Оптика
Благодаря свету и органам зрения мы видим окружающий мир. Наблюдая самые разнообразные явления природы, открывая ее законы, мы приходим к выводу, что без света невозможно существование жизни на Земле. Солнечный свет не только позволяет нам видеть все, что нас окружает, но и обогревает нашу планету. Например, за одну секунду свет от Солнца приносит на Землю столько энергии, сколько ее выделяется при сгорании 40 миллионов тонн каменного угля.
О природе света и световых явлениях люди задумывались с древнейших времен. Поэтому неудивительно, что оптика (от греч. отт%Т| — «взгляд»; в дальнейшем: наука о зрительном восприятии) является одним из старейших разделов физики. Некоторые античные мыслители (Аристотель, Эпикур) высказывали о природе света догадки, довольно близкие к современным представлениям. Они считали, что зрительные ощущения возникают под действием попадающих в глаз мельчайших частиц света — корпускул, исходящих или отражающихся от наблюдаемых предметов.
Представления о свете неоднократно менялись в процессе изучения особенностей световых явлений. Оптикой занимались величайшие физики: Ньютон, Гюйгенс, Френель, Максвелл, Эйнштейн и многие другие. Большой вклад в развитие оптики внесли российские ученые: П.Н. Лебедев, СИ. Вавилов, Л.И. Мандельштам, Н.Г. Басов, А.М. Прохоров. В настоящее время о природе света уже многое известно. Вы, например, уже знаете, что видимый свет представляет собой электромагнитные волны в диапазоне от 0,38 до 0,76 мкм. Позднее, в старших классах, вы продолжите изучение природы света.
О |
птика представляет собой раздел физики, изучающий природу. света, различные световые явления и законы, которым эти явления подчиняются.
Изучение оптики мы начнем с геометрической (лучевой) оптики. В этом разделе рассматривают установленные опытным путем законы распространения света. Полученные знания используют для создания различных оптиче-
231.
ских устройств. При этом в геометрической оптике не рассматривают вопросы, связанные с природой света и причинами световых явлений.
Следует отметить, что в геометрической оптике используют физические модели (мы обязательно скажем о них), которые предназначены для решения определенного круга задач. Всякая модель связана с упрощением реального физического явления. Поэтому законы геометрической оптики при определенных условиях нарушаются. Границы применимости этих законов и причины их нарушения мы рассмотрим в старших классах при изучении физической оптики. Тогда же вы сможете больше узнать о том, что такое свет и какова его природа.
§36 |
Источники света. Действия света
Мы видим объекты, которые либо сами испускают свет, либо отражают свет, испущенный другими телами — источниками света.
Источники света можно разделить в зависимости от их температуры на два класса: тепловые и холодные.
Тепловые источники испускают свет благодаря тому, что они разогреты до достаточно больших температур. Так, температура в пламени свечи обычно составляет около 1000 °С; нити накала осветительных ламп за счет выделения тепла при прохождении по ним электрического тока разогреваются до температуры 2000-3000 °С; поверхность Солнца имеет температуру около 6000 °С, а температура поверхности некоторых звезд может достигать 50 000 °С. Разогрев Солнца и других звезд обусловлен термоядерными реакциями, о которых вы узнаете в последней главе этого учебника.
Источники света, температуры которых мало отличаются от комнатной, называют холодными. Примерами таких источников являются некоторые светящиеся организмы, гнилушки. Свечение подобных объектов связано с происходящими в них сложными физико-химическими процессами. Другими примерами холодных источников света могут служить полярные сияния, молнии, газоразрядные трубки (в том числе лампы дневного света), свето-диоды и некоторые типы газовых и полупроводниковых лазеров. Свечение этих объектов возбуждает электрический ток. Известны вещества, которые светятся под действием падающих на них электронов. Такими веществами покрывают экраны большинства телевизоров и мониторов.
Тела, которые не являются источниками света, мы видим, только если
они освещены. Свет от источника попадает на эти тела, отражается от их по
верхности, меняя направление, и доходит до глаз. Так, Луна не является ис-
________ ■ 232
точником света, несмотря на свое яркое свечение на ночном небе. Она освещается Солнцем и поэтому светит отраженным светом.
Световые пучки от разных источников света не действуют друг на друга |
Свет может оказывать самые различные воздействия на окружающие тела. Наиболее явно выраженное действие света — это нагревание тел (в частности, нагревание воздуха, воды, почвы солнечным светом). Очень часто под действием света изменяется проводимость веществ и другие их свойства. Облучаемые светом вещества могут испускать заряженные частицы — электроны. Под действием света происходит фотосинтез в листьях растений, начинаются либо ускоряются многие химические реакции. Наконец, свет оказывает определенное давление. Экспериментально это давление (не только на твердые тела, но и на газы) впервые было обнаружено и измерено в конце XIX в. профессором Московского университета П.Н. Лебедевым (1866-1912).
А как действуют световые пучки от разных источников света друг на друга? В начале XVIII в. экспериментально было установлено, что если на некоторую область действует свет от разных источников, то эти действия происходят независимо друг от друга. Иными словами, действия света от разных источников складываются. Это свойство света часто называют законом независимости световых пучков. Кроме того, при пересечении световых пучков не только не изменяется характер их распространения, но не изменяется и распределение энергии в каждом из них, т. е. пересекающиеся световые пучки от разных источников света не действуют друг на друга.
Для примера на рис. 143 показаны световые пучки от двух проекционных аппаратов, в которые вставлены разные диапозитивы. Несмотря на то что пучки пересекаются, на экранах видны четкие изображения диапозитивов.
Итоги
Оптика — это раздел физики, изучающий природу света, ран личные световые явления и законы, которым эти явления под чиняются.
В геометрической (лучевой) оптике рассматривают установленные опытным путем законы распространения света. Полу-
ченные знания используют для создания различных оптических устройств. При этом в геометрической оптике не рассматривают вопросы, связанные с природой света и причинами световых явлений.
Зрительные ощущения возникают при попадании в глаз света, исходящего от источников света, или света, отражающегося от наблюдаемых предметов.
Источники света можно разделить в зависимости от их температуры на два класса: тепловые и холодные. Закон независимости пучков света: если на некоторую область оказывает действие свет от разных источников, то эти действия происходят независимо друг от друга, т. е. действия света от разных источников складываются. Пересекающиеся световые пучки не влияют друг на друга.