Фізика. 9 клас. Головко
Розділ 2. Світлові явища
Із сивої давнини люди замислювалися над природою світла. Давні греки вважали, що очі випускають особливі невидимі флюїди, які ніби щупальцями «обмацують» предмети, надаючи зорове відчуття про них. Водночас незрячі позбавлені можливості випускати такі флюїди, тому не можуть бачити. Евклід стверджував, що очі людини випускають промені, які «поширюються по прямому шляху». Багато століть учені наполегливо шукали відповіді на питання про природу, поширення та сприйняття світла, наявність кольорів тощо.
Що таке світло? Чому людина бачить? Чому існує розмаїття кольорів? На ці та багато інших запитань ви навчитеся давати відповідь, вивчаючи розділ, присвячений світловим явищам. Наука про зорове сприйняття та світлові явища має назву «Оптика», яка походить від грецького слова optike.
§ 11. Джерела та приймачі світла
• Світлові явища
• Джерела та приймачі світла
• Швидкість поширення світла
СВІТЛОВІ ЯВИЩА. Спостерігати навколишній світ людина може завдяки фізичним явищам, пов’язаним із виникненням, поширенням, поглинанням, відбиванням світла. Проте це далеко не повний перелік світлових явищ, з якими ви ознайомитеся, вивчаючи оптику (рис. 11.1). Оптика досліджує не тільки природу світла, світлові явища, а й можливості їх використання в техніці, науці, побуті.
Рис. 11.1. Приклади світлових явищ: а) райдужна стіна («вогняна веселка»); б) полярне сяйво; в) гало; г) ореол Будди; д) міраж; є) утворення різнокольорового забарвлення мильної бульбашки
Із повсякденного досвіду вам відомо, що світло може нагрівати тіла, на які потрапляє. У курсі фізики 8-го класу ви вже ознайомилися з таким видом передачі енергії, як випромінювання. Світло також є випромінюванням.
Світло — це особливий вид випромінювання, що здатне викликати зорові відчуття.
Постає запитання, чому джерела світла випромінюють енергію. Щоб відповісти на нього, пригадайте будову атома, оскільки саме в атомах виникають зміни, внаслідок яких речовина випромінює світло. Виявляється, під час руху електронів по визначених орбітах атом і відповідно речовина не випромінюють світло. Проте якщо внаслідок нагрівання або перебігу хімічних реакцій електрони наближаються до ядра атома, то атом випромінює часточки енергії (світлові кванти), які пізніше одержали назву фотони, світлові частинки (рис. 11.2). Такого висновку дійшов у 1913 р. датський фізик Нільс Бор.
Рис. 11.2. Випромінювання світла атомом
ДЖЕРЕЛА ТА ПРИЙМАЧІ СВІТЛА. Подібно до того, як тіла, що випромінюють теплову енергію, називають джерелами тепла, тіла, що створюють світлове випромінювання, називають джерелами світла.
Джерела світла класифікують за кількома різними критеріями. Зокрема, з огляду на походження джерел їх поділяють на природні (Сонце, зорі, полярне сяйво, блискавка, деякі комахи або рослини, що світяться) та штучні (лампи, свічки, екран комп’ютера тощо) (рис. 11.3).
Рис. 11.3. Класифікація джерел світла залежно від їхньої природи
Будь-яка речовина, нагріта до певної, характерної для неї температури, починає світитися — наприклад, нитка розжарення лампи, деревина, що горить, тощо (рис. 11.4). Отже, джерелами світла є нагріті тіла. Їх називають тепловими джерелами світла.
Рис. 11.4. Теплові джерела світла: а) Сонце; б) багаття; в) свічка; г) гасова лампа; д) лампа розжарення
Разом із тим існують тіла, що мають здатність світитися залишаючись холодними. Їх називають люмінесцентними джерелами світла. Наприклад, різні комахи світлячки, деякі глибоководні риби, енергозберігаючі лампи тощо (рис. 11.5).
Отже, залежно від природи виникнення світлового випромінювання джерела світла можна поділити на теплові та люмінесцентні.
Рис. 11.5. Люмінесцентні джерела світла: а) світлячок; б) медузи; в) люмінесцентні лампи
Джерела світла ми бачимо тому, що утворюване ними випромінювання потрапляє нам в очі. Водночас ми можемо бачити тіла, що не є джерелами світла (Місяць, будинки, дерева, парти і т. ін.). Виявляється, вони лише відбивають світло, яке на них потрапляє від джерел світла, і тому ми можемо їх бачити (рис. 11.6).
Рис. 11.6. Місяць не є джерелом світла, оскільки лише відбиває сонячне світло
Всі джерела світла мають певні розміри. Вивчаючи світлові явища, ми будемо використовувати поняття «точкове» і «неточкове (протяжне)» джерело світла.
Точковим джерелом світла називають світне тіло, розміри якого значно менші порівняно з відстанями, на яких оцінюється його дія.
У іншому випадку джерело світла називають неточковим, або протяжним.
Поширюючись від джерела, світло падає на різні предмети. Як наслідок, із предметами можуть відбуватися різні зміни: вони можуть нагріватися, змінювати свій розмір, колір тощо. Такі тіла називають приймачами світла.
Приймачі світла — це тіла, на які падає світло і внаслідок цього в них відбуваються певні зміни.
ШВИДКІСТЬ ПОШИРЕННЯ СВІТЛА. Світло, що поширюється від певного джерела, досягає приймача не вмить, а через деякий час. Швидкість поширення світла дуже велика. У вакуумі вона становить 300 000 км/с. Як наслідок, світло проходить дуже великі відстані за надзвичайно короткі проміжки часу. Тому для дослідного визначення швидкості світла потрібні або відстані астрономічних масштабів, або прилади, які б давали змогу вимірювати дуже малі проміжки часу. Це було причиною того, що Г. Галілею свого часу не вдалося виміряти швидкість світла. Однак сама ця спроба видатного вченого свідчить про те, що Г. Галілей мав правильні уявлення про скінченність швидкості поширення світла.
Швидкість світла вперше виміряв датський астроном Оле Ремер у 1676 р. Предметом спостережень науковця став найближчий супутник Юпітера — Іо. Учений спостерігав, як супутник проходив перед планетою, а потім зникав із поля зору, після чого знову з’являвся ніби лампа, що миттєво спалахує.
Оскільки земний спостерігач обертається разом із Землею навколо Сонця, чи то віддаляючись, чи то наближаючись до Юпітера (рис. 11.7), світлу потрібен різний час, щоб досягти спостерігача. Найбільше запізнення в появі супутника становило 996 с. Це додатковий час, необхідний світлу, аби подолати відстань, що дорівнює діаметру земної орбіти.
Рис. 11.7. Дослід О. Ремера
Утім, унаслідок недостатньої точності вимірювань О. Ремер визначив швидкість світла у 215 000 км/с. Проте його відкриття підтвердило вчення Коперника про рух Землі. Крім того, він першим довів, що швидкість світла, хоча й велика, але все-таки скінченна. Точніші вимірювання швидкості світла були проведені І. Фізо, А. Майкельсоном та ін., і з ними ви ознайомитеся пізніше.
! Головне в цьому параграфі
Світло — особливий вид випромінювання, що здатне викликати зорові відчуття.
Джерела світла — тіла, що створюють світлове випромінювання.
За різними критеріями джерела світла поділяють на:
- природні та штучні;
- теплові й люмінесцентні (холодні);
- точкові та протяжні (неточкові).
Приймачі світла — це тіла, на які падає світло і внаслідок цього в них відбуваються певні зміни.
Швидкість поширення світла у вакуумі становить 300 000 км/с.
? Запитання для самоперевірки
- 1. Що називають світлом?
- 2. Чому речовина випромінює світло?
- 3. Що називають джерелами світла, приймачами світла?
- 4. Яка швидкість світла у вакуумі?
- 5. Чому Г. Галілею не вдалося визначити швидкість світла?
- 6. Чи можна поставити дослід із визначення швидкості світла в одному напрямку? Які в цьому випадку виникають принципові труднощі?
- 7. На чому базувалися міркування О. Ремера в його досліді з вимірювання швидкості світла?
Готуємося до виконання навчального проєкту
Використовуючи науково-популярні джерела та інформаційно-пошукові системи, підготуйте інформацію на тему: «Світлові явища в природі».
Вправа до § 11
1 (п). Дайте характеристику джерел світла, зображених на рисунку, відповідно до критеріїв їх класифікації, розглянутих у параграфі.
2 (с). Обчисліть, за який час світло від Сонця досягає Землі. Врахуйте, що середня відстань від Землі до Сонця, яку ще називають астрономічною одиницею (скорочено — а. о.), приблизно дорівнює 149,6 млн км.
3 (д). Від найближчої зорі (Альфа Центавра) світло доходить до Землі за 4,3 року. Яка відстань до зорі? Оцініть відстані (у км), які світло проходить за 1 хв, 1 год, 1 рік, приймаючи в розрахунках,
