Исторический экскурс

Сегодня каждый ребенок старшего школьного возраста, проявляющий интерес к окружающей действительности, знает, что такое свет, и какую природу он имеет. В школах и колледжах лаборатории оснащены оборудованием, позволяющим увидеть подтверждение тем законам, которые сформулированы в учебниках. Чтобы выйти на такой уровень понимания и представления, человечеству пришлось пройти долгий и тяжелый путь познания. Пробиться сквозь догматизм и мракобесие.

В древнем Египте считали, что окружающие людей предметы испускают собственное изображение. Попадая в глаза людей, излучение формирует у них соответствующее изображение. Древнегреческий ученый Аристотель представлял картину мира иначе. Это человек, его глаз является источником лучей, которыми он «ощупывает» предмет. Сегодня суждения подобного рода вызывает снисходительную улыбку. Фундаментальное изучение физической природы света началось в рамках общего развития науки. 

К началу восемнадцатого века наука накопила достаточный объем знаний и наблюдений, чтобы сформулировать основные понятия о том, какую природу имеет свет. Точка зрения Христиана Гюйгенса заключалась в том, что излучение распространяется в пространстве волнообразно. Знаменитый и уважаемый Исаак Ньютон пришел к выводу, что свет это не волна, а поток мельчайших частиц. Эти частицы он назвал корпускулами. На тот момент научное сообщество приняло корпускулярную теорию о свете.

На основе этого постулата легко представить из чего состоит свет. Ученые и экспериментаторы почти двести лет изучали свойства света в видимой части спектра. К середине 19-го века в физике как науке, появились иные представления о том, что такое свет. Закон электромагнитного поля, который сформулировал шотландский ученый Джеймс Максвелл, гармонично соединил идеи Гюйгенса и Ньютона. По сути свет это волна и частица одновременно. За единицу измерения светового потока приняли квант электромагнитного излучения или другим словом – фотон.   

Законы классической оптики

Фундаментальные исследования света в природе позволили накопить достаточную информацию, и сформулировать основные законы, которые объясняют свойства светового потока. В их числе значатся следующие явления:

·         Прямолинейное распространение луча в однородной среде;

·         Отражение луча от непрозрачной поверхности;

·         Преломление потока на границе двух неоднородных сред.

В своем учении о свете Ньютон объяснял наличие разноцветных лучей присутствием в них соответствующих частиц.

Действие закона преломления можно наблюдать в бытовых условиях. Для этого не требуется специальное оборудование. Достаточно в солнечный день поставить на солнце стеклянный стакан, наполненный водой, и поместить в него чайную ложечку. При переходе из одной среды в другую, более плотную, частицы изменяют траекторию движения. В результате изменения траектории, ложечка в стакане представляется искривленной. Так объясняет это явление Исаак Ньютон.     

В рамках квантовой теории этот эффект объясняется изменением длины волны. Когда луч света попадает в более плотную среду, скорость его распространения уменьшается. Такое происходит, когда световой поток переходит из воздуха в воду. И наоборот, скорость потока увеличивается при переходе из воды в воздух. Этот фундаментальный закон используется в приборах, которые применяются для определения плотности технических жидкостей. 

В природе эффект преломления светового потока все желающие могут увидеть летом после дождя. Семицветная радуга над горизонтом возникает в результате преломления солнечного света. Свет проходит через плотные слои атмосферы, в которых накопись мелкодисперсные водяные пары. Из школьного курса оптики известно, что белый свет разделяется на семь составляющих. Эти цвета легко запомнить – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. 

Закон отражения сформулирован еще древними мыслителями. Используя несколько формул, наблюдатель может определить изменение направления светового потока после встречи с отражающей поверхностью. Падающий и отраженный световой поток находятся в одной плоскости. Угол падения луча равен углу отражения. Эти свойства света используются в микроскопах и зеркальных фотоаппаратах.  

Закон прямолинейного распространения гласит, что в однородной среде видимый свет распространяется по прямой линии. Примером однородных сред могут быть воздух, вода, масло. Если на линии распространения луча поместить предмет, то возникнет тень от этого предмета. В неоднородной среде направление потока фотонов меняется. Часть поглощается средой, часть меняет вектор движения.

Источники света

На протяжении всей истории своего развития человечество пользуется естественными и искусственными источниками света. К числу естественных принято относить следующие источники:

·         Солнце;

·         Луна и звезды;

·         Некоторые представители флоры и фауны.

Некоторые специалисты относят к этой категории огонь, который присутствует в костре, печи, камине. Северное сияние, которое наблюдается в Арктических широтах, тоже входит в перечень. 

Важно отметить, что природа света у перечисленных «светил» разная. Когда электрон в структуре атома, переходит с высокой орбиты на низкую, в окружающее пространство выделяется фотон. Именно этот механизм лежит в основе возникновения солнечного света. На Солнце длительное время сохраняется температура выше шести тысяч градусов. Поток фотонов «отрывается» от своих атомов и устремляется в космическое пространство. Примерно 35% этого потока попадают на Землю. 

Луна не испускает фотонов. Это небесное тело только отражает свет попавший на поверхность. Поэтому лунное освещение не приносит тепла, как солнечное. Свойство некоторых живых организмов и растений испускать кванты света приобретено ими вследствие длительной эволюции. Светляк в ночной тьме привлекает к себе насекомых для пропитания. Человек не имеет таких способностей и для повышения комфорта использует искусственное освещение.   

Еще сто пятьдесят лет тому назад большое распространение имели свечи, лампы, лучины и факелы. Население земли, в своем большинстве, использовало один источник света – открытый огонь. Свойства света интересовали инженеров и ученых. Изучение волновой природы света привело к важным изобретениям. В обиходе появились электрические лампы накаливания. В последние годы на рынке представлены осветительные приборы на базе светодиодов. 

Важные свойства света

Волна света в оптическом диапазоне воспринимается глазами человека. Диапазон восприятия невелик, от 370 до 790 нм. Если частота колебания ниже этого показателя, то ультрафиолетовое излучение «оседает» на коже в виде загара. Коротковолновые излучатели используются в солярии для ухода за кожей в зимний период. Инфракрасное излучение, частота которого за пределами верхней границы, ощущается как тепло. Практика последних лет подтвердила преимущества инфракрасных обогревателей перед электрическими.

Человек воспринимает окружающий мир благодаря способности своих глаз воспринимать электромагнитные волны. Сетчатка глаза обладает способностью улавливать фотоны и предавать полученную информацию для обработки в определенные участки мозга. Этот факт свидетельствует о том, что люди являются частью окружающей природы.