Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Головко

§ 20. Розвиток поглядів на природу світла. Основні фотометричні величини та їх вимірювання

Опрацювавши цей параграф, ви ознайомитеся з основами електромагнітної теорії світла, дізнаєтеся про види його джерел та приймачів, основні фотометричні величини та їх вимірювання.

Розвиток поглядів на природу світла. Над питаннями зорового сприйняття замислювалися люди з давніх-давен. Пропоновані давніми вченими пояснення були досить наївними. Наприклад, давні греки висували гіпотезу про особливий невидимий флюїд, що випускається очима і, ніби щупальцями, «обмацує» предмет, надаючи зорове відчуття про нього. Очі сліпого позбавлені можливості випускати такий флюїд, тому він не може бачити. Багато різних гіпотез та праць було присвячено поясненню природи, особливостям його поширення та сприйняття, наявності кольорів тощо.

Пригадайте. Кожен бачив, як світло від Сонця, проходячи крізь хмари, поширювалося вздовж прямих ліній. Лінію, вздовж якої поширюється світлова енергія називають променем.

Проте в 1665 р. італійський священик Ф. Грімальді помітив, що з проходженням світла через невелику перешкоду, наприклад, екран з вузькою щілиною, світло відхиляється від прямолінійного напрямку поширення. Пізніше це явище назвали дифракцією світла (рис. 20.1).

Рис. 20.1. Дифракція світла на щілині

У 1678 р. голландський астроном і фізик Християн Гюйгенс висунув хвильову теорію світла, відповідно до якої світло — це хвилі, що поширюються в особливому гіпотетичному середовищі — ефірі, який заповнює увесь простір і проникає всередину всіх тіл. Ця теорія добре пояснювала перетинання світлових потоків, коли вони вільно проходять один крізь одного, не здійснюючи взаємного впливу, так само, як будь-яка кількість звукових хвиль може одночасно поширюватися в повітрі, не перешкоджаючи одна одній. Музичні інструменти в оркестрі створюють звукові хвилі. Слухаючи музику, ми здатні не тільки сприймати їх, а й відрізняти один звук від іншого.

У 1704 р. одним із перших, хто висунув послідовну теорію світла, засновану на спостереженні та експерименті, був Ісак Ньютон. Відповідно до його теорії світло — це потік частинок, корпускул, що рухаються від джерела в усі боки прямолінійно у вільному просторі за інерцією з постійною швидкістю. Якщо ж на шляху світла трапляється перешкода, то під час взаємодії з нею світлові частинки змінюють свій імпульс.

Теорія Ньютона пояснювала прямолінійне поширення світла, утворення за предметами різких тіней. Але перетинання світлових потоків вона пояснити не могла. Адже ці світлові гіпотетичні частинки повинні зіштовхуватися. Крім того, з позицій корпускулярної теорії досить проблематичним було пояснення явища заломлення світла (рис. 20.2). Разом з тим хвильова теорія пояснювала факт зменшення швидкості світла внаслідок його переходу з вакууму в середовище.

Рис. 20.2. Заломлення світла

Обидві теорії тривалий час існували паралельно. Незважаючи на вагомі успіхи механіки у вивченні багатьох фізичних явищ, за допомогою механічних уявлень не вдавалося підійти до розкриття таємниці природи світла. Крім того, відповідь на це питання ускладнювалася наявністю у світла властивостей, яких не мають інші фізичні об'єкти: світло не має розмірів, форми, якогось певного положення в просторі.

Така невизначеність у трактуванні природи світла тривала до другої половини ХІХ століття. За цей час було відкрито явище інтерференції світла, яке підтверджувало його хвильову природу. Під час інтерференції світла на екрані спостерігалася сукупність світлих і темних ліній, тобто ділянок, де відбувалося його посилення або послаблення (рис. 20.3).

Рис. 20.3. Явище інтерференції червоного світла

Виявляється, що перебіг явища інтерференції світла подібний до того, як дві хвилі на поверхні води, зустрівшись в одному місці гребенями, посилюють збурення поверхні, а коли гребінь однієї хвилі стикається із западиною іншої, то поверхня води в цьому місці не збурюється.

У 1865 р. англійський фізик Джеймс Максвел опублікував теорію електромагнетизму. В одному з висновків цієї теорії на основі рівності швидкостей електромагнітних хвиль і світла Максвел висловив припущення про електромагнітну природу світла і показав, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль.

Але на початку ХХ ст. уявлення про природу світла почали докорінно змінюватися. Несподівано з'ясувалося, що корпускулярна теорія має певні підстави. У 1905 р. А. Ейнштейн припустив, що «однорідне світло складається із зерен енергії — «світлових квантів», які поширюються в порожньому просторі зі швидкістю світла».

З'ясувалося, що під час випромінювання і поглинання світло поводиться подібно до потоку частинок, які дістали назву фотонів. У процесі ж поширення світла виявляються його хвильові властивості.

Прояв у поведінці одного і того самого об'єкта залежно від умов експерименту як корпускулярних, так і хвильових властивостей називають корпускулярно-хвильовим дуалізмом.

ДЖЕРЕЛА СВІТЛА. У курсі фізики основної школи ви вже ознайомилися з поняттями «джерела та приймач світла».

Пригадайте. Джерелами світла називають природні або штучні тіла, що перетворюють різні види енергії в світлову.

Приймачами світла називають тіла, в яких енергія оптичного випромінювання перетворюється на інші види енергії.

Електромагнітні хвилі виникають під час прискореного руху заряджених частинок. Елементарні частинки, що входять до складу атома, переходячи зі збудженого стану в основний, випромінюють світло. При випромінюванні атоми втрачають енергію, тому безперервне випромінювання можливе лише тоді, коли їхня енергія поповнюється ззовні. Залежно від того, як це відбувається, розрізняють: теплове випромінювання (Сонце, зірки, електрична лампочка), електролюмінесценцію (північне сяйво, свічення рекламних трубок), катодолюмінісценцію (свічення екранів електронно-променевих трубок, рентгенівська лампа), хемілюмінесценцію (свічення шматочків трухлого дерева, комах (наприклад, світлячка), ділянок тіла глибинних риб тощо), фотолюмінесценцію (тіла під дією опромінювання самі починають випромінювати, наприклад фосфор).

ОСНОВНІ ФОТОМЕТРИЧНІ ВЕЛИЧИНИ ТА ЇХ ВИМІРЮВАННЯ. Світло, як і всі інші хвилі, переносить енергію. Розділ оптики, який вивчає енергетичні характеристики випромінювання та способи їх вимірювання, називають фотометрією. Енергетичними, або фотометричними, характеристиками світла є світловий потік, сила світла та освітленість.

Світловий потік, або потужність видимого випромінювання, чисельно дорівнює енергії, яка переноситься світлом, що проходить через деяку поверхню за одиницю часу.

Відповідно, світловий потік Ф, визначається формулою:

де W — оцінювана за зоровим відчуттям світлова енергія, що падає на певну поверхню; t — час падіння світлової енергії на ту поверхню.

Одиницею світлового потоку в СІ є люмен (лм), [Ф] = лм.

Деякі джерела світла випромінюють світло рівномірно в усі боки, наприклад Сонце, а от прожектор чи ліхтарик випромінюють світло в певному напрямку. Для оцінки просторового розподілу світлового потоку, що випромінюється джерелом світла, застосовують таку фізичну величину, як сила світла. Її позначають літерою І.

Сила світла — фізична величина, яка характеризує світловий потік у певному напрямку.

Якщо джерело випромінює видиме світло рівномірно в усі боки, то сила світла обчислюється за формулою:

де Ф — світловий потік, π = 3,14.

Одиницею сили світла в СІ є кандела (1 кд).

Коли ми читаємо книгу, нас цікавить не вся енергія світла, що поширюється в певному напрямі, а тільки та його частина, що потрапляє на сторінку книги. Для кількісної оцінки освітлення поверхні, на яку потрапляє світловий потік, існує фізична величина — освітленість. Її позначають літерою Е.

Освітленість показує, яка енергія потрапляє за 1 с на поверхню площею 1 м² й чисельно дорівнює відношенню світлового потоку до площі освітленої поверхні:

Одиницею освітленості в системі СІ є люкс (лк). Освітленість в один люкс — це освітленість, що створена світловим потоком в один люмен, який рівномірно розподілений на площі в один квадратний метр. Зазвичай у класі на шкільній парті й дошці освітленість має бути не менша за 75—100 лк. Під прямими променями Сонця в середніх широтах освітленість може досягати 100 000 лк, а в похмурий день на відкритому місці — 1000 лк. У приміщенні в похмурий день освітленість біля вікна дорівнює 60—100 лк. Повний Місяць створює освітленість на відкритому місці 0,2 лк, а зоряне небо (без Місяця) — 0,0003 лк.

Освітленість поверхні залежить від її відстані до джерела — R, кута падіння променя світла на поверхню — α, сили світла — І (рис. 20.4):

Рис. 20.4. Освітленість поверхні, створювана точковим джерелом, коли світло падає перпендикулярно поверхні (точка А) та під кутом α (точка В).

Якщо світло падає перпендикулярно до поверхні, то α = 0, й освітленість поверхні визначається формулою:

Отже, найбільшого значення освітленість набуває коли світло падає на неї перпендикулярно.

Якщо джерел декілька, то результуюча освітленість дорівнює сумі освітленостей, створюваних кожним окремим джерелом.

Вибір правильного освітлення дуже важливий для роботи, навчання й відпочинку. Для комфортного освітлення істотне не тільки значення освітленості, а й те, які лампи використовують, якого кольору стіни і стеля. Наприклад, очі дуже втомлюються від прямого світла, тому бажано використовувати абажури. Ідеальним варіантом освітлення приміщення вважають такий, коли прямого світла взагалі немає: світло ламп спрямовано на світлу стелю або стіни. Тоді світло, відбите від великої площі стелі, рівномірно й м'яко освітлює приміщення.

Освітленість книжкової сторінки повинна бути не менша 100 лк. Приблизно таку освітленість дає лампа розжарювання потужністю 60 Вт, розташована на відстані близько 70 см від книжки, коли промені світла перпендикулярні сторінці. Але якщо промінь падає на сторінку під кутом 45°, її освітленість зменшується майже в півтора рази. Тому для освітлення поверхні письмового стола треба використовувати або лампу розжарювання потужністю 75 Вт, або лампи інших типів, що дають таку саму освітленість.

! Головне в цьому параграфі

Світло є окремим випадком електромагнітних хвиль. Світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм: під час випромінювання і поглинання світло поводиться подібно до потоку частинок, у процесі ж поширення світла виявляються його хвильові властивості.

Світло має енергію. Енергетичними або фотометричними характеристиками світла є світловий потік, сила світла та освітленість.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Що характеризує фізична величина «сила світла»: джерело світла чи освітлювальну поверхню? 2. Що характеризує фізична величина «освітленість»: джерело світла чи поверхню, яка освітлюється? 3. Як залежить освітленість від кута падіння світла? 4. Для чого використовують абажури? 5. Чому взимку Сонце світить, але не гріє?

Вправа до § 20

1. Що називають фотометрією?

• а) Розділ оптики, у якому розглядаються температурні властивості світла;
• б) Розділ оптики, у якому розглядаються енергетичні характеристики світла в процесах його випромінювання, поширення та взаємодії із середовищем;
• в) Розділ оптики, у якому розглядаються процеси взаємодії світла із середовищем.

2. Сила світла — це:

• a) фізична величина, яка характеризує світіння джерела світла в певному напрямку;
• б) фізична величина, що чисельно дорівнює потужності джерела світла;
• в) фізична величина, що визначається кількістю світлової енергії, що падає на поверхню тіла.

3. Освітленість — це:

• a) фізична величина, яка характеризує джерело світла;
• б) фізична величина, яка показує скільки світлової енергії падає на поверхню тіла;
• в) фізична величина, що характеризує світіння джерела світла в певному напрямку.

4. За якою формулою обчислюють освітленість поверхні тіла, якщо напрям поширення променів світла перпендикулярний до цієї поверхні?

• a) E = I · R²
• б) E = I / R
• в) E = I / R²

5. Одиниця сили світла у СІ

• a) кандела (кд)
• б) люкс (лк)
• в) люмен (лм)

6. Якщо збільшити у 3 рази відстань від точкового джерела світла до освітленої поверхні, то освітленість:

• a) збільшиться у 3 рази;
• б) збільшиться у 9 разів;
• в) зменшиться у 9 разів.

7. На кругле матове скло діаметром 0,45 м падає світловий потік 120 лм. Визначте, яка освітленість цього скла.

8. Обчисліть освітленість поверхні, що знаходиться на відстані 1 м від джерела, якщо сила світла джерела 1 кд і промені падають на поверхню перпендикулярно.

9. Яку максимальну освітленість дає лампа силою світла 100 кд на відстані 5 м?

10. На стовпі на висоті 3 м від лавки висить лампа розжарювання, потужність якої 500 Вт. Вважаючи лампу точковим джерелом світла, визначте освітленість тієї частини лавки, яка розміщена безпосередньо під лампою. Що необхідно зробити, аби зменшити цю освітленість?

11. Під час друкування фотознімка негатив освітлюють впродовж 3 с лампочкою сила світла якої 15 кд з відстані 50 см. Визначте час, упродовж якого необхідно освітлювати негатив лампочкою з силою світла 60 кд з відстані 2 м, щоб одержати відбиток з таким же ступенем почорніння, як і в першому випадку.