Источники света. Свет и тень

Кто из вас не восхищался великолепием новогодней ёлки, сверкающей разноцветными огоньками? Или чудом природы – северным сиянием? Свет завораживает людей, помогает им глубже постигнуть окружающий мир. Но значение света в человеческой жизни не ограничивается лишь получением знаний о природных явлениях. Сам свет порождает разнообразные процессы: химические реакции (например, фотосинтез в растениях), электрические токи (солнечные батареи, играющие важную роль в космических полётах). Без света была бы невозможна сама жизнь на нашей планете.

С незапамятных времён, начиная с эпохи задолго до античных греков, когда, согласно легенде, Аполлон мчался по небесам в своей огненной колеснице, и вплоть до наших дней, когда городские центры погружены в море света, свет всегда пленял человеческое воображение, одновременно оставаясь непостижимой тайной. В природе не существовало ничего столь неуловимого, никакой другой её секрет не был защищён так тщательно, как разгадка истинной сущности света.

Что же представляет собой свет? Древнегреческие философы верили, что свет – это особое вещество или субстанция, которое исходит из человеческих глаз. По их мнению, зрение возникает благодаря тому, что глаза испускают потоки этого вещества, ощупывающие предметы вокруг. Но почему же человек не способен видеть в темноте? Этот вопрос оставался без ответа.

К концу XVII века возникли две разные теории о природе света. Одна группа учёных утверждала, что свет состоит из потока частиц – корпускул. Другая считала, что свет представляет собой волну.

Кто же из них оказался прав? Все! Оказалось, что свет в одних случаях ведёт себя как волна. В других – как поток частиц. Однако подробности этих теорий станут понятнее позже, в ходе изучения физики. Сейчас же давайте рассмотрим наиболее простые и наглядные проявления света.

Все знают, что солнечный свет, попадающий на Землю, нагревает предметы, на которые он направлен. Это значит, что свет способен переносить энергию. Наверняка вам знакомо понятие излучения как одного из способов передачи тепла. Такой процесс возможен даже в вакууме. Таким образом, свет – это излучение, но только та его часть, которая воспринимается нашим глазом. Именно поэтому его часто называют видимым излучением.

Любые объекты, способные излучать свет, называются источниками света. Среди них можно выделить такие природные явления, как Солнце и другие звезды, а также созданные человеком объекты вроде свечей, электрических лампочек, костров и молний.

Эти источники принято называть тепловыми.

Существуют также источники света среди живых организмов, таких как светлячки, глубоководные рыбы и некоторые виды грибов. Такие источники света называют источниками холодного свечения.

Помимо этого, источники света подразделяются на две крупные категории: естественные и искусственные.

Естественными источниками света считаются Солнце и прочие звёзды, молнии и другие атмосферные разряды, а также упомянутые ранее светящиеся организмы.

Искусственными источниками света являются электрические лампы, свечи и аналогичные устройства.

Теперь проведём небольшой эксперимент. Добавим немного флуоресцеина в воду и пропустим через полученный раствор белый свет. Гляньте, раствор начал светиться зелёным цветом.

Такие вещества, которые начинают светиться только после прохождения через них света, называются фотолюминофорами. А само явление такого свечения называется фотолюминесценцией.

Способность веществ светиться при их облучении применяют, например, в рекламных целях. В новогоднюю ночь вы наверняка замечали, как светятся ёлочные украшения, обработанные подобными веществами. Дорожные знаки, окрашенные краской с добавлением люминофора, светятся под воздействием автомобильных фар, делая их хорошо различимыми для водителей и обеспечивая безопасность движения.

Особое место среди источников света занимает лазер, нашедший широкое применение в различных областях, включая телевидение, связь, медицину, машиностроение и приборостроение, а также метрологию. Именно лазер позволил ответить на вопрос: «Сколько сантиметров (заметьте, не километров, а сантиметров) от Земли до Луны?»

Основная масса объектов, которые мы видим, сами не излучают свет, а лишь отражают падающий на них свет. Примерами таких объектов являются Луна, деревья, здания, люди и многие другие.

Некоторые источники света способны излучать не только видимый свет, но и невидимые лучи. Например, ультрафиолетовое излучение, о котором вы наверняка слышали, способствует загару кожи. Инфракрасное излучение тоже невидимо для человеческого глаза. Однако оно переносит тепловую энергию между объектами посредством излучения. Тем не менее, в рамках данного урока мы сосредоточимся исключительно на видимом свете, который включает в себя весь спектр цветов – от красного до фиолетового.

Если размеры источника света незначительны относительно условий наблюдения, такой источник считается точечным. В качестве примеров точечных источников света можно привести звёзды и уличные фонари.

А теперь давайте соберём простую электрическую цепь, где нагрузка представлена маленькой лампочкой на подставке. Легко заметить, что любой точечный источник света излучает свет по всем направлениям.

Теперь накроем горящую лампочку колпачком с небольшим отверстием. Через это отверстие проходит узкий световой пучок. Под световым пучком понимается область пространства, в пределах которой распространяется свет.

Существует три типа световых пучков: расходящийся, параллельный и сходящийся. Опыт показывает, что световые пучки ведут себя независимо друг от друга: пересекающиеся пучки света продолжают распространяться отдельно, не влияя друг на друга.

Линию, вдоль которой распространяется свет, называют световым лучом. Чем меньше отверстие, тем ближе световой пучок к модели светового луча.

– Как именно распространяется свет?

Чтобы ответить на этот вопрос, проведём небольшой эксперимент. Установим на стол три экрана с отверстиями. Затем зажжём свечу или электрическую лампочку и попробуем посмотреть на свет сквозь эти отверстия, передвигая экраны. После этого возьмём тонкий прямой стержень и вставим его в отверстия. Видим, что стержень проходит через все отверстия. Это означает, что они находятся на одной линии.

Теперь уберём стержень. И сдвинем один из экранов. Свет перестаёт попадать в глаз. Это свидетельствует о том, что в воздухе свет распространяется прямолинейно.

– А как поведёт себя свет в другой среде, например, в воде?

Для ответа на этот вопрос снова воспользуемся опытом. Наполним стеклянный сосуд водой и добавим немного молока.

Затем поднесём фонарик или лазерную указку, создающую узкий световой пучок, к стенке сосуда. В воде мы увидим прямую светящуюся линию, образованную светом, отражённым от частиц молока.

Это подтверждает, что и в воде свет распространяется прямолинейно. И воздух, и вода обладают одинаковыми физическими свойствами по всему объёму. Следовательно, обе среды являются однородными.

Таким образом видим, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. В этом и есть суть закона распространения света.

Этот закон был известен ещё в древности. О нём писал великий геометр Евклид ещё за 300 лет до нашей эры. А например, древние египтяне применяли этот принцип при установке колонн. Они располагали их таким образом, чтобы ближайшая к глазу колонна закрывала собой остальные, создавая визуальную прямую линию.

– А что произойдёт, если среда окажется неоднородной?

В таком случае закон прямолинейного распространения света действует только тогда, когда световой луч падает перпендикулярно на границу раздела двух сред. Если угол падения отличается от прямого, свет изменяет своё направление при переходе из одной среды в другую.

Неоднородность среды вызывает искривление световых лучей, что ведёт к появлению оптических иллюзий, известных как миражи. Такая неоднородность среды чаще всего обусловлена разной температурой соседних слоёв воздуха.

Прямолинейное распространение света объясняет многие явления, включая образование теней и полутеней. Давайте проведём следующий эксперимент. Возьмём маленькую электрическую лампочку, мяч на подставке и экран. Разместим их примерно на одной линии. После включения лампочки на экране появится чёткая тень от мяча.

Итак, тенью называют ту часть пространства позади непрозрачного предмета, куда не проникает свет.

Теперь осветим мяч двумя лампочками. На экране появятся тень – область, куда не доходит свет ни от одной из лампочек, и полутень – участки, освещённые только одной из лампочек. Тень и полутень можно создать и от одного источника света, если он не является точечным.

Таким образом, полутень – это область пространства, в которую попадает свет только от части источника света.

Каждый из вас, безусловно, может вспомнить множество примеров, связанных с появлением теней и полутеней в повседневной жизни. Однако мы хотели бы обратить ваше внимание на несколько интересных и менее привычных явлений. Образование теней и полутеней играет ключевую роль в солнечных и лунных затмениях.

Исходя из вашего жизненного опыта, вы знаете, что предметы, расположенные близко к вам, кажутся крупнее тех, что находятся вдали. Луна приблизительно в 400 раз меньше Солнца, но находится в 400 раз ближе к Земле. Такое удивительное совпадение делает Солнце и Луну визуально равновеликими на нашем небе. Именно эта особенность лежит в основе редкого и впечатляющего астрономического события, известного как затмение.

Итак, что же происходит при затмениях? Все вы хорошо знаете, что Земля обращается вокруг Солнца, а Луна – вокруг Земли. Время от времени они выстраиваются на одной линии. Когда Луна оказывается между Землёй и Солнцем (момент новолуния), она временно перекрывает солнечный свет, отбрасывая конус тени на поверхность планеты.

Однако маленькая Луна не способна полностью закрыть всю Землю. Поэтому полное солнечное затмение смогут наблюдать только жители той территории, на которую падает тень от Луны. В районах, находящихся в зоне полутени, где свет доходит лишь частично, наблюдатели увидят только часть солнечного диска. Это явление называется частным солнечным затмением.

Поскольку орбита Луны имеет форму эллипса, бывают случаи, когда Луна оказывается значительно дальше от Земли. Тогда её диск становится недостаточно большим, чтобы полностью скрыть Солнце. В результате мы можем наблюдать кольцеобразное солнечное затмение.

Каждый год на Земле фиксируется от 2 до 5 солнечных затмений. Однако в одной и той же точке планеты полное солнечное затмение случается крайне редко – в среднем один раз в каждые 200–300 лет. Хотя бывают и исключения.

Во время полнолуния, когда земная тень направлена в сторону, противоположную Солнцу, Луна иногда может оказаться в этой тени, что приводит к лунному затмению. Если Луна лишь частично попадает в земную тень, такое затмение называют частным теневым. А если полностью погружается в неё – полным теневым затмением. При полном лунном затмении Луна зачастую приобретает бурый или темно-красный оттенок.

Обычно в течение года на Земле можно наблюдать одно – два (1–2) лунных затмения. Однако случаются годы, когда лунные затмения вообще не происходят.

Тем не менее, возникает вопрос: почему солнечные и лунные затмения не происходят ежемесячно? Казалось бы, они должны происходить при каждом обращении Луны во время новолуния и полнолуния.

Всё дело в том, что орбита Луны слегка наклонена относительно плоскости орбиты Земли. С точки зрения Солнца, Луна в своём движении вокруг Земли чаще всего проходит либо над, либо под Землёй. Только иногда Луна, Земля и Солнце оказываются строго на одной линии.

Таким образом, если бы наклона лунной орбиты не существовало, мы могли бы наслаждаться этими астрономическими событиями каждый месяц.

В заключение отметим, что ничто в природе не оставалось столь неуловимым, и ни одна тайна не охранялась природой так тщательно, как секрет света. Именно поэтому свет часто называли самым тёмным пятном в физике.