Розділ 2. Світлові явища

У цьому розділі ви будете вивчати світлові (або оптичні) явища. Досить звична, на перший погляд, цілком зрозуміла й буденна тема — і в той же час, досить загадкова та важлива. Що дає нам світло? Можливість бачити навколишній світ! Понад 90 % інформації про навколишній світ людина одержує завдяки зору! А що таке світло? Століттями між ученими тривали суперечки про природу світла. Світло стало для вчених одним з «найміцніших горішків», його навіть називали «темною плямою у фізиці»! Чи готові ви розкривати таємниці світла? Для цього вам слід пригадати, що таке матерія та які види матерії ви знаєте. У пригоді стануть ваші знання про будову речовини, отримані на уроках хімії, ваші вміння спостерігати, експериментувати, робити висновки, конструювати прилади. Вам слід озброїтись деяким знаряддям (ліхтариками, дзеркалами, лінзами), адже більшість відкриттів ви зможете зробити самостійно!

§ 12. Джерела й приймачі світла. Швидкість поширення світла

Ви дізнаєтесь

• Якими бувають джерела світла
• З якою швидкістю поширюється світло

Пригадайте

Джерела й приймачі світла. Що таке світло? Багато різноманітних гіпотез було висунуто вченими у процесі дослідження природи світла, його поширення й сприйняття, наявності кольорів тощо. У 1678 р. голландський астроном і фізик Християн Гюйгенс висунув хвильову теорію світла, відповідно до якої, світло — це хвилі, що поширюються в особливому середовищі — ефірі, який заповнює увесь простір і проникає всередину всіх тіл. Іншу теорію світла запропонував у 1704 р. Ісаак Ньютон. Він висунув так звану корпускулярну теорію світла, за якою світло — це потік частинок — корпускул, що рухаються прямолінійно і з постійною швидкістю від джерела в усі боки. Тобто корпускули не взаємодіють з іншими частинками й рухаються відповідно до закону інерції. Теорія Ньютона пояснювала прямолінійне поширення світла, утворення за предметами різких тіней, але багато світлових явищ вона пояснити не могла.

Століттями тривали суперечки вчених про природу світла. Нині вважають, що світлу одночасно притаманні хвильові й корпускулярні властивості, які не суперечать, а взаємно доповнюють одні одних. Тобто світло проявляє себе як корпускула (частинка, що має назву фотон) і як електромагнітна хвиля.

Природа світла пояснюється рухом електронів у атомах речовини. Перебуваючи в межах стійкого енергетичного рівня, електрон (а відповідно й речовина) не поглинає й не випромінює енергію. Коли ж унаслідок певних причин електрон переходить з одного енергетичного рівня на інший, то атом може випромінювати або поглинати порцію енергії (її ще називають квантом). Випромінювання, що виходить за межі атома, поширюється в просторі у вигляді електромагнітних хвиль. Деякі такі хвилі можуть сприйматися людиною як світло.

Світло — це вид електромагнітних хвиль, що сприймаються оком людини.

Джерелами світла є прилади та пристрої, а також природні й космічні об’єкти, у яких різні види енергії перетворюються в енергію світлового випромінювання. Джерела світла (мал. 81) поділяють на «гарячі» та «холодні». До гарячих (теплових) джерел належать розжарені тіла: багаття, Сонце та інші зорі, лампа розжарення тощо.

Мал. 81. Джерела світла

Випромінювання світла холодними джерелами здійснюється атомами речовини за рахунок енергії зовнішнього впливу. Випромінювання ними світла зумовлене різними причинами. Наприклад, світіння речовини можливе під час проходження через неї електричного струму або в результаті дії на неї електричного поля. Прикладом такого виду світіння є газові розряди, північне сяйво, світлодіоди.

Світіння, яке може виникати внаслідок хімічної реакції, властиве деяким живим організмам: комахам-світлячкам, а також деяким видам риб, що мешкають на значній глибині. До такого виду належить також світіння трухлого дерева.

Як правило, світло, яке падає на речовину, частково відбивається, а частково — поглинається нею. Енергія поглинутого світла переважно тільки нагріває тіло. Проте для деяких речовин цієї енергії достатньо для того, щоб вони почали світитись. Наприклад, деякі речовини (їх називають люмінофори) можуть світитися під впливом опромінення їх видимим світлом, ультрафіолетовими, рентгенівськими та іншими променями. Дорожні знаки і світловідбивачі покривають спеціальними фарбами, які світяться при потраплянні на них світла від фар, що сприяє безпеці всіх учасників дорожнього руху. Газорозрядні лампи також із середини вкриті спеціальною фарбою, що світиться внаслідок газового розряду, що проходить у ній.

Джерела світла можна поділити на такі, що існують у природі, й ті, що створила людина. За цією ознакою джерела світла поділяються на природні та штучні.

Джерела світла можуть випромінювати й невидимі промені — інфрачервоні, ультрафіолетові.

Приймачами світла називають пристрої, призначені для виявлення або ж вимірювання світлового (оптичного) випромінювання.

Приймачами світла є очі живих істот, а також спеціальні пристрої: термоелементи, фотоелементи, фотодіоди (мал. 82, с. 60). Принцип дії приймачів заснований на перетворенні енергії світлового випромінювання в інші види енергії (теплову, механічну, електричну), які є більш зручними для безпосереднього вимірювання. Наприклад, фотоплівка та фотопапір під дією світла змінюють свій хімічний склад. На цьому ґрунтується процес отримання фотографій. (Створення цифрових фотографій та їхній друк на кольоровому принтері має іншу природу.) Спеціальні пристрої — фотоелементи — перетворюють світлову енергію в електричну. Одними з найважливіших і необхідних для живої природи приймачів світла на Землі є листя рослин. Під дією світла в них відбувається процес фотосинтезу — утворення органічних сполук, що супроводжується виділенням кисню.

Мал. 82. Приймачі світла

Для людини головним приймачем світла є око. Світло спричинює в очах нервові подразнення, які передаються в мозок людини. Завдяки обробці й аналізу цих сигналів людина сприймає навколишні предмети. Наша шкіра — це також приймач сонячного світла. Під дією світла вона нагрівається й змінює колір (засмагає).

Вода і ґрунт також є приймачами сонячного світла. Під дією світла вони нагріваються — перетворюють енергію світла на внутрішню енергію.

Швидкість поширення світла. У процесі розвитку фізики науковці використовували різні способи вимірювання швидкості світла. Першим її спробував розрахувати Галілео Галілей. Він проводив такий дослід. На вершині однієї гори стояв Галілей, а на іншій горі — його асистент, який повинен був відкрити кришку свого ліхтаря тоді, коли побачить світло від ліхтаря Галілея. Вимірявши час між моментами подачі й прийому світлового сигналу та знаючи відстань між вершинами гір, Галілей намагався розрахувати швидкість світла. Оскільки відстань між горами в порівнянні зі швидкістю світла, а отже й проміжок часу, були дуже малими, то зробити точні розрахунки Галілею так і не вдалося.

У XVII ст. вперше швидкість світла визначив данський астроном Оле Крістенсен Ремер. Він, користуючись таблицями свого наставника Джованні Доменіко Кассіні, порівняв час початку затемнення супутника Іо планетою Юпітер, навколо якої цей супутник обертається, для випадків максимальної й мінімальної відстані від Землі до Юпітера. Запізнення становило 22 хв, і за цей час світло долає відстань, яка приблизно дорівнює діаметру орбіти Землі. У результаті Оле Ремер отримав приблизне значення швидкості світла, що становило 215 000 км/с.

Оле Крістенсен Ремер (1644-1710). Данський астроном, який першим виміряв швидкість світла в 1676 р.

Арман Іпполіт Луї Фізо (1819-1896). Видатний французький фізик, член Паризької академії наук

У XIX ст. швидкість світла вперше була визначена за допомогою лабораторного експерименту, який поставив французький фізик Арман Іпполіт Луї Фізо в 1849 р. (мал. 83).

Мал. 83. Схема досліду Фізо

У 7 і 8 класах ми неодноразово зверталися до значень фізичних величин (пригадуєте, шкала відстаней, часу, температур і т.п.). Виявляли максимальні й мінімальні значення фізичних величин. Для швидкостей руху тіл існує певна особливість: швидкість світла у вакуумі є максимально можливою (граничною) швидкістю руху будь-яких сигналів. Жоден об’єкт не може рухатися зі швидкістю, більшою за швидкість світла у вакуумі. Останнє з’ясувалося після створення Альбертом Ейнштейном теорії відносності.

Підбиваємо підсумки

• Випромінювання світла здійснюється за рахунок енергії атомів, що перебувають у збудженому стані.

• Тіла, які самостійно випромінюють світло в навколишній простір, називають джерелами світла.

• Джерела світла бувають тепловими (гарячими) та люмінесцентними (холодними), природними та штучними.

• Швидкість світла у вакуумі є максимально можливою (граничною) швидкістю руху будь-яких сигналів і приблизно дорівнює с = 3 • 10 8 м/с

• У всіх інших прозорих речовинах швидкість світла менша, ніж у вакуумі.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. За яких умов речовина випромінює світло?
• 2. Назвіть природні та штучні джерела світла. Які з них є гарячими, а які — холодними?
• 3. Назвіть відомі вам приймачі світла.
• 4. Чим відрізняється випромінювання праски чи кип’ятильника від випромінювання електричної лампи розжарювання?

Я можу застосовувати знання й розв’язувати задачі

Вправа 6

1 Позасистемна одиниця довжини, що дорівнює відстані, яку світло долає за один рік.

Розділ 2 СВІТЛОВІ ЯВИЩА

У цьому розділі ви будете вивчати світлові (або оптичні) явища. Досить звична, на перший погляд, цілком зрозуміла й буденна тема — і в той же час, досить загадкова та важлива. Що дає нам світло? Можливість бачити навколишній світ! Понад 90 % інформації про навколишній світ людина одержує завдяки зору! А що таке світло? Століттями між ученими тривали суперечки про природу світла. Світло стало для вчених одним з «найміцніших горішків», його навіть називали «темною плямою у фізиці»! Чи готові ви розкривати таємниці світла? Для цього вам слід пригадати, що таке матерія та які види матерії ви знаєте. У пригоді стануть ваші знання про будову речовини, отримані на уроках хімії, ваші вміння спостерігати, експериментувати, робити висновки, конструювати прилади. Вам слід озброїтись деяким знаряддям (ліхтариками, дзеркалами, лінзами), адже більшість відкриттів ви зможете зробити самостійно!

§ 12. ДЖЕРЕЛА Й ПРИЙМАЧІ СВІТЛА. ШВИДКІСТЬ ПОШИРЕННЯ СВІТЛА

– Якими бувають джерела світла

– З якою швидкістю поширюється світло

– Що вам відомо про світлові явища

Джерела й приймачі світла. Що таке світло? Багато різноманітних гіпотез було висунуто вченими у процесі дослідження природи світла, його поширення й сприйняття, наявності кольорів тощо. У 1678 р. голландський астроном і фізик Християн Гюйгенс висунув хвильову теорію світла, відповідно до якої, світло — це хвилі, що поширюються в особливому середовищі — ефірі, який заповнює увесь простір і проникає всередину всіх тіл. Іншу теорію світла запропонував у 1704 р. Ісаак Ньютон. Він висунув так звану корпускулярну теорію світла, за якою світло — це потік частинок — корпускул, що рухаються прямолінійно і з постійною швидкістю від джерела в усі боки. Тобто корпускули не взаємодіють з іншими частинками й рухаються відповідно до закону інерції. Теорія Ньютона пояснювала прямолінійне поширення світла, утворення за предметами різких тіней, але багато світлових явищ вона пояснити не могла.

Століттями тривали суперечки вчених про природу світла. У 1865 р. англійський фізик Джеймс Максвел опублікував теорію електромагнетизму. В одному з висновків цієї теорії Максвел висловив припущення про електромагнітну природу світла й показав, що світло є окремим випадком електромагнітних хвиль.

Природа світла пояснюється рухом електронів у атомах речовини. Перебуваючи в межах стійкого енергетичного рівня, електрон (а відповідно й речовина) не поглинає й не випромінює енергію. Коли ж унаслідок певних причин електрон переходить з одного енергетичного рівня на інший, то атом може випромінювати або поглинати порцію енергії (її ще називають квантом). Випромінювання, що виходить за межі атома, поширюється в просторі у вигляді електромагнітних хвиль. Деякі такі хвилі можуть сприйматися людиною як світло.

Світло — це вид електромагнітних хвиль, що сприймаються оком людини.

Джерелами світла є прилади та пристрої, а також природні й космічні об’єкти, у яких різні види енергії перетворюються в енергію світлового випромінювання. Джерела світла (мал. 81) поділяють на «гарячі» та «холодні». До гарячих (теплових) джерел належать розжарені тіла: багаття, Сонце та інші зорі, лампа розжарення тощо.

Випромінювання світла холодними джерелами здійснюється атомами речовини за рахунок енергії зовнішнього впливу. Випромінювання ними світла зумовлене різними причинами. Наприклад, світіння речовини можливе під час проходження через неї електричного струму або в результаті дії на неї електричного поля. Прикладом такого виду світіння є газові розряди, північне сяйво, світлодіоди.

Світіння, яке може виникати внаслідок хімічної реакції, властиве деяким живим організмам: комахам-світлячкам, а також деяким видам риб, що мешкають на значній глибині. До такого виду належить також світіння трухлого дерева.

Як правило, світло, яке падає на речовину, частково відбивається, а частково — поглинається нею. Енергія поглинутого світла переважно тільки нагріває тіло. Проте для деяких речовин цієї енергії достатньо для того, щоб вони почали світитись. Наприклад, деякі речовини (їх називають люмінофори) можуть світитися під впливом опромінення їх видимим світлом, ультрафіолетовими, рентгенівськими та іншими променями. Дорожні знаки і світловідбивачі покривають спеціальними фарбами, які світяться при потраплянні на них світла від фар, що сприяє безпеці всіх учасників дорожнього руху. Газорозрядні лампи також із середини вкриті спеціальною фарбою, що світиться внаслідок газового розряду, що проходить у ній.

Джерела світла можна поділити на такі, що існують у природі, й ті, що створила людина. За цією ознакою джерела світла поділяються на природні та штучні.

Мал. 81. Джерела світла

Джерела світла можуть випромінювати й невидимі промені — інфрачервоні, ультрафіолетові.

Приймачами світла називають пристрої, призначені для виявлення або ж вимірювання світлового (оптичного) випромінювання.

Приймачами світла є очі живих істот, а також спеціальні пристрої: термоелементи, фотоелементи, фотодіоди (мал. 82, с. 60). Принцип дії приймачів заснований на перетворенні енергії світлового випромінювання в інші види енергії (теплову, механічну, електричну), які є більш зручними для безпосереднього вимірювання. Наприклад, фотоплівка та фотопапір під дією світла змінюють свій хімічний склад.

Мал. 82. Приймачі світла

На цьому ґрунтується процес отримання фотографій. (Створення цифрових фотографій та їхній друк на кольоровому принтері має іншу природу.) Спеціальні пристрої — фотоелементи — перетворюють світлову енергію в електричну. Одними з найважливіших і необхідних для живої природи приймачів світла на Землі є листя рослин. Під дією світла в них відбувається процес фотосинтезу — утворення органічних сполук, що супроводжується виділенням кисню.

Для людини головним приймачем світла є око. Світло спричинює в очах нервові подразнення, які передаються в мозок людини. Завдяки обробці й аналізу цих сигналів людина сприймає навколишні предмети. Наша шкіра — це також приймач сонячного світла. Під дією світла вона нагрівається й змінює колір (засмагає).

Вода і ґрунт також є приймачами сонячного світла. Під дією світла вони нагріваються — перетворюють енергію світла на внутрішню енергію.

Швидкість поширення світла. У процесі розвитку фізики науковці використовували різні способи вимірювання швидкості світла. Першим її спробував розрахувати Галілео Галілей. Він проводив такий дослід. На вершині однієї гори стояв Галілей, а на іншій горі — його асистент, який повинен був відкрити кришку свого ліхтаря тоді, коли побачить світло від ліхтаря Галілея. Вимірявши час між моментами подачі й прийому світлового сигналу та знаючи відстань між вершинами гір, Галілей намагався розрахувати швидкість світла. Оскільки відстань між горами в порівнянні зі швидкістю світла, а отже й проміжок часу, були дуже малими, то зробити точні розрахунки Галілею так і не вдалося.

Оле Крістенсен Ремер (1644 – 1710) данський астроном, який першим виміряв швидкість світла в 1676 р.

У XVII ст. вперше швидкість світла визначив данський астроном Оле Крістенсен Ремер. Він, користуючись таблицями свого наставника Джованні Доменіко Кассіні, порівняв час початку затемнення супутника Іо планетою Юпітер, навколо якої цей супутник обертається, для випадків максимальної й мінімальної відстані від Землі до Юпітера. Запізнення становило 22 хв, і за цей час світло долає відстань, яка приблизно дорівнює діаметру орбіти Землі. У результаті Оле Ремер отримав приблизне значення швидкості світла, що становило 215 000 км/с.

Арман Іпполіт Луї Фізо (1819-1896) видатний французький фізик, член Паризької академії наук.

У ХІХ ст. швидкість світла вперше була визначена за допомогою лабораторного експерименту, який поставив французький фізик Арман Іпполіт Луї Фізо в 1849 р. (мал. 83).

Мал. 83. Схема досліду Фізо

Суть досліду така. Світло від джерела проходило через збиральну лінзу, і за допомогою напівпрозорого дзеркала спрямовувалось на зубчасте колесо. Пройшовши між зубцями й через збиральні лінзи, світло досягало дзеркала, яке містилося на відстані 𝑙 = 7 км від колеса. Якщо колесо нерухоме, то світло від джерела проходить крізь проміжок між зубцями колеса, відбивається від дзеркала й прямує до спостерігача. Для проходження світлом відстані від колеса до дзеркала й назад потрібен час t = , де с — швидкість світла.

Якщо колесо, що має m зубців, привести в обертання й підібрати кількість обертів колеса за секунду n таким, що за час t колесо повернеться на півзубця, то відбите від дзеркала світло потраплятиме на зубець і спостерігач не бачитиме його в окуляр. У цьому разі час проходження світлом відстані (2𝑙 = 14 км) можна визначити t = .

Після вимірювань та обчислень, Фізо дістав значення швидкості світла с = 313 247 304 .

Було розроблено й чимало інших, точніших лабораторних методів вимірювання швидкості світла. За сучасними даними, швидкість світла у вакуумі дорівнює с = 299 792 458 ± 1,2 .

Швидкість світла в різних прозорих речовинах теж вимірювали. Як виявилось, у воді вона в 4/3 раза менша, ніж у вакуумі. В усіх інших речовинах вона також менша, ніж у вакуумі. У повітрі швидкість світла мало відрізняється від швидкості світла у вакуумі. Як правило, користуються наближеним значенням швидкості світла с = 3 · 10 8 .

У 7 і 8 класах ми неодноразово зверталися до значень фізичних величин (пригадуєте, шкала відстаней, часу, температур і т.п.). Виявляли максимальні й мінімальні значення фізичних величин. Для швидкостей руху тіл існує певна особливість: швидкість світла у вакуумі є максимально можливою (граничною) швидкістю руху будь-яких сигналів. Жоден об’єкт не може рухатися зі швидкістю, більшою за швидкість світла у вакуумі. Останнє з’ясувалося після створення Альбертом Ейнштейном теорії відносності.

– Випромінювання світла здійснюється за рахунок енергії атомів, що перебувають у збудженому стані.

– Тіла, які самостійно випромінюють світло в навколишній простір, називають джерелами світла.

– Джерела світла бувають тепловими (гарячими) та люмінесцентними (холодними), природними та штучними.

– Швидкість світла у вакуумі є максимально можливою (граничною) швидкістю руху будь-яких сигналів і приблизно дорівнює с = 3 · 10 8 .

– У всіх інших прозорих речовинах швидкість світла менша, ніж у вакуумі.

Я поміркую й зможу пояснити

1. За яких умов речовина випромінює світло?

2. Назвіть природні та штучні джерела світла. Які з них є гарячими, а які — холодними?

3. Назвіть відомі вам приймачі світла.

4. Чим відрізняється випромінювання праски чи кип’ятильника від випромінювання електричної лампи розжарювання?

Я можу застосовувати знання й розв’язувати задачі