Тайны световых лучей

Мир солнечного света, воспринимаемый нашим органом зрения, огромен, разнообразен, неисчерпаем. Всё удивительное богатство форм предметов, их цветовых тонов, оттенков, уровней яркости, которое мы встречаем в окружающей нас природе на Земле, в атмосфере, - всё породили Солнце и глаз человека!

Свет, попадая в глаз, преобразуется в сигналы нейронов, находящихся в сетчатке глаза, и по оптическому нерву пересылается в мозг. Глаз реагирует на три дополнительных первичных цвета: красный, зеленый и синий. Человеческий мозг воспринимает цвет как сочетание этих трех сигналов. Восприятие цвета заметно изменяется в зависимости от внешних условий. Один и тот же цвет воспринимается по-разному при солнечном свете и при свете свечей. Однако зрение человека адаптируется к источнику света, что позволяет нам в обоих случаях идентифицировать свет как один и тот же.

Аналогично вкусу, обонянию, слуху и другим органам чувств восприятие цвета так же изменяется от человека к человеку. Мы можем воспринимать цвет как теплый, холодный, тяжелый, легкий, мягкий, сильный, возбуждающий, расслабляющий, блестящий или тусклый. Однако, в каждом конкретном случае восприятие зависит от культуры человека, языка, возраста, пола, условий жизни и предыдущего опыта. Два человека никогда не будут одинаково воспринимать один и тот же физический цвет. Люди отличаются друг от друга даже по чувствительности к диапазону видимого света.

На восприятие влияют и размеры объекта. Вероятно, у каждого из нас был случай, когда он или она выбрали одежду или аксессуары по небольшому цветовому образцу искомой вещи, а потом обнаружили, что реальный цвет товара отличается от цвета образца.

В настоящее время свет определяется как промежуточное среднее при восприятии излучения объекта. Когда наши глаза возбуждаются светом, отраженным от объекта, то мы воспринимаем и распознаем свет как цвет

Свет – это тип электромагнитного излучения.

Свет - это тип электромагнитного излучения наподобие радиоволн, используемых в радиовещании и телевидении. Характеристики света меняются в зависимости от длины электромагнитных волн, находящихся в диапазоне от радиоволн через оптически видимый свет и до гамма-лучей. Энергия, переносимая волнами длиной около 400 - 700 нм. (нанометр - это одна миллиардная метра, используется в качестве единицы измерения длины световых волн), возбуждает рецепторы, находящиеся в сетчатке глаза, и создает цветовое возбуждение. Человек воспринимает свет полуденного солнца как "белый свет", являющийся смесью видимого света в диапазоне от 400 нм. (синий) до 700 нм. (красный).

При прохождении белого света сквозь призму он разлагается на семь цветов радуги. Когда свет попадает на объект, то часть света отражается. Именно отраженный свет мы и воспринимаем как цвет объекта.

Преломление света.

Это изменение направления луча при переходе из одной прозрачной среды в другую.

Первый закон преломления:

Лучи падающий и преломлённый лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым в точке падения луча к плоскости раздела двух прозрачных сред.

Второй закон преломления:

Угол преломления может быть меньше или больше угла падения в зависимости от того, из какой среды в какую луч переходит.

Когда свет достигает раздела двух сред, часть его отражается, другая же часть проходит сквозь границу, преломляясь при этом, то есть, изменяя направление дальнейшего распространения.

Монета, погруженная в воду, кажется нам более крупной по сравнению с тем, когда она просто лежит на столе. Карандаш или ложка, помещенные в стакан с водой, видятся нам надломленными: часть, находящаяся в воде, кажется приподнятой и немного увеличенной. Эти и многие другие оптические явления объясняются преломлением света.

Преломление света связано с тем, что в разных средах свет распространяется с различной скоростью.

Скорость распространения света в той или иной среде характеризует оптическую плотность данной среды: чем выше скорость света в данной среде, тем меньше ее оптическая плотность.

Как изменится угол преломления при переходе света из воздуха в воду и при переходе из воды в воздух? Опыты показывают, что при переходе из воздуха в воду угол преломления оказывается меньшим, чем угол падения. И наоборот: при переходе из воды в воздух угол преломления оказывается больше угла падения.

Солнечный свет – сложный.

В 1676 году сэр Исаак Ньютон с помощью трёхгранной призмы разложил белый солнечный свет на цветовой спектр. Подобный спектр содержал все цвета за исключением пурпурного. Ньютон ставил свой опыт следующим образом: солнечный свет пропускался через узкую щель и падал на призму. В призме луч белого цвета расслаивался на отдельные спектральные цвета. Разложенный таким образом он направлялся затем на экран, где возникало изображение спектра. Непрерывная цветная лента начиналась с красного цвета и через оранжевый, жёлтый, зелёный, синий кончалась фиолетовым. Если это изображение затем пропускалось через собирающую линзу, то соединение всех цветов вновь давало белый цвет. Эти цвета получаются из солнечного луча с помощью преломления. Существуют и другие физические пути образования цвета, например, связанные с процессами интерференции, дифракции, поляризации и флуоресценции.

Если мы разделим спектр на две части, например - на красно-оранжево-жёлтую и зелёно-сине-фиолетовую, и соберём каждую из этих групп специальной линзой, то в результате получим два смешанных цвета, смесь которых в свою очередь также даст нам белый цвет. Два цвета, объединение которых даёт белый цвет, называются дополнительными цветами. Если мы удалим из спектра один цвет, например, зелёный, и посредством линзы соберём оставшиеся цвета - красный, оранжевый, жёлтый, синий и фиолетовый, - то полученный нами смешанный цвет окажется красным, то есть цветом дополнительным по отношению к удалённому нами зелёному. Если мы удалим жёлтый цвет, - то оставшиеся цвета - красный, оранжевый, зелёный, синий и фиолетовый - дадут нам фиолетовый цвет, то есть цвет, дополнительный к жёлтому.

Каждый цвет является дополнительным по отношению к смеси всех остальных цветов спектра. В смешанном цвете мы не можем увидеть отдельные его составляющие. В этом отношении глаз отличается от музыкального уха, которое может выделить любой из звуков аккорда. Различные цвета создаются световыми волнами, которые представляют собой определённый род электромагнитной энергии.

Лабораторная работа №1.

Как получают разные цвета?

Требуется:

▪ 2 фонарика;

▪ 2 кусочка прозрачного полиэтилена (красного и зеленого цвета);

▪ 2 резинки;

▪ Кусочек белого картона;

▪ Краски: зеленая, красная, желтая, синяя;

▪ Кисточка;

▪ Тарелка.

Ход опыта:

1. Закрой поверхность одного фонарика зеленой, а другого – красной пленкой и закрепи их резинками.

2. Включи оба фонарика и направь их на белый картон так, чтобы свет одного фонарика лег на другой.

Результат

На месте, где свет двух фонариков наложился, будет желтый цвет.

3. Смешай кисточкой на одном краю тарелки равное количество красной и зеленой краски.

4. 4. Помой кисточку и смешай желтую краску с синей.

Результат:

Смесь красного и зеленого дает цвет, схожий с коричневым. Желтый и синий дают зеленый.

Это потому что основными цветами спектра называются цвета, которые при смешивании попарно могут дать все остальные, вторичные цвета. К основным относятся красный, зеленый, синий. К основным цветам красок относятся пурпурный, голубой и желтый. От смешивания трех основных цветов спектра получается белый цвет. От смешивания основных цветов красок получается очень темный цвет, близкий к черному.

Свойства спектра.

• Пучок белого света падает на лист бумаги. Вспомним, что этот цвет сложный, т. е. является смесью световых волн со всевозможными длинами. Поместим в пучок пурпурный светофильтр, через него пройдёт только соответствующий свет и образуется пурпурный круг. Поместим теперь в пучок голубой светофильтр, прошедший через него свет будет также только голубым, однако на пересечении пурпурного и голубого светлых кругов получится новый цвет – синий. Он темнее цветов его окружающих. При перемещении в пучок жёлтого светофильтра, на ряду с жёлтым образуется ещё красный и зелёный цвета. Они также темнее, чем окружающие их цветные круги. Это обусловлено прохождением света сразу через два светофильтра. Взглянем теперь на светофильтры сверху. В отмеченной области, свет проходит через все три светофильтра. Они поглощают свет всех трёх волн, и поэтому в центре этой цветной композиции свет отсутствует. Чёрная область!

• Световые пучки от трёх прожекторов падают на лист белой бумаги. Разместим под первым прожектором синий светофильтр, под вторым – красный и под третьим – зелёный. Синий цвет, складываясь с красным, даёт пурпурный. В эту область попадает свет от двух прожекторов, поэтому пурпурная область кажется более светлой, чем окружающие. Свет, складываясь с зелёным, также даёт более светлый свет – голубой. Аналогично при сложении красного и зелёного, получается более светлый свет – жёлтый. И, наконец, все три пучка складываясь, образуют самый яркий свет – белый.

• Человек воспринимает свет полуденного солнца как "белый свет", являющийся смесью видимого света в диапазоне от 400 нм. (синий) до 700 нм. (красный).

• При прохождении белого света сквозь призму он разлагается на семь цветов радуги. Когда свет попадает на объект, то часть света отражается. Именно отраженный свет мы и воспринимаем как цвет объекта.

Цвета тел.

Окружающий нас мир красочен. Это объясняется сложностью солнечного света. Но как объяснить, что листья растений мы видим зелеными, пионерский галстук – красным, подсолнечник – желтым, Василек – синим, писчую бумагу – белой, а классную доску – черной? Обратимся к опыту.

Получим на экране с помощью треугольной стеклянной призмы спектр и закроем его лентой красного цвета. Мы видим, что только в Красной части спектра лента выглядит ярко-красной. Во всех других частях спектра она черная. Это происходит потому, что лента, на которую падает свет всех спектральных цветов, отражает только красный свет, а свет других цветов поглощает.

Если проделать такой опыт с зеленой лентой, то окажется, что она только в зеленой части спектра выглядит ярко-зеленой. В других частях спектра она темная.

Опыт, показывает, что цвет тела, освещаемого белым светом, зависит только от того, свет какого цвета это тело рассеивает.

Если тело равномерно рассеивает все составные части белого света, то при обычном освещении оно кажется белым, например писчая бумага.

Если тело, например сажа, поглощает весь падающий на него свет, то оно кажется черным.

Различные тела не только неодинаково рассеивают свет различной цветности, но также неодинаково и пропускают свет сквозь себя. Такие прозрачные тела называют светофильтрами.

В неодинаковой цветности прозрачных тел можно убедиться на опыте. Если за призмой на пути разложенного белого пучка света по очереди ставить цветные стекла, то цветность полоски спектра на экране будет изменяться.

Какие бывают глаза

Глаза различных животных приспособлены к их образу жизни и имеют разное строение, хотя принцип получения изображения един.

1. Фотосеточный глаз мухи: изображение складывается как мозаика от каждой части.

2. Огромные (относительно их размеров) телескопические глаза глубоководных рыб улавливают очень слабый свет.

3. Некоторые глубоководные существа имеют стебельчатые глаза, выдвинутые на отростках из головы.

4. Телескопический глаз птиц с выдвигающимся глазным яблоком обеспечивает острое зрение на больших расстояниях.

5. Глаз зебры имеет большую светосилу (за счёт большего размера зрачка), но меньшее поле зрения, чем у человека.

6. Положение глаз и их форма обеспечивают человеку стереоскопическое зрение в пределах ~ 400 по вертикали и ~ 1000 горизонтально

Как воспринимают цвет разные животные?

Так ощущает цвета человек (различает около 60 цветов).

У собак чёрно – белое зрение.

Летучие мыши в полной темноте ориентируются с помощью ультразвука, а цвета не различают.

Пчела красную часть спектра не видит, но зато ощущает ультрафиолетовый свет.

Термоскопические глаза глубоководных кальмаров воспринимают только тепловые лучи и расположены по всей поверхности нижней части хвоста

ПРИЧИНА различий?

В разном строении головного мозга и принимающих свет рецепторов.

Особенности зрения.

Если смотреть одним глазом, одна из букв кажется темнее других, с поворотом рисунка темнеет другая буква. А круги внизу кажутся 6- гранниками.

В чём секрет портрета, следящего за вами, откуда бы Вы ни смотрели на него?

Восприятие цвета (оптический нерв и мозг).

• Когда отраженный от объекта свет попадает в глаз человека, то он воздействует на фоторецепторы, находящиеся в сетчатке, и в мозг посылаются сигналы. Некоторые рецепторы чувствительны к свету и тени, а другие к длинам волн красного, зеленого и синего света. Когда эти сигналы приняты, то мозг воспринимает цвет. Когда функционирование этих нервов ослаблено, то это называется цветовой слепотой или аномальным трихроматизмом.

• Некоторые животные не могут видеть в темноте, в то время, как другие прекрасно видят в этих условиях. Собаки и кошки не различают цвета. Все эти вариации определяются функционированием оптических нервов.

• Свет, пройдя через роговую оболочку глазного яблока и зрачок, формирует на сетчатке изображение и инициирует систему оптического нерва.

A: роговая оболочка глаза

B: хрусталик

C: стекловидное тело

D: сетчатка

E: оптический нерв

Почему в темноте все кошки серы?

Лабораторная работа №2.

От тьмы к свету.

Требуется: комната, где находятся разные предметы.

Ход опыта:

1. Войти в темную комнату, закрыть дверь и осмотреться.

2. Приоткрыть дверь чуть – чуть, снова осмотреться. Потом открыть дверь еще больше.

3. Наконец открыть дверь настежь и снова посмотреть вокруг

Результат:

Когда дверь закрыта и в комнате темно, твои глаза не видят окружающие предметы. Как только в комнату проникнет тонкий луч света, вы начнете различать сначала более светлые предметы. По мере того как дверь откроется шире и шире, вы начинаете четко видеть все предметы.

Это потому что все окружающие нас становятся видимыми, если они отражают много света, в то время как темные поглощают большую часть света и отражают мало. Чтобы увидеть темный предмет, требуется много света.

Мы видим предметы только тогда, когда свет падает на них и, отражаясь, достигает наших глаз.

Мы видим предметы только тогда, когда свет падает на них и, отражаясь, достигает наших глаз.

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды.

Возникновение радуги

Радуга возникает в результате преломления и полного внутреннего отражения солнечных лучей в дождевых каплях. В обычной радуге фиолетовый цвет всегда снизу, а красный сверху. Цвета в радуге появляются вследствие разложения белого солнечного света в спектр, лучи света от солнца, расположенные позади наблюдателя, падают на поверхность водяной капли, преломляются на ней и испытывают полное отражение на задней поверхности. Затем лучи света преломляются второй раз и приходят к наблюдателям. Вследствие, дисперсии света в капле воды, (т. е. зависимости показателя преломления от длины волны света), лучи разного света, отклоняются на разные углы.

Происхождение радуги

Первая попытка объяснить радугу, как естественное явление природы, была сделана в 1611 году архиепископом Антонио Доминисом. Его объяснения радуги противоречило библейскому, поэтому он был отлучён от церкви и приговорён к смертной казни. Антонио Доминис умер в тюрьме, не дождавшись, казни, но его тело и рукописи были сожжены.

Наблюдаемая радуга-это цветная дуга, видимая на фоне завесы ливневого дождя или полос падения дождя, часто не достигающих поверхности Земли. Радуга видна в стороне небосвода, противоположной Солнцу, и обязательно при Солнце, не закрытом облаками. Внешняя дуга радуги красная, а за нею идёт оранжевая, жёлтая, зелёная дуги и т. д. , кончая внутренней фиолетовой.

Научное объяснение радуги впервые дал Рене Декарт в 1637г. Декарт объяснил радугу на основании законов преломления и отражения солнечного света в каплях выпадающего дождя. Спустя 30 лет Исаак Ньютон, открывший в 1666г. дисперсию, дополнил теорию Декарта.

Пять цветов радуги

Общая уверенность, что в солнечном спектре и в радуге семь цветов – одно из рутинных заблуждений, всеми повторяемое и никем не проверяемое. Если ленту спектра рассматривать без предвзятой мысли, то можно различить только пять основных цветов: красный, жёлтый, зелёный, голубой, фиолетовый.

Они имеют резких границ, а переходят один в другой постепенно, так что, кроме перечисленных основных цветов, различаются ещё следующие промежуточные оттенки: красно – жёлтый (оранжевый), жёлто – зелёный, зелёно – голубой, фиолетово – голубой (синий).

Значит, в солнечном спектре либо пять цветов, если ограничиваться только основными, либо девять, если брать также промежуточные.

Почему же установился обычай насчитывать с е м ь цветов?

Ньютон первоначально различал только пять. Описывая свой знаменитый опыт, он говорит: «Спектр оказался окрашенным и притом так, что часть, наименее преломленная часть у конца была красною; верхняя же, наиболее преломленная часть у конца окрашена в фиолетовый цвет. Пространство между этими крайними цветами имело жёлтую, зелёную и голубую окраску».

Но впоследствии, стремясь создать соответствие между числом цветов спектра и числом основных тонов музыкальной гаммы, Ньютон добавил к пяти перечисленным цветам спектра ещё два. Это необоснованное пристрастие к числу семь представляет собой, в сущности, отголосок астрологических верований и древнего учения о «музыке сфер».

Что же касается радуги, то здесь не может быть и речи о различении семи цветов; не удаётся заметить даже и пяти оттенков. Обычно мы видим в радуге только три цвета, именно: красный, зелёный и фиолетовый; иногда едва различается жёлтый; в других случаях радуга заключает довольно широкую белую полосу.

Надо удивляться тому, как крепко засело в умах учение о «семи» цветах спектра даже в наши дни экспериментального метода обучения физике. Впрочем, семицветный спектр сохранился лишь в учебных книгах средней школы; из университетских курсов предрассудок этот вывелся.

Строго говоря, даже и те пять основных цветов спектра, которые я перечислила раньше, до известной степени условны. Можно считать, что лента спектра расчленяется только на три главные части: на красную, жёлто – зелёную, сине – фиолетовую.

Если же учитывать каждый поддающийся различению оттенок цвета, то в спектре, как показали опыты, можно рассмотреть их свыше 150.

Также используя законы отражения и преломления света, можно объяснить такое атмосферное явление, как мираж.

Рассмотрим преломление луча света на серии плоскопараллельных пластин с убывающим показателем преломления.

При преломлении на верхней границе, воздух-стекло, луч прижимается к перпендикуляру, восстановленному в точке падения. На второй и третьей границах при вхождении в оптически менее плотную среду, он отходит от неё. Угол преломления больше, чем угол падения. Наконец, на третьей границе, угол может оказаться таким, что преломленный луч будет параллелен границе раздела. Это означает, что луч упал на границу под углом внутреннего отражения и отразиться от этой границы, а не преломиться на ней. Далее ход луча симметричен, поскольку на каждой границе раздела сред выполняется такое же соотношение между величиной углов падения и преломления.

Воздух над раскаленным песком в пустыне, в некоторые моменты суток имеет над поверхностью меньшую плотность, чем в верхних слоях. Тогда лучи, идущие из макушки пальмы, и формирующие её изображение, пойдут аналогично лучу через стопку пластин с убывающим показателем преломления.

Миражи бывают нижними и верхними. Нижние миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Наблюдают их в пустынях и знойных степях. Воздух около земли сильно нагрет, и его показатель преломления меньше, чем у лежащего более высокого холодного воздуха. Отражение в этом слое аналогично отражению в воде. Роль зеркала играет сам воздух. В этом случае световой луч вблизи земли изгибается так, что его траектория обращена выпуклостью вниз. Поэтому наблюдатель видит объекты перевёрнутыми, как бы стоящими на берегу озера. Причём иллюзию блестящей поверхностью озера создают участки неба, отражаясь в воздушном зеркале. Такие миражи может заметить каждый человек. Они возникают в солнечные дни над асфальтовыми дорогами. В жаркий день хорошо видны «лужи воды» впереди, хотя в действительности дорога сухая.

Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например, над холодной водой. Они наблюдаются в северных широтах. В случае верхнего миража показатель преломления воздуха выше у поверхности воды и уменьшается с высотой. Световые лучи изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому наблюдатель может видеть объекты, скрытые за горизонтом, причём видеть их вверху, как бы висящими над линией горизонта. Примером верхнего миража может служить ситуация, когда жители города Ломоносова иногда отчётливо видят здания и улицы Санкт-Петербурга. Замечу, что расстояние между этими городами 40км, так что о прямой видимости речи идти не может.

Цвет неба

Земная атмосфера неоднородна, в ней находится множество мелких различных частиц, по-разному отражающих и рассеивающих солнечный свет. На мелких частицах в большей степени рассеивается коротковолновый свет, принадлежащий к сине-голубой области спектра, на более крупных частицах рассеивается свет всех длин волн:

• в хорошую погоду в верхних слоях атмосферы находятся только мелкие частицы, рассеяние света на которых дает голубой фон неба;

• облака состоят из скоплений сравнительно больших капелек воды и ледяных кристалликов, что и объясняет их белый цвет;

• в нижних слоях атмосферы, в которых взвешены водяные и пылевые частицы разных размеров, образуется малонасыщенный цвет (серо-голубая дымка).

Как только Солнце скрывается за горизонтом, небо приобретает различный цвет: от красного у горизонта с переходом по направлению вверх к оранжевому, жёлтому и, наконец, темно-голубому и синему. Иногда над жёлтой зоной появляются пурпурные полосы, являющиеся результатом смешения длинноволновых и коротковолновых (рассеянных) лучей.

Цвет солнца

По мере приближения светила к горизонту удлиняется путь света, идущего через атмосферу к наблюдателю. А так как сильнее всего рассеиваются коротковолновые лучи, то нам в глаза попадают преимущественно длинноволновые лучи, и Солнце на закате становится желтовато-оранжевым, а иногда и красным.

Оптические иллюзии

Оптическая иллюзия - впечатление о видимом предмете или явлении, несоответствующее действительности. Некоторые зрительные обманы давно уже имеют научное объяснение, другие до сих пор необъяснены.

Почему же возникают оптические обманы?

Зрительный аппарат человека - сложная система, обладающая определенными возможностями. С оптическими иллюзиями мы часто встречаемся в повседневной жизни. Во-первых, это естественные оптические иллюзии , о которых вы читали - миражи. Часто возникают световые обманы относительно цвета солнца на восходе и закате или иллюзии величины небесных светил у горизонта.

Многие иллюзии объясняются строением глаза человека и его ограниченными возможностями.

Так много дорожных аварий происходит в сумерках на перекрестках, где висят светофоры, когда перестраивается работа зрительного аппарата, или ночью, когда водители принимают свет светофора за свет обычного фонаря. Подобрав правильный рисунок на обоях, мы можем зрительно расширить небольшую комнату. Выбрав нужную расцветку ткани, можно скрыть недостатки своей фигуры. Хотя зрительная иллюзия - это не всегда игра света и тени или естественное восприятие данного объекта. Существует много специально выдуманных оптических головоломок, создающих потрясающие эффекты

Иллюзии – перевертыши

Фокусник или ?

Лошадь или?

Солдат или ?

Свет имеет очень большое значение для жизни человека. Изучив данную тему можно сделать следующие выводы:

- Свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом: является электромагнитной волной, но при излучении и поглощении ведет себя как поток частиц – фотонов;

- Понятие цвета связано с длиной волны и частотой. А так же способностью тел поглощать электромагнитные волны;

- Глаз является сложной оптической системой. Он способен отличать электромагнитные волны оптического диапазона разной частоты, т. е.

отличать свет.

- Глаз человека наиболее чувствителен к волнам 546 Нм, что соответствует зеленому цвету.

- Электромагнитные волны оптического диапазона разной частоты могут влиять на нервную систему.

- Объяснение зрения дано на основе фотохимической теории света.

- На основе физических законов можно объяснить такие явления как: - голубой цвет неба

- белый цвет облаков

- красные листья и т. д.