Site Loader

Содержание

3. Длина волны. Связь длины волны со скоростью её распространения и периодом (частотой)

Каждая волна имеет свои параметры движения.

Скорость волны — скорость распространения возмущения.

Пример:

воздействуя на стальной стержень с одного конца, можно вызвать волны сжатия и разрежения со скоростью \(5000 \frac{м}{с}\).

Скорость волны зависит от строения вещества и взаимодействия между её молекулами (атомами). Поэтому в различных средах скорость одной и той же волны будет отличаться.

Помимо скорости, важной характеристикой волны является длина волны.

Длина волны — расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней.

Рассмотрим процесс передачи колебаний от точки к точке при распространении поперечной волны.

Используется модель, в которой частицы среды заменяют шариками. Для удобства их можно пронумеровать (рис. \(1\)).

Частицы среды связаны между собой межмолекулярными силами взаимодействия, поэтому волна передаётся от одной частицы к другой.

 

Рисунок \(1\). Модель упругой среды для демонстрации колебаний

 

Отклоним первый шарик от положения равновесия. Силы притяжения передадут движение второму, третьему шарику. Каждый элемент вещества (молекула, атом) повторит движение первой частицы с запаздыванием, которые называют сдвигом фазы. Это запаздывание зависит от расстояния, на котором находится рассматриваемый шарик по отношению к первому шарику.

Предположим, что первый шарик достиг максимального смещения от положения равновесия (рис. \(2\)). В этот момент четвёртый шарик только начнет движение, следовательно, он отстаёт от первого на \(1/4\) колебания.

Рис. \(2\)

 

В момент времени, когда смещение четвертого шарика будет наибольшим  (рис. \(3\)), седьмой шарик будет отставать от него на \(1/4\) колебания. А если рассмотреть отставание седьмого шарика от первого, то оно составляет \(1/2\) колебания.  

Рис. \(3\)

 

Между седьмым и четвёртым шариком, а также седьмым и десятым \(1/4\) часть колебания (рис. \(4\)).

 

Рис. \(4\)

 

Первый и тринадцатый шарик совершают одно колебание, то есть двигаются в одной фазе (рис. \(5\)). Это значит, что между ними все шарики с первого по двенадцатый проходят полный колебательный процесс или составляют одну волну.

 

Рис. \(5\)

 

Начиная с тринадцатого шарика, мы можем отсчитывать новую волну (рис. \(6\)).

 

Рис. \(6\)

 

Длину волны измеряют расстоянием, на которое перемещается волновая поверхность за один период колебания источника волн;

Длиной волны является расстояние между двумя ближайшими точками бегущей волны на одном луче, который колеблется в одинаковой фазе:

λ=υT, где \(λ\) («лямбда») — длина волны, \(\upsilon\) — скорость волны, \(T\) — период колебания.

Период колебаний можно выразить как величину, обратную частоте колебаний: T=1ν.
Тогда выразим длину волны как отношение скорости и частоты: λ=υν.
Длина волны прямо пропорциональна скорости волны и обратно пропорциональна частоте колебаний (прямо пропорциональна периоду колебаний).

Поперечные и продольные волны описываются одними и теми же законами.

Выразим скорость волны:

как отношение длины волны к периоду колебаний: υ=λT;

как произведение длины волны на частоту колебаний: υ=λν.

 

За длину волны \(λ\) примем расстояние между шариками, колеблющимися в одинаковых фазах. Например (см. рис. \(6\)), между четвёртым и шестнадцатым, третьим и пятнадцатым.

 

Колебания проходят шарики, начиная с первого и заканчивая двенадцатым, проходят все фазы колебания. Новая волна начинается с тринадцатого шарика. Каждый шарик совершает одно полное колебание за время, которое называют периодом колебаний \(T\). За это время колебательный процесс проходит расстояние, называемое длиной волны \(λ.\)

 

Модель распространения продольных волн представлена на рисунке \(7\).

Длиной волны будет расстояние между соседними центрами сжатия пружины.

 

Рисунок \(7\). Распространение продольных волн в упругой пружине

 

Источником колебаний генерируется волна той же частоты, поэтому вынужденные колебания совпадают по частоте с осциллятором и не зависит от плотности среды, в которой движется волна.

Если в ходе движения волна переходит в среду другой плотности, то скорость движения волны изменяется, а частота колебаний остаётся прежней.

Длина волны — формулы, измерение, определение

Волна: продольная и поперечная

Начнем с того, что волна — это распространение колебания в пространстве.

Волны бывают механическими и электромагнитными.

Механические волны — это те волны, колебания которых можно почувствовать физически, потому что они распространяются в упругой среде.

  • Например, звук. Когда звук распространяется внутри какого-либо вещества, мы можем ощутить его прикосновением.

Представьте, что вы стоите на железнодорожных путях. Нет, вы не Анна Каренина, вы — экспериментатор.

Если к вам приближается поезд, вы рано или поздно его услышите. Вернее, услышите, как только звуковая волна со скоростью 𝑣 = 330 м/с достигнет ваших ушей.8 м/с. И источники у них разные.

Волны также принято делить на продольные и поперечные:


Продольные

— это те волны, у которых колебание происходит вдоль направления распространения волны.



  • Дрожание окон во время грома или сейсмические волны (землетрясения) — это пример продольных волн.

Поперечные — волны, у которых колебание происходит поперек направления распространения волны.

  • Представьте, что вы запустили волну из людей на стадионе — она будет поперечной.
  • Видимый свет и дрожание гитарной струны — тоже поперечные волны.


Морская волна — продольная или поперечная?

На самом деле в ней есть и продольная, и поперечная составляющие, поэтому ее нельзя отнести к конкретному типу.

Длина волны: определение и расчет

Конечно, у любой волны есть характеристики. Одна из таких характеристик — это длина волны.

  • λ — длина волны [м]

Длиной волны называется расстояние между двумя точками этой волны, колеблющихся в одной фазе. Если проще, то это расстояние между двумя «гребнями».


Еще длиной волны можно назвать расстояние, пройденное волной, за один период колебания.


Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.

Формула периода колебания волны

T = t/N

T — период [с]

t — время [с]

N — количество колебаний [-]

Связь со скоростью

Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучается движение тел без учета внешнего воздействия).

Формула скорости

𝑣 = S/t

𝑣 — скорость [м/с]

S — путь [м]

t — время [с]

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

  • путь — длина волны
  • время — период

А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.

Формула скорости волны

𝑣 = λ/T

𝑣 — скорость [м/с]

λ — длина волны [м]

T — период [с]

Задачка

Лодка совершает колебания на волнах. За 40 с она совершила 10 колебаний. Какова скорость распространения волны, если расстояние между соседними гребнями волны равно 1 м?

Решение:


  1. Возьмем формулу скорости:
  2. 𝑣 = λ/T


  3. Нам известна длина волны, но не дан период. Период вычисляется по формуле:
  4. T = t/N

    T = 40/10 = 4 с


  5. Теперь подставляем величины в формулу
  6. 𝑣 = λ/T

    𝑣 = ¼ = 0,25 м/с


Ответ: 𝑣 = 0,25 м/с

Резонанс

Если громко говорить в одном помещении с гитарой — можно услышать, как на ней начал играть призрак. На самом деле частота струны совпала с частотой голоса и возник резонанс.

На графике ниже можно увидеть, что на некоторой частоте резко увеличивается амплитуда. Эта частота называется частотой резонанса.


Частота — это величина, обратная периоду. Она показывает, за какое время происходит одно колебание.

Формула частоты

ν = N/t

ν — частота [Гц]

t — время [с]

N — количество колебаний [-]

В мире существует очень много историй про то, как солдаты шли в ногу по мосту, он впал в резонанс и все провалились. А вот еще одна история про гидрологов — как говорится, из первых уст🙂

Команда гидрологов — специалистов по внутренним водам — работала на Алтае и изучала местную реку. Через реку был протянут веревочный мост, а по центру моста стояла лебедка, которая помогает поднять пробу воды из речки, не спускаясь до нее.

В один из дней экспедиции начался сильный, почти штормовой, ветер. Исследователи работали на мосту, а когда поняли, что находиться на веревочной конструкции в такой сильный ветер небезопасно, начали с него уходить. Как только последний человек из команды сделал шаг с моста на землю, мост вместе с лебедкой разнесло в щепки. Это произошло из-за того, что частота ветра совпала с собственной частотой раскачивающегося моста. Хорошо, что история закончилась именно так.

Спектральные характеристики света

Уторова Лилия

Старший инженер-светотехник

Работает в светотехнической отрасли с 2015 года. Выпускница Санкт-Петербургского научно-исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики. Любимая цитата: «Нет никаких причин чувствовать себя одиноким, когда в мире есть любовь и свет.» 

1. Введение

Ежедневно на протяжении всей своей жизни мы неразрывно связаны со светом, что оказывает влияние не только на наше зрительное восприятие окружающего мира, но и на здоровье, самочувствие, продуктивность и настроение.

С давних времен по своей природе человек с восходом солнца просыпается, когда солнце находится в своём пике – работает, а с наступлением ночи готовится ко сну. Это не случайно и взаимосвязано со светом. Каким образом? Для этого необходимо рассмотреть характеристики света

Световое излучение характеризуется такими параметрами, как световой поток, сила света, яркость, освещенность и др., но подробней хотелось бы остановиться на спектральных характеристиках и их взаимосвязи с природой.

Свет – это видимая область электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм. Именно в этом диапазоне оптическое излучение способно возбуждать сетчатку глаза человека и создавать зрительный образ.

Помимо видимой области излучения в светотехнике рассматривают также ультрафиолетовое (длина волны от 1 нм до 380 нм) и инфракрасное излучение (длина волны от 780 нм до 1 мк).

Видимое излучение с разной длиной волны воспринимаются глазом как разные цвета:

Таблица 1. Длины волн различных цветов

Длина волны

 Цвет

от 380 нм до 450 нм

фиолетовый

от 450 нм до 480 нм

синий

от 480 до 510

голубой

от 510 до 550

зеленый

от 550 до 575

жёлто-зеленый

от 575 до 590

жёлтый

от 590 до 610

оранжевый

более 610

красный

 

Границы цветов приблизительны – разные люди отличаются друг от друга восприятием цветовых сигналов головным мозгом. Для нас же самым наглядным примером видимого спектра в природе является радуга.

Полный видимый спектр на шкале излучений различных длин волн выглядит так:

Белый свет является смешением всех (или нескольких) цветов спектра в определенной пропорции. Если луч белого света пропустить через стеклянную призму, то он разложится на спектр (явление дисперсии света).

Различные цвета мы видим каждый день и не придаём значения тому, что это очень сложный процесс восприятия. Цвет предмета определяется спектральным составом света и спектральными характеристиками отражения и пропускания материалов.

Цвет – это объективная величина, которая может быть измерена и выражена конкретными параметрами. Для этого чаще всего используют колориметрическую систему координат цветности:

На рис. 3 представлено поле реальных цветов. На ограничивающей его кривой линии отмечены длины волн монохроматических излучений, воспринимаемых глазом – от 380 (фиолетовый цвет) до 700 (красный цвет) нм.

Средняя часть цветового поля – это область белых цветов. В ней проходит линия – кривая теплового излучения, то есть кривая координат цветности белого света.

Цветность белого света зависит от цветовой температуры – температуры чёрного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового фона, что и рассматриваемое излучение. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина.

Цвет излучения тепловых источников света (ламп накаливания) очень точно соответствует данной кривой на графике.

На рис. 4 представлено наглядное сравнение источников света с различной цветовой температурой.

Многие ошибаются, полагая, что чем выше цветовая температура, тем свет «теплее», чем ниже – «холоднее». Ассоциация происходит с температурой тела и воздуха, когда при повышении температуры становится теплее.

В случае цветовой температуры света можно провести аналогию с цветом звёзд.

Цвет звезды зависит от температуры на поверхности: чем больше тепла звезда излучает, тем более голубой цвет она имеет, и наоборот, самые холодные звёзды по температуре на поверхности имеют оранжевый и красный цвет. Как видно из рис. 5, самые горячие небесные тела – голубые звёзды с температурой 30000 К, самые холодные звёзды – красные с температурой 3500 К, солнце в середине дня имеет температуру на поверхности 6000 К и желто-белый цвет.

2. Влияние цветовой температуры источников света на человека

В современном мире большая часть нашего активного времени суток проходит на рабочем месте, т.е. под воздействием искусственного освещения. Качество света и его достаточное количество – важная составляющая верного восприятия окружающего мира. Формы объектов, цвета, люди, предполагаемые опасности распознаются нами, если обеспечивается достаточные уровень освещенности, время воздействия света и его цветность. Наравне с визуальными эффектами, цветность влияет также и на другие сферы жизни человека.

С конца 20-го века было проведено большое количество исследований незрительного воздействия света на организм. Оказалось, что в глазах человека имеются не только известные рецепторы – колбочки и палочки, воспроизводящие изображения предметов, но и фоторецепторы, воспринимающие свет без образования изображения – меланопсин. Эти рецепторы отвечают за выработку гормона мелатонина, кортизола, регулируя циркадные ритмы человека.

Циркадные ритмы – это внутренние фундаментальные биологические циклы организма с периодом 24 часа, такие как сон, температура тела, пищеварение. Циркадные ритмы влияют на выработку гормона «сна» — мелатонина, производят и выравнивают определенные физиологические реакции в зависимости от уровня освещенности и цветовой температуры.

Гормон мелатонин отвечает за отдых и расслабление организма и работает в партнерстве с другими гормонами (кортизол, серотонин, допамин). В течение дня кортизол обеспечивает бодрость и стрессовую реакцию организма, серотонин контролирует импульс и углеводную потребность, а допамин обеспечивает хорошее настроение, удовольствие, бдительность и координацию.

Высокий уровень мелатонина является причиной сонливости, но он может быть урегулирован воздействием на другие гормоны. Т.к. в течение рабочего дня регулировать уровень естественного освещения сложно, то оказывать влияние на эти четыре гормона, следовательно, и на циркадные ритмы, можно благодаря правильному выбору цветовой температуры источников искусственного освещения.

Воздействие на циркадные ритмы человека происходит за счет изменения уровня освещенности и цветовой температуры в определенные фазы суток. Например, синяя спектральная составляющая подавляет мелатонин и активизирует кортизол, что подходит для середины дня, обеспечивая высокую работоспособность человека, умственную и физическую активность. Излучения в желтом спектре подходят для утра и вечера, когда организм расслабляется и восполняет жизненные силы. Таким образом, изменяя цветовую температуру можно напрямую влиять на самочувствие человека, его настроение и работоспособность в течении дня, не нарушая жизненных циклов.

3. Практическое применение различной цветовой температуры в искусственном освещении

В настоящее время стало возможным применить на практике знания, что освещение в теплом спектре активизирует гормоны отдыха и действует расслабляюще на организм, освещение в нейтрально белом цвете обеспечивает комфортное выполнение текущих задач, а освещение в холодном спектре способствует умственной активности.

Для этого можно обеспечить биологически и эмоционально эффективное освещение двумя способами:

  1. Первый способ – это эффективное распределение освещения с различной цветовой температурой по времени и зонам:

Например, для стандартного рабочего времени подходит цветовая температура источников света равная 4000 К.

Для совещаний и важных переговоров необходима цветовая температура в 5000 К. За счёт более холодной цветовой температуры активизируется выработка гормона кортизола, что приводит к улучшению мозговой деятельности и концентрации.

Но в течение рабочего дня человеку необходим ещё и отдых для восстановления сил. Для этой цели в помещениях отдыха обеспечивают цветовую температуру источников света 3000 К.

  1. Второй способ – это обеспечение повторения суточного солнечного цикла с помощью источников света.

В основе данного метода лежит зависимость естественного солнечного цикла от цветовой температуры излучения и зависимость человека от солнечного цикла. Если понаблюдать за солнцем в течение дня, то можно увидеть следующую картину:

Как известно, человек ориентируется во времени по естественному освещению (смена дня и ночи), и что свет имеет влияние на человеческие биоритмы.

Утром, при восходе солнца (при теплой цветовой температуре) начинает снижаться выработка мелатонина, и организм пробуждается. Днём (при переходе от нейтральной цветовой температуры к холодной) при выработке кортизола повышается работоспособность. Вечером (при тёплой цветовой температуре) выработка кортизола уменьшается, мелатонина – увеличивается, организм входит в состояние покоя и готовится ко сну. Сохранить гармоничный для организма человека цикл цветовой температуры в искусственном освещении можно, организовав запрограммированное изменение цветовой температуры источников света.

Таблица 2. Зависимость организма от цветовой температуры источников света

Цветовая температура

Что происходит

Эффект

2700 – 3000 К, тёплая

Выработка гормона мелатонина, снижение выработки гормона кортизола

Утром – пробуждение, днём – отдых, расслабление, вечером – подготовка ко сну

4000 – 5000 К, нейтральная

Выработка гормона кортизола, снижение выработки гормона мелатонина

Основное рабочее время – увеличение концентрации

5000 – 6500 К, холодная

Выработка гормона кортизола

Пик активности мозга, концентрации, внимания и продуктивности

Таким образом, обеспечив один из подходов управления освещением на рабочем месте, можно грамотно положительно влиять на самочувствие и продуктивность сотрудников.

4. Торговое освещение

Где ещё можно наблюдать влияние цветовой температуры источников света на человека? В магазине. Да, это влияние не меняет настроения покупателя, но помогает сделать выбор. При правильном освещении булочки будут выглядеть вкуснее, а рыба и мясо – свежее.

В настоящее время вопрос, какой товар и в каком магазине выбрать, возникает каждый день. Современного потребителя, т.е. каждого из нас, окружает множество магазинов, конкурирующих между собой, но мы всегда пойдём в тот, где товар лучше. А товар лучше там, где его правильно презентуют.

В чём состоит взаимосвязь презентации товара и спектральных характеристик света?

Для торгового освещения важным требованием является качественная передача визуальной информации о товаре потребителю, что можно обеспечить с помощью качественного освещения. За это отвечают такие параметры как высокий уровень освещенности, высокий индекс цветопередачи, правильно подобранная цветовая температура источника и использование специальных спектров.

Различные группы товаров требуют различного освещения: существуют специальные спектры излучения источников, подчеркивающие натуральные оттенки предметов.

К примеру, мясо подсвечивают спектром со смещением в красный цвет, чтобы оно выглядело аппетитно.

Замороженные продукты и рыбу подсвечивают светом с холодной цветовой температурой (5000-6500 К), что подчеркивает свежесть, блеск и охлажденность.

Хлебобулочные изделия подсвечивают теплым светом (2700-3000 К). Как правило, хлеб выложен на натуральных материалах теплых оттенков (дереве), что усиливает гармоничный вид.

Фрукты и овощи освещают направленным светом с высокой цветопередачей, чтобы товар выглядел ярким, свежим и привлекательным.

В табл. 3 приведены дополнительные виды товаров, которые также можно выгодно подчеркнуть:

Таблица 3. Виды товарного ассортимента и необходимые им цветовая температура и смещение спектра

Товарный ассортимент

Цветовая температура, К; 

Смещение спектра в цвет

Бытовые товары

3000 – 4000 К

Одежда и обувь

3000 – 4000 К

Автомобили

3000 – 4000 К

Охлажденное мясо

3700 К, красный

Охлажденная рыба

5000 – 6500 К, синий

Фрукты и овощи

2700 – 3000 К, жёлтый

Хлебобулочные изделия

2700 К, жёлтый

Молоко

3000 – 4000 К

Колбаса и копчености

3700 К, красный

Важно помнить, что обеспечение комфортной среды для покупок – это сложная и точная настройка различных параметров источников света, на которой не следует экономить при проектировании, ведь человек охотней совершит покупки в магазине, который для себя воспринимает как комфортный и с качественным товаром.

5. Заключение

В статье рассмотрены важнейшие спектральные характеристики источников света, умело используя которые, можно создать комфортную среду для нашей жизни и работы.

Оптимизация искусственного освещения в рабочем пространстве способствует поддержанию циркадного ритма человека, что напрямую влияет на самочувствие, настроение и продуктивность.

Грамотное проектирование искусственного освещения в магазинах с учетом требований различных товаров помогает создавать в магазине комфортную среду и представлять товары в самом выгодном свете для покупателей, что положительно сказывается на уровне продаж.

Источники:

  1. «Справочная книга по светотехнике», под ред. Ю.Б. Айзенберга, 3-е издание, 2006
  2. «Элементарная светотехника», Л.П. Варфоломеев, 2013
  3. Журнал «Современная светотехника», №4, 2018
  4. Буклет по решениям «Биологически и эмоционально эффективное освещение (Human Centric Lighting), Световые технологии, 2019
  5. Интернет-ресурс: v-kosmose.com
  6. Рисунки 4 и 6 — нарисованы и принадлежат bigpro.ru; остальные — взяты с интернет-ресурса: pinterest.ru.

Что такое свет, цвет и спектральные цвета

Как всякая волна, свет излучается и поглощается физическими телами. Свет излучается нагретыми или иначе находящимися в возбужденном состоянии телами и веществами.

Как физическое явление, Свет изучается в физике, в разделе оптика. Причем Свет это не одиночная волна с определенными характеристиками, а поток волн, разной длины и частоты.

Из школьного курса физики мы знаем, что как всякие другие волны, свет может быть разложен на составляющие его волны при помощи дифракционной решетки (дифракция) или при помощи призмы (дисперсия). После такого разложения мы получаем спектр волн разной длины, при этом большой участок этого спектра будет невидим человеческим глазом.

Дифракционный и дисперсионный спектры имеют некоторые различия.

Дифракция, это явление отклонения от прямолинейного направления движения волны при прохождении ее через препятствия (щель, отверстие, стержень), размер которого соизмеримы с длиной волны. В случае дифракции, мы получаем картинку, имеющую несколько максимумов, не растянутую ни в какой из областей спектра (нормальный дифракционный спектр).

Нормальный дифракционный спектр равномерный во всех областях и располагается в порядке возрастания длин волн.

Дисперсия это физическое явление, связанное с распространением волн разной длины с разной скоростью в данном веществе. Коэффициент, полученный в результате таких опытов, называют коэффициентом преломления среды.

Дисперсионный спектр сильно сжат в области волн имеющих большую длину, и сильно растянут в области волн имеющих меньшую длину волны. Дисперсионный спектр располагается в порядке убывания длин волн.

Видимая часть спектра называется оптическим диапазоном спектра.

Цвет и спектральные цвета

Что такое цвет? Физика дает следующий ответ на этот вопрос: Цвет, это качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения, и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. [1.1]

Индивидуальное восприятие цвета определяется его спектральным составом, а также цветовым и яркостным контрастом с окружающими источниками света и не светящимися объектами. [1.1]

В непрерывном световом спектре, в котором одни цвета плавно переходят в другие так, что определить точно границы каждого цвета и связь его с определенной длиной волны сложно принято различать следующие цвета в зависимости от длины волны [3.1]:

№ п/п Название цвета
Длина волны (нм)
От До
1 Фиолетовый 380 440
2 Синий 440 480
3 Голубой 480 510
4 Зеленый 510 550
5 Желто-зеленый 550 575
6 Желтый 575 585
7 Оранжевый 585 620
8 Красный 620 780

Диапазон волн от 0 нм до 380 нм, принято считать невидимым и называть ультрафиолетовой областью оптического излучения.

Диапазон волн от 780 нм до 1 мм, принято считать невидимым и называть инфракрасной областью оптического излучения.

Непрерывный оптический спектр

На рисунке 1 приведен главный максимум дифракционного цветового спектра.

Органы зрения живых существ воспринимают свет, отраженный от физических объектов и предметов. Цвет предмета, воспринимаемый органами зрения будет соответствовать длинам волн, отражаемых данными объектами. На пример, листва нам кажется зеленой по тому, что зеленую составляющую спектра лист отражает, а все другие составляющие, наоборот, поглощает. Или другой пример: апельсин оранжевый, по тому, что именно оранжевая составляющая светового спектра отражается апельсином.

Чувствительность органов зрения живых существ не постоянна в зоне видимого светового спектра. Для человека, на пример, на основании данных [3.2] чувствительность органов зрения приведена на Рисунке 2.

Спектральная чувствительность палочкового зрения (рисунок 2, кривая 2 — глаз адаптирован к ночным яркостям) характеризует работу глаза при столь малом количестве света, что его не хватает даже для частичного возбуждения колбочек. Кривая относительной спектральной чувствительности глаза имеет максимум на длине волны в 507 нм.

Для глаза, адаптированного к дневным яркостям V(λ) (рисунок 2, кривая 1), на длинах волн 510 нм и 610 нм характерно двукратное снижение чувствительности. Если же глаз адаптирован к ночным яркостям V’(λ) (рисунок 2, кривая 2), то снижение чувствительности в два раза наблюдается на длинах волн 455 нм. и 550 нм.

Рисунок 2. Относительная спектральная чувствительность глаза человека

Максимумы на кривых 1 и 2 на рисунке 2, равные единице, относительны. Дело в том, что палочковый аппарат ночного зрения человека намного чувствительнее, и для восприятия предельно малого светового сигнала (например, едва видимой точки на темном фоне) палочкам необходима примерно в пятьсот раз меньшая мощность, чем колбочкам. При этом палочки, действующие при периферическом (боковом) зрении, не позволяют определить цвета точки, в то время как колбочки, фиксирующие точку при прямом зрении, дают возможность увидеть и ее цвет [3.3].

Кроме этого, чувствительность человеческого глаза неодинакова к разным цветовым компонентам света. Чувствительность максимальна при 555 нм (желто-зеленый свет) и сводится к минимуму при более длинных (красный свет) и коротких (синий свет) длинах волн. Чувствительность человеческого глаза к воздействию красного излучения (650 нм) составляет всего 10% от максимальной чувствительности. Иными словами, чтобы добиться ощущения той же яркости, что и у желто-зеленого света, интенсивность красного света должна быть в десять раз больше [4.1].

Если соединить видимые красный и синий диапазон спектра, то мы получим цветовой круг Рисунок 3. Цветовой круг это способ представления непрерывности цветовых переходов в видимой части спектра. Сектора круга окрашены в различные цветовые тона, размещенные в порядке расположения спектральных цветов, причем пурпурный цвет связывает крайние красный и фиолетовый цвета.

Рисунок 3. Цветовой круг и триады цветов, дающие при смешивании белый цвет.

Цветовой круг впервые был предложен Исааком Ньютоном в 1704 году. Цветовой круг имеет большое значение для понимания законов смешивания спектральных цветов. Так на пример, вершины треугольника, вписанного в цветовой круг, однозначно указывают на триады цветов, которые при смешивании дадут белый цвет.

Рисунок 4. Цветовое поле видимого спектра.

В общем случае, оттенки цветов получаемые при смешивании простых спектральных цветов представлены на Рисунке 4.

Не спектральные цвета и смешивание цвета

Для восприятия цвета очень важно такое явление, как метамерия, особенности глаза и психики. [1.2]. Метамерия, это свойство зрения, при котором свет различного спектрального состава может вызывать ощущение одинакового цвета. Иначе метамерией можно назвать восприятие двух окрашенных образцов одинаково окрашенными под одним источником освещения, но различно окрашенными под другим источником освещения. Это можно объяснить разными спектральными характеристиками источников освещения и разными наполняющими цветами в красочных покрытиях рассматриваемых образцов.

Физиологически метамерия зрения основана на строении периферического отдела зрительного анализатора биологического объекта. В соответствии с теорией происхождения видов, предки человека получили органы зрения от рыб. Эта гипотеза получила в настоящее время, как множество подтверждений, так и не меньшее число опровержений.

У человека, как и у карпа, роль периферического отдела зрительного анализатора выполняет сетчатка, в которой за восприятие цвета отвечают особые клетки, называемые колбочками.

В общем случае, можно создать такие условия, при которых пучок оранжевого спектрального цвета, пучок оранжевого не спектрального цвета (полученный смешением желтого и красного спектральных цветов) и пучок пурпурного не спектрального цвета (полученный смешением синего и красного спектральных цветов) могут восприниматься зрительным анализатором наблюдателя, как пучки одинакового цвета.

Однако если пропустить эти три пучка через дисперсионную призму, то мы получим:

Для оранжевого спектрального цвета: одну полоску, соответствующую длине волны первичного светового пучка.

Для оранжевого не спектрального цвета (полученного смешением желтого и красного спектральных цветов): две полоски, соответствующие длинам волн составляющих желтого и красного спектральных цветов первичного светового пучка.

Для пурпурного не спектрального цвета (полученного смешением синего и красного спектральных цветов): две полоски, соответствующие длинам волн составляющих синего и красного спектральных цветов первичного светового пучка.

В общем случае, результирующие цвета получаемые при смешивании цветов иллюстрирует Рисунок 5.

Рисунок 5. Результирующие цвета, получаемые при смешивании спектральных цветов

Данное наблюдение представляется мне важным при создании цвета красителя для окрашивания насадки.

Теории восприятия цвета

На сегодняшний день, существуют несколько теорий восприятия цвета. Пожалуй, самой распространенной из них является Трехкомпонентная теория, предложенная тремя авторами: М.В. Ломоносовым, Т. Юнгом и Г. Гельмгольцем. Согласно этой теории, в органе зрения человека существуют три цветоощущающих аппарата: красный, зеленый и синий. Каждый из них возбуждается в большей или меньшей степени, в зависимости от длины волны излучения. Затем возбуждения суммируются аналогично тому, как это происходит при суммируемом смешении цветов. Суммарное возбуждение ощущается человеком как тот или иной цвет. В своей работе «Цветовое зрение» авторы Л.Н. Миронова, И.Д. Григорьевич отмечают: «…Трехкомпонентная теория хорошо объясняет важнейшие закономерности цветового зрения: адаптацию, индукцию, цветовую слепоту, спектральную чувствительность глаза, зависимость цвета от яркости и другие, Однако, следует заметить, что в наше время известны факты, свидетельствующие о более сложной картине функционирования органа зрения…» [2.1].

Другой, очень распространенной и имеющей множество подтверждений, теорией является теория оппонентных цветов Э. Геринга. Геринг выдвинул предположение, что в колбочках сетчатки могут существовать три вида гипотетических веществ: бело-черные, красно-зеленые и желто-синие. Световой поток влечет их разрушение (одни световые лучи) с образованием белого, красного или желтого цветов или синтез (другие световые лучи) чорного, зеленого или синего цвета. Геринг предполагал, что имеются четыре основных цвета красный, желтый, зеленый и синий, и что они попарно связаны с помощью двух антагонистических механизмов зелено-красного механизма и желто-синего механизма. Постулировался также третий оппонентный механизм для ахроматически дополнительных цветов белого и черного. Из-за полярного характера восприятия этих цветов Геринг назвал эти цветовые пары «оппонентными цветами». Из его теории следует, что не может быть таких цветов, как зеленовато-красный и синевато-желтый. Таким образом, теория оппонентных цветов постулирует наличие антагонистических цветоспецифических нейронных механизмов. Например, если такой нейрон возбуждается под действием зеленого светового стимула, то красный стимул должен вызывать его торможение. Предложенные Герингом оппонентные механизмы получили частичное подтверждение после того, как научились регистрировать активность нервных клеток, непосредственно связанных с рецепторами. Так, у некоторых позвоночных, обладающих цветовым зрением, были обнаружены красно-зеленые и желто-синие горизонтальные клетки. У клеток красно-зеленого канала мембранный потенциал покоя изменяется и клетка гиперполяризуется, если на ее рецептивное поле падает свет спектра 400-600 нм, и деполяризуется при подаче стимула с длиной волны больше 600 нм. Клетки желто-синего канала гиперполяризуются при действии света с длиной волны меньше 530 нм и деполяризуются в интервале 530-620 нм.

Множество проводимых исследований подтвердили предположения этих двух теорий, так например колбочки у приматов существуют всего трех типов: воспринимающие цвет в фиолетово-синей, зелено-жёлтой, в желто-красной частях спектра. Каждый вид колбочек интегрирует поступающую лучистую энергию в довольно широком диапазоне длин волн, и диапазоны чувствительности трех видов колбочек перекрываются, различаясь лишь диаграммой величины чувствительности.

Человеческое зрение, таким образом, является трёхстимульным анализатором, то есть спектральные характеристики цвета выражаются всего в трех значениях. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, цвета воспринимаются как одинаковые.

В животном мире известны четырёх- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, так что цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными так, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминисценции компонентов их мочи.

Характеристика органов зрения карпа

Как уже говорилось выше, в соответствии с теорией происхождения видов, предок человека унаследовал органы зрения от низших позвоночных, или от рыб, что вызывает большое сомнение у некоторых, уважаемых в научных кругах, авторов [5]:

«…Если принять как факт, что цветовое зрение мы унаследовали от низших позвоночных (рыб), что доказывается анатомическим, физиологическим, химическим и структурным сходством строения сетчатки, то эволюцию цветового зрения следует изучать не на приматах, а начиная с рыб. Тогда рассуждения об эволюции цветового зрения от протонопии до тритонопии (С.В.Кравков) нельзя признать обоснованной. Ведь уже у карпа имеются все три типа колбочек и даже детекторов оппонентного типа, хотя и находятся эти детекторные клетки еще в самой сетчатке, а не в латеральном коленчатом теле, как у приматов и человека (Пэдхем Ч., Сондерс Ж., 1978). Хотя карп обладает повышенной чувствительностью в красно-оранжевой, а не зелено-желтой области спектра, диапазоны частот реагирования рецепторов карпа и человека почти не различаются по ширине.

Таким образом, эволюция цветового анализатора шла параллельно с развитием анатомических и функциональных отделов центральной нервной системы (промежуточного, среднего мозга, коры), по „вертикали“, а не в сторону дифференциации цветочувствительных клеток периферического отдела анализатора (колбочек сетчатки), по горизонтали. Сохранение (даже небольшое расширение) диапазона чувствительности при усовершенствовании структуры цветового анализатора в ходе наземной эволюции высших позвоночных свидетельствует, что цвет играл существенную роль в их жизнедеятельности. Но только у той биологической линии, которая привела к возникновению человека. О центральном значении цветоразличения для человека свидетельствует хотя бы тот факт, что все 6,5 миллиона колбочек как у карпа, так и у человека, располагаются в фовеа-центральной зрительной ямке, области максимально четкого зрения …».

Далее автор делает вывод [5]: «…Итак, мы видели, что для видов, значительно уступающих человеку в психическом развитии (растения, насекомые, рыбы, пресмыкающиеся, птицы), цвет не отделим от функций размножения, питания и выживания, т.е. от всего биологического цикла …».

Из сказанного становится ясным, что максимум цветового восприятия карпа обыкновенного лежит в красно-оранжевой области светового спектра, что находит свое подтверждение в большом количестве работ других авторов.

Автор считает, что диапазон чувствительности в области видимого спектра карпа обыкновенного и человека почти не различается по ширине, что противоречит данным некоторых других источников.

Автор подчеркивает подобность строения органов зрения карпа и человека не только качественно: «…колбочки как у карпа, так и у человека располагаются в фовеа-центральной зрительной ямке» но и количественно: «все 6,5 миллиона колбочек как у карпа, так и у человека…».

Кроме этого, автор считает функцию распознания цвета, в частности карпом, не отделимой от функций размножения, питания и выживания, то есть от всего биологического цикла. Это пожалуй самый ценный для нас вывод, для нас — рыбаков, осуществляющих ловлю этой умной рыбы, маскируя насадку под привлекающую ее, рыбу, пищу.

Справедливости ради, нужно отметить, что в результате биофизических исследований органов зрения рыб, пресноводных, пресмыкающихся, приматов, человека, были получены другие, очень интересные факты, способные поставить под сомнение приведенные выше заключения.

Так на пример, в своей статье «О зрении животных», опубликованной в электронном журнале «LiveJournal» некий Евгений [6], приводит интересные факты, касающиеся возможностей органов зрения различных животных, птиц, рыб, ссылаясь на результаты научных исследований, опубликованные в научных изданиях. Так на пример, относительно золотых рыбок, относящихся к карповидным, Евгений пишет: «… 14. Золотые рыбки — тетрахроматы и видят длины волн от 300 нм (и даже ниже) до примерно 730 нм — то есть весь человеческий диапазон, плюс хороший кусок ультрафиолета, плюс пограничную с инфракрасным область… ». Ссылаясь на статью известных биологов Shozo Yohoyama, Huan Zhang, Z. Bernhard Radlwimmer, Nathan S. Blow «Adaptive Evolution of Color Vision of the Commoran Coclacanth (Latimeria Chalumnae)» [6.1], опубликованную в 26 марта 1999 года в Ню-Йорке, и перепечатанную журналом «Evolution» в мае 1999 года, Евгений пишет: «…15. Латимерия (целакант) — древняя, долгое время считавшаяся вымершей рыба, обитающая на глубине около 200 м. Света там почти нет, а те его остатки, что все-таки туда просачиваются — исключительно синие. Тем не менее, она тоже обладает цветным зрением, с нашей точки зрения весьма уникальным. Латимерия — дихромат, но все богатство воспринимаемой ею гаммы укладывается, по нашим меркам, в почти неотличимые оттенки синего в узеньком диапазоне длин волн возле 480 нм. Максимумы цветового восприятия её рецепторов отстоят друг от друга всего на 7 нанометров: 478 и 485 нм. …». Относительно карпа обыкновенного, ссылаясь на статью [6.2] «The eyes of the common carp and Nile tilapia are sensitive to near-infrared» японских авторов Taro MATSUMOTO and Gunzo KAWAMURA, Евгений пишет: «…16. Обыкновенный карп может видеть в ближнем инфракрасном диапазоне (865 нм) — там же, где работают пульты управления телевизором и где рассеяние света в воде и воздухе существенно ниже».

Учитывая эти данные, мы можем усомниться в утверждении о равенстве ширины светового спектра воспринимаемого органами зрения карпа и человека.

Интересным представляется мнение А.М. Черноризова, высказанное им в его докторской диссертации на тему «Нейронные механизмы цветового зрения».

Проведя опыты на речном карпе, Carpio Cyprims L.; на 13 карпах in vivo (живых карпах) и более чем 200 карпах in vitro, и проанализировав другие, известные ему работы, автор пришел к заключению [7.1]: «…Исследование и моделирование процессов передачи информации о цвете в нейронных сетях зрительной системы является одной из главных задач психофизиологии цветовосприятия в рамках современной психофизиологии как науки о нейронных механизмах психических процессов и состояний. Адекватной экспериментальной моделью для этого является сетчатка глаза, которая по сложности строения и возможностям интегральной обработки параметров зрительных образов напоминает мозг (Jasper, Raynauld, 1975; Хьюбел, 1990). На уровне нервных элементов сетчатки осуществляется переход от кодирования цвета цо принципам трехкомпонентной теории Ломоносова-Юнга-Гельмгольца (слой фоторецепторов) к кодированию цвета по принципам теории оппонентных цветов Геринга (слой горизонтальных и биполярных клеток). В сетчатке происходит формирование цветооппонентных („красно-зеленых“, RG-типа; „сине-желтых“, YB-типа) и ахроматических (нецветооппонентных „яркостных“, В-типа, и „темновых“, D-типа) нейронных систем, которые, по нашим данным, обладают разной функцией в процессе цветокодирования. …».

Далее автор отмечает [7.1]: «…В поведенческих опытах Wolf (1925) показано, что рыбы из одного с карпом семейства Cyprinidae могут различать до 20 различных цветов в диапазоне от 340 до 760 нм. При этом рыбы отличают пурпурный цвет (смесь синего и красного спектральных излучений) от любого другого цвета. Hamburger (1926) выявил существование дополнительных цветов для рыб {Phoxinus laevisAG, семейство Cyprinidae), а также способность отличать белый цвет от какого-либо спектрального цвета. Таким образом, всю гамму цветов для рыб, как и для человека, можно представить в виде замкнутой круговой диаграммы (круга Ньютона) (Herter, 1953). Herter (1953) констатировал явления одновременного и последовательного яркостного и цветового контрастов для цветового зрения рыб. Horio (1938) в опытах на карпах показал, что при различении зрительных стимулов рыбы чаще ориентируются на цвет, чем на форму. Способность рыб, в частности, карпа, правильно оценивать цвет предметов независимо от условий освещения (константность восприятия цвета) продемонстрирована в поведенческих и Электрофизиологических исследованиях (Oyama, Jitsumori, 1974; Диментман и др., 1975; Максимова и др., 1975; Crawford et.al., 1990). Наконец, цветовое зрение рыб, как и у человека, трихроматично. На это указывают данные микроспектрофотометрических, нейрофизиологических и поведенческих экспериментов (для обзора см.: Измайлов и др., 1989).

Имеются данные о наличии в сетчатке костистых рыб фоторецепторов с пиком чувствительности в ультрафиолетовой области спектра (Neumeyer, Arnold, 1989). Не ясна роль этих рецепторов в цветовом зрении рыб ввиду того, что оптическая система камерного глаза этих животных не пропускает ультрафиолетовые лучи. Однако, имеются данные о влиянии активности рецепторов этого типа в различение цветов в синей области спектра (400-480 нм) (Neumeyer, Arnold, 1989).

У рыб и амфибий хорошо развита система ретино-тектальных зрительных проекций, что обусловливает сложный характер обработки цветового сигнала уже на уровне нейрональных структур сетчатки. В этой ситуации сетчатка этих животных может служить моделью для изучения принципов цветокодирования, реализуемых у приматов центральными отделами зрительного анализатора. …»

Подводя итог проведенным исследованиям, автор замечает [7.1]: «…Достоверность результатов достигалась большим объемом выборки и использованием современных статистических методов многомерного анализа (метрическое многомерное шкалирование). Представленные в работе данные получены в более чем 500 опытах на 26 моллюсках, 40 лягушках, 13 карпах in vivo и более чем 200 карпах in vitro. На изолированной сетчатке карпа внутриклеточно исследованы спектральные реакции 538 горизонтальных клеток и 45 биполярных клеток. …».

Анализируя приведенные выше исследования, с высокой степенью достоверности, можем предположить следующее:

Сетчатки глаза карпа и человека очень похожи по функционированию и строению, и «…по сложности строения и возможностям интегральной обработки параметров зрительных образов напоминают мозг…».

Имеются данные о наличии у рыб рецепторов, помогающих им различать цвета в области синего цвета, а также в значительном диапазоне инфракрасной зоны спектра.

Особое внимание нужно обратить на то, что максимальная активность нейронов мозга карпа зарегистрирована при раздражении его фоторецепторов пурпурным цветом, который является не спектральным цветом, а результатом суммирующего действия двух спектральных цветов: синего и красного.

Выводы

1. Сетчатки глаза карпа и человека очень похожи по функционированию и строению, а по сложности строения и возможностям интегральной обработки параметров зрительных образов напоминают мозг.

2. Диапазон чувствительности в области видимого спектра органов зрения карпа и человека значительно различается по ширине, что дает карпу возможность видеть объекты в синей части спектра и в невидимой области инфракрасного цвета, предположительно до длин волн около 865 нм. Это, в свою очередь, объясняет то, как карп может найти пищу в условиях практически полной темноты, например, ночью.

3. Максимум цветового восприятия карпа лежит в красно-оранжевой области светового спектра.

4. Максимальная активность нейронов мозга карпа зарегистрирована при раздражении его фоторецепторов пурпурным цветом, который является не спектральным цветом, а результатом суммирующего действия двух спектральных цветов: синего и красного.

5. Карп способен отличать белый спектральный цвет от какого-либо другого цвета.

6. Во время распознавания объекта, карп более склонен ориентироваться на цвет объекта, чем на его форму.

7. Функцию распознания цвета у карпа не отделима от функций размножения, питания и выживания, то есть от всего биологического цикла.

Заключение

Сделанные мною и приведенные выше, выводы, не претендуют на научную ценность и вполне могут быть ошибочными. Но в своих экспериментах с окрашиванием насадок я придерживаюсь следующих, изложенных мною ниже правил.

Мои насадки имеют преимущественно оранжевый спектральный цвет, оранжевый не спектральный цвет, пурпурный не спектральный цвет и белый не спектральный цвет. Они обязательно яркие и отчетливо выделяются на фоне окружающих предметов.

Насадки дают обильное, легко различимое облако мути имеющее тот же цвет, что и насадка.

В свои насадки я пытаюсь включать энзимы, способные поднять температуру поверхности насадки, по сравнению с температурой окружающей среды, хотя бы на один градус. Это позволяет выделить насадку на фоне окружающих ее объектов (заставляет насадку светиться изнутри) и делает ее более привлекательной и легко распознаваемой рецепторами инфракрасного зрения зрительного аппарата рыбы.

Литература:

1. Википедия. Свободная энциклопедия.

1.1. Цвет: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82

1.2. Метамерия: http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0 %D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%B8%D1%8F_(%D1%86%D0%B2%D0%B5%D1%82)

2. Л.Н. Миронова, И.Д. Григорьевич, «Цветовое зрение», 2004 — 2008 годы.

2.1. Трех компонентная теория восприятия цвета. http://www.mironovacolor.org/theory/color_vision/

3. А. Прядко «Система световых величин» http://rus.625-net.ru/625/2004/03/light.htm

3.1. Цвет и длина волны.

3.2. Чувствительность органов зрения человека.

3.3. Максимумы ночного и дневного зрения.

4. «Освещение теплиц. Освещение и люди.» http://www.lighting.philips.com/ru_ru/trends/light/lightandhumans.php?main=ru_ru&parent=ru_r…

5. П.В. Яньшин, «Семантика цветового образа. К вопросу о „биологической целесообразности“ цветового зрения», Провинциальная ментальность России в прошлом, настоящем и будущем. Материалы III международной конференции по исторической психологии российского сознания. Ежегодник Российского психологического общества. Т. 3, вып. 2. Самара, СамГПУ, 1999. С. 200-217.

5.1. Взято по адресу: http://colormind.narod.ru/_private/YanshinOnColorSemantics.htm

6. Евгений, «О зрении животных», «LiveJournal» http://eugenebo.livejournal.com/45235.html

6.1. http://www.life.illinois.edu/ib/426/handouts/Yokoyama%20celacanth%20PNAS99.pdf

6.2. http://www3.interscience.wiley.com/journal/118658551/abstract?CRETRY=1&SRETRY=0 7. Черноризов Александр Михайлович. Нейронные механизмы цветового зрения : Дис. … д-ра психол. наук : 19.00.02 : Москва, 1999 227 c. РГБ ОД, 71:99-19/41-8

7.1. http://www.lib.ua-ru.net/diss/cont/124401.html

Автор: Саваченко Григорий

Статья с сайта http://www.sportfishing.ua

Оптика и волны

Дисперсия света — это зависимость показателя преломления n вещества от длины волны света (в вакууме)

 

(6.12)

 

 

 

или, что то же самое, зависимость фазовой скорости световых волн от частоты:

 

(6.13)

 

Дисперсией вещества называется производная от n по  

 

(6.14)

 

 

 

Дисперсия — зависимость показателя преломления вещества от частоты волны – особенно ярко и красиво проявляет себя совместно с эффектом двойного лучепреломления (см. Видео 6.6 в предыдущем параграфе), наблюдаемом при прохождении света через анизотропные вещества. Дело в том, что показатели преломления обыкновенной и необыкновенной волн различно зависят от частоты волны. В результате цвет (частота) света прошедшего через анизотропное вещество помещенное между двумя поляризаторами зависит как от толщины слоя этого вещества, так и от угла между плоскостями пропускания поляризаторов.

Видео 6.8 Дисперсия и анизотропия: пластинки слюды между поляризаторами.

Видео 6.9 Дисперсия и анизотропия: полимерная пленка между поляризаторами.

Видео 6.10 Дисперсия и анизотропия: болванка CD-диска.

Видео 6.11 Дисперсия и анизотропия: нагруженная «балка».

Видео 6.12 Дисперсия и анизотропия: мятая целлофановая обертка.

Видео 6.13 Дисперсия и анизотропия: слюдяная бабочка и…

Для всех прозрачных бесцветных веществ в видимой части спектра с уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается, то есть дисперсия вещества отрицательна: . (рис. 6.7, области 1-2, 3-4)

Нормальная дисперсия вещества — это отрицательная дисперсия

Если вещество поглощает свет в каком-то диапазоне длин волн (частот), то в области поглощения дисперсия

оказывается положительной и называется аномальной (рис. 6.7, область 2–3).

Рис. 6.7. Зависимость квадрата показателя преломления (сплошная кривая) и коэффициента поглощения света веществом
(штриховая кривая) от длины волны
l вблизи одной из полос поглощения ()

Изучением нормальной дисперсии занимался ещё Ньютон. Разложение белого света в спектр при прохождении сквозь призму является следствием дисперсии света. При прохождении пучка белого света через стеклянную призму на экране возникает разноцветный спектр (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Прохождение белого света через призму: вследствие различия значений показателя преломления стекла для разных
длин волн пучок разлагается на монохроматические составляющие — на экране возникает спектр

Наибольшую длину волны и наименьший показатель преломления имеет красный свет, поэтому красные лучи отклоняются призмой меньше других. Рядом с ними будут лучи оранжевого, потом желтого, зеленого, голубого, синего и, наконец, фиолетового света. Произошло разложение падающего на призму сложного белого света на монохроматические составляющие (спектр).

Ярким примером дисперсии является радуга. Радуга наблюдается, если солнце находится за спиной наблюдателя. Красные и фиолетовые лучи преломляются сферическими капельками воды и отражаются от их внутренней поверхности. Красные лучи преломляются меньше и попадают в глаз наблюдателя от капелек, находящихся на большей высоте. Поэтому верхняя полоса радуги всегда оказывается красной (рис. 26.8).

Рис. 6.9. Возникновение радуги

Используя законы отражения и преломления света, можно рассчитать ход световых лучей при полном отражении и дисперсии в дождевых каплях. Оказывается, что лучи рассеиваются с наибольшей интенсивностью в направлении, образующем угол около 42° с направлением солнечных лучей (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Расположение радуги

Геометрическое место таких точек представляет собой окружность с центром в точке 0. Часть ее скрыта от наблюдателя Р под горизонтом, дуга над горизонтом и есть видимая радуга. Возможно также двойное отражение лучей в дождевых каплях, приводящее к радуге второго порядка, яркость которой, естественно, меньше яркости основной радуги. Для нее теория дает угол 51°, то есть радуга второго порядка лежит вне основной. В ней порядок цветов заменен на обратный: внешняя дуга окрашена в фиолетовый цвет, а нижняя — в красный. Радуги третьего и высших порядков наблюдаются редко.

Элементарная теория дисперсии. Зависимость показателя преломления вещества от длины электромагнитной волны (частоты) объясняется на основе теории вынужденных колебаний. Строго говоря, движение электронов в атоме (молекуле) подчиняется законам квантовой механики. Однако для качественного понимания оптических явлений можно ограничиться представлением об электронах, связанных в атоме (молекуле) упругой силой. При отклонении от равновесного положения такие электроны начинают колебаться, постепенно теряя энергию на излучение электромагнитных волн или передавая свою энергию узлам решетки и нагревая вещество. В результате этого колебания будут затухающими.

При прохождении через вещество электромагнитная волна воздействует на каждый электрон с силой Лоренца:

 

(6.15)

где v — скорость колеблющегося электрона. В электромагнитной волне отношение напряженностей магнитного и электрического полей равно

 

(6.16)

Поэтому нетрудно оценить отношение электрической и магнитной сил, действующих на электрон:

 

(6.17)

Электроны в веществе движутся со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме:

Таким образом, можно считать, что при прохождении через вещество электромагнитной волны на каждый электрон действует только электрическая сила:

 

(6.18)

где  — амплитуда напряженности электрического поля в световой волне,  — фаза волны, определяемая положением рассматриваемого электрона. Для упрощения вычислений пренебрежем затуханием и запишем уравнение движения электрона в виде

 

(6.19)

где,  — собственная частота колебаний электрона в атоме. Решение такого дифференциального неоднородного уравнения мы уже рассматривали ранее и получили

 

(6.20)

Следовательно, смещение электрона из положения равновесия пропорционально напряженности электрического поля. Смещениями ядер из положения равновесия можно пренебречь, так как массы ядер весьма велики по сравнению с массой электрона.

Атом со смещенным электроном приобретает дипольный момент

(для простоты положим пока, что в атоме имеется только один «оптический» электрон, смещение которого вносит определяющий вклад в поляризацию). Если в единице объема содержится N атомов, то поляризованность среды (дипольный момент единицы объема) можно записать в виде

 

(6.21)

В реальных средах возможны разные типы колебаний зарядов (групп электронов или ионов), вносящих вклад в поляризацию. Эти типы колебаний могут иметь разные величины заряда еiи массы тi, а также различные собственные частоты  (мы будем обозначать их индексом k), при этом число атомов в единице объема с данным типом колебаний Nkпропорционально концентрации атомов N:

Безразмерный коэффициент пропорциональности fkхарактеризует эффективный вклад каждого типа колебаний в общую величину поляризации среды:

 

(6.22)

С другой стороны, как известно,

 

(6.23)

где  — диэлектрическая восприимчивость вещества, которая связана с диэлектрической проницаемостью e соотношением

В результате получаем выражение для квадрата показателя преломления вещества:

 

(6.24)

Вблизи каждой из собственных частот  функция , определяемая формулой (6.24), терпит разрыв. Такое поведение показателя преломления обусловлено тем, что мы пренебрегли затуханием. Аналогично, как мы видели ранее, пренебрежение затуханием приводит к бесконечному росту амплитуды вынужденных колебаний при резонансе. Учет затухания избавляет нас от бесконечностей, и функция  имеет вид, изображенный на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Зависимость диэлектрической проницаемости среды  от частоты электромагнитной волны

Учитывая связь частоты с длиной электромагнитной волны в вакууме  

или

можно получить зависимость показателя преломления вещества п от длины волны в области нормальной дисперсии (участки 1–2 и 3–4 на рис. 6.7):

 

(6.25)

где

— длины волн, соответствующие собственным частотам колебаний ,  — постоянные коэффициенты.

В области аномальной дисперсии () частота внешнего электро­маг­нитного поля близка к одной из собственных частот колебаний молекулярных диполей, то есть возникает резонанс. Именно в этих областях (например, участок 2–3 на рис. 6.7) наблюдается существенное поглощение электромагнитных волн; коэффициент поглощения света веществом показан штриховой линией на рис. 6.7.

Понятие о групповой скорости. С явлением дисперсии тесно связано понятие о групповой скорости. При распространении в среде с дисперсией реальных электромагнитных импульсов, например известных нам цугов волн, испускаемых отдельными атомными излучателями, происходит их «расплывание» — расширение протяженности в пространстве и длительности во времени. Это связано с тем, что такие импульсы представляют собой не монохроматическую синусоидальную волну, а так называемый волновой пакет, или группу волн — совокупность гармонических составляющих с разными частотами  и с разными амплитудами, каждая из которых распространяется в среде со своей фазовой скоростью (6.13).

Если бы волновой пакет распространялся в вакууме, то его форма и пространственно-временная протяженность оставались бы неизменными, а скоростью распространения такого цуга волн была бы фазовая скорость света в вакууме

Из-за наличия дисперсии зависимость частоты электромагнитной волны от волнового числа k становится нелинейной, и скорость распространения цуга волн в среде, то есть скорость переноса энергии, определяется производной

где  — волновое число для «центральной» волны в цуге (обладающей наибольшей амплитудой).

Мы не будем выводить эту формулу в общем виде, но на частном примере поясним ее физический смысл. В качестве модели волнового пакета примем сигнал, состоящий из двух плоских волн, распространяющихся в одном направлении с одинаковыми амплитудами  и начальными фазами , но различающихся частотами, сдвинутыми относительно «центральной» частоты  на небольшую величину . Соответствующие волновые числа сдвинуты относительно «центрального» волнового числа  на небольшую величину . Эти волны описываются выражениями:

 

(6.26)

Для результирующей волны

после применения тригонометрической формулы для суммы двух косинусов получим выражение:

 

(6.27)

Мы убеждаемся, что результирующую волну можно представить как плоскую волну с «центральными» частотой  и волновым числом , амплитуда которой A(t) есть медленно меняющаяся (в силу малости сдвигов  и ) функция времени и координаты. Похожий результат ранее был получен при изучении биений. Видно, что сама эта переменная амплитуда есть плоская волна, распространяющаяся со скоростью

В пределе бесконечно малых сдвигов частоты приходим к обсуждаемой формуле

 

(6.28)

Эта скорость называется групповой скоростью. Поскольку, как мы уже знаем, энергия колебаний определяется их амплитудой, «перемещение» последней и означает, что групповая скорость является скоростью переноса энергии волновым пакетом.

Фазовая же скорость волны есть отношение частоты к волновому числу:

 

(6.29)

Дифференцируя это соотношение по k, находим связь фазовой и групповой скоростей:

 

(6.30)

Учитывая связь волнового числа с длиной волны

формулу (6.30) можно переписать в виде

 

(6.31)

Очевидно, что в отсутствие дисперсии

и групповая скорость не отличается от фазовой.

Групповая скорость как скорость распространения энергии в среде не может быть больше скорости света в вакууме, то есть всегда , в то время как фазовая скорость света в среде не является предельной и может оказаться меньше скорости движения частиц в среде, например электронов. В этом случае, как мы уже знаем, возникает излучение Черенкова — Вавилова.

Расплывание волновых пакетов при их распространении в среде с дисперсией можно понять, если представить себе компактную группу из достаточно большого числа марафонцев, одновременно берущих старт, которая при приближении к финишу из-за разной скорости участников превратится в расплывшуюся в пространстве совокупность спортсменов, время прихода на финиш которых будет характеризовать временное расплывание этого аналога цуга волн. Таким образом, при перемещении в среде волнового пакета в целом с групповой скоростью происходит перемещение отдельных его волновых составляющих внутри пакета — ведь разные «участники» процесса движутся с разной «фазовой» скоростью.

Квантовые свойства излучения и частиц

 

Задачи

2.1. Пластинка серебра облучается светом с приведенной длиной волны  = 160 Å. Работа выхода для серебра Авых = 4.7 эВ. Определить кинетическую энергию вылетающего электрона.

2.2. Фотон с длиной волны λ = 0.024 Å рассеивается на покоящемся электроне под углом θ =  60о. Рассчитать длину волны рассеянного фотона.

 

2.3. Рассчитать приведенные длины волн протона и электрона с кинетической энергией T = 100 МэВ.

 

2.4. Приведенная длина волны фотона = 3·10-11 см. Вычислить импульс фотона p.

2.5. Определите ширину возбужденного состояния ядра, если время жизни τ ядра в данном состоянии составляет 6.7·10-10 с.

 

2.6. Доказать невозможность осуществления в вакууме:
а) перехода фотона в электрон-позитронную пару;
б) излучения фотона свободным электроном.

 

2.7. Получите зависимость длины волны рассеянного γ-кванта от угла рассеяния при рассеянии фотона на неподвижном электроне (эффект Комптона).

 

2.8. При столкновении релятивистских электронов Ee >> mec2 с лазерными фотонами Eγ ~1 эВ определить энергию фотонов, рассеянных назад (обратный Комптон-эффект).

2.9. Реликтовое фоновое излучение описывается распределением Планка с температурой 2.7 К. Какая длина волны соответствует максимуму спектра фонового излучения?

2.10. Работа выхода для цезия Cs равна 1.8 эВ. Определить пороговую длину волны и пороговую частоту фотоэффекта. Определить величину запирающего потенциала, если длина волны падающего света равна а) 3000 Å, б) 4000 Å.
Ответ: λ = 6877 Å, ν = 4.3·1014 Гц,  1) U = 2.3 В, 2) U = 1.3 В

2.11. Работа выхода для молибдена Mo равна 4.22 эВ.

  • Какова пороговая частота фотоэффекта для Mo?
  • Сможет ли жёлтый цвет с длиной волны λ = 5000 Å привести к выбиванию фотоэлектронов из молибдена?

Ответ:  ν = 1.02·1015 Гц

2.12. Максимальная длина волны, при которой происходит эмиссия фотоэлектронов из цезия Cs равна 6530 Å.

  • Чему равна работа выхода для цезия?
  • Какую энергию будут иметь выбиваемые электроны при облучении цезия светом с длиной волны 3000 Å?

Ответ: Aвых = 1.9 эВ, Te = 2.2 эВ

2.13. Определите импульс фотона в эВ/с, если его длина волны равна а) 4000 Å, б) 1 Å, в) 3 см.
Ответ: 1) pc = 3.1 эВ; 2)  pc = 12.4 кэВ; 3)  pc = 4.1·10–5 эВ.

2.14. Длина волны фотонов, испытавших комптоновское рассеяние, измеряется под углом θ = 90o. Какова длина волны падающих фотонов, если Δλ/λ = 1%?
Ответ: λ = 2.4 Å

2.15. Длина волны фотона λ = 0.71 Å.

  • Какова энергия фотонов?
  • Какова длина волны фотонов, рассеянных на 180°?
  • Какова энергия электронов отдачи, если θ − 180°?

2.16. Показать, что максимальная кинетическая энергия Ek электрона отдачи в случае эффекта Комптона определяется соотношением

2.17. Какой должна быть кинетическая энергия электронов, чтобы с их помощью исследовать структуру атома, атомного ядра, нуклона?

2.18. Вычислите длину волны де Бройля электрона с кинетической энергией 1) 10 эВ, 2) 20 кэВ,
3) 1 МэВ, 4) 1 ГэВ.
Ответ: 1) 4 Å; 2) 12·10Фм; 3) 875 Фм; 4) 1.2 Фм

2.19. Возбужденное состояние атома распадается с испусканием фотона за время τ ≈ 10-8 с после возбуждения. Какова неопределенность энергии и частоты испускаемого фотона?
Ответ:  ∆E = 6.6·10–8 эВ, ∆ν = 16 МГц

2.20. Определите длины волн де Бройля нейтрона с кинетической энергией 1) 0.01 эВ, 2) 1 эВ и
3) 10 МэВ.
Ответ: 1) 2.8 Å; 2) 0.28 Å; 3) 9 Фм

2.21. Длина волны де Бройля электрона в электронном микроскопе составляет 0.04 нм. Определите величины ускоряющего напряжения микроскопа. (1 нм = 10 Å = 10-9 м).
Ответ: U = 0.94 кВ

2.22. Вычислите длины волн де Бройля электрона, протона и α-частицы, кинетическая энергия которых составляет а) 100 кэВ, б) 1 ГэВ.
Ответ: 1) λe = 3695 Фм, λp = 90 Фм, λα = 45 Фм; 2) λe = 1.2 Фм, λp = 0.7 Фм, λα = 0.4 Фм

2.23. Вычислите комптоновские длины волн электрона протона и α-частицы.

2.24. Энергия возбужденного состояния ядра  Eвозб = 10 МэВ определена с точностью 10-2 эВ. Каково время жизни этого состояния?
Ответ: t = 6.6·10–14 с

2.25. Электрон и позитрон, движущиеся навстречу друг другу со скоростями равными 5·107 см/сек, аннигилируют с образованием двух фотонов. Какова была длина волны электрона и позитрона до столкновения? Рассчитайте энергию, импульс и длину волны образовавшихся фотонов.
Ответ: λe = 1.4 нм; Eγ = pγc ≈ mec2; λγ = 2.4·103 Фм

2.26. Определить энергию фотонов, рассеянных назад, при столкновении релятивистских электронов с лазерными фотонами Eγ = 1.2 эВ.
1) Энергия электронов Ee = 5 ГэВ, энергия фотонов (эксперимент на ускорителе ВЭПП-4М, Новосибирск).
2) Энергия электронов Ee = 46 ГэВ (SLAC, Стэнфорд).
3) Проектная энергия электронов Ee = 100 ГэВ (проект FCC).
4) Проектная энергия электронов Ee = 500 ГэВ (проект ILC).
Ответ: 1) Eγ = 0.42 ГэВ, 2) Eγ = 21 ГэВ, 3) Eγ = 73 ГэВ, 4) Eγ = 450 ГэВ

2.27. В экспериментах Комптона происходило рассеяние фотонов на свободных электронах. Чем будет отличаться рассеяние фотонов на электронах, связанных в атоме?

2.28. Как можно наблюдать рассеяние фотонов на протонах. В чем отличие от рассеяния фотонов на свободных электронах?

2.29. Можно ли наблюдать рассеяние фотонов на нейтроне? В чем отличие от рассеяния фотонов на протоне?

2.30. Рассчитайте изменение длины волны фотона с энергией 200 кэВ при рассеянии на нейтроне под углом 90°.
Ответ: ∆λ = 1.32 Фм

2.31. Фотон с энергией 3 МэВ в поле атомного ядра 208Pb рождает электрон-позитронную пару. Рассчитайте энергию электронов.

2.32. Объясните, почему в зависимости интенсивности комптоновского рассеяния от длины волны наблюдается два максимума, один из которых соответствует фотонам с исходной длиной волны.

2.33. Рассчитайте, используя соотношение неопределенности, минимальную энергию

  • электрона в одномерном ящике размером 1 Å,
  • протона в одномерном ящике размером 1 Фм,
  • частицы массой 10–6 г в одномерном ящике размером 10–5 см.

2.34. Рассчитайте кинетическую энергию электрона, если отношение длины волны де Бройля к комптоновской длине волны составляет а) 103, б) 10–2.
Ответ: а) Te = 0.25 эВ; б) Te = 51.1 МэВ

2.35. Определите длину волны протона, ускоренного на LHC до Ep = 7 ТэВ.
Ответ: λp = 2·10–4 Фм

2.36. Рассчитайте длину волны молекулы азота при комнатной температуре.

2.37. Каков должен быть размер рассеивающей частицы, чтобы на ней можно было наблюдать дифракцию нейтронов с энергией 10 МэВ.
Ответ: d ~10 Фм

2.38. В ядре 89Y возбужденное состояние с энергией 0.93 МэВ и периодом полураспада T1/2 = 16 c переходит в основное состояние. Рассчитайте неопределенность энергии испущенного при этом фотона.
Ответ: ∆E = 2.8·10–19 эВ

2.39. В ядре происходит гамма-переход между двумя возбужденными состояниями энергии 1.34 МэВ и 0.55 МэВ. Период полураспада этих состояний 4·10–12 с и 10–12 с соответственно. Рассчитайте энергию испускаемого γ-кванта и ее неопределенность.
Ответ: Eγ = 0.79 МэВ, ∆E = 1.1·10–4 эВ

26.10.2016

Формула длины волны в физике

Содержание:

Определение и формула длины волны

Определение

Длиной волны называют кратчайшее пространственное расстояние между ее точками, совершающими колебания в одной фазе. Обозначают длину волны, чаще всего буквой $\lambda$ .

Для синусоидальных волн $\lambda$ – это расстояние, на которое волна распространяется за один период (T). Длину волны в этом случае еще называют пространственным периодом. Тогда формулой длины волны можно считать выражение:

$$\lambda=v T=\frac{v}{\nu}=\frac{2 \pi}{k}$$

где v – скорость распространения волны, $\nu=\frac{1}{T}$ – частота колебаний, $k=\frac{\omega}{v}$ – волновое число, $T=\frac{2 \pi}{\omega}$ – период волны, $\omega$ – циклическая частота волны.

Длина стоячей волны

Длиной стоячей волны($\lambda_{st}$) называют расстояние в пространстве между двумя пучностями (или узлами):

$$\lambda_{s t}=\frac{\pi}{k}=\frac{\lambda}{2}(2)$$

где $\lambda$ – длина бегущей волны. Надо заметить, что расстояние между соседними пучностью и узлом связывает равенство:

$$\frac{\lambda_{s t}}{2}=\frac{\lambda}{4}(3)$$

Длина бегущей волны

В бегущей волне длина волны связана с фазовой скоростью (vph) формулой:

$$\lambda=\frac{v_{p h}}{\nu}(4)$$

Длина бегущей волны

Разность фаз и длина волны

Две точки волны находящиеся на расстоянии $\Delta x$ имеют при колебании разность фаз ($\Delta \varphi$), которая равна:

$$\Delta \varphi=\frac{2 \pi \Delta x}{\lambda}(5)$$

Длина электромагнитной волны

Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света в вакууме ($c \approx 3 \cdot 10^{8}$ м/с), следовательно, длина электромагнитной волны в вакууме, может быть рассчитана при помощи формулы:

$$\lambda=c T=\frac{c}{\nu}(6)$$

Длина электромагнитной волны в веществе равна:

$$\lambda=\frac{c}{n \nu}(7)$$

где $n=\sqrt{\varepsilon \mu}$ – показатель преломления вещества, $\varepsilon$ – диэлектрическая проницаемость вещества, $\mu$ – магнитная проницаемость вещества.

Отметим, что все рассматриваемые формулы относят к случаю T=const.

Единицы измерения длины волны

Основной единицей измерения длины волны в системе СИ является: [$\lambda$]=м

В СГС: [$\lambda$]=см

Примеры решения задач

Пример

Задание. Каково приращение длины электромагнитной волны, имеющей частоту v=1 МГц при ее переходе в немагнитную среду, которая имеет диэлектрическую проницаемость $\varepsilon$=2?

Решение. Так как речь в условии задачи идет о немагнитной среде, в которую переходит волна, то считаем магнитную проницаемость вещества равной единице ($\mu$=1).

Длина рассматриваемой нами волны в вакууме равна:

$$\lambda_{1}=\frac{c}{\nu}(1.1)$$

Длина волны в веществе:

$$\lambda_{2}=\frac{c}{n \nu}=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon \mu} \cdot \nu}(1.2)$$

Используя выражения (1.1) и (1.2) найдем изменение длины волны:

$$\Delta \lambda=\lambda_{2}-\lambda_{1}=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon \mu} \cdot \nu}-\frac{c}{\nu}=\frac{c}{\nu}\left(\frac{1}{\sqrt{\varepsilon \mu}}-1\right)$$

Проведем вычисления, если нам известно помимо данных приведенных в условии задачи, что $c \approx 3 \cdot 10^{8}$ м/с- скорость света в вакууме, и v=1 МГц=106 Гц:

$$\Delta \lambda=\frac{3 \cdot 10^{8}}{10^{6}}\left(\frac{1}{\sqrt{4 \cdot 1}}-1\right)=-1,5 \cdot 10^{2}(\mathrm{~m})$$

Ответ. Длина волны уменьшится на 150 м

Слишком сложно?

Формула длины волны не по зубам? Тебе ответит эксперт через 10 минут!

Пример

Задание. Какова длина плоской синусоидальной волны, которая распространяется по оси X. Две точки, которые находятся на оси X расположенные на расстояниях 2 м и 3 м от источника совершают колебания с разностью фаз равной $\Delta \varphi=\frac{3 \pi}{5}$ . Каким будет период колебаний в волне, если ее скорость в данной среде равна v=2м/с?

Решение. Сделаем рисунок.

Основой для решения задачи будет формула:

$$\Delta \varphi=\frac{2 \pi \Delta x}{\lambda}=\frac{2 \pi\left(x_{2}-x_{1}\right)}{\lambda}(2.1)$$

Выразим из (2.1) искомую длину волны, получим:

$$\lambda=\frac{2 \pi\left(x_{2}-x_{1}\right)}{\Delta \varphi}(2.2)$$

Период колебаний связан с длиной волны формулой:

$$T=\frac{\lambda}{v}(2.3)$$

C учетом (2.2), имеем:

$$T=\frac{2 \pi\left(x_{2}-x_{1}\right)}{\Delta \varphi v}$$

Проведем вычисления:

$$ \begin{array}{c} \lambda=\frac{2 \pi(3-2)}{3 \pi} \cdot 5=\frac{10}{3}(m) \\ T=\frac{10}{3 \cdot 2}=1,67(c) \end{array} $$

Ответ. $\lambda \approx 3,3 \mathrm{~m} ; T \approx 1,67 \mathrm{c}$

Читать дальше: Формула количества теплоты.

Расчеты длины волны и частоты | Химия для неосновных

Цели обучения

  • Определите длину волны.
  • Определите частоту.
  • Опишите характеристики волны.
  • Выполните вычисления с учетом длины волны и частоты.

Вам нравится ходить на пляж?

Летом почти все любят ходить на пляж. Они умеют плавать, устраивать пикники и загорать.Но если вы попадете слишком много солнца, вы можете обжечься. Определенный набор длин солнечных волн особенно вреден для кожи. Эта часть спектра парения известна как УФ B с длинами волн 280–320 нм. Солнцезащитные кремы эффективны в защите кожи как от непосредственного повреждения, так и от долгосрочной возможности рака кожи.

Волны

Волны характеризуются повторяющимся движением. Представьте игрушечную лодку, плывущую по волнам в бассейне с волнами. Когда водная волна проходит под лодкой, она движется вверх и вниз регулярно и многократно.В то время как волна движется горизонтально, лодка движется только вертикально вверх и вниз. Рисунок ниже показывает два примера волн.

Рис. 1. (A) Волна состоит из чередующихся гребней и впадин. Длина волны (λ) определяется как расстояние между любыми двумя последовательными идентичными точками на форме волны. Амплитуда — это высота волны. (B) Волна с короткой длиной волны (вверху) имеет высокую частоту, потому что большее количество волн проходит через данную точку за определенный промежуток времени.Волна с большей длиной волны (внизу) имеет более низкую частоту.

Волновой цикл состоит из одной полной волны — начиная с нулевой точки, поднимаясь до гребня волны , возвращаясь вниз к волне до впадины и снова возвращаясь к нулевой точке. Длина волны волны — это расстояние между любыми двумя соответствующими точками на соседних волнах. Проще всего представить длину волны как расстояние от одного гребня волны до другого. В уравнении длина волны представлена ​​греческой буквой лямбда ( λ ).В зависимости от типа волны длина волны может измеряться в метрах, сантиметрах или нанометрах (1 м = 10 9 нм). Частота , представленная греческой буквой ню ( ν ), представляет собой количество волн, которые проходят определенную точку за определенный промежуток времени. Обычно частота измеряется в единицах циклов в секунду или волнах в секунду. Одна волна в секунду также называется герц (Гц), а в единицах СИ — обратная секунда (s -1 ).

На рисунке B выше показана важная взаимосвязь между длиной волны и частотой волны.У верхней волны явно более короткая длина волны, чем у второй волны. Однако, если вы вообразите себя в неподвижной точке, наблюдая, как проходят эти волны, за заданный промежуток времени пройдет больше волн первого типа. Таким образом, частота первых волн больше, чем частота вторых волн. Следовательно, длина волны и частота обратно пропорциональны. По мере увеличения длины волны ее частота уменьшается. Уравнение, которое связывает эти два понятия:

c = λν

Переменная c — это скорость света.Чтобы соотношение было математическим, если скорость света используется в м / с, длина волны должна быть в метрах, а частота — в герцах.

Пример задачи: длина волны и частота

Оранжевый цвет в спектре видимого света имеет длину волны около 620 нм. Какая частота оранжевого света?

Шаг 1: Составьте список известных количеств и спланируйте проблему.

Известно

  • длина волны ( λ ) = 620 нм
  • скорость света ( c ) = 3.{14} \ text {Hz} [/ latex]

    Шаг 3. Подумайте о своем результате.

    Значение частоты попадает в диапазон видимого света.

    Сводка

    • Все волны можно определить по их частоте и интенсивности.
    • c = λν выражает взаимосвязь между длиной волны и частотой.

    Практика

    Прочтите материал по ссылке ниже и ответьте на вопросы по мере их возникновения:

    http: // www.Absorblearning.com/physics/demo/units/DJFPh064.html

    Обзор

    1. Определите длину волны.
    2. Определите частоту.
    3. Какая связь между длиной волны и частотой?

    Глоссарий

    • амплитуда: Высота волны, расстояние между гребнем и впадиной
    • гребень: Вершина волны
    • частота: Количество волн, которые проходят определенную точку за указанный промежуток времени.
    • впадина: Низшая точка волнового цикла.
    • длина волны: Расстояние между двумя последовательными пиками.

    Свойства света — Принципы структурной химии

    Частота и длина волны могут быть связаны через скорость света. Свет движется со скоростью 3.00 x 10 8 метров в секунду. Скорость света, частоту и длину волны можно выразить уравнением. λν = c f решается относительно c, скорости света.v представляет частоту, а λ представляет длину волны. Как упоминалось ранее, это обратная зависимость, потому что по мере увеличения одного из значений другое значение уменьшается. С помощью этого основного уравнения вы также можете решить для длины волны и частоты, чтобы получить их уравнения.

    Так же, как длина волны и частота связаны со светом, они также связаны с энергией. Чем короче длина волны и выше частота, тем больше энергия. Таким образом, чем длиннее длина волны и ниже частота, тем меньше энергия.Уравнение энергии E = hν. E представляет энергию, h представляет постоянную Планка (6,626 x 10 -34 Дж · с), а v представляет частоту. Уравнение энергии представляет собой прямую зависимость между частотой и энергией, потому что с увеличением частоты увеличивается и энергия. Это возможно, потому что h — постоянная величина.

    Вот пример задачи определения энергии: сколько кг / моль энергии содержится в фотоне с λ = 550 нм?

    На шаге 1 решения проблемы вам необходимо определить уравнение, в котором вы будете использовать.В этой задаче я использовал уравнение энергии, потому что оно запрашивает количество энергии. Затем я подключил числа. Мы знаем постоянную Планка, но нам также дается длина волны, когда в уравнении энергии нет переменной для длины волны. Как мы будем решать эту проблему?

    На шаге 2 я использовал длину волны, чтобы найти частоту. Я использовал уравнение скорости света. После того, как я решил для частоты в уравнении света, я вставил полученные числа. Мы знаем скорость света и длину волны, потому что она задана в задаче.Хотя длина волны указана в нм, я преобразовал ее в m, чтобы ее было легче решить позже в задаче. Чтобы преобразовать нм в м, я разделил 550 нм на 10 -9 . Частота затем определяется после подключения скорости света и длины волны.

    На шаге 3 я вставил постоянную Планка и частоту, найденную на шаге 2, в уравнение энергии. Это не окончательный ответ, потому что, когда задача требует килоджоулей на моль, в Джоулях.

    На шаге 4 я идентифицировал номер Авоградо.Используется для определения килоджоулей на один моль. Затем я умножил число Авоградо на энергию в Джоулях, полученную на шаге 3.

    На последнем шаге я преобразовал полученный ответ в Джоулях на моль в килоджоули на моль. Для этого я умножил ответ, полученный на шаге 4, на 0,001 кДж (или вы можете разделить на 1000 кДж), чтобы получить окончательный ответ как 217,5 кДж / моль.

    Свет может иметь разные формы и свойства. Длина волны и частота — это самые основные свойства, которые могут быть связаны как прямо, так и обратно.Уравнение скорости света показывает обратную зависимость между длиной волны и частотой, поскольку по мере увеличения одного значения другое значение уменьшается. С другой стороны, уравнение энергии показывает прямую зависимость, потому что с увеличением частоты увеличивается и энергия.

    Источник:

    Молекулярные выражения: наука, оптика и вы: свет и цвет


    Частота и длина волны света

    Хотя видимый свет в некоторых отношениях действует как волна, он также проявляет свойства, характерные для частиц.Подобные частицам свойства видимого света проявляются через небольшие энергонесущие объекты, известные как фотоны .

    Источником видимого света и всех других форм электромагнитного излучения является атом. Это связано с тем, что электроны, движущиеся по орбитам вокруг ядра атома, расположены на разных энергетических уровнях в своих электронных облаках. Эти электроны могут поглощать дополнительную энергию от внешних источников электромагнитного излучения, что приводит к их продвижению на более высокий энергетический уровень или электронное облако.Как показано на Рисунке 1, это продвижение по своей сути является нестабильной ситуацией. Электрон в конечном итоге теряет дополнительную энергию из-за испускания фотонов, и при этом электрон возвращается на свой исходный и стабильный энергетический уровень.

    Энергия испускаемых фотонов равна энергии, первоначально поглощенной электроном, за вычетом любой другой потерянной энергии. Таким образом, энергия фотонов может сильно варьироваться, поскольку она зависит от энергии электронов источника.Например, электроны могут исходить от радиоволн, которые содержат гораздо меньше энергии, чем микроволны, инфракрасные лучи или видимый свет, или от источника, который содержит гораздо большее количество энергии, такого как ультрафиолетовый свет или рентгеновские лучи. Как правило, более высокие энергии связаны с более короткими длинами волн, а более низкие энергии связаны с более высокими длинами волн.

    Интерактивное учебное пособие по Java

    Рисунок 2 предназначен для пояснения некоторых терминов, используемых в отношении электромагнитного излучения.Изображение иллюстрирует электромагнитную волну, которая распространяется, , или распространяется в направлении от верхнего левого угла к нижнему правому. Эта волна распространяется со скоростью света и известна как поперечная волна , в которой направление энергии волны лежит под прямым углом к ​​направлению распространения.

    Волна на Рисунке 2 генерирует как электрические, так и магнитные колеблющиеся поля, которые ориентированы под углом 90 градусов друг к другу, а также к направлению энергии.Расстояние между двумя последовательными пиками волны эквивалентно длине волны излучения. Однако частота излучения определяется числом колебаний в секунду, которое обычно измеряется в герцах, или циклах в секунду.

    Интерактивное учебное пособие по Java

    Увеличение частоты приводит к пропорциональному уменьшению длины волны света с соответствующим увеличением энергии фотонов, составляющих свет.Таким образом, связь между длиной волны света и его частотой обратно пропорциональна и может быть проиллюстрирована простым уравнением:

    п = с / л

    , где c — скорость света с постоянным значением 300 миллионов метров в секунду, n — частота света в герцах (Гц) или циклах в секунду, а l — длина волны света. в метрах. При входе в новую среду, такую ​​как стекло или вода, скорость и длина волны света уменьшаются, хотя частота остается неизменной.

    Однако энергия фотона прямо пропорциональна его частоте и обратно пропорциональна его длине волны. Эту взаимосвязь можно обозначить другим простым уравнением:

    E = h n = h c / l

    , где E — энергия в килоджоулях на моль, h — постоянная Планка со значением 6,626 x E-34 Джоуль-секунд на частицу, а другие переменные определены, как указано выше.Таким образом, с увеличением частоты увеличивается энергия излучаемых фотонов. Обратное также верно. По мере уменьшения частоты излучения происходит соответствующее уменьшение энергии испускаемых фотонов.

    Интерактивное учебное пособие по Java

    Поскольку энергия фотонов зависит от энергии электронов источника, очень высокочастотное электромагнитное излучение, такое как гамма-лучи, рентгеновские лучи и ультрафиолетовый свет, обладает очень короткими длинами волн и, следовательно, большим количеством энергии.С другой стороны, низкочастотное излучение, такое как видимое, инфракрасное, микроволновое и радиоволны, имеет большую длину волны, но, соответственно, более низкие частоты и энергию. Однако важно понимать, что, хотя обычно считается, что электромагнитный спектр энергии включает около 24 порядков величины по частоте и длине волны, никаких внутренних верхних или нижних границ не существует.

    Соавторы

    Мортимер Абрамовиц — Olympus America, Inc., Two Corporate Center Drive., Мелвилл, Нью-Йорк, 11747.

    Шеннон Х. Нивс и Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильных магнитных полей, 1800 г. Ист. Пол Дирак, доктор философии, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.


    НАЗАД К СВЕТУ И ЦВЕТУ

    Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.
    © 1998-2021, автор — Майкл В.Дэвидсон и Государственный университет Флориды. Все права защищены. Никакие изображения, графика, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения правообладателей. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми юридическими положениями и условиями, изложенными владельцами.
    Этот веб-сайт поддерживается нашей командой

    по графике и веб-программированию
    в сотрудничестве с оптической микроскопией в Национальной лаборатории сильного магнитного поля
    .
    Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:18.
    Количество обращений с 10 марта 2003 г .: 136795
    Посетите сайты наших партнеров в сфере образования:

    с точки зрения производителя освещения


    Электромагнитный (ЭМ) спектр — это диапазон всех типов электромагнитного излучения. Он охватывает весь спектр света. Большинство из них невидимо невооруженным глазом.От гамма-лучей слева видимого спектра до длинных радиоволн справа.

    Как ведущий производитель осветительных приборов, мы считаем науку и технологии света одновременно увлекательными и необходимыми. В этой статье я расскажу о Видимый свет ; и где он попадает в электромагнитный спектр, его характеристики и области применения.

    ЭМ спектр света включает в себя диапазон световых волн . Одна из характеристик света — это то, как он ведет себя как волна с ее пиками и впадинами или гребнем (самая высокая точка) и впадиной (самая низкая точка).Благодаря этому атрибуту свет можно определить по длине волны.

    Что такое длины волн?

    Длина волны — это расстояние по горизонтали между двумя пиками волны. Свет измеряется его длиной волны (в нанометрах). Обычно его обозначают греческим символом λ.

    Видимый свет обычно определяется как имеющий длину волны в диапазоне 400–700 нанометров (нм) или одну миллиардную долю метра.

    ЭМ-волны классифицируются в соответствии с их длиной волны и частотой (количество волн, проходящих через точку за определенное время).Эта классификация определяет, находится ли электромагнитное излучение слева или справа от видимого спектра .

    Свет — это энергия, которая принимает разные формы.

    Вот о чем я …

    На изображении ниже подробно показан электромагнитный спектр с выделенным светом. ( Обозначается как видимый спектр )

    Видимый свет представляет собой небольшую часть всего ЭМ-спектра.

    Изображение предоставлено : Электромагнитный спектр

    Если посмотреть на l eft видимого спектра…

    Эти виды излучения вредны для живых организмов из-за своей чрезвычайно высокой частоты. Вы найдете здесь категории гамма-лучей, рентгеновских лучей и ультрафиолетовых лучей.

    Гамма-лучи — самые высокие по частоте и энергии, самые разрушительные.

    Рентгеновские лучи — тоже волна высокой энергии и короткой длины. Большинство рентгеновских лучей имеют длину волны от 0,01 до 10 нанометров.

    УФ (ультрафиолетовые лучи) — это электромагнитное излучение с длиной волны от 10 нм до 400 нм, короче, чем у видимого света, но длиннее, чем у рентгеновских лучей.Свет с длиной волны, которая сразу короче любого света в видимом спектре, называется ультрафиолетовым светом.

    Видимый спектр — видимый спектр света — это часть электромагнитного спектра, видимая человеческим глазом. (подробнее об этом через секунду).

    Теперь справа видимого спектра …

    IR — Инфракрасные лучи — Тепловые волны, испускаемые тепловыми телами. Они выделяются теплом или тепловой энергией.

    Микроволновая печь — В связи используется в радарах. Скорее всего, вы знаете, что он согревает пищу.

    Radio Waves — Электромагнитная волна определенной частоты, используемая для связи на большие расстояния. У него самый низкий уровень энергии.

    Длинные радиоволны — от 30 кГц до 279 кГц со средней длиной волны 1500 метров. С другой стороны, короткие волны находятся в диапазоне от 1,5 до 30 МГц (длина волны от 10 до 85 метров).

    Все радиоволны, короткие или длинные, принадлежат к электромагнитному излучению, как и свет.Больше различий между коротковолновым и длинноволновым радио.

    Теперь, когда мы понимаем весь спектр, давайте разберем «центральную сцену» …

    Видимый свет …

    Что такое видимый свет в электромагнитном спектре?

    Видимый свет находится в области, где ультрафиолет (УФ) находится слева от спектра, а инфракрасный (ИК) — справа. Это форма электромагнитного излучения, которую можно разделить на семь цветов.

    Вероятно, он наиболее знаком вам, потому что это единственная область спектра, видимая большинством человеческих глаз.

    «Эта часть спектра включает в себя ряд разных цветов, каждый из которых представляет определенную длину волны. Таким образом образуются радуги; свет проходит через материю, в которой он поглощается или отражается в зависимости от длины волны. Таким образом, некоторые цвета отражаются больше. чем другие, что привело к созданию радуги ». [источник]

    Цвет — одна из важнейших характеристик видимого света.

    Цвета спектра видимого света

    В видимом спектре есть семь диапазонов длин волн, которые соответствуют другому цвету.Каждый видимый цвет имеет длину волны. Когда вы переходите от красного к фиолетовому, длина волны уменьшается, а энергия увеличивается.

    Изображение предоставлено: Видимый спектр

    Вот 7 от самой короткой до самой длинной волны.

    1. Фиолетовый — самая короткая длина волны, около 400-420 нанометров с максимальной частотой. Они несут больше всего энергии.
    2. Индиго — 420 — 440 нм
    3. Синий — 440 — 490 нм
    4. Зеленый — 490 — 570 нм
    5. Желтый — 570 — 585 нм
    6. Оранжевый — 585 — 620 нм
    7. Красный — самая длинная длина волны, около 620-780 нанометров с самой низкой частотой

    источник: видимый цветовой спектр

    УФ-свет, расположенный рядом с видимым светом в спектре, имеет более высокую частоту, что соответствует более высокому излучению.Если вы когда-либо получали солнечный ожог, то это было из-за ультрафиолетового излучения, испускаемого солнцем. Использование ультрафиолетового света выходит далеко за рамки летнего загара.

    Приложения, использующие УФ-свет

    Ультрафиолетовый свет имеет широкое и разнообразное применение. От соляриев до дезинфекции бактериями и инфекционного контроля.

    Больницы используют ультрафиолетовые лампы для стерилизации хирургического оборудования, что снижает риск инфекций.

    По словам Джона Хагемана, MS, CHP, специалиста по радиационной безопасности Юго-Западного научно-исследовательского института, «стерилизация, уничтожение бактерий (или любых типов клеток) медицинских инструментов в первую очередь достигается за счет излучения, вызывающего серьезные повреждения компонентов клетки и хромосомам клетки, в частности ДНК.

    «Серьезное повреждение» ДНК — это множественные разрывы в длинной лестничной структуре ДНК. Радиация (например, гамма-лучи, рентгеновские лучи или бета- и альфа-излучение) имеет достаточно энергии для ионизации атомов и молекул; то есть он может создавать заряженные частицы и свободные радикалы ».

    С другой стороны, рядом со спектром видимого света находится (ИК) инфракрасное излучение …

    Эти волны длиннее, чем волны видимого света, но короче, чем радиоволны. Более длинные инфракрасные волны воспринимаются как тепло.Эта форма света невидима для человеческого глаза и также имеет множество применений.

    Приложения, использующие инфракрасную энергию

    Среди самых известных — пульты дистанционного управления, тепловизор и ночное видение.

    Пульт дистанционного управления использует световые волны для переключения каналов. Он использует инфракрасный свет, передаваемый светодиодами, для отправки сигнала на ваше устройство или телевизор.

    «Тепловидение — это метод улучшения видимости объектов в темноте путем обнаружения инфракрасного излучения объектов и создания изображения на основе этой информации.Тепловидение, освещение в ближней инфракрасной области и при слабом освещении — три наиболее часто используемых технологии ночного видения ».

    ИК-связь может использоваться где угодно, поскольку она не опасна для человека.

    Свет — это электромагнитное излучение. Он движется волнообразно и производится из источника .

    Как поставщику решений для освещения, его легче разделить на разные источники света и их места в общей схеме электромагнитного спектра.

    Источники видимого света

    Различные типы источников света влияют на то, как наши глаза воспринимают цвета. Например, при дневном свете мы больше всего видим синий и зеленый. Дневной свет также дает более интенсивный, но более прохладный свет. При флуоресцентном освещении хорошо видны зеленый и красный цвета.

    7 источников видимого света

    1. Солнце — — главный источник света на Земле. Солнце испускает излучение во всем электромагнитном спектре, от рентгеновских лучей чрезвычайно высокой энергии до сверхдлинноволновых радиоволн и всего, что между ними.Пик этого излучения находится в видимой части спектра. [источник]

    2. Лампа накаливания — представляет собой электрическую лампу с проволочной нитью, нагретой до такой высокой температуры, что она светится видимым светом (накаливание). Выходной сигнал выше в красном конце спектра, что дает ему теплый выход. Что также помещает его в основном за пределы видимого спектра. Галогенная лампа излучает непрерывный спектр света, от ближнего ультрафиолета до глубокого инфракрасного.

    3. Флуоресцентный — коротковолновый ультрафиолетовый свет , вызывающий свечение люминофорного покрытия на внутренней стороне лампы . Спектр флуоресцентного света имеет высокую интенсивность от 480 нм до 570 нм. Флуоресцентные лампы смешиваются с другими типами источников света, чтобы получить свет, более близкий к солнечному.

    4. Галоген — освещение возникает, когда вольфрамовая нить нагревается достаточно, чтобы испускать свет или «накаливание». Он использует газообразный галоген для увеличения светоотдачи.Спектр галогена показывает, что интенсивность больше в диапазоне от 650 до 950 нм. Это показывает, что существует большая концентрация красного света, длина волны которого составляет около 656,28 нм. [источник]

    5. Светодиод — светодиод (LED) представляет собой двухпроводной полупроводниковый источник света. При активации излучает свет. Электрический ток проходит через микрочип, который освещает крошечные источники света, которые мы называем светодиодами, и в результате получается видимый свет. Светодиодные устройства охватывают весь спектр от ультрафиолетового (УФ) до видимого и инфракрасного (ИК).

    6. Лазер — «Усиление света вынужденным излучением». Слово «лазер» будет ограничиваться устройствами, излучающими электромагнитное излучение, использующими усиление света за счет вынужденного излучения с длинами волн от 180 нанометров до 1 миллиметра. Электромагнитный спектр включает энергию от гамма-лучей до электричества. [источник]

    7. HID (высокоинтенсивный разряд) — — это тип электрической газоразрядной лампы, которая излучает свет с помощью электрической дуги между вольфрамовыми электродами, помещенными внутри полупрозрачной или прозрачной дуговой трубки из плавленого кварца или плавленого оксида алюминия.[источник]

    Чаще всего встречается на больших площадях, таких как стадионы и склады. Или в уличных фонарях, автомобильных фарах и прожекторах.

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    Солнечный свет, ультрафиолетовые лампы для стерилизации медицинских устройств и технологии ночного видения — все это формы электромагнитного излучения.

    Часть электромагнитного спектра в диапазоне от 400 до 750 нм является видимой областью. Когда мы используем термин «свет», мы имеем в виду тип электромагнитной волны, которую может видеть большинство людей, — электромагнитную волну, которая стимулирует сетчатку.

    Когда все длины волн видимого светового спектра попадают в ваш глаз одновременно, воспринимается белый цвет. Белый — это сочетание всех цветов спектра.

    Lumitex вдохновлен помочь вам с помощью ваших инновационных световых решений, которые адаптируются к вашей идее. У нас есть доступные осветительные приборы / решения, которые обеспечат равномерный свет для любого вашего проекта.

    световых частот | HowStuffWorks

    Когда Максвелл представил концепцию электромагнитных волн, все встало на свои места.Теперь ученые могли разработать полную рабочую модель света, используя термины и концепции, такие как длина волны и частота, на основе структуры и функции волн. Согласно этой модели световые волны бывают разных размеров. Размер волны измеряется как ее длина волны , которая представляет собой расстояние между любыми двумя соответствующими точками на последовательных волнах, обычно от пика до пика или от впадины до впадины. Длины волн света, которые мы видим, варьируются от 400 до 700 нанометров (или миллиардных долей метра).Но полный диапазон длин волн, включенных в определение электромагнитного излучения, простирается от 0,1 нанометра, как в гамма-лучах, до сантиметров и метров, как в радиоволнах.

    Световые волны также бывают разных частот. Частота — это количество волн, которые проходят точку в пространстве за любой временной интервал, обычно за одну секунду. Мы измеряем его в единицах циклов (волн) в секунду, или герц . Частота видимого света называется цветным и колеблется от 430 триллионов герц в красном цвете до 750 триллионов герц в фиолетовом.Опять же, полный диапазон частот простирается за пределы видимой части, от менее 3 миллиардов герц, как в радиоволнах, до более чем 3 миллиардов миллиардов герц (3 x 10 19 ), как в гамма-лучах.

    Количество энергии в световой волне пропорционально ее частоте: высокочастотный свет имеет высокую энергию; низкочастотный свет имеет низкую энергию. Итак, гамма-лучи обладают наибольшей энергией (что делает их настолько опасными для человека), а радиоволны — наименьшей. Из видимого света фиолетовый обладает наибольшей энергией, а красный — наименьшей.Весь диапазон частот и энергий, показанный на сопровождающем рисунке, известен как электромагнитный спектр . Обратите внимание, что фигура нарисована не в масштабе, и что видимый свет занимает лишь одну тысячную процента спектра.

    Это могло бы быть концом обсуждения, за исключением того, что Альберт Эйнштейн не мог допустить, чтобы ускоряющиеся световые волны лгали. Его работы в начале 20-го века возродили старую идею о том, что свет, возможно, все-таки был частицей.

    Электромагнитный спектр

    Свет передает информацию способами, о которых вы даже не подозреваете.Сотовые телефоны используют свет для отправки и приема звонков и сообщений. Беспроводные маршрутизаторы используют свет для отправки изображений кошек из Интернета на ваш компьютер. Автомобильные радиоприемники используют свет для приема музыки с близлежащих радиостанций. Даже в природе свет несет множество видов информации.

    Телескопы

    являются коллекторами света, и все, что мы знаем от телескопа Хаббла, связано со светом. Поскольку мы не можем путешествовать к звезде или брать образцы из далекой галактики, мы должны полагаться на электромагнитное излучение — свет — чтобы передавать нам информацию от далеких объектов в космосе.

    Космический телескоп Хаббла может видеть объекты не только в видимом свете, включая ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный свет. Эти наблюдения позволяют астрономам определять определенные физические характеристики объектов, такие как их температура, состав и скорость.

    Электромагнитный спектр состоит не только из видимого света. Он включает в себя длины волн энергии, которые человеческий глаз не может воспринимать.
    Что такое электромагнитный спектр?

    Электромагнитный спектр описывает все виды света, в том числе те, которые человеческий глаз не видит.Фактически, большая часть света во Вселенной невидима для наших глаз.

    Свет, который мы видим, состоящий из отдельных цветов радуги, представляет лишь очень небольшую часть электромагнитного спектра. Другие типы света включают радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи — все они незаметны для человеческого глаза.

    Весь свет или электромагнитное излучение движется в космосе со скоростью 186 000 миль (300 000 километров) в секунду — это скорость света.Это примерно столько, сколько может пройти автомобиль за свою жизнь, пройдя его на свету за одну секунду!

    Как мы измеряем свет

    Свет распространяется волнами, очень похожими на волны в океане. Как волна, свет имеет несколько основных свойств, которые его описывают. Один из них — частота, которая подсчитывает количество волн, которые проходят через заданную точку за одну секунду. Другой — длина волны, расстояние от пика одной волны до пика следующей. Эти свойства тесно и обратно связаны: чем больше частота, тем меньше длина волны — и наоборот.Третья — энергия, которая похожа на частоту в том смысле, что чем выше частота световой волны, тем больше энергии она несет.

    Ваши глаза обнаруживают электромагнитные волны размером примерно с вирус. Ваш мозг интерпретирует различные энергии видимого света как разные цвета, от красного до фиолетового. Красный имеет самую низкую энергию, а фиолетовый — самую высокую.

    Помимо красного и фиолетового, существует множество других видов света, которые наши человеческие глаза не могут видеть, так же как есть звуки, которые наши уши не слышат.На одном конце электромагнитного спектра находятся радиоволны, длина которых в миллиарды раз превышает длину волны видимого света. На другом конце спектра находятся гамма-лучи с длинами волн в миллиарды раз меньше, чем у видимого света.

    Значение света и цвета

    Ученые используют цвет как инструмент для передачи информации. Читать статью

    Ученые используют различные методы работы с телескопами для выделения различных типов света. Например, хотя наши глаза не могут видеть ультрафиолетовый свет от звезды, один из способов его восприятия — это позволить свету звезды пройти через фильтр на телескопе, который удаляет все другие виды света и падает на специальную камеру телескопа, чувствительную к ультрафиолетовому свету. .

    Сравнение различных типов света, включая длину волны и частоту.
    О чем говорят разные типы света

    Для изучения Вселенной астрономы используют весь электромагнитный спектр. Разные типы света говорят нам разные вещи. См. Интерактивные примеры

    Радиоволны и микроволны, которые имеют самую низкую энергию, позволяют ученым преодолевать плотные межзвездные облака, чтобы увидеть движение холодного газа.

    Инфракрасный свет позволяет видеть сквозь холодную пыль; изучать теплый газ и пыль и относительно холодные звезды; и обнаруживать молекулы в атмосферах планет и звезд.

    Большинство звезд излучают основную часть своей электромагнитной энергии в виде видимого света, той части спектра, которую могут видеть наши глаза. Более горячие звезды излучают свет с более высокой энергией, поэтому цвет звезды показывает, насколько она горячая. Это означает, что красные звезды — холодные, а синие — горячие.

    За пределами фиолетового находится ультрафиолетовый (УФ) свет, энергия которого слишком велика для человеческого глаза. Ультрафиолетовый свет отслеживает горячее сияние звездных яслей и используется для идентификации самых горячих и самых энергичных звезд.

    Рентгеновские лучи исходят от самого горячего газа, содержащего атомы. Они излучаются из перегретого материала, вращающегося по спирали вокруг черной дыры, бурлящих нейтронных звезд или облаков газа, нагретых до миллионов градусов.

    Гамма-лучи имеют самую высокую энергию и самую короткую длину волны в электромагнитном спектре. Они происходят из свободных электронов и очищенных ядер атомов, ускоряемых мощными магнитными полями взрывающихся звезд, сталкивающихся нейтронных звезд и сверхмассивных черных дыр.

    Это очень подробное изображение Крабовидной туманности объединяет данные телескопов, охватывающих почти весь электромагнитный спектр.На снимке представлены данные пяти различных телескопов: космического телескопа Спитцера (инфракрасный) — желтого цвета; очень большой массив Карла Г. Янского (радио) в красном цвете; Космический телескоп Хаббла (виден) в зеленом цвете; XMM-Newton (ультрафиолет) синего цвета; и рентгеновская обсерватория Чандра (рентгеновский снимок) фиолетовым цветом.

    видимый свет | UCAR Center for Science Education

    Радуга показывает, как видимый свет представляет собой сочетание многих цветов.
    Кредит: UCAR

    Видимый свет — это движение энергии в одном направлении.Световые волны являются результатом колебаний электрических и магнитных полей и, таким образом, представляют собой форму электромагнитного (ЭМ) излучения. Видимый свет — это лишь один из многих типов электромагнитного излучения, занимающий очень небольшой диапазон всего электромагнитного спектра, но поскольку мы можем видеть свет своими глазами, он имеет для нас особое значение.

    Световые волны имеют длину волны примерно от 400 до 700 нанометров (от 4000 до 7000 ангстрем). Наши глаза воспринимают световые волны разной длины как радужные оттенки цветов.Красный свет имеет относительно длинные волны, около 700 нм. Синий и фиолетовый свет имеют короткие волны, около 400 нм. Более короткие волны колеблются на более высоких частотах и ​​имеют более высокие энергии. Красный свет имеет частоту около 430 терагерц, а частота синего — около 750 терагерц. Красные фотоны света несут около 1,8 электрон-вольт (эВ) энергии, а каждый синий фотон передает около 3,1 эВ.

    Соседями видимого света в ЭМ спектре являются инфракрасное излучение с одной стороны и ультрафиолетовое излучение с другой.Инфракрасное излучение имеет более длинные волны, чем красный свет, поэтому колеблется с более низкой частотой и несет меньше энергии. Ультрафиолетовое излучение имеет более короткие волны, чем синий или фиолетовый свет, и поэтому колеблется быстрее и несет больше энергии на фотон, чем видимый свет.

    Свет движется со скоростью 299 792 километра в секунду (около 186 282 мили в секунду). С такой скоростью свет может облететь Землю более семи раз за одну секунду! Строчная буква «c» часто используется для обозначения скорости света в уравнениях, таких как известная связь Эйнштейна между энергией и материей: E = mc 2 .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.