглядит так:

Дата эксперимента	Автор эксперимента (вычисления)	Метод определения	Результат, км/с	Погрешность
1676	Олаф Ремер	Наблюдение за спутниками Юпитера	214 000
1726	Джеймс Бредли	Наблюдение аберрации звезд	301000
1849	Арман Физо	Эксперимент с зубчатым колесом	315000
1862	Леон Фуко	Эксперимент с зеркалом	298000	+500
1879	Альберт Михельсон	Вращающееся зеркало	299 910	+50
1958	К.Д.Фрум	радиоинтерферометр	299792,5	+0,01
1983	CGPM (конференция мер и весов)	Обобщенное значение, принятое за  максимально точное.	299 792.458	0

Сейчас сказать точно, кто вычислил скорость света, очень сложно — это коллективный труд множества ученых, которые посвятили годы жизни для уточнения полученных еще в 17 столетии результатов вычислений.

Скорость света в разных средах

Что такое скорость света простыми словами сказать сложно. Если исходить из того, что наблюдателя интересует только время, которое проходит от излучения фотона до его фиксации наблюдателем, то можно экстраполировать явление перемещения света на движение материальной точки. Но в процессе движения электромагнитной волны происходит множество более интересных явлений.

Белый свет, то есть, пакет электромагнитных волн, которые мы воспринимаем как белый цвет, состоит из волн разной длины и частоты. Они движутся с разной скоростью, которая определяется частотой и амплитудой кванта (связанной с энергией). Волна — это сложное колебательное движение электромагнитного поля. Фазовая скорость принимает во внимание только колебания в направлении вектора перемещения, игнорируя другие направления.

Если рассматривать колебания в категориях квантовой механики, то фазовая скорость может значительно отличаться от «С», превосходить ее и даже становиться отрицательной. Это предмет изучения квантовой физики и на реальную скорость света в воздухе в км/час влияния не оказывает. Здесь более важна групповая скорость, то есть скорость пакета волн, в максимальном приближении напоминающая движение отдельно взятой частицы с волновыми свойствами.

Любая плотная среда оказывает сопротивление перемещению фотонов. Это происходит на микроуровне, в результате обмена энергий частиц и междуорбитальных переходов. Так или иначе, свет в прозрачной среде замедляется. Формула скорости света в воздухе и других веществах очень проста: v = c / n.

• V – скорость света в плотной среде;
• C — скорость света в вакууме;
• n — коэффициент преломления.

Коэффициент n зависит от плотности материала и находится в диапазоне от 1 до 5, то есть свет в веществе может замедлиться в несколько раз. При использовании световой волны как носителя информации, такую задержку обязательно учитывают. Даже в вакууме, конечность скорости света может вызывать определенные сложности.

Например, сигнал от космических зондов может задерживаться на  несколько минут, или часов, если аппарат находится на дальних рубежах Солнечной системы, или даже за ними. Если использовать стекловолоконный кабель, опоясывающий землю, то задержка сигнала будет составлять около 0,2 с. Для многих компьютерных систем — это слишком большая, практически недопустимая величина.

Точное вычисление скорости света, как в вакууме, так и внутри прозрачных веществ имеет огромное  значение, как для практического использования электромагнитных волн видимого и невидимого спектра, так и для понимания реальной картины мироздания.

Содержание:

1. Распространение света
2. Источники света
3. Закон прямолинейного распространения света
4. Скорость света
5. Световой поток. Точечный источник света
6. Сила света
7. Освещённость
8. Единицы светотехнических величин
9. Законы освещённости
10. Сравнение силы света двух источников

Свет — в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380−400 нм (750−790 ТГц).

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Распространение света

Оптика — раздел физики, в котором изучаются природа света, законы его распространения и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Свет – это электромагнитные волны, вызывающие у человека зрительные ощущения.

Источники света

«Свет — необходимое условие для работы глаза, самого тонкого, универсального и могучего органа чувств,— писал академик С. И. Вавилов.— Ночь лишает человека этого органа, превращая жизнь из активной в пассивную.

Роль искусственного света — поддерживать деятельное, бодрствующее сознание. Свет фактически удлиняет сознательное существование человека, и в этом прежде всего его великое значение. Не удивительно поэтому, что в наше время вопрос о количестве света вырастает в очень большую технико-экономическую проблему».

Мы видим различные тела, когда от них исходит свет и попадает к нам в глаза. Одни тела мы видим независимо оттого, светло вокруг нас или темно. Они сами излучают свет в окружающее пространство, такие тела называются источниками света.

Большинство же тел мы видим только тогда, когда они освещены источниками света.

Источники света можно разделить на естественные и искусственные. Из естественных источников света главное значение имеет для нас Солнце, так как свет, излучаемый Солнцем, является первоисточником большинства энергетических запасов, которыми располагает человечество в настоящее время. Солнечный свет является источником жизни для всех живых организмов на земле — растений, животных, человека.

Искусственные источники света, которыми человечество овладевало по мере своего развития и с которыми каждый из нас до сих пор встречается (костры, спички, свечи, керосиновые и электрические лампы), как и Солнце, всегда горячие.

Все названные выше источники испускают свет в нагретом состоянии, поэтому они называются тепловыми источниками света.

Наряду с тепловыми источниками в настоящее время всё шире и шире начинают проникать в технику и быт новые виды источников света, в которых используется свечение газов под действием проходящих через них электрических токов. Температура газа в таких лампах при свечении почти не меняется, поэтому их называют иногда источниками «холодного света». Они, как мы увидим далее (§ 189), значительно экономичнее электрических ламп накаливания. Кроме того, в некоторых из них можно получить свет, одинаковый по своему составу с солнечным светом. Такие лампы «дневного света» сейчас используются во многих производствах; они, в частности, служат источником света на некоторых подземных станциях метро.

Солнце находится от Земли на расстоянии 150 млн. км. Расстояние от Земли до звёзд значительно больше. Каким же образом свет, излучаемый Солнцем, звёздами и другими светящимися телами, распространяется в пространстве? Что такое свет? — Все эти вопросы издавна занимали человечество. В настоящее время наукой выяснено многое о природе света и законах его распространения.

В учении о свете, как, впрочем, и в любой другой области научного знания, широким теоретическим обобщениям предшествовало изучение и накопление опытных фактов и установление на основании их законов явлений. Отчётливое знание этих законов необходимо для того, чтобы глубже понять сущность учений о природе и свойствах света.

К числу основных законов оптических явлений относятся:

1. Закон прямолинейного распространения света.
2. Закон отражения света.
3. Закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света

Известно, что если поместить между глазом и каким-нибудь небольшим источником света непрозрачный предмет, то источник света делается невидимым. Объясняется это тем, что в однородной среде(например, в воздухе) свет распространяется по прямым, линиям. Прямолинейность распространения света представляет собой опытный факт, установленный ещё в глубокой древности. Так, например, закон о прямолинейности распространения света излагается уже в сочинении Евклида (300 лет до нашей эры), но, вероятно, он был известен гораздо раньше.

Прямолинейностью распространения света в однородной среде объясняется всем хорошо известное явление образования тени.

Пусть S (рис. 243) есть очень маленький по размеру источник света, а К — тело, преграждающее путь падающему на него от S свету.

Так как свет распространяется прямолинейно, то он задерживается телом К; в результате за этим телом образуется конус тени. Каждая точка внутри этого конуса не получает света от источника света S. Поэтому на экране, помещённом под прямым углом к оси такого конуса, и получается хорошо очерченная тень тела К.

Если размеры источника света велики по сравнению с расстоянием от него до препятствий, то свет от каждой точки тела даёт отдельный конус тени позади препятствия. Свет совершенно не попадает лишь в пространство, общее всем этим конусам тени. На рисунке 244 показано сечение конусов тени, образованных за телом В светом, распространяющимся из двух точек источника света S. В пространство ВС свет не попадает ни от одной из точек светящегося тела S. Каждая же точка пространства, окружающего конус ВС, получает свет только от некоторых точек тела S, от других же не получает. Если между В и С поместить экран NN, то на нём мы увидим тень, окружённую полутенью.

Образование тени при падении лучей от источника света на непрозрачный предмет объясняет нам такие явления, как затмение Солнца и Луны.

Свойство прямолинейности распространения света используется в землемерных работах при провешивании прямых линий на поверхности земли, при определении расстояний на земле, на море и в воздухе.

Широко используется прямолинейность распространения света в производстве при контроле по лучу зрения прямолинейности изделий и инструментов.

Весьма вероятно, что понятие о прямой линии возникло из факта прямолинейности распространения света.

Прямолинейностью распространения света объясняется возможность получения изображений с помощью малого отверстия.

Положим, что АВ представляет собой светящийся предмет, помещённый перед малым отверстием С в стенке камеры К (рис. 245). Так как свет распространяется прямолинейно, то от каждой точки предмета АВ через отверстие С будет проходить свет, который на стенке E камеры образует небольшое пятнышко. Совокупность таких пятнышек, полученных от разных точек, образует на стенке камеры Е изображение предмета, которое по отношению к предмету будет перевёрнутым.

Однако закон прямолинейности распространения света теряет свою силу при прохождении через очень малые отверстия. Познакомимся с этим явлением на опыте. Будем уменьшать отверстие С и наблюдать при этом за изображением . Мы заметим, что с уменьшением размера отверстия отчётливость изображения скачала возрастает, уменьшается только его яркость, так как при уменьшенном отверстии меньше поступает и света. Но когда размер отверстия становится очень малым (в нашем опыте ), изображение теряет подобие предмета и при дальнейшем уменьшении отверстия становится размытым, а при диаметре отверстия порядка 0,0005 мм совершенно исчезает. Экран E камеры становится при этом слабо, но равномерно освещённым. Объясняется это тем, что при прохождении светом очень малых отверстий прямолинейность распространения его нарушается.

Явление, при котором наблюдается нарушение прямолинейности распространения света, называется дифракцией света, оно будет рассмотрено в главе IX.

Скорость света

В пределах земной поверхности скорость света определялась разными методами. Чтобы уяснить идею

подобных измерений, опишем опыт американского учёного Майкельсона.

Для своих измерений Майкельсон воспользовался двумя горными вершинами: Антонио и Вильсон (в Калифорнии), расстояние между которыми (35,426 км) было тщательно измерено. На вершине горы Вильсон был установлен сильный источник S (рис. 246), свет от которого, проходя через щель, падал на восьмигранную зеркальную призму А. Отражённый от зеркальной грани призмы свет попадал на вогнутое зеркало В, установленное на вершине горы Антонио. Далее свет падал на зеркало т и, отражаясь от него, падал на другую точку зеркала В, после чего попадал на вторую грань зеркальной призмы А и отражался. Отражённый свет улавливался с помощью зрительной трубы С. Вышедший из щели свет мог попасть в зрительную трубу только при том условии, если за время распространения света с одной горы на другую и обратно в расположении зеркал ничего не изменилось.

Зеркальная призма А при помощи мотора приводилась во вращение, причём скорость мотора регулировалась так, чтобы через зрительную трубу щель S была видна непрерывно. Это могло быть только при том условии, если за время поворота призмы на  оборота свет проходил путь, равный двойному расстоянию между вершинами гор. Зная число оборотов зеркала в секунду и пройденный светом путь, Майкельсон нашёл, что скорость света в воздухе

Скорость света в различных веществах, как показывают опыты, неодинакова. В воде, например, скорость света около , в стекле около .

Световой поток. Точечный источник света

Энергия света оценивается по зрительному восприятию. Если на какую-либо площадку в течение времени t падает свет, энергия которого равна L, то величина называется световым потоком (Ф):

Количество энергии, излучаемой каким-либо источником света в единицу времени по всем направлениям, называется полным световым потоком источника .

Световой поток выражает собой величину мощности светового излучения.

Представим себе, что источником света является небольшой раскалённый шарик. Такой источник будет излучать свет по всем направлениям равномерно, а если действие света, излучаемого км, мы будем оценивать на расстоянии, значительном по сравнению с диаметром шарика, то размеры его но будут играть никакой роли. В этом случае источник света можно считать точечным.

Таким образом, точечным источником света называется источник, излучающий свет по всем направлениям равномерно и размерами которого по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие, можно пренебречь.

На практике мы всегда имеем дело с протяжёнными телами, в том числе и с протяжёнными источниками света. Каждый из таких источников можно рассматривать как совокупность светящихся точек. Чем меньше размеры светящегося тела в сравнении с расстоянием, на котором мы оцениваем его действие, тем с меньшей погрешностью можно принимать его за светящуюся точку.

Сила света

Для характеристики источника света в светотехнике применяется величина, называемая силой света.

Представим себе точечный источник света и опишем вокруг него радиусом r шаровую поверхность. Вообразим внутри этого шара конус, вершина которого находится в центре шара. Такой конус вырезает на поверхности шара некоторую часть шаровой поверхности  (рис.247).

Пространство, ограниченное конической поверхностью, называется телесным углом.

Телесный угол измеряется отношением . Если то телесный угол равен единице и называется стерадианом. Так как величина шаровой поверхности равна то телесный угол вокруг течки равен стерадианам.

Силой света (I) источника называется величина, измеряемая отношением светового потока Ф к величине телесного угла , в котором этот поток распространяется:

Следовательно, сила света измеряется тем световым потоком, который распространяется в 1 стерадиане.

Из определения точечного источника следует, что сила света точечного источника одинакова по всем направлениям. Сила же света таких источников, как лампа накаливания, дуговой фонарь и т. п., различна по различным направлениям. Применяя соответствующую арматуру, мы можем излучаемый’ источником поток направить так, как нам желательно. Концентрируя полный поток источника в небольшом телесном угле, мы получаем громадную силу света в одном каком-нибудь направлении. На этом принципе основано устройство современных прожекторов.

Освещённость

Читаем ли мы книгу, пишем ли, работаем ли у какого-нибудь станка, всегда объект, над которым мы трудимся, должен быть так или иначе освещён. Всем известно, например, что чтение при слабом свете утомляет глаза. Также утомляются глаза при очень сильном свете. Но слабый и сильный — понятия относительные и субъективные. Для объективной оценки освещения в светотехнике введена величина освещённости. Освещённостью Е называется величина, измеряемая отношением светового потока Ф, падающего на какую-либо поверхность, к величине площади этой поверхности S:

При равномерном распределении потока на поверхности освещённость численно равна световому потоку, падающему на единицу площади.

Единицы светотехнических величин

Основной светотехнической величиной является световой поток. Однако на практике в качестве основной единицы принята единица силы света. По международному соглашению за единицу силы света принята свеча (св). Свеча — определённая часть силы света, даваемого эталонной лампой накаливания особого устройства (рис. 248) в строго определённом направлении.

Так как

то   

Полагая силы света угла, получим Ф=1 ед. светового потока.

За единицу светового потока принимается люмен (лм).

Люменом называется световой поток, излучаемый точечным источником света в 1 свечу внутри телесного угла в один стерадиан.

Если световой поток в 1 лм равномерно распределяется на единице площади поверхности, то освещённость равна единице.    

За единицу освещённости принимают люкс (лк); люкс — освещённость, создаваемая равномерно распределённым световым потоком в 1 лм на поверхности в :

Чрезвычайно важное значение для производительности труда и сохранения зрения имеет надлежащая освещённость места работы. Установлены различные нормы освещённости для разных видов работы.

В качестве примера ниже приводятся значения некоторых освещённостей, встречающихся на практике:

 

Законы освещённости

Свет, исходящий из точечного источника, будет различным образом освещать предметы, находящиеся на разных расстояниях от источника. Чем дальше освещаемая поверхность находится от источника S, тем меньший световой поток приходится на каждую единицу этой поверхности (рис. 249), а следовательно,

тем меньше её освещённость. Совершенно очевидно, что при одинаковых расстояниях от источника освещённость зависит также от силы света источника.

Установим эту зависимость. Пусть имеется точечный источник света силой I. Опишем вокруг него радиусом r шаровую поверхность S. Освещённость этой поверхности равна:

Если сила света источника I, то полный световой поток Подставляя это значение в формулу (1), получим:

В рассматриваемом случае лучи перпендикулярны к любому элементу освещаемой поверхности.

Итак, освещённость поверхности лунами, падающими на неё перпендикулярно, прямо пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния его от освещаемой поверхности (это первый закон освещённости).

Этот закон строго выполняется в случае точечного источника света. На практике расчётные результаты, основанные на этом законе, тем ближе к опытным данным, чем меньших размеров источник и чем больше расстояние от него до освещаемой поверхности.

Кроме указанных факторов, освещённость зависит ещё и от угла, под которым свет падает на освещаемую поверхность.

Возьмём небольшой по размерам источник света S. Лучи, падающие от него на небольшую площадку б на достаточно большом расстоянии, будут практически параллельными (рис. 250). Если эту площадку наклонить, то на неё попадёт только часть светового потока.

На рисунке 251 один и тот же поток света падает на две прямоугольные площадки АС и АВ, расположенные перпендикулярно плоскости чертежа. Пусть высоты этих прямоугольных площадок равны 1 см, тогда площади их в квадратных сантиметрах численно будут равны длинам линий АС и АВ. На площадке АС, расположенной перпендикулярно к падающим лучам света, распределён световой поток Ф, тогда освещённость этой площадки будет:

Аналогично для площадки АВ:

Сравним освещённости

поэтому 

Освещённость поверхности пропорциональна косинусу угла падения лучей (второй закон освещённости).
Если — освещённость площадки перпендикулярными лучами света, то она равна ; тогда освещённость может быть вычислена по формуле:

Эта формула объединяет оба закона освещённости.

Сравнение силы света двух источников

Приборы для сравнения силы света называются фотометрами. Пусть — источники, сила света которых равна и L (рис. 252). Установим между ними экран А так, чтобы освещённости какой-нибудь небольшой поверхности экрана справа и слева были равны:

Отсюда на основании равенства (1) можно написать:

Если вместо одного источника света поместить эталонную лампу и, установив равенство освещённостей экрана, измерить расстояния то можно определить силу света второго источника.

Схема одного из простейших фотометров показана на рисунке 253. На белые грани ВС и АС треугольной призмы ABC падает свет от источников Перемещением фотометра между ними добиваются одинаковой освещённости граней ВС и АС, это будет тогда, когда при наблюдении обе грани окажутся слившимися в одну; граница между ними исчезает.

Услуги по физике:

1. Заказать физику
2. Заказать контрольную работу по физике
3. Помощь по физике

Лекции по физике:

1. Физические величины и их измерение
2. Основные законы механики
3. Прямолинейное равномерное движение
4. Прямолинейное равнопеременное движение
5. Сила
6. Масса
7. Взаимодействия тел
8. Механическая энергия
9. Импульс
10. Вращение твердого тела
11. Криволинейное движение тел
12. Колебания
13. Колебания и волны
14. Механические колебания и волны
15. Бегущая волна
16. Стоячие волны
17. Акустика
18. Звук
19. Звук и ультразвук
20. Движение жидкости и газа
21. Молекулярно-кинетическая теория
22. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
23. Молекулярно — кинетическая теория газообразного состояния вещества
24. Теплота и работа
25. Температура и теплота
26. Термодинамические процессы
27. Идеальный газ
28. Уравнение состояния идеального газа
29. Изменение внутренней энергии
30. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно
31. Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества
32. Водяной пар в атмосфере
33. Плавление и кристаллизация
34. Тепловое расширение тел
35. Энтропия
36. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое
37. Тепловое расширение твердых и жидких тел
38. Свойства газов
39. Свойства жидкостей
40. Свойства твёрдых тел
41. Изменение агрегатного состояния вещества
42. Тепловые двигатели
43. Электрическое поле
44. Постоянный ток
45. Переменный ток
46. Магнитное поле
47. Электромагнитное поле
48. Электромагнитное излучение
49. Электрический заряд (Закон Кулона)
50. Электрический ток в металлах
51. Электрический ток в электролитах
52. Электрический ток в газах и в вакууме
53. Электрический ток в полупроводниках
54. Электромагнитная индукция
55. Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
56. Термоэлектрические явления
57. Распространение электромагнитных волн
58. Интерференционные явления
59. Рассеяние
60. Дифракция рентгеновских лучей на кристалле
61. Двойное лучепреломление
62. Магнитное поле и электромагнитная индукция
63. Электромагнитные колебания и волны
64. Природа света
65. Отражение и преломление света
66. Оптические приборы и зрение
67. Волновые свойства света
68. Действия света
69. Линзы и получение изображений с помощью линз
70. Оптические приборы и глаз
71. Фотометрия
72. Излучение и спектры
73. Квантовые свойства излучения
74. Специальная теория относительности в физике
75. Теория относительности
76. Квантовая теория и природа поля
77. Строение и свойства вещества
78. Физика атомного ядра
79. Строение атома