Світло (оптика): визначення, одиниці вимірювання та джерела (з спектром)

Розуміння світла дозволяє зрозуміти, як ми бачимо, сприймаємо колір і навіть коригуємо зір лінзами. Полеоптикавідноситься до вивчення світла.

У повсякденному мовленні слово "світло" часто насправді означаєвидиме світло, що є типом, що сприймається людським оком. Однак світло буває в багатьох інших формах, переважна більшість з яких люди не можуть бачити.

Джерелом усього світла є електромагнетизм, взаємодія електричного та магнітного полів, що пронизують космос.Легкі хвиліє формоюелектромагнітне випромінювання; терміни взаємозамінні. Зокрема, електромагнітні хвилі - це самопоширені коливання в електричному та магнітному полях.

Іншими словами, світло - це вібрація в електромагнітному полі. Він проходить крізь космос як хвиля.

• Швидкість світла у вакуумі становить 3 × 10⁸ м / с, найшвидша швидкість у Всесвіті!

Це унікальна та химерна особливість нашого існування, що ніщо не подорожує швидше, ніж світло. І хоча все світло, видиме воно чи ні, рухається з однаковою швидкістю, коли стикається

Взаємодія світла з речовиною натякає на ще одну його важливу характеристику: природу частинок. Одне з найдивніших явищ у Всесвіті, світло - це насправді дві речі одночасно: хвиля та частинка. Цедвоїстість хвильових частинокробить вивчення світла дещо залежним від контексту.

Іноді фізикам вважається найбільш корисним думати про світло як про хвилю, застосовуючи до нього більшу частину тієї ж математики та властивостей, що описують звукові хвилі та інші механічні хвилі. В інших випадках моделювання світла як частинки є більш доцільним, наприклад, коли розглядається його зв’язок з атомними енергетичними рівнями або шлях, який він пройде, коли він відбивається від дзеркала.

Якщо все світло, видиме чи ні, технічно одне й те саме - електромагнітне випромінювання - що відрізняє один тип від іншого? Його хвильові властивості.

Електромагнітні хвилі існують у спектрі різної довжини хвилі та частоти. Як хвиля, швидкість світла йде за рівнянням швидкості хвилі, де швидкість дорівнює добутку довжини хвилі та частоти:

У цьому рівнянніv- швидкість хвилі в метрах за секунду (м / с),λ- довжина хвилі в метрах (м) іf- частота в герцах (Гц).

У випадку світла це можна переписати зі змінноюcдля швидкості світла у вакуумі:

• ​cє спеціальною змінною, що представляє швидкість світла у вакуумі. В інших носіях (матеріалах) швидкість світла може бути виражена як часткаc.​

Цей взаємозв'язок передбачає, що світло може мати будь-яку комбінацію довжини хвилі або частоти, якщо значення є обернено пропорційними і їх добуток дорівнюєc. Іншими словами, світло може мати aвеликийчастота і aмаленькийдовжина хвилі, або навпаки.

При різних довжинах хвиль і частотах світло має різні властивості. Отже, вчені розділили електромагнітний спектр на сегменти, що представляють ці властивості. Наприклад, дуже високі частоти електромагнітного випромінювання, такі як ультрафіолетові промені, рентгенівські або гамма-промені, є дуже енергійними - достатньо, щоб проникнути і завдати шкоди тканинам організму. Інші, як радіохвилі, мають дуже низькі частоти, але великі довжини хвиль, і вони постійно проходять через тіла безперешкодно. (Так, радіосигнал, що передає улюблені треки діджея по повітрю до вашого пристрою, є формою електромагнітного випромінювання - світла!)

Формами електромагнітного випромінювання від довших хвиль / нижчих частот / низької енергії до коротших довжин / вищих частот / високої енергії є:

• Радіохвилі
• Мікрохвильові печі
• Інфрачервоні хвилі
• Видиме світло
• Ультрафіолетове світло
• Рентген
• Гамма-промені

[вставити схему ЕМ-спектру]

Спектр видимого світла охоплює довжини хвиль від 380-750 нанометрів (1 нанометр дорівнює 10^-9 метрів - одна мільярдна частина метра, або приблизно діаметр атома водню). Ця частина електромагнітного спектра включає всі кольори веселки - червоний, оранжевий, жовтий, зелений, синій, індиго та фіолетовий - які є видимими для ока.

[Включіть схему із вибухом видимого спектра]

Оскільки червоний має найдовшу довжину хвилі серед видимих ​​кольорів, він також має найменшу частоту і, отже, найменшу енергію. Для блюзу та фіалки вірно все навпаки. Оскільки енергія кольорів неоднакова, їх температура також не однакова. Фактично, вимірювання цих різниць температур у видимому світлі призвело до відкриття існування іншого світланевидимийдля людей.

У 1800 році сер Фредерік Вільям Гершель розробив експеримент для вимірювання різниці температур для різних кольорів сонячного світла, які він розділив за допомогою призми. Хоча він дійсно виявив різні температури в різних кольорових регіонах, він був здивований, побачивши найгарячіші Температура всіх, записаних на термометрі трохи далі червоного, де, здавалося, не було світла всі. Це було перше свідчення того, що існувало більше світла, ніж могли побачити люди. Він назвав світло в цьому регіоніінфрачервоний, що перекладається безпосередньо на "нижче червоного".

Біле світло, зазвичай те, що видає стандартна лампочка, - це поєднання всіх кольорів. Чорний, навпаки, євідсутністьбудь-якого світла - зовсім не колір!

Інженери-оптики та вчені розглядають світло двома різними способами, визначаючи, як воно буде відбиватися, поєднуватися та фокусуватись. Обидва описи необхідні для прогнозування остаточної інтенсивності та розташування світла, оскільки воно фокусується через лінзи або дзеркала.

В одному випадку оптики розглядають світло як серіюпоперечні хвильові фронти, які повторюють синусоїдальні або S-подібні хвилі з гребенями та жолобами. Цефізична оптикапідхід, оскільки він використовує хвильову природу світла, щоб зрозуміти, як світло взаємодіє з самим собою веде до моделей перешкод, так само, як хвилі у воді можуть посилити або скасувати одну ще один вихід.

Фізична оптика почалася після 1801 року, коли Томас Янг відкрив властивості хвилі світла. Це допомагає пояснити роботу таких оптичних приладів, як дифракційні решітки, які відокремлюють спектр світла на складові довжини хвиль та поляризаційні лінзи, які блокують певні довжини хвиль.

Інший спосіб думати про світло - це якпромінь, промінь, що йде прямолінійним шляхом. Промінь малюється як пряма лінія, що виходить від джерела світла і вказує напрямок, в якому рухається світло. Вираження світла як променя корисно вгеометрична оптика, що більше стосується природи частинок світла.

Нанесення діаграм променів, що показують шлях світла, є критичним для проектування таких інструментів, що фокусують світло, таких як лінзи, призми, мікроскопи, телескопи та камери. Геометрична оптика існує довше, ніж фізична оптика - до 1600 року, ера сера Ісаака Ньютона, коригуючі лінзи для зору були звичним явищем.