30. Свет. Источники света

Определения и обозначения

Свет — электромагнитное излучение, воспринимаемое глазом и вызывающее зрительные ощущения. Электромагнитным называют излучение, которое может распространяться в виде волн и переносить энергию. Глаз замечает только видимую часть этого излучения, поэтому радиоволны или рентгеновские лучи светом в повседневном смысле не называют.

Источник света — тело или устройство, испускающее свет. Такие тела создают свет сами, в отличие от предметов, которые только отражают его. Это понятие помогает понять, откуда свет попадает на освещённые тела и в наши глаза.

Естественный источник света — природное тело, самостоятельно излучающее свет. К таким источникам относятся Солнце, звёзды и некоторые живые организмы. По этой категории можно определить происхождение источника, а не способ его свечения.

Искусственный источник света — созданное человеком устройство или тело, излучающее свет. Примеры — электрическая лампа, светодиод и свеча. Это определение нужно, чтобы отличать созданные людьми источники от природных.

Как это устроено

Свет считают электромагнитным излучением, потому что он переносит энергию и распространяется как электромагнитная волна. Видимый свет занимает лишь небольшую часть спектра: у волн за пределами этого диапазона длина волны и свойства другие, и глаз их не воспринимает. Поэтому радиоволны, инфракрасное излучение и рентгеновские лучи относятся к тому же широкому семейству, но не видны человеку. Различие связано не с тем, что одни волны «настоящие», а другие нет, а с чувствительностью глаза.

Нагретые тела излучают энергию, потому что движение и взаимодействие частиц в веществе приводят к испусканию электромагнитных волн. При умеренном нагреве тело может излучать преимущественно невидимое инфракрасное излучение, а при достаточно высокой температуре начинает светиться видимым светом. С повышением температуры меняется распределение излучения по цветам: свечение обычно становится ярче и может переходить от красноватого к более белому. Поэтому цвет и яркость раскалённого тела связаны с его температурой.

Люминесценция — свечение, которое возникает не из-за высокой температуры тела. Энергию для него могут дать химические реакции, электрический ток или поглощённое ранее излучение, поэтому люминесцентный источник способен светиться сравнительно холодным. В природе примером служат светлячки и некоторые морские организмы. В технике люминесценцию используют в светодиодах и люминесцентных лампах.

По происхождению источники делят на естественные и искусственные, а по механизму излучения — например, на тепловые и люминесцентные. Это разные основания классификации: первое отвечает на вопрос, создан ли источник человеком, второе — почему он светится. Поэтому один источник может одновременно иметь две характеристики. Костёр, например, может быть искусственным по происхождению и тепловым по механизму свечения.

Для описания распространения света вводят лучи — условные линии, показывающие направление движения света. Реальный источник часто имеет заметные размеры, но в задаче его можно заменить точечным, если эти размеры малы по сравнению с расстоянием до рассматриваемой области. Такая модель упрощает чертёж и расчёты, сохраняя важное направление света. Если размеры источника влияют на результат, например на размытость тени, считать его точечным уже нельзя.

Классификация источников света

Сначала определите, по какому признаку нужно классифицировать тело: по происхождению или по механизму излучения. Затем выберите подходящую строку и сравните с ней пример. Один предмет может подходить сразу к двум строкам, если речь идёт о разных признаках.

Разбор задач

Задача 1. Распределите Солнце, Луну, свечу, светодиод, костёр и белый лист бумаги на источники света и освещённые тела. Нужно выяснить, какие объекты испускают свет сами, а какие становятся видимыми за счёт света, пришедшего от другого источника. Не следует ориентироваться только на то, что предмет хорошо виден.

1. Проверяем, создаёт ли тело видимый свет самостоятельно, а не отражает ли падающее излучение.
2. Солнце, свеча, светодиод и пламя костра испускают свет, поэтому это источники.
3. Луна отражает солнечный свет, а белый лист отражает свет лампы или Солнца; оба тела освещённые.

Ответ: источники — Солнце, свеча, светодиод и костёр; освещённые тела — Луна и белый лист бумаги. В реальной ситуации лист или Луна могут отражать свет в разных направлениях, но отражение не превращает их в самостоятельные источники.

Задача 2. Расстояние от Солнца до Земли примерно равно 1,5·10¹¹ м, скорость света — 3·10⁸ м/с. Найдите время, за которое свет проходит это расстояние. Здесь важно не принимать скорость за бесконечную: она очень велика, но путь всё же занимает время.

1. Записываем известные величины: s = 1,5·10¹¹ м, v = 3·10⁸ м/с.
2. Используем связь времени, пути и скорости: t = s/v.
3. Подставляем значения: t = (1,5·10¹¹)/(3·10⁸) = 0,5·10³ = 500 с. Переводим секунды в минуты: 500 с = 8 мин 20 с.

Ответ: свет идёт от Солнца до Земли примерно 500 с, то есть 8 мин 20 с. Расстояние огромное, поэтому даже при скорости 300 000 км/с путь не преодолевается мгновенно.

Задача 3. Почему тень от маленькой лампы на экране имеет резкие границы, а от большой светящейся панели — размытые? Нужно сравнить, приходят ли к точке экрана световые лучи из одного места источника или из разных его частей. В задаче источник и предмет закрывают часть света.

1. Маленькую лампу можно считать почти точечным источником: за препятствием возникает область, куда лучи не попадают.
2. Поскольку источник почти точечный, переход от освещённой области к неосвещённой получается резким.
3. У панели разные участки излучают свет с разных направлений. За предметом появляется полная тень, куда не попадает свет ни от одного участка, и полутень, куда свет от части панели доходит.

Ответ: маленький источник даёт преимущественно резкую границу тени, а протяжённая панель — полутень и размытую границу. Чем больше источник относительно предмета и расстояний в задаче, тем заметнее размытость.

Типичные ошибки

Ошибка — считать Луну источником света, потому что она ярко видна на ночном небе. Обычно Луна отражает свет Солнца, а не испускает его сама; поэтому её относят к освещённым телам. Проверка проста: спросите, продолжала бы Луна светиться видимым светом без солнечного освещения.

Ошибка — называть источником всякий видимый предмет. Её допускают, потому что в обычной речи «светится» иногда означает просто «хорошо заметен». Но предмет может отражать падающий свет, а не создавать его; проверьте, есть ли у него собственное излучение, как у лампы, или только отражение, как у бумаги.

Ошибка — смешивать естественные и искусственные источники с тепловыми и люминесцентными. Причина в том, что обе пары описывают источники, но отвечают на разные вопросы: кто или что создало источник и за счёт чего он светится. Проверяйте классификацию отдельно по каждому признаку: например, светодиод искусственный и люминесцентный.

Ошибка — считать, что свет распространяется мгновенно. Так кажется из-за большой скорости света на коротких земных расстояниях, однако на больших расстояниях задержка измерима. Если в условии даны путь и скорость, найдите время по формуле t = s/v и проверьте единицы измерения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления об электромагнитной волне: она переносит энергию и распространяется с определённой скоростью. Эти знания объясняют, почему свет может пройти от далёкого источника до наблюдателя не сразу. Скорость и путь позволяют вычислить время распространения.

Направление распространения света и свойства источника понадобятся при изучении отражения и преломления. Те же идеи помогают объяснить образование тени и построение изображения в зеркалах и линзах. Модель точечного источника особенно удобна для анализа хода лучей.

Источники света важны при изучении освещения и оптических приборов: нужно понимать, откуда берётся свет и как он попадает на предмет или в прибор. В астрономии свет от звёзд и других далёких объектов помогает исследовать строение Вселенной. Поэтому свойства излучения связывают школьную оптику с изучением космоса.

Что запомнить

• Свет — видимое электромагнитное излучение.
• Источник света сам испускает свет.
• Освещённое тело может быть видимым, даже если оно не является источником света.
• Источники бывают естественными и искусственными.
• По механизму излучения источники делятся, в частности, на тепловые и люминесцентные.
• Скорость света в вакууме примерно равна 3·10⁸ м/с.
• Для упрощения расчётов протяжённый источник иногда заменяют точечным.