Открытия оптических явлений

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Открытия оптических явлений

(статья)

Подготовил: преподаватель физики

Щербунова Евгения Олеговна

г. Кемерово

2015

Возраст и размер космоса запечатлен в свете. Природа красоты и вещества звезд - законы,  пространства и времени. Они находились там все это время, но мы не видели их. Пока не нашли  более мощный способ видения. История этого пробуждения имеет много начал и не имеет конца. Её герои происходят из множества разных  эпох и мест, каждый их них понемногу  приближал нас к раскрытию тайн скрытых в свете.

Откуда все пошло? Как мы превратились из мелких племен, скитающихся по земле охотников и собирателей, живущих под открытым небом в строителей глобальной цивилизации? Ответа нет. Перемена климата, открытие огня, изобретение различных инструментов, язык, сельское хозяйство – все сыграло свою роль. И возможно еще кое-что.

Впервые «полноформатные» комнаты-обскуры описаны арабскими путешественниками, проживавшими в сирийских пещерах с занавешенным шкурой входом. А уже их опыт творчески перенял и превратил в инструмент рисовальщика великий китайский философ и путешественник.

В Китае более двух тысяч лет назад философ Мо-Цзы увидел, что свет можно заставить рисовать картинку внутри запертой сокровищницы - это было первым описанием первой камеры – камеры-обскуры (рис.1), прообраза всех камер. Использование этого забавного свойства света привело к появлению того, что мы можем назвать первым фильмом. В работах Мо-Цзы можно найти первые признаки научного подхода.

Искры любознательности в его работах  были уничтожены на корню, первым императором, объединителем Китая - Цинь Шихуанди. Но пройдет еще тысяча лет, прежде чем люди снова увидят кино.

В древнем Китае и древней Греции ученые видели, что свет можно заставить вытворять чудеса, но они не задавались вопросом: почему это происходит? Тысячу лет назад, на территории современного Ирака жил другой философ - Ибн аль-Хайсам. Он интересовался окружающей нас природе, особенно тем, к чему остальные относились как должному. Он задавался вопросом: как мы видим?

В области физиологической оптики он дает описание строения глаза, следуя древнегреческому ученому Галену, и на опытной основе доказывает несостоятельность воззрений Платона и Евклида о свете как о лучах, которые испускаются глазом и «ощупывают» предметы. Ибн аль-Хайсам выдвинул собственную теорию, согласно которой «естественный свет и цветные лучи влияют на глаз», а «зрительный образ получается при помощи лучей, которые испускаются видимыми телами и попадают в глаз».

Основной вклад аль-Хайсама состоит даже не в гипотезах о природе света, а в том, что он нашел законы его прямолинейного распространения и отражения и умел ими пользоваться.

 В 11 веке Ибн аль-Хайсам решил проверить свои идеи на счет света и того как мы видим. Он разработал эксперимент, что бы определить, как движется свет. Днем он поставил палатку и плотно ее закрыл, оставив лишь маленькое отверстие, через которое проходил луч света. Используя лишь собственный мозг и линейку, аль-Хайсам совершил огромный скачек в истории науки – он определил, что свет движется прямолинейно. Так же он определил, что является основой создания любого изображения. Необходимо небольшое отверстие, ограничивающий попадающий в темное пространство свет. Чем меньше отверстие, тем из меньшей области может поступить свет, это делает изображение четче. Аль-Хайсам создал собственную камеру - обскуры, но она могла работать лишь днем при ярком свете. Ночью свет звезд слишком тусклый, нам необходимо достаточно крупное отверстие, что бы собрать свет, но при этом нам надо как-то сохранить фокус.

Телескоп собирает свет из любой точке, в поле зрения своей линзы или зеркала отверстие куда больше, чем в камере-обскуре. В 1609 году, с помощью одного из первых телескопов (рис.2), Галилей отодвинул завесу ночи и начал познавать космос.

Линзы,  позволили телескопам получить, заметно, большую площадь для сбора света, чем у наших глаз. Современные телескопы имеют огромную светосилу, высокочувствительные детекторы и они часами следят за одним объектом, собирая максимальный объем его света. Космические телескопы, вроде Хабла, смогли уловить свет от самых дальних и древних галактик, дав на много более четкие изображения космоса.

Свет обладает свойствами, отличающимися от всего, что существует вокруг человека. Возьмем скорость света. Элементарная частица света - фотон, излучаемая атомом или молекулой, рождается движущейся скоростью света. Фотон не знает другой скорости и нам не известен другой феномен -  мгновенно разгоняющийся с нуля до максимальной скорости. Ничто не способно двигаться так же быстро. Когда ученые пытаются разогнать другие частицы до скоростей приближающейся к скорости света, они оказывают все большее сопротивление, по мере того как становятся все тяжелее. Таким образом, еще не было эксперимента позволившего разогнать частицу до скорости света.

Люди плохо приспособлены к поразительным законам скорости света. Мы не знаем, почему существует ограничение скорости, и почему время замирает, когда вы движетесь со скоростью света. Что же вообще такое свет? 

Изучение света Исаака Ньютона началось, еще в детстве. Когда ему было уже за двадцать, Ньютон  первый раскрыл тайну радуги. Он обнаружил, что белый свет является смесью всех цветов радуги. Это изображение разложенного на цвета света он назвал спектром.

Вовремя этого эксперимента, Исаак упустил возможность сделать еще одно открытие. Но это не упустил другой ученый и в 1800 году он наткнулся на свидетельство существования окружающих нас миров. Это был Уильям Гершель, который ночью исследовал небеса, а днем  проводил эксперименты на основе опытов Ньютона. Все знают, что свет несет тепло. И Уильям Гершель задался вопросом: могут ли одни цвета нести больше тепла, чем другие. В начале 1800 г. Гершель заметил, что стекла различных цветов, употребляемые как светофильтры телескопов, по-разному поглощают свет и тепло солнечных лучей. Любопытство подтолкнуло его провести серию опытов для того, чтобы уточнить распределение интенсивности теплового воздействия по спектру солнечных лучей, получаемому посредством стеклянной призмы. Помещая чувствительный термометр с зачерненным шариком и каж­дую цветную полосу солнечного спектра, Гершель обнаружил, что показа­ния термометра увеличиваются по мере продвижения от фиолетовой полосы к красной (рис.3). В ходе опыта он обнаружил существование невидимых лучей, «обладающих наи­большей нагревательной силой». Гершель объяснил это явление невидимым тепловым излучением. Эти лучи мы не можем видеть, зато можем ощущать в качестве тепла. А вот это действительно серьезное открытие. Так как глубоко в свете скрываются великие тайны.

Примерно одновременно с открытием Уильяма Гершеля, Йозеф Фраунгофер в возрасте 14 лет серьезно пострадал при обрушении новостройки, и впоследствии получил от властей Баварии денежную компенсацию, на которую открыл собственное стекольное дело. К 27 годам Йозеф Фраунгофер уже был ведущим мировым создателем высококачественных линз, телескопов и прочих оптических инструментов. Фраунгофер экспериментировал с призмами, что бы найти наилучшее стекло для точных линз. Как же можно лучше  рассмотреть спектр, который дает призма? Так же как длина звука определяет высоту его тона, которую мы слышим, длину световой волны определяет цвет, который мы видим. Когда свет движется сквозь воздух или космос, все его цвета движутся с одной скоростью. Но когда он сталкивается со стеклом под углом, свет замедляется и меняет направление. Внутри призмы каждый цвет движется с разной скоростью: в стекле фиолетовый цвет (самая коротка длина волны) замедляется  и движется гораздо медленнее красного, у которого длина волны самая большая. Эти изменения в скорости разделяют цвета, направляя их немного  в разных направлениях. Вот как работает призма.

А что же значат, те вертикальные черные полосы в спектре, полученном Фраунгофером? Они возникают, когда световые волны определенных цветов поглощаются. Это происходит на совершенно ином уровне, намного меньше мира к которому мы привыкли – микромир. Возьмем наиболее распространенный в космосе атом – водород . Таким образом, мы переходим от оптики к квантовой физике. Химические свойства вещества определяются его орбиталями электронов. Силы, которые удерживают электроны, не имеют ничего общего с гравитацией – это сила электрического напряжения. Чем орбиталь больше, тем больше энергия у электрона. Электрону необходимо получить энергию, чтобы занять более высокую орбиталь и потерять энергию, чтобы совершить скачек вниз. Каждый скачек вверх вызван поглощением атомом световой волны, но мы понятия не имеем, что приводит к скачкам вниз. Солнце излучает во всем диапазоне, и если взглянуть на солнечный свет через призму, то можно увидеть его спектр (рис. 4). Воспользовавшись телескопом можно увидеть, что когда энергия электрона падает и он перескакивает на орбиталь ниже свет, который он излучает,  пропадает. Большая его часть не доходит до нас, из-за этого появляются темные участки - черные вертикальные линии в спектре. Зная эти свойства спектра, какой бы предмет мы с вами не взяли, можно определить его химический состав. Линии Фраунгофера, как и любое другое открытие в истории науки, оно дало дорогу для новых и более глубинных загадок.

Спектральные линии Фраунгофера показали, что все видимом космосе состоит из одних и тех же химических элементов: планеты, звезды, галактики, люди и все что их окружает. Фраунгофер позволил нам узнать:  из чего состоят атмосферы других планет и  галактик; что наша вселенная расширяется; движение отдаленных от нас планет и других объектов; существование темной материи.

 

 

Список источников:

1.                     Дмитриева, В.Ф. Физика: учебник для студенческих общеобразовательных учреждений среднего профессионального образования / В.Ф. Дмитриева.  – 6-е издание. стереотип. – М.: Издательский центр Академия, 2005. -  280-288.

Электронные ресурсы:

1.    Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. - http://wikipedia.org . - (дата обращения: 21.01.2015).

2.    Единое окно доступа к образовательным ресурсам [Электронный ресурс].  – Режим доступа : http://window.edu.ru/window, свободный. -  Загл. с экрана. - (Дата обращения: 21.01.2015).

3.    Портал естественных наук  » [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://e-science.ru/physics, свободный. -  Загл. с экрана. - (Дата обращения: 21.01.2015).­­­­­