Свет (оптика): определение, единицы и источники (со спектром)

Понимание света позволяет нам понимать, как мы видим, воспринимаем цвет и даже корректировать зрение с помощью линз. Полеоптикаотносится к изучению света.

В повседневной речи слово «свет» часто действительно означаетвидимый свет, который воспринимается человеческим глазом. Однако свет бывает во многих других формах, подавляющее большинство из которых люди не видят.

Источником всего света является электромагнетизм, взаимодействие электрических и магнитных полей, пронизывающих пространство.Световые волныявляются формойэлектромагнитное излучение; термины взаимозаменяемы. В частности, электромагнитные волны - это самораспространяющиеся колебания в электрическом и магнитном полях.

Другими словами, свет - это вибрация в электромагнитном поле. Он проходит сквозь пространство как волна.

• Скорость света в вакууме 3 × 10⁸ м / с, самая быстрая скорость во вселенной!

Уникальная и странная особенность нашего существования заключается в том, что ничто не движется быстрее света. И хотя весь свет, видимый или невидимый, движется с одинаковой скоростью, когда он встречает

Взаимодействие света с материей намекает на еще одну его важную характеристику: природу частиц. Одно из самых странных явлений во Вселенной, свет на самом деле представляет собой две вещи одновременно: волну и частицу. Этотволновая дуальностьделает изучение света в некоторой степени зависимым от контекста.

Иногда физики находят наиболее полезным думать о свете как о волне, применяя к нему большую часть той же математики и свойств, которые описывают звуковые волны и другие механические волны. В других случаях более уместно моделирование света как частицы, например, при рассмотрении его отношения к атомным уровням энергии или пути, по которому он будет отражаться от зеркала.

Если весь свет, видимый или невидимый, технически представляет собой одно и то же - электромагнитное излучение, - что отличает один тип от другого? Его волновые свойства.

Электромагнитные волны существуют в спектре разных длин волн и частот. Как волна, скорость света следует уравнению скорости волны, где скорость равна произведению длины волны и частоты:

В этом уравненииvскорость волны в метрах в секунду (м / с),λдлина волны в метрах (м) ижчастота в герцах (Гц).

В случае света это можно переписать с помощью переменнойcдля скорости света в вакууме:

• ​c- специальная переменная, представляющая скорость света в вакууме. В других средах (материалах) скорость света может быть выражена как доля отc.​

Это соотношение подразумевает, что свет может иметь любую комбинацию длины волны или частоты, при условии, что значения обратно пропорциональны, а их произведение равноc. Другими словами, свет может иметьбольшойчастота инебольшойдлина волны или наоборот.

На разных длинах волн и частотах свет имеет разные свойства. Итак, ученые разделили электромагнитный спектр на сегменты, представляющие эти свойства. Например, очень высокие частоты электромагнитного излучения, такого как ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи или гамма-лучи, обладают очень высокой энергией - их достаточно, чтобы проникнуть в ткани тела и повредить их. Другие, например радиоволны, имеют очень низкие частоты, но большие длины волн, и они все время беспрепятственно проходят сквозь тела. (Да, радиосигнал, несущий треки ваших любимых ди-джеев по воздуху на ваше устройство, представляет собой форму электромагнитного излучения - свет!)

Формы электромагнитного излучения от более длинных волн / более низких частот / низкой энергии до более коротких длин волн / более высоких частот / высокой энергии:

• Радиоволны
• Микроволны
• Инфракрасные волны
• Видимый свет
• Ультрафиолетовый свет
• Рентгеновские лучи
• Гамма лучи

[вставить диаграмму электромагнитного спектра]

Спектр видимого света охватывает длины волн от 380 до 750 нанометров (1 нанометр равен 10^-9 метры - одна миллиардная метра, или около диаметра атома водорода). Эта часть электромагнитного спектра включает все цвета радуги - красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий, индиго и фиолетовый - которые видны глазу.

[Включите диаграмму с выделением видимого спектра]

Поскольку красный цвет имеет самую длинную длину волны среди видимых цветов, он также имеет самую маленькую частоту и, следовательно, самую низкую энергию. Обратное верно для синего и фиалкового цветов. Потому что энергия цветов не одинакова, равно как и их температура. Фактически, измерение этой разницы температур в видимом свете привело к открытию существования другого света.невидимыйлюдям.

В 1800 году сэр Фредерик Уильям Гершель разработал эксперимент по измерению разницы температур для разных цветов солнечного света, которые он разделил с помощью призмы. Хотя он действительно обнаружил разные температуры в разных цветовых областях, он был удивлен, увидев самые горячие температура всего, зарегистрированная на термометре, сразу за красным, где, казалось, не было света на все. Это было первое доказательство того, что существует больше света, чем может видеть человек. Он назвал свет в этой областиинфракрасный, что переводится как «ниже красного».

Белый свет, обычно излучаемый стандартной лампочкой, представляет собой комбинацию всех цветов. Черный же, напротив,отсутствиелюбого света - совсем не цвет!

Инженеры-оптики и ученые рассматривают свет двумя разными способами, определяя, как он будет отражаться, совмещаться и фокусироваться. Оба описания необходимы для предсказания окончательной интенсивности и местоположения света, когда он фокусируется через линзы или зеркала.

В одном случае оптики смотрят на свет как на сериюпоперечные волновые фронты, которые представляют собой повторяющиеся синусоидальные или S-образные волны с гребнями и впадинами. Этофизическая оптикаподход, поскольку он использует волновую природу света, чтобы понять, как свет взаимодействует с самим собой, и приводит к паттернам интерференции, точно так же, как волны в воде могут усилить или нейтрализовать один другой выход.

Физическая оптика началась после 1801 года, когда Томас Янг обнаружил волновые свойства света. Это помогает объяснить работу таких оптических инструментов, как дифракционные решетки, которые разделяют спектр света на составляющие длины волн и поляризационные линзы, которые блокируют определенные длины волн.

Другой способ думать о свете - этолуч, луч, идущий по прямолинейному пути. Луч рисуется как прямая линия, исходящая от источника света и указывающая направление, в котором распространяется свет. Выражение света в виде луча полезно вгеометрическая оптика, что больше относится к природе частиц света.

Рисование лучевых диаграмм, показывающих путь света, имеет решающее значение при разработке таких инструментов фокусировки света, как линзы, призмы, микроскопы, телескопы и камеры. Геометрическая оптика существует дольше, чем физическая оптика - к 1600 году, в эпоху сэра Исаака Ньютона, корректирующие линзы для зрения были обычным явлением.