Дисперсия света. Излучение и спектры.
Шкала электромагнитных волн
Излучение, содержащее все электромагнитные волны видимого диапазона с длиной волны от 380 нм до 760 нм в определенном соотношении по интенсивности, называют белым светом. Опыты показали, что в вакууме скорость света не зависит от частоты или длины волны.
Длина световой волны в вакууме , где c – скорость света в вакууме, n – частота излучения.
Абсолютный показатель преломления среды где v – скорость света в среде, зависящая от длины волны.
Зависимость показателя преломления от частоты колебаний (или длины световой волны) называют дисперсией света. В подавляющем большинстве случаев с увеличением длины волны показатель преломления уменьшается. Такую дисперсию называют нормальной.
Прибор для разложения сложного света и наблюдения спектров называется спектроскопом, а прибор для фотографирования спектров — спектрографом.
Цвет непрозрачного тела определяется смесью цветов лучей, которые оно отражает. Если тело равномерно отражает лучи всех цветов, то при освещении белым светом оно кажется белым. Тело, поглощающее почти все падающее на него излучение, кажется черным. Способность тела поглощать определенные цветные лучи называют избирательным поглощением. От него и зависит окраска.
Метод исследования, позволяющий по спектру испускания и поглощения судить о химическом составе вещества, называют спектральным анализом.
Нагретое тело может не только излучать электромагнитные волны, но и поглощать их. Тело, полностью поглощающее падающее на него излучение, называется абсолютно черным. Абсолютно черное тело одновременно является наиболее интенсивным источником теплового излучения при данной температуре.
Закон Стефана- Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры (Rэ = s T 4 , где s = 5,672 • 10 –8 Вт/(м 2 • К 4 ), T – абсолютная температура).
Закон смещения Вина: длина волны, на которую приходится максимум энергии излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна абсолютной температуре: – постоянная Вина.
Разделение электромагнитных волн по частотам дает шкалу электромагнитных волн. Она включает в себя радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и g-излучения. Свойства электромагнитных волн зависят от их частоты.
Задача 1. Длина волны зеленого света в воздухе 540 нм. Определите длину волны этого света в стекле.
По формуле находим связь между длиной световой волны и скоростью ее распространения, учитывая, что частота
световых колебаний не изменяется при переходе света из одной среды в другую. Тогда длина волны зеленого света в воздухе а в стекле где v1 и v2 – скорости распространения этих волн соответственно в воздухе и стекле, n – частота световых колебаний. Разделив эти равенства почленно, получаем: .
Длина волны.
Сколько минимум фотонов нам нужно видеть?
Для того чтобы цветное зрение работало, колбочкам, как правило, нужно намного больше света, чем их коллегам-палочкам. Поэтому в условиях низкой освещенности цвет «гаснет», поскольку на передний план выходят монохроматические палочки.
В 1941 году исследователи Колумбийского университета усадили людей в темную комнату и дали их глазам приспособиться. Палочкам потребовалось несколько минут, чтобы достичь полной чувствительности — вот почему у нас возникают проблемы со зрением, когда внезапно гаснет свет.
Затем ученые зажгли сине-зеленый свет перед лицами испытуемых. На уровне, превышающем статистическую случайность, участники смогли зафиксировать свет, когда первые 54 фотона достигли их глаз.
После компенсации потери фотонов через всасывание другими компонентами глаза, ученые обнаружили, что уже пять фотонов активируют пять отдельных палочек, которые дают ощущение света участникам.
Цветовая температура светодиодных ламп (таблица)
Каков предел самого мелкого и дальнего, что мы можем увидеть?
Этот факт может вас удивить: нет никакого внутреннего ограничения мельчайшей или самой далекой вещи, которую мы можем увидеть. Пока объекты любого размера, на любом расстоянии передают фотоны клеткам сетчатки, мы можем их видеть.
«Все, что волнует глаз, это количество света, которое попадает на глаз, — говорит Лэнди. — Общее число фотонов. Вы можете сделать источник света до смешного малым и удаленным, но если он излучает мощные фотоны, вы его увидите».
Триллион звезд в галактике Андромеды, учитывая расстояние до нее, расплываются в смутный светящийся клочок неба. И все же ее размеры колоссальны. С точки зрения видимого размера, даже будучи в квинтиллионах километрах от нас, эта галактика в шесть раз шире полной Луны. Однако наших глаз достигает так мало фотонов, что этот небесный монстр почти незаметен.
Резонанс
Если громко говорить в одном помещении с гитарой — можно услышать, как на ней начал играть призрак. На самом деле частота струны совпала с частотой голоса и возник резонанс.
На графике ниже можно увидеть, что на некоторой частоте резко увеличивается амплитуда. Эта частота называется частотой резонанса.
Частота — это величина, обратная периоду. Она показывает, за какое время происходит одно колебание.
В мире существует очень много историй про то, как солдаты шли в ногу по мосту, он впал в резонанс и все провалились. А вот еще одна история про гидрологов — как говорится, из первых уст?
Команда гидрологов — специалистов по внутренним водам — работала на Алтае и изучала местную реку. Через реку был протянут веревочный мост, а по центру моста стояла лебедка, которая помогает поднять пробу воды из речки, не спускаясь до нее.
АКВАРИУМНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ Помощь в понимании Цветовой температуры в Кельвинах, длины волны в нанометрах, PAR, PAS, PUR
Примеры расчета длины волны для звуковых, электромагнитных и радиоволн
Задача №1
Скорость звука в воде 1450 м/с. На каком расстоянии находятся ближайшие точки, совершающие колебания в противоположных фазах, если частота колебаний равна 725 Гц?
Задача №2
Мимо неподвижного наблюдателя, стоящего на берегу озера, за 6 с. прошло 4 гребня волны. Расстояние между первым и третьим гребнями равно 12 м. Определить период колебания частиц волны, скорость распространения и длину волны.
Задача №3
Голосовые связки певца, поющего тенором (высоким мужским голосом), колеблются с частотой от 130 до 520 Гц. Определите максимальную и минимальную длину излучаемой звуковой волны в воздухе. Скорость звука в воздухе 330 м/с.
