птические явления в природе.
Явления, связанные с отражением света. Предмет и его отражение.
То, что отражённый в воде пейзаж не отличается от
реального, а только перевернут «вверх ногами», далеко не так. Если человек
посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается
берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем
«исчезнет», если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также
никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в
воду.
Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.
Радуга. 
Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека.
Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.
Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1- 2 км, а иногда её можно наблюдать на расстоянии 2- 3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.
У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяющимися цветами, малые – дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли.
Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно.
Полярные сияния.
Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние. В большинстве случаев полярные сияния имеют зелёный или сине-зелёный оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета. Полярные сияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде пятен.
По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на порядок. К 1-ому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же 4-ого класса освещают Землю так ярко, как полная Луна.
Световой луч в геометрической оптике - линия, вдоль которой переносится световая энергия. Менее четко, но более наглядно, можно назвать световым лучом пучок света малого поперечного размера.
Понятие светового луча является краеугольным приближением геометрической оптики. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света. В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место дифракция, и в результате узкий пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение.
Закон прямолинейного распространения света: в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям.
В связи с законом прямолинейного распространения света появилось понятие световой луч, которое имеет геометрический смысл как линия, вдоль которой распространяется свет. Реальный физический смысл имеют световые пучки конечной ширины. Световой луч можно рассматривать как ось светового пучка. Поскольку свет, как и всякое излучение, переносит энергию, то можно говорить, что световой луч указывает направление переноса энергии световым пучком. Также закон прямолинейного распространения света позволяет объяснить, как возникают солнечные и лунные затмения (На рисунке изображено солнечное затмение. При лунном затмении Луна и Земля "меняются" местами).
Дисперсия света (разложение света) - это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (или частоты) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.
Цвет - качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов.
Ощущение цвета возникает в мозге при возбуждении и торможении цветочувствительных клеток - рецепторов глазной сетчатки человека или другого животного, колбочках. Считается (хотя на сегодняшний день так никем и не доказано), что у человека и приматов существует три вида колбочек различающихся по спектральной чувствительности - условно «красные», условно «зелёные» и условно «синие». Светочувствительность колбочек невысока, поэтому для хорошего восприятия цвета необходима достаточная освещённость или яркость. Наиболее богаты цветовыми рецепторами центральные части сетчатки.
Каждое цветовое ощущение у человека может быть представлено в виде суммы ощущений этих трёх цветов (т.н. «трёхкомпонентная теория цветового зрения»). Установлено, что рептилии, птицы и некоторые рыбы имеют более широкую область ощущаемого оптического излучения. Они воспринимают ближний ультрафиолет (300-380 нм), синюю, зелёную и красную часть спектра. При достижении необходимой для восприятия цвета яркости наиболее высокочувствительные рецепторы сумеречного зрения - палочки - автоматически отключаются.
Отражение - явление частичного или полного возвращения волн (электромагнитных), достигающих границы раздела двух сред (препятствия), в ту среду, из которой они подходят к этой границе.
Закон отражения света - устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол отражения равен углу падения» не указывает точное направление отражения луча.
Универсальным в физике понятием является скорость света c . Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах скорость света v уменьшается: v = c / n , где n есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света n = n(v).
Преломление - изменение направления распространения волн электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.
Преломление света на границе двух сред даёт парадоксальный зрительный эффект: пересекающие границу раздела прямые предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела (то есть преломлёнными «вверх»); в то время как луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали (то есть преломляется «вниз»). Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоёма, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле.
Преломление света в атмосфере Земли приводит к тому, что мы наблюдаем восход Солнца несколько раньше, а закат несколько дольше, чем это имело бы место при отсутствии атмосферы По той же причине вблизи горизонта диск Солнца выглядит заметно сплющенным вдоль вертикали.
Закон Снеллиуса преломления света описывает преломление света на границе двух сред. Также применим и для описания преломления волн другой природы, например звуковых.
Угол падения света на поверхность связан с углом преломления соотношением
Здесь:
n 1
- показатель преломления
среды, из которой свет падает на границу раздела;
A 1 - угол падения света - угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности;
n 2 - показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела;
A 2 - угол преломления света - угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.
Линза - деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.
В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих - линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно, только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например, пузырёк воздуха в воде - двояковыпуклая рассеивающая линза.
Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием.
Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным пучком, то при выходе из неё лучи преломятся под большим углом, и точка F, точка пересечения этих лучей, переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом F , а расстояние от центра линзы до фокуса - фокусным расстоянием .
Оптическая сила - величина, характеризующая преломляющую способность осесимметричных линз и центрированных оптических систем из таких линз. Измеряется оптическая сила в диоптриях (в системе СИ) и обратно пропорциональна фокусному расстоянию:
Построение изображений, что даёт тонкая линза.
Рассмотрим луч SA произвольного направления, падающий на линзу в точке A. Построим линию его распространения после преломления в линзе. Для этого построим луч OB, параллельный SA и проходящий через оптический центр O линзы. По первому свойству линзы луч OB не изменит своего направления и пересечёт фокальную плоскость в точке B. По второму свойству линзы параллельный ему луч SA после преломления должен пересечь фокальную плоскость в той же точке. Таким образом, после прохождения через линзу луч SA пойдёт по пути AB.
Аналогичным образом можно построить другие лучи, например луч SPQ.
Обозначим расстояние SO от линзы до источника света через u, расстояние OD от линзы до точки фокусировки лучей через v, фокусное расстояние OF через f. Выведем формулу, связывающую эти величины.
Рассмотрим две пары подобных треугольников: 1) SOA и OFB; 2) DOA и DFB. Запишем пропорции
Разделив первую пропорцию на вторую, получим
После деления обоих частей выражения на v и перегруппировки членов, приходим к окончательной формуле
Фотометрия. Сила света и освещённость.
Фотометрия - общая для всех разделов прикладной оптики научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения.
Сила света - это количественная величина потока излучения, приходящегося на единицу телесного угла предела его распространения. Иными словами это количество света (в люменах), приходящееся на 1 стерадиан.
Телесный угол нужно выбирать таким образом, чтобы ограничиваемый им поток можно было бы считать наиболее равномерным. Тогда единица телесного угла в этом направлении от источника будет содержать силу света численно равную световому потоку
Единица измерения СИ: кандела (кд) = люмен (лм) / стерадиан (ср)
Освещенность - физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности:
Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмен/кв.метр).
Световой поток - физическая величина, характеризующая «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения. Иными словами, это мощность такого излучения, которое доступно для восприятия нормальным человеческим глазом (Ф).
Глаз - сенсорный орган человека и животных, обладающий способностью воспринимать электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн и обеспечивающий функцию зрения. Через глаз поступает 90 процентов информации из окружающего мира.
Близоруким называется такой глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит внутри глаза. Близорукость может быть обусловлена большим удалением сетчатки от хрусталика по сравнению с нормальным глазом. Если предмет расположен на расстоянии 25 см от близорукого глаза, то изображение предмета получится не на сетчатке, а ближе к хрусталику, впереди сетчатки. Чтобы изображение оказалось на сетчатке, нужно приблизить предмет к глазу. Поэтому у близорукого глаза расстояние наилучшего видения меньше 25 см. Дальнозорким называется глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит за сетчаткой. Дальнозоркость также может быть обусловлена тем, что сетчатка расположена ближе к хрусталику по сравнению с нормальным глазом и изображение предмета получается за сетчаткой такого глаза. Если предмет удалить от глаза, то изображение попадёт на сетчатку, отсюда и название этого недостатка - дальнозоркость.
Близорукость и дальнозоркость устраняются применением линз. Изобретение очков явилось великим благом для людей, имеющих недостатки зрения.
У близорукого глаза изображение получается внутри глаза впереди сетчатки. Чтобы оно передвинулось на сетчатку, нужно уменьшить оптическую силу преломляющей системы глаза. Для этого применяют рассеивающую линзу.
Оптическую силу системы дальнозоркого глаза нужно, наоборот, усилить, чтобы изображение попало на сетчатку. Для этого используют собирающую линзу.
Оптические приборы.
Оптические приборы - устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Они могут увеличивать, уменьшать, улучшать (в редких случаях ухудшать) качество изображения, давать возможность увидеть искомый предмет косвенно.
Термин "Оптические приборы" является частным случаем более общего понятия оптических систем, которое также включает в себя биологические органы, способные преобразовывать световые волны.
Зрительная (подзорная) труба - оптический прибор для наблюдения удалённых объектов, состоит из объектива, создающего действительное изображение объектов, и окуляра для увеличения этого изображения.
Микроскоп - прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых невооружённым глазом. Представляет собой совокупность линз.
Лупа - оптическая система, состоящая из линзы или нескольких линз, предназначенная для увеличения и наблюдения мелких предметов, расположенных на конечном расстоянии.
Если Вам понравилась эта страница, и Вам захотелось, чтобы Ваши друзья тоже её увидели, то выберите внизу значок социальной сети, где вы имеете свою страницу, и выразите своё мнение о содержании.
Ваши друзья и случайные посетители благодаря этому добавят Вам и моему сайту рейтинг
Позволяет определять расположение и движение планет, Солнца, Луны и других светил. Световые явления в природе мы наблюдаем повсеместно. В этом нам помогают глаза, а также специальные приборы, которые дают возможность узнать о строении небесных тел, даже тех, что находятся на расстоянии миллиардов километров от Земли. Наблюдения в телескоп и фотографирование планет позволило изучить облачный покров, скорость вращения, особенности поверхностей.
Природа планеты Земля дарит нам неповторимые, редкие, красивые и невероятные явления природы.
Разновидности световых эффектов
Вот только некоторые из них:
Окологоризонтальная дуга. Ее еще называют "огненной радугой". Когда свет проходит сквозь кристаллы льда перистых облаков, небосвод покрывается цветными полосами, а небо как будто покрыто "радужной пленкой". Подобные световые явления встречаются очень редко, так как природный феномен возникает только тогда, когда кристаллы льда и солнечные лучи по отношению друг к другу оказываются под определенным углом.
Радужные облака. Такой эффект тоже зависит от того, как Солнце расположено к капелькам воды из облаков. Расцветку определяет различная длина световых волн.
"Призрак Броккена". Удивительные световые явления наблюдаются в некоторых районах нашей планеты: если за спиной человека, стоящего на холме или горе, заходит или восходит солнце, он может обнаружить, что его тень, которая падает на облака, увеличивается до неправдоподобных размеров. Это происходит из-за преломления солнечных лучей мельчайшими каплями тумана. Такой эффект регулярно наблюдается на вершине Броккен в Германии.
Гало. Иногда вокруг Луны и Солнца возникают белые окружности. Это происходит в результате отражения или преломления света кристаллами снега или льда. В морозную погоду гало, которые образуются кристаллами снега и льда на земле, отражают свет и рассеивают его в разных направлениях, в результате чего образуется эффект, называемый "бриллиантовой пылью".
Паргелий. Слово "паргелий" означает "ложное солнце". Является разновидностью гало: на небе наблюдается несколько дополнительных Солнц, расположенных на уровне с настоящим.
Всем известно такое атмосферное явление как радуга, которое возникает после дождя - самое прекрасное атмосферное явление.
Северное сияние. Подобные световые явления наблюдаются в полярных областях. Предполагается, что такой же феномен есть и в атмосфере других планет, Венеры, например. Ученые считают, что полярные сияния возникают в результате бомбардировки верхнего атмосферного слоя заряженными частицами, которые движутся к Земле параллельно силовым линиям геомагнитного поля из космического пространства, называемого плазменным слоем.
Поляризация - это ориентированность в пространстве электромагнитных колебаний световых волн. Это явление возникает тогда, когда свет падает на поверхность под определенным углом и, отражаясь, становится поляризованным. Такое небо можно увидеть при помощи фильтра фотокамеры.
Звездный след. Явление можно запечатлеть фотокамерой, а невооруженным глазом это сделать невозможно.
Корона вокруг Солнца - это небольшие цветные венцы вокруг данной планеты или ярких объектов. Они изредка наблюдаются в тех случаях, когда источники света скрыты за полупрозрачными облаками, и возникает при рассеивании лучей света водяными мелкими капельками, образующими облако.
Мираж - этот оптический эффект, который обусловлен преломлением лучей света при прохождении сквозь слои воздуха с разной плотностью. Он выражается возникновением обманного изображения. Миражи чаще всего наблюдаются в жарком климате, преимущественно в пустынях. Иногда они отображают целые объекты, которые находятся от наблюдателя на большом расстоянии.
Столбы света. Это такие световые явления, когда свет отражается от кристаллов льда, и образуются вертикальные светящиеся столбы, будто выходящие с поверхности земли. Источником в этом случае является Луна, Солнце или искусственные огни.
Окологоризонтальная дуга. Известна как "огненная радуга". Цветные полосы возникают прямо на небосводе в результате прохождения света через кристаллы льда в перистых облаках, покрывая небо "радужной пленкой". Этот природный феномен очень трудно увидеть, так как и кристаллы льда, и солнечный свет должны оказаться под определенным углом друг к другу, чтобы создать эффект "огненной радуги".
"Призрак Броккена".В некоторых районах Земли можно наблюдать удивительное явление: человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет. Свое название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, на которой, из-за частых туманов, можно регулярно наблюдать этот эффект.
Околозенитная дуга. Околозенитная дуга - это дуга с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, четкие очертания и всегда параллельна горизонту. Стороннему наблюдателю она напомнит улыбку Чеширского Кота или перевернутую радугу.
"Туманная" радуга. Туманный ореол похож на бесцветную радугу. Как и обычная радуга, этот ореол образуется путем преломления света через водяные кристаллы. Однако, в отличие от облаков, формирующих обычную радугу, туман, рождающий этот ореол, состоит из более мелких частиц волы, и свет, преломляясь в крошечных капельках, не расцвечивает его.
Глория. Когда свет подвергается эффекту обратного рассеивания (дифракция света, ранее уже отраженного в водяных кристаллах облака), он возвращается от облака в том же направлении, по которому падал, и образует эффект, получивший название "Глория". Наблюдать этот эффект можно только на облаках, которые находятся прямо перед зрителем или ниже его, в точке, которая находится на противоположной стороне к источнику света. Таким образом, увидеть Глорию можно только с горы или из самолета, причем источники света (Солнце или Луна) должны находиться прямо за спиной наблюдателя. Радужные круги Глории в Китае еще называют Светом Будды. На этой фотографии прекрасный радужный ореол окружает тень воздушного шара, упавшую на находящееся ниже него облако.
Гало в 22?. Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В атмосфере присутствуют небольшие кристаллы воды, и когда их грани образуют прямой угол с плоскостью, проходящей через Солнце, того, кто наблюдает эффект, и кристаллы, на небе становится виден характерный белый ореол, окружающий Солнце. Так грани отражают лучи света с отклонением на 22°, образуя гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием "бриллиантовая пыль".
Радужные облака. Когда Солнце располагается под определенным углом к капелькам воды, из которых состоит облако, эти капли преломляют солнечный свет и создают необычный эффект "радужного облака", окрашивая его во все цвета радуги. Своей расцветкой облака, как и радуга, обязаны различной длине волн света.
Лунная дуга. Темное ночное небо и яркий свет Луны часто порождают явление, именуемое "лунной радугой" – радуга, появляющаяся в свете Луны. Такие радуги располагаются на противоположной от Луны стороне небосвода и чаще всего кажутся абсолютно белыми. Впрочем, иногда их можно увидеть во всей красе.
Паргелий. "Паргелий" в переводе с греческого – "ложное солнце". Это одна из форм гало (см. пункт 6): на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца, расположенных на той же высоте над горизонтом, что и настоящее Солнце. Миллионы кристаллов льда с вертикальной поверхностью, отражающие Солнце, и образуют это красивейшее явление.
Радуга. Радуга – самое красивое атмосферное явление. Радуги могут принимать различные формы, общим для них является правило расположения цветов – в последовательности спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Радуги можно наблюдать, когда Солнце освещает часть неба, а воздух насыщен капельками влаги, например, во время или сразу после дождя. В древности появлениям радуги на небе придавали мистический смысл. Увидеть радугу считалось хорошим предзнаменованием, проехать или пройти под ней сулило счастье и успех. Двойная радуга, как говорили, приносит удачу и исполняет желания. Древние греки верили, что радуга – это мост на небо, а ирландцы считали, что на другом конце радуги находится легендарное золото лепреконов.
Северное сияние.Свечение, наблюдаемое на небе в полярных областях, называют северным, или полярным сиянием а так же южным – в Южном полушарии). Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний – предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории." Полярные сияния, как считают ученые, возникают вследствие бомбардировки верхних слоев атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный м южный магнитные полюса (авроральные овалы)".
Конденсационный (инверсионный) след. Конденсационные следы – это белые полосы, оставляемые в небе самолетами. По своей природе они являются сконденсированным туманом, состоящим из влаги, находящейся в атмосфере и выхлопных газах двигателей. Чаще всего эти следы недолговечны – под воздействием высоких температур они попросту испаряются. Однако некоторые из них спускаются в более низкие слои атмосферы, образуя перистые облака. Экологи считают, что преобразованные таким образом конденсационные следы самолетов оказывают негативное влияние на климат планеты. Тонкие высотные перистые облака, которые получаются из видоизмененных самолетных следов, препятствуют прохождению солнечных лучей и как следствие понижают температуру планеты, в отличие от обычных перистых облаков, которые способны сохранять тепло земли.
След выхлопных газов ракеты. Воздушные потоки в высоких слоях атмосферы деформируют инверсионные следы космических ракет, а частички выхлопных газов преломляют солнечный свет и окрашивают следы во все цвет радуги. Огромные разноцветные завитки тянутся на несколько километров по всему небу перед тем, как испариться.
Поляризация. Поляризация – это ориентированность электромагнитных колебаний световой волны в пространстве. Поляризация света возникает, когда свет под определенным углом падает на поверхность, отражается и становится поляризованным. Поляризованный свет также свободно распространяется в пространстве, как и обычный солнечный свет, но человеческий глаз, как правило, не способен уловить изменение цветовых оттенков в результате усиления эффекта поляризации. Этот снимок, сделанный при помощи широкоугольного объектива с поляризационным фильтром показывает, какой интенсивно-синий цвет придает небу электромагнитный заряд. Такое небо мы можем увидеть только через фильтр фотокамеры.
Звездный след. Невидимый невооруженным глазом "звездный след" можно запечатлеть на фотокамеру. Этот снимок был сделан ночью, при помощи камеры, установленной на штатив, с полностью открытой диафрагмой объектива и более чем часовой выдержкой. На фотографии показано "движение" звездного неба – естественное изменение положения Земли в результате вращения заставляет звезды "двигаться". Единственная неподвижная звезда – Полярная, которая указывает на астрономический Северный полюс.
Зодиакальный свет. Рассеянное свечение ночного неба, создаваемого солнечным светом, отраженным от частиц межпланетной пыли, называют еще зодиакальным светом. Зодиакальный свет можно наблюдать вечером на западе или утром на востоке.
Корона. Короны, или венцы – это небольшие цветные кольца вокруг Солнца, Луны или других ярких объектов, которые наблюдаются время от времени, когда источник света находится за полупрозрачными облаками. Корона возникает при рассеивании света мелкими водяными капельками воды, образующими облако. Иногда корона выглядит как светящееся пятно (или ореол), окружающее Солнце (или Луну), которое завершается красноватым кольцом. Во время затмений именно корона окружает затемненное солнце.
Сумеречные лучи. Сумеречные лучи – расходящиеся пучки солнечного света, которые становятся видны благодаря освещению ими пыли в высоких слоях атмосферы. Тени от облаков образуют темные полосы, а между ними распространяются лучи. Этот эффект наблюдается, когда Солнце находится низко над горизонтом перед закатом или после рассвета.
Мираж. Оптический эффект, обусловленный преломлением света при прохождении через слои воздуха разной плотности, выражается в возникновении обманного изображения – миража. Миражи можно наблюдать в жарком климате, особенно в пустынях. Ровная поверхность песка вдалеке становится похожей на открытый источник воды, особенно если смотреть вдаль с дюны или холма. Похожая иллюзия возникает в городе в жаркий день, на нагретом лучами солнца асфальте. На самом деле "водная поверхность" – это ни что иное, как отражение неба. Иногда миражи показывают целые объекты, находящиеся на большом расстоянии от наблюдателя.
Столбы света.Плоские кристаллы льда отражают свет в верхних слоях атмосферы и образуют вертикальные столбы света, словно выходящие из земной поверхности. Источниками света могут являться Луна, Солнце или огни искусственного происхождения.
А это явление, которое жители острова Мадейра, что в Атлантическом океане, наблюдали однажды, не поддается никакой классификации.
93. Что называют источниками света (§49)?
Все тела, от которых исходит свет, называют источниками света . Различают тепловые и люминесцирующие источники света, источники отраженного света:
- тепловые источники света излучают свет потому, что имеют высокую температуру (Солнце, звезды, пламя, нить электрической лампы); тела начинают излучать свет при температуре около 800 °С; электрическую лампу изобрёл Александр Николаевич Лодыгин (1847-1923, Россия), современный вид лампе передал Томас Эдисон (1847-1931, США);
- люминесцирующие источники света – это холодные источники света, излучение которых не зависит от температуры (люминесцентные и газосветные лампы, экран телевизора, монитор компьютера, дисплей электронных устройств, светодиоды, гнилушки, светлячки, некоторые морские животные);
- источники отраженного света сами не излучают; они светятся только тогда, когда на них падает свет от некоторого источника. Например, Луна, планеты и их спутники, искусственные спутники Земли отражают свет Солнца; ночью предметы видим потому, что они отражают лунный свет или свет от тепловых и люминесцентных источников.
94. Как распространяется свет в однородной среде (§50)?
В однородной среде, состоящей из одного и того же вещества (например, воздуха, стекла, воды) свет распространяется прямолинейно .
Прямолинейное распространение света установил основатель геометрии Евклид (325-265 до н. э., Др. Греция).
95. Что такое световой пучок и световой луч (§51)?
- Световой пучок представляет собой узкий ограниченный световой поток; световые пучки можно выделить с помощью малых отверстий в непрозрачных пластинах, называемых диафрагмами .
Пучок света может быть параллельным (а), расходящимся (б), сходящимся (в).
Световые пучки от разных источников не зависят друг от друга и не влияют на распространение друг друга. Это свойство называют независимостью световых пучков .
- Световой луч – это линия, указывающая направление распространения света и используется для изображения световых пучков.
96. Что такое точечный источник света (§52)?
Точечный источник света – это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя.
97. Что такое тень и полутень (§52).
- Тень – это область пространства за предметом, в которую не попадает свет от источника. Тень от предметов образуется при освещении их точечными источниками света.
- Полутень – это область, в которую попадает свет только от части источника света.
При освещении предметов протяженными источниками света образуется область тени и полутени. Например, когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, от Луны на Землю падает область тени (полное солнечное затмение) и полутени (частное солнечное затмение).
98. В чём заключается закон отражения света (§53)?
Закон отражения света заключается в том, что:
Угол отражения света равен углу падения:
Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.
Падающий и отражённый лучи обратимы. Например, если световой пучок падает на зеркало в направлении АО, то отражаться он будет в направлении ОВ; если же свет будет падать на зеркало в направлении ВО, то отраженным будет луч ОА.
99. Что такое зеркальное и диффузное отражение света (§53)?
- Зеркальным называют такое отражение, когда гладкую (зеркальную) поверхность, остается параллельным и после отражения. Зеркально отражают гладкие полированные поверхности, зеркала, водная гладь.
- Диффузным называют такое отражение, когда параллельный пучок света, падающий на шероховатую поверхность, отражается рассеянно, т.е. лучи будут направлены в разные стороны. Благодаря диффузному (рассеянному) отражению мы видим окружающие предметы, окружающий мир.
100. По каким законам изображается предмет в плоском зеркале (§54)?
- Плоское зеркало даёт прямое и мнимое изображение предмета.
Изображение предмета в плоском зеркале имеет те же размеры, что и предмет.
Расстояние от предмета до плоского зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения, т.е. предмет и его изображение симметричны относительно зеркала.
Плоское зеркало даёт мнимое (недействительное, кажущееся) изображение предмета.
101. Какие сферические зеркала вы знаете и какими параметрами они характеризуются (§55)?
- Сферические зеркала являются частью поверхности полого шара. Сферические зеркала бывают вогнутые и выпуклые . У вогнутого зеркала зеркальной является внутренняя вогнутая поверхность полого шара. У выпуклого зеркала зеркальной является внешняя выпуклая поверхность полого шара.
Сферические зеркала характеризуются полюсом , оптическим центром, радиусом, главной оптической осью, главным фокусом и фокусным расстоянием.
На рисунке: т. С – полюс зеркала; т. О – оптический центр; СО – радиус зеркала; прямая СО – главная оптическая ось зеркала; т. F – главный фокус зеркала; расстояние FC – фокусное расстояние зеркала.
Вогнутые зеркала применяются:
Когда нужно создать параллельный пучок света. Для этого светящуюся лампу помещают в фокусе зеркала. Это используется в фонарях, фарах автомобилей, прожекторах:
Когда нужно собрать в фокусе падающий на зеркало пучок параллельных лучей. Это используется в телескопе-рефлекторе.
102. Что называют преломлением света (§57)?
Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.
103. Чем характеризуется оптическая плотность среды (§57)?
Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Например, оптическая плотность вакуума, где скорость света максимальная и составляет = 300 000 км/с, равна 1.
104. Как формулируется закон преломления света (§57)?
- Если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную (например, из воздуха в воду), то угол преломления меньше угла падения ( < ).
Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную (например, из воды в воздух), то угол преломления больше угла падения ( > ).
Лучи падающий и преломлённый, а также перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.
- Синус угла падения так относится к синусу угла преломления, как скорость света в первой среде к скорости света во второй среде: 
.
105. Что называют предельным углом полного внутреннего отражения (§58)?
Явление полного внутреннего отражения наблюдается при переходе луча света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называют предельным углом полного внутреннего отражения.
Явление полного внутреннего отражения используется, например, в призмах для изменения направления световых лучей. Такие призмы применяются в биноклях, перископах.
106. Что называют световодом и волоконной оптикой (§59)?
Гибкие стеклянные стержни, в которых входящий с одного конца световой луч, многократно испытывая полное внутреннее отражение, полностью выйдет с другого конца, называется световодом. Новая отрасль оптики, основанная на использовании световодов для передачи информации, называется волоконной оптикой.
107. Что называют линзой? Какие бывают типы линз (§60)?
Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линзы бывают выпуклые (собирающие) и вогнутые (рассеивающие).
108. Что называют оптическим центром, главным фокусом и фокусным расстоянием линзы (§60)?
- Главная оптическая ось – это линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу.
- Оптический центр линзы – это точка, через которую лучи света проходят без преломления. Через оптический центр линзы лучи проходят без преломления.
- Главный фокус линзы – это точка, в которой после преломления соберутся лучи света, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.
109. Что называют оптической силой линзы (§60)?
Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы:
. Оптическая сила измеряется в диоптриях
(дптр). 1 дптр = 1/м.
110. Как читается формула линзы (§61)?
Сумма величин, обратных расстояниям от предмета до линзы и от линзы до изображения , равна величине, обратной фокусному расстоянию : 
.
111. Чему равно увеличение линзы (§61)?
Увеличение линзы
равно отношению расстояния от линзы до изображения к расстоянию от предмета до линзы : 
.
112. Из каких частей состоит глаз (§63)?
Глаз человека имеет шарообразную форму диаметром 25 см. Снаружи покрыт прочной белой оболочкой, называемой склерой (1) . Передняя прозрачная часть склеры называется роговицей (2) . За роговицей расположена радужная оболочка (3), определяющая цвет глаза. В центре радужной оболочки находится зрачок , за которым расположен прозрачный хрусталик (4) , имеющий форму собирающей линзы. Оптическая система глаза даёт на его задней стенке, называемой сетчаткой (5) , действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение предмета.
113. Что называют (§63): аккомодацией глаза? углом зрения ? расстоянием наилучшего зрения?
- Аккомодацией глаза называется приспособление глаза к изменению расстояния до предмета за счёт регулирования кривизны хрусталика.
- Углом зрения называют угол, под которым виден предмет из оптического центра глаза.
- Расстояние наилучшего зрения у нормального глаза взрослого человека составляет 25 см, у детей – около 10 см.
114. Чем отличаются недостатки зрения близорукость и дальнозоркость (§64)?
Известны два основных недостатка зрения: близорукость и дальнозоркость .
Отчётливое изображение предмета у близоруких людей получается перед сетчаткой, у дальнозорких – за сетчаткой глаза.
Близорукость исправляется ношением очков с рассеивающими (вогнутыми) линзами, дальнозоркость – с собирающими (выпуклыми) линзами.
115. Назовите оптические приборы и их назначения (§64).
Оптическими приборами называются приборы, действие которых основано на использовании линз. Это:
- очки , применяемые для исправления близорукости и дальнозоркости;
- лупа – линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов;
- микроскоп , предназначенный для рассмотрения микроскопических тел;
- бинокль для наблюдения удалённых тел;
- телескоп для изучения небесных тел;
- перископ для наблюдения из-за укрытия;
- фотоаппарат для получения четких фотографических снимков предметов;
- проекционные аппараты – диапроектор, кинопроектор, графопроектор – предназначенные для получения увеличенного изображения предмета на экране.
116. Как вычисляют увеличение лупы (§64)?
Лупа – это линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов.
Увеличение лупы
равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию лупы : 
.
117. Что называют спектром белого цвета (§65)?
Белый цвет сложный; он состоит из семи простых цветов.
Спектром белого цвета называется разноцветная полоса, полученная в результате разложения белого света и состоящая из семи простых цветов: красного, оранжевого, желтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).
Если параллельный пучок света направить на трехгранную призму, то на экране получается разноцветная полоса, называемая спектром белого света. Спектр возникает потому, что пучки разного цвета по-разному преломляются призмой. Лучи красного цвета преломляются слабее, а лучи фиолетового цвета – сильнее. Остальные цвета располагаются между ними.
Примером спектра солнечного света является радуга, образующаяся при разложении белого света на прозрачных каплях дождя.
118. Какие цвета называют (§66): дополнительными? основными?
- Дополнительными называют цвета, дающие при сложении белый цвет.
- Три спектральных цвета – красный, зелёный и синий – называют основными . Потому что ни один из них нельзя получить при сложении других цветов спектра; сложение этих трёх цветов может дать белый цвет; в зависимости о того, в какой пропорции складываются эти цвета, можно получить разные цвета и оттенки.
119. Объясните происхождение (§67): а) бесцветности тел, б) прозрачности тел, в) цвета поверхности тел.
На границе раздела двух сред происходят три явления: отражение (рассеивание), преломление, поглощение света. Цвет тела, освещаемого белым светом, зависит от того, свет какого цвета это тело рассеивает, пропускает или поглощает.
Прозрачные или бесцветные тела, (например, стекло, вода, воздух), слабо отражают и попускают насквозь все цвета белого света.
Красное стекло поглощает все цвета, кроме красного. Зеленое стекло поглощает все цвета, кроме зеленого.
Цвет тела, освещаемого белым светом, определяется тем цветом, который он отражает. Например, красное тело отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает.
Белое тело (бумага, снег, холст) отражает все цвета.
Природа света. Интерференция и дифракция света. Дифракционная решетка. Рентгеноструктурный анализ и его использование. Естественный и поляризованный свет. Оптически-активные вещества. Поляриметрия. Исследование биологических систем в поляризованном свете. Дисперсия света. Поглощение и рассеяние света. Рассеяние света в атмосфере.
Литература : ; ;
Оптика (от греческого слова оптикос – зрительный) – раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.
В течение последних трех столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.
Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» – неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Таким образом, волновая теория рассматривала свет как механические волны, распространяющиеся в особой среде (подобно звуковым волнам в воздухе).
До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX века благодаря исследованиям Юнга и Френеля волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. Волновая теория успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи, с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.
Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир», реальность существования которого оставалась весьма сомнительной (в 1881 г. американский физик Майкельсон экспериментально доказал, что мирового эфира не существует). В 60-х годах XIX в., когда Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля, необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и, следовательно, их носителем является электромагнитное поле.
Видимому свету соответствуют электромагнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мкм, создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнит ную теорию света.
Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX в. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему.
Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. свет испускается и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами).
Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц - фотонов. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).
Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования, выполненные Бором , Шредингером , Дираком, Фейнманом , Фоком и др. По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойст вами.
В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией.
Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является и волной и частицей. Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ.
Современная физика стремится создать единую теорию о природе света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой характер света; разработка такой единой теории пока еще не завершена.
Интерференция света – это явление усиления или ослабления колебаний, которое происходит в результате сложения двух или нескольких волн сходящихся в некоторой точке пространства. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность: равенство их частот и постоянная по времени разность фаз. Этому условию удовлетворяют монохроматические световые волны (от греческого (монос) – один, (хрома) – цвет, т.е. монохроматическому свету соответствует какая-либо одна длина волны). При соблюдении данного условия можно наблюдать и интерференцию других волн (например, звуковых).
Для световых волн, так же как и для любых других справедлив принцип суперпозиции. Так как свет имеет электромагнитную природу, то применение этого принципа означает, что результирующая напряженность электрического (магнитного) поля двух световых волн, проходящих через одну точку, равна векторной сумме напряженностей электрических (магнитных) полей каждой из волн в отдельности.
В частном случае, когда напряженности составляющих полей равны, но противоположно направлены, напряженность результирующего поля будет равна нулю (свет гасится светом). Если они направлены в одну сторону, происходит максимальное усиление света.
Результатом интерференции является интерференционная картина – устойчивое во времени распределение в пространстве интерференционных максимумов и минимумов (например, чередование темных и светлых полос на экране; в природе радужная окраска крыльев насекомых и птиц, мыльных пузырей, масляной пленки на воде и т.д.).
Частным случаем интерференционной картины являются так называемые кольца Ньютона (рисунок 4.1)
Рисунок 4.1
Они наблюдаются в системе образованной плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны.
Результат интерференции двух световых волн (в одной и той же среде) зависит от разности хода Δl=l 1 -l 2 (рисунок 4.2).
Рисунок 4.2
Если в разности хода лучей укладывается четное число полуволн, т.е. если
(4.1.1)
то в точке А на экране будет максимум света (λ – длина волны, S 1 и S 2 - монохроматические источники света, n=0,1,2,3,…). Если в разности хода лучей укладывается нечетное число полуволн, т.е. если
(4.1.2)
то в точке А будет минимум света. Интерференционная картина создаваемая двумя когерентными источниками света на экране представляет собой чередование темных и светлых полос.
Интерференционная картина очень чувствительна к величине разности хода интерферирующих волн. На этом основано устройство интерферометра прибора служащего для определения малых длин, углов, показателя преломления среды, длин световых волн.
Дифракцией называется отклонение света от прямолинейного распространения близи препятствия (огибание светом преграды). Так например если между источником света S и экраном А поставить другой экран В с отверстием, на экране А можно наблюдать дифракционную картину состоящую из чередующихся светлых и темных колец и захватывающих область геометрической тени (особенно заметно, когда размеры отверстия много меньше расстояния между экранами).
Рисунок 4.3
При использовании белого (немонохроматического света) дифракционная картина приобретает радужную окраску.
Явление дифракции объясняется при помощи принципа Гюйгенса – Френеля. Согласно данному принципу, каждая точка волновой поверхности достигающей отверстия становится вторичным источником света. Эти источники являются когерентными, поэтому исходящие от них световые лучи будут интерферировать между собой. В зависимости от величины разности хода на экране А возникнут максимумы и минимумы освещенности. В лабораторной практике дифракционную картину получают обычно от узких светящихся щелей. Совокупность большого числа параллельных узких прозрачных для света щелей, разделенных непрозрачными промежутками, называют дифракционной решеткой . Дифракционные решетки изготавливают путем нанесения тонких штрихов на поверхности стеклянной пластинки (прозрачная решетка) или металлического зеркала (отражательная). Сумму ширины щели а и промежутка b между щелями называют периодом или постоянной решетки: d = a + b. Дифракционные решетки дают четкую дифракционную картину и применяются для определения длины волны, а также в спектральном анализе для разложения света в спектр и заключения о химическом составе вещества. Дифракционные картины нередко возникают в природе. Так, например, цветные кольца, окружающие источник света, когда воздух насыщен каплями воды (туман) или пылью результат дифракции света на этих частицах. Дифракцией объясняется окраска перламутра и радужный цвет глаз многих насекомых, глаза которых являются своеобразными дифракционными решетками.
В химии широкое применение получил рентгеноструктурный анализ, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. В его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны порядка размеров атомов. Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно его применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.
Свет представляет суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Как известно электромагнитную волну, можно представить в виде колебаний двух взаимно перпендикулярных лекторов напряженностей электрического Е и магнитного Н. Так как электромагнитная волна является поперечной, то оба вектора колеблются в плоскостях, перпендикулярных к вектору скорости – направлению распространения луча. Электромагнитная волна, в которой колеблется лишь один из этих векторов, невозможна. Электрическое поле, в котором изменяется Е, неизбежно порождает магнитное поле, в котором по такому же закону изменяется Н, я наоборот. Явления поляризации рассматривается относительно вектора напряженности Е, но при этом следует помнить об обязательном существовании перпендикулярного ему вектора напряженности Н. Плоскость, в которой происходят колебания вектора напряженности электрического поля, называют плоскостью колебаний. Плоскость, в которой колеблется вектор напряженности магнитного поля, называется плоскостью поляризации.
Естественный свет с этой точки зрения можно схематично представить следующим образом (рисунок 4.4):
Рисунок 4.4
Равномерное расположение векторов Е обусловлено большим числом атомарных излучателей. Такой свет называется неполяризованным. В таких световых волнах векторы имеют различные ориентации колебаний, причем все ориентации равновероятны. Если влиянием внешних воздействий на свет или внутренних особенностей источника света появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний, то такой свет называется частично поляризованным (рисунок 4.5).
Рисунок 4.5
С помощью специальных устройств из пучка естественного света можно выделить луч, в котором колебания вектора Е будут происходить в одной определенной плоскости (рисунок 4.6)
Рисунок 4.6
Такой свет будет полностью поляризованным. В отличие от естественного света поляризованный свет характеризуется кроме интенсивности и длины волны еще и положением плоскости поляризации. Человеческий глаз не отличает естественный и поляризованный свет. На практике поляризованный свет обычно получают, пропуская естественный свет через кристаллы, которые, как известно, характеризуются анизотропностью (физические свойства зависят от направления в кристалле). Поляризованный свет широко используют в химических и биологических исследованиях. Например, некоторые вещества, называемые оптически активными, поворачивают плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света. Причем угол поворота зависит от толщины слоя вещества. Таким образом, можно определять концентрацию веществ в растворе, что лежит в основе метода исследования веществ – поляриметрии. С помощью оптических поляриметров определяют величину вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически-активные среды (твёрдые вещества или растворы). Поляриметрия широко применяется в аналитической химии для быстрого измерения концентрации оптически-активных веществ для идентификации эфирных масел и в других исследованиях. Почти все биологически функциональные молекулы являются оптически активными.
Важной оптической характеристикой среды является абсолютный показатель преломления n (или просто показатель преломления). Он показывает во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости света в вакууме
(4.1.3)
Значение показателя преломления среды в основном определяется свойствами этой среды. Однако в некоторой степени он зависит еще и от длины волны (частоты) света. Поэтому одна и та же среда по-разному преломляет световые лучи разной длины волны. Зависимость показателя преломления среды от длины световой волны называется дисперсией света (от латинского dispersio – рассеяние).
Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрастает с уменьшением световой волны, в противном случае аномальной. Благодаря дисперсии, луч белого света, проходящий через преломляющую среду, оказывается разложенным на различные монохроматические лучи (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Попадая на экран, эти лучи образуют дисперсионный спектр - совокупность разноцветных полос. Наиболее четко дисперсионный спектр обнаруживается при преломлении света в призме (рисунок 4.7).
Рисунок 4.7
Угол D между лучами, соответствующими крайним цветам дисперсионного спектра, называется углом дисперсии. От него зависит ширина спектра. По виду спектра можно судить о химическом составе преломляющей среды. На этом основан так называемый спектральный анализ.
При прохождении света через вещество происходит его частичное поглощение, обусловленное превращением электромагнитной энергии световой волны в другие виды энергии (например, тепловую энергию). Вещества слабо поглощающие свет называются прозрачными. Сильно поглощающие свет – непрозрачными. Такое разделение является относительным, так как прозрачность зависит не только от вида вещества, но и толщины его слоя. Кроме того, поглощение света веществом носит избирательный характер. Различные вещества по-разному поглощают свет разных длин волн. Именно этим определяется цвет тела. Из потока белого цвета данное тело поглощает только лучи определенной длины волны, остальные пропускаются, отражаются или рассеиваются и воспринимаются человеческим глазом. Так, например листья живых растений обладают значительным поглощением во всем видимом спектре, кроме зеленой и темно-красной его части.
При распространении света в однородной среде, как показали исследования Бугера и Ламберта, интенсивность света изменяется по следующему закону:
(4.1.4)
где I 0 – интенсивность света при входе в слой вещества, I – интенсивность света при выходе из него, x – толщина слоя вещества, k – коэффициент поглощения, зависящий от рода вещества и длины волны. Поглощением света обусловлены, в конечном счете, все виды воздействия света на вещество. Именно в результате действия света возникает фотосинтез (превращение неорганических веществ в органические сопровождающееся выделением кислорода).
Проходя через мутную среду (среда в которой взвешено множество частиц какого либо постороннего вещества), свет дифрагирует от ее беспорядочно расположенных микрооднородностей и распространяется во все стороны (рассеивается). При этом среда приобретает голубой оттенок. Данное явление объясняется законом Релея:
I~1/λ 4 (4.1.5)
т.е. интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Из формулы (4.1.4) видно, что лучи с более короткой длинной волны рассеиваются сильнее (самой маленькой длиной волны обладает голубой свет). Рассеяние света происходит и в средах очищенных от посторонних частиц (так называемое молекулярное рассеяние). В данном случае свет дифрагирует от случайных уплотнений среды обусловленных беспорядочным тепловым движением молекул. В данном случае интенсивность рассеянного света невелика и становится заметной при большой толщине среды. Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба и желтый цвет солнечного диска. Так как свет, проходящий через атмосферу, состоит преимущественно из длинных волн.
