Текст к презентации «Свет в нашей жизни»

Свет в нашей жизни.

2015 год Генеральной Ассамблеей ООН объявлен Международным годом света и световых технологий.

2015 год является юбилейным для ряда важных вех в истории науки о свете:

написание в 1015 году работ по оптике Ибн аль-Хайсамом (Альхазеном), ученый создал фундаментальный труд «Книга оптики» (в 7 книгах) и его часто именуют «отцом оптики»;

введение в 1815 году Огюстеном Френелем понятия световой волны;

появление в 1865 году электромагнитной теории распространения света, созданной Джеймсом Максвеллом

появление в 1905 году теории фотоэлектрического эффекта, предложенной Альбертом Эйнштейном;

введение в 1915 году в космологию понятия света благодаря общей теории относительности Альберта Эйнштейна;

открытие в 1965 году Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном космического микроволнового фонового излучения;

успехи, достигнутые в 1965 году Чарльзом Као в области волоконно-оптической связи на основе передачи света.

Целью проекта является повышение осведомлённости граждан мира о важности света в их жизни, улучшение общественного понимания того, как оптические технологии содействуют устойчивому развитию и обеспечивают решение проблем в области энергетики, образования, сельского хозяйства, связи и здравоохранения, а также укрепление международного сотрудничества в области световых технологий. В рамках проекта, к которому присоединились 85 стран мира, проходят различные выставки, фестивали, семинары, конкурсы.

Международное сообщество оптики и фотоники назвали лучшую фотографию Международного года света и световых технологий. Фотография отображает трудности связанные с проблемами освещения и энергоснабжения в развивающихся странах, с  которыми сталкиваются 1.5 миллиарда человек во всем мире.

Фотография была сделана  фотографом  Анди Лаксоно в деревне Уо Ребо на острове Флорес в Индонезии. Пятилетний мальчик учится в темной хижине, и только утренний солнечный свет, пробивающийся сквозь маленькое окошко, освещает тетрадь маленького ученика. По словам фотографа, единственный источник освещения в деревне Уо Ребо – это солнечный свет или несколько маленьких солнечных батарей, которые работают несколько часов вечером.

Большинство детей в развивающихся странах вынуждены работать днем, чтобы обеспечить свои семьи. Молодежь лишена  возможности читать и писать ночью, используя лампочки, таким образом, лишены образования.

Около двух тысяч человек в  мире проголосовали за фотографию Анди Лаксона. Фотография, иллюстрирующая важность света и образования, недостаток эффективных форм освещения, получала «Приз зрительских симпатий». Одна из главных тем Года света - энергоснабжение - должна способствовать развитию использования портативных светодиодных фонарей на солнечной энергии в регионах с минимальным освещением.

Но что такое свет? Какое определение мы найдем в словаре?

Ученым потребовалось много времени, чтобы найти ответ на этот вопрос. И ответ оказался неожиданным. Дело в том, что в одних явлениях свет ведет себя как поток частиц (их называют квантами света, или фотонами), в других - как волна. Например, радуга, переливание мыльных пузырей, радужная окраска дисков возникает потому, что свет проявляет волновые свойства, а отклонение кометных хвостов от Солнца объясняется световым давлением, связанным с представлением о свете как потоке частиц. Природа света двойственна, ни корпускулярная, т.е. квантовая, ни волновая теория в отдельности не могут правильно описать и объяснить все свойства светового излучения.

Свет - в физической оптике - это электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. В широком смысле, светом часто называют любое оптическое излучение, то есть в этом случае в понятие «свет» помимо видимого излучения включаются как инфракрасное, так и ультрафиолетовое излучения.

Скорость света в вакууме — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как «цэ»). Скорость света в вакууме —фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО), входит во многие физические формулы. Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

В зависимости от происхождения различают естественные и искусственные (со­зданные человеком) источники света. К естественным  источникам  света  относятся, например, Солнце  и  звезды, раскаленная  лава  и  полярные  сияния,  некоторые  светящиеся  объекты  среди животных  и растений: глубоководная каракатица,  радиолярия,  светя­щиеся  бактерии  и  т.  п.  Так,  в  теплую  летнюю ночь в лесной  траве можно увидеть яркие  пят­нышки  света —  светлячков.

Естественные источники не могут полностью удовлетворить все возрастающую потребность человека  в  свете. И  потому  еще  в  древности  люди начали  создавать искусственные источники  света.  Сначала  это  были  костер  и  лучина,  позднее появились  свечи,  масляные  и  керосиновые  лам­пы.  В  конце XIX века была изобретена  электри­ческая лампа. Сегодня различные виды электри­ческих ламп  используют повсюду. В  помещениях  мы  обычно  используем лампы  накаливания.  К  сожалению,  они  недостаточно  экономны:  в  таких лампах  большая часть электрической энергии  расходуется  на нагревание  самой  лампы  и  окружающего  воз­духа  и  только  3—4  %  энергии  превращается в световую.  В  последние  годы,  однако,  появи­лись  новые,  в  несколько  раз  более  экономные конструкции  электрических ламп. Большие  помещения  (супермаркеты,  цеха предприятий  и  т.  п.)  освещаются источниками света в виде длинных  трубок — лампами дневного  света.  Для  разноцветной  иллюминации, которой  ночью  подсвечены  некоторые  дома, торговые центры и  т.  п.,  используют неоновые, криптоновые  и другие лампы.

В зависимости от  соотношения размера  источника света и расстояния от  него до приемника  света различают  точечные и протяженные ис­точники света.

В зависимости от температуры источников света их разделяют на тепловые и люминесцентные. Солнце  и  звезды,  раскаленная  лава  и лампа накаливания,  пламя  костра,  свечи,  газовые  горелки и т.  п. —  все это примеры тепловых источников света: они излучают свет благодаря тому, что имеют высокую собственную температуру.

Люминесцентные источники света отличаются от тепловых тем, что для их свечения не нужна высокая температура: световое излучение может быть довольно интенсивным, а источник при этом остается относительно холодным. Примерами  люминесцентных  источников  является  экран  телевизора, монитор  компьютера,  лампы дневного  света,  указатели  и дорожные  знаки, покрытые люминесцентной краской,  световые индикаторы,  некоторые организмы,  а также полярные  сияния.

Устройства,  с  помощью  которых  можно  обнаружить  световое  излучение, называют  прием­никами света. Естественными приемниками света являются глаза живых существ. Получая  с  помощью  этих  приемников  информацию,  организм  определенным  образом реагирует  на  изменения  в  окружающей  среде. Так, войдя из темноты в ярко освещенную комнату,  мы,  конечно,  зажмурим  глаза,  а  увидев ночью  свет фар  автомобиля  поблизости,  обяза­тельно остановимся  возле дороги.

Аналогичную  глазам  функцию  выполняют искусственные  приемники  света.  Так,  фото­электрическими приемниками света — фотодио­дами — оборудованы, например, турникеты для прохождения  пассажиров  в метро,  на вокзалах и  т.  п.  Искусственные фотохимические прием­ники —  это фото-  и кинопленка, фотобумага.

Свет в нашей жизни. Невозможно переоценить значение света для познания окружающего нас мира. Ведь наибольшую часть информации о нем мы получаем благодаря именно свету. Исследование света, идущего к нам от небесных тел, позволяет очень многое узнать о них. Здесь особенно важную роль играют спектры небесных тел. Это своего рода их "паспорта", расшифровывая которые астрономы добывают информацию о температуре, химическом составе небесных тел, скоростях, с которыми они движутся, приближаясь к нам или удаляясь от нас, и о многом другом. В повседневной жизни мы встречаемся с разными оптическими приборами - от очков до телескопов. Их, конечно, не смогли бы создать без исследования световых явлений.

Свет в жизни растений играет определяющую роль. Ведь световая энергия определяет процесс фотосинтеза. Фотосинтез – поглощение света растением через листья. В листьях содержится пигмент, называемый хлорофиллом, и именно через него растение поглощает световую энергию. Однако для того, чтобы растение развивалось оптимально, важно не только наличие световой энергии, но и спектр света, а также длительность светового периода, когда растение бодрствует, и темного периода, когда оно отдыхает.

Самые важные лучи для растений – оранжевые и красные. Эти лучи поставляют энергию для процесса фотосинтеза, а также «отвечают» за процессы, влияющие на скорость развития растения. Например, пигменты с пиком чувствительности в красной области спектра отвечают за развитие корневой системы, созревание плодов, цветение растений. Для этого в теплицах используются натриевые лампы, у которых большая часть излучения приходится на красную область спектра.

Также в фотосинтезе непосредственное участие принимают синие и фиолетовые лучи. Кроме того, в их функции входит стимулирование образования белков и регулирование скорости роста растения. Те растения, которые растут в природных условиях короткого дня, быстрее зацветают именно под воздействием этих лучей. Пигменты с пиком поглощения в синей области отвечают за развитие листьев, рост растения и т.д. Растения, выросшие с недостаточным количеством синего света, например, под лампой накаливания, более высокие - они тянутся вверх, чтобы получить побольше "синего света". Пигмент, который отвечает за ориентацию растения к свету, также чувствителен к синим лучам. Ультрафиолетовые лучи не позволяют растению чрезмерно «вытягиваться», отвечают за синтез ряда витаминов, а также, могут повышать холодостойкость растений. Таким образом, жизненно важными для развития растений не являются только желтые и зеленые лучи.

Поскольку у большинства растений ритм цветения совпадает с определенным временем суток, Карл Линней разработал так называемые цветочные часы, сгруппировав растения по времени раскрывания и закрывания. Первые такие часы были установлены в городе Упсала в Швеции. Время, указанное на этих цветочных часах, относится только к ясным и солнечным дням. В пасмурную, дождливую погоду или при сильном тумане цветы либо вовсе не раскрываются, либо раскрываются «не по расписанию». Работа биологических часов определяется вращением Земли, степенью освещенности и температуры, атмосферным давлением, влажностью воздуха, космической и солнечной радиацией. Благодаря «часам» растения могут подготовиться к восходу солнца и запуску процесса фотосинтеза — производства сахаров из углекислого газа и воды на свету. Ученые из Йоркского университета (Великобритания) предположили, что сахар играет ключевую роль в работе биологических «часов». Растения и животные, в отличие от нас, людей, соблюдают заложенные биологические ритмы очень точно, что обеспечивает им правильное развитие и экономию энергии: к примеру, светящиеся морские обитатели, грибы и водоросли, производят выделение люминесцентного вещества, дающего холодное свечение, только ночью. Это весьма рациональный подход: в дневное время слабое свечение не имело бы эффекта.

Под действием света происходит еще один интересный процесс, который называется фотоэффект – процесс выбивание (испускание) электронов из вещества. Фотоэффект лежит в основе работы солнечных батарей, которые находят все большее применение.

31 августа 1955 года на выставке в Чикаго состоялась первая в мире презентация прототипа автомобиля на солнечных батареях. Экспериментальная модель приводилась в действие небольшим электрическим мотором, питающимся от селеновых фотоэлементов. Уильям Кооб, ее создатель, гордо заявил, что пройдет еще несколько лет и улицы наших городов заполонят экологически чистые и экономичные «солнцемобили», не изрыгающие в атмосферу бесчисленное количество отравляющих газов и не использующие драгоценную нефть,Хотя массовое производство «солнцемобилей» еще не началось, но гонки на них походят ежегодно.

Благодаря фотоэффекту заговорило кино и стала возможной передача движущихся изображений, автоматически включаются и выключаются маяки и уличное освещение. Фотоэлементы используются в автоматах метро, для автоматизации станков на заводах и контроля размеров изделий.

Радуга; тень, отбрасываемая предметом; голубое небо; многоцветье окружающего нас мира - вот лишь несколько примеров световых явлений. Эти явления изучаются в разделе физики, который называется "оптика" (от греч. optike - наука о зрительных восприятиях).

Важное свойство света - прямолинейность его распространения. Только при этом условии возможно образование тени и возникновение затмений Солнца и Луны. Благодаря прямолинейности распространения свет маяка виден на многие километры.

Однажды люди заметили, что тени высоких камней и деревьев движутся в течение дня: они то растут, то уменьшаются, меняя положение. Примерно 5,5 тысяч лет назад, в 3 500 году до нашей эры какой-то догадливый человек воткнул в землю длинную палку. От палки падала тень. Получалось, что время можно было измерить, определив длину тени шагами. Так человек придумал солнечные часы. Тень от палки показывала время. Вокруг палки расчистили площадку и разложили камни, которыми отметили положение тени в разное время.Часы помещали на открытом, ярко освещаемом солнцем месте, а стрелкой часов служил стержень, отбрасывающий тень на циферблат. Этот стержень называется гномон, что на древнегреческом языке это означает «знающий».Позднее гномон стали устанавливать под наклоном в направлении полярной звезды, параллельно оси земли. Угол наклона гномона зависит от широты места, для которого изготовлены часы. Это сделало часы более точными.Солнечные часы были как будто резиновыми — они могли растягиваться и укорачиваться. Летом, когда день удлинялся, то и каждый час становился длиннее. Зимой, наоборот, он сокращался. В древности такой порядок был удобен и казался правильным. Летом в страдную пору, чтобы обеспечить урожай, все равно надо работать больше, поэтому хорошо, что день и час, как бы помогая земледельцу, становятся длиннее. Солнце движется по небу неравномерно, а часы — механизм довольно точный. Поэтому их приходилось все время подправлять, чтобы они шли хуже, но зато «в ногу» с Солнцем. Понятно, что все владельцы часов и часовые мастера восставали против такого порядка.  Начался настоящий бунт часовщиков против Солнца, который окончился их полной победой. Было решено не подравнивать ход часов по видимому движению Солнца по небосводу, а вести счет по-особому, среднесуточному времени.Теперь наши часы идут не в соответствии с видимым Солнцем, а по так называемому «среднему Солнцу». Время же, которое показывают солнечные часы, называется «истинным временем». Такой порядок удобен всем, а то, что полдень перестал совпадать с солнечным полуднем, так этого уже никто не замечает.

Лучи света отражаются от преград. Если лучи света падают на неровную поверхность, они отражаются во все стороны и делают эту поверхность освещенной. Именно поэтому мы можем видеть предметы, которые сами не светятся (в том числе Луну, планеты и их спутники). Если лучи падают на зеркало, они отражаются так, что мы видим в зеркале предмет в натуральную величину. Причем само зеркало мы не видим. “Чудо” это нередко показывалось в странствующих “музеях”. Непосвященного оно положительно ошеломляет: вы видите перед собой небольшой столик с тарелкой, а на тарелке лежит...живая человеческая голова, которая двигает глазами, говорит, ест! Под столиком спрятать туловище как будто негде. Хотя подойти вплотную к столу нельзя,— вас отделяет от него барьер,— все же вы ясно видите, что под столом ничего нет.

Когда вам придется быть свидетелем такого “чуда”, попробуйте закинуть в пустое место под столиком скомканную бумажку. Загадка сразу разъяснится: бумажка отскочит от... зеркала! Если она и не долетит до стола, то все же обнаружит существование зеркала, так как в нем появится ее отражение. Достаточно поставить по зеркалу между ножками стола, чтобы пространство под ним казалось издали пустым,— разумеется, в том лишь случае, если в зеркале не отражается обстановка комнаты или публика. Вот почему комната должна быть пуста, стены совершенно одинаковы, пол выкрашен в однообразный цвет, без узоров, а публика держится от зеркала на достаточном расстоянии. Секрет прост до смешного, но пока не узнаешь в чем он заключается, теряешься в догадках.

Иногда фокус обставляется еще эффектнее. Фокусник показывает сначала пустой столик: ни под ним, ни над ним ничего нет. Затем приносится из-за сцены закрытый ящик, в котором будто бы и хранится “живая голова без туловища” (в действительности же ящик пустой). Фокусник ставит этот ящик на стол, откидывает переднюю стенку,— и изумленной публике представляется говорящая человеческая голова. Фокус видоизменяют и на иной лад. Когда-то он взбудоражил весь Париж, а заключался он в следующем: стол и стоящая рядом секира были густо залиты кровью, сверху на столешнице лежала отрубленная голова, зрители из зала начинали задавать свои вопросы, причём на разных языках, и голова, словно пробудившись, начинала на них непринуждённо отвечать.

Секрет этого фокуса был раскрыт совершенно случайно, когда во время одного из представлений один слегка подвыпивший гражданин поссорился с головой и выхватил пистолет. В этот момент голова взметнулась и все увидели, что она принадлежит актёру, тело которого было под столом, а с боков его скрывали стеклянные панели, создающие иллюзию пустоты.

Всем известна хорошая игрушка, носящая название “калейдоскоп”: горсточка пестрых осколков отражается в двух или трех плоских зеркальцах и образует удивительно красивые фигуры, разнообразно меняющиеся при малейшем повороте калейдоскопа. Хотя калейдоскоп довольно общеизвестен, мало кто подозревает, какое огромное число разнообразных фигур можно получить с его помощью.

Допустим, вы держите в руках калейдоскоп с 20 стеклышками и 10 раз в минуту поворачиваете его, чтобы получить новое расположение отражающихся стеклышек. Сколько времени понадобится вам, чтобы пересмотреть все получающиеся при этом фигуры?

Самое пылкое воображение не предусмотрит правильного ответа на этот вопрос. Океаны высохнут и горные цепи сотрутся, прежде чем будут исчерпаны все узоры, скрытые внутри вашей маленькой внутри вашей маленькой игрушки, потому что для осуществления всех их понадобится по крайней мере 500 миллиардов лет. Свыше пятисот миллионов тысячелетий нужно вращать наш калейдоскоп, чтобы пересмотреть все его узоры!

Бесконечно разнообразные, вечно меняющиеся узоры калейдоскопа давно интересуют декораторов-художников, фантазия которых не может соперничать с неистощимой изобретательностью этого прибора. Калейдоскоп создает подчас узоры поразительной красоты, могущие служить прекрасными мотивами для орнаментов на обоях, для узоров на различных тканях и т. п.

Но в широкой публике калейдоскоп не вызывает уже того живого интереса, с каким встречен он был в начале XIX века, когда был еще новинкой. Его воспевали в прозе и стихах. Калейдоскоп изобретен был в Англии в 1816 г. и через год-полтора проник уже в Россию, где был встречен с восхищением.

Долго калейдоскоп оставался не более чем любопытной игрушкой и только в наши дни получил полезное применение для составления узоров. Изобретен прибор, помощью которого можно фотографировать эти узоры и, таким образом механически придумывать всевозможные орнаменты.

В Испании работает уникальная электростанция. Солнечные лучи, отраженные от 2600 зеркал, фокусируются на вершине башни, нагревая там жидкость. Получаемый в процессе нагрева пар заставляет двигаться турбины, которые вырабатывают электричество. В емкостях находится не вода, а раствор расплавленных солей, который долго сохраняет тепло. Поэтому гелио электростанция может работать ночью и в пасмурную погоду.

Многократное внутренне отражение используется в световодах, которые находят все более широкое применение.

Когда лучи света попадают из воздуха в какую-то другую прозрачную среду (воду, стекло), они преломляются (посмотрите сбоку на ложку или палочку в стакане с водой и увидите, что на границе раздела воздух - вода происходит "перелом"). Из-за преломления искажаются размеры и расстояния в воде и для наблюдателя с берега.

Если белый свет падает на трехгранную стеклянную призму, он преломляется и одновременно раскладывается на семь цветов. В этом заключается явление дисперсии. Цвета всегда расположены в определенном порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Такая цветная полоса называется спектром. Последовательность цветов в спектре можно запомнить с помощью простой фразы: "Каждый охотник желает знать, где сидит фазан". Дисперсия наблюдается и в природе. Вспомните радугу. Она получается из-за того, что солнечный свет преломляется в каплях дождя, как в призмах. Отражением и преломлением объясняется блеск кристаллов, алмазов, блеск капелек росы.

Отражением и преломлением лучей света в воздухе разной плотности объясняется получение миражей.

При всей важности зрения, оно не так уж совершенно — скажем, некоторые сочетания сигналов способны «перехитрить» мозг (как известно, «видим» мы нейронами, а не глазами), заставив человека путаться в размерах предметов или угадывать «движение» в статическом изображении. История оптических иллюзий насчитывает не одну тысячу лет, ещё в 350 году до нашей эры Аристотель писал: «Нашим чувствам можно доверять, но их всё же легко обмануть». Великий мыслитель заметил, что если некоторое время смотреть на водопад, а затем перевести взгляд на неподвижный горный склон, может показаться, будто скалы движутся в направлении, противоположном потоку. Современные исследователи называют этот оптический феномен эффектом последействия движения или иллюзией водопада. В XIX-м веке началось активное изучение свойств восприятия и особенностей органов чувств человека. Именно тогда исследователями были разработаны оптические иллюзии, которые сейчас считаются классическими, в первую очередь — иллюзия Эббингауза. Итальянский психолог Марио Понцо в начале XX-го века одним из первых среди учёных продемонстрировал миру, что на восприятие размеров предметов влияют не только смежные объекты, но и глубина фона. Итальянец разработал классическую иллюзию, которая сейчас носит его имя. Другая хрестоматийная оптическая иллюзия, которой более ста лет — иллюзия Мюллера-Лайера. Её суть также достаточно проста — на рисунке изображены линии со стрелками на концах, большей кажется та, что обрамлена «хвостами» стрел. Сюрпризы мозгу преподносят не только сходящиеся линии, но и параллельные вертикальные или горизонтальные. В конце XIX-го века немецкий физик и физиолог Герман фон Гельмгольц показал, что расчерченный горизонтальными линиями квадрат выглядит шире и ниже, чем точно такой же, но составленный из вертикальных линий.

Открытый Гельмгольцем феномен широко используется в производстве одежды, однако вопреки распространённому заблуждению, горизонтальные полоски на свитерах и платьях не «полнят», а строго наоборот — зрительно делают фигуру уже и выше. В модных глянцевых журналах часто встречаются советы вроде: «Носите одежду с вертикальными полосками, чтобы выглядеть стройнее», однако наука безжалостно это опровергает. Взгляните на иллюзию Гельмгольца и сами убедитесь в том, что эффект прямо противоположен.

Стоит отметить, что этот оптический обман изучен вдоль и поперёк, однако учёные пока не могут прийти к единому мнению о механизмах его возникновения.

В «век войн и революций» человечество стало свидетелем множества прорывов в представлениях о природе оптических иллюзий. Достижения науки и техники дали специалистам возможность иначе взглянуть на проблему. Скажем, эксперименты Торстена Визеля и Дэвида Хьюбела доказали, что за восприятие различных зон зрительного поля отвечают разные нейроны — за это открытие исследователям в 1981-м году вручили Нобелевскую премию по медицине.

Чуть позже учёных за зрительные искажения взялись художники — в 1950-х годах появилось целое направление в искусстве, посвящённое оптическим иллюзиям, оно получило название оп-арт (от англ. optical art — «оптическое искусство»). Одним из основоположников оп-арта считается французский художник и скульптор Виктор Вазарели, его работы часто приводят в качестве ярких примеров оптических иллюзий.

В художественных изображениях намеренное искажение перспективы вызывает особые эффекты, лучше всего известные по работам Мориса Эшера («Бельведер») и Сальвадора Дали.

Наш мозг устроен таким удивительным образом, что может достраивать известную картинку, видя лишь несколько ее незначительных частей.

В наше время интерес к проблеме столь высок, что на протяжении вот уже десяти лет специалисты ежегодно проводят конкурс на лучшую оптическую иллюзию. Скажем, в 2014-м году эту награду получила динамичная иллюзия Эббингауза, которая гораздо убедительнее обманывает зрение, чем классический статичный вариант. Благодаря современным методам исследований человечество знает, что за восприятие оттенков цвета, форм предметов и их перемещения в пространстве отвечают разные участки мозга, но каким образом мы получаем целостное изображение, во многом остаётся загадкой. Энтузиасты разрабатывают всё новые и новые способы обмануть зрение, переосмысливая и дополняя классические иллюзии. Глядя на них, мы прилежно «позволяем» собственному мозгу ввести нас в заблуждение, а в итоге появляется больше вопросов, чем ответов.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/398036-tekst-k-prezentacii-svet-v-nashej-zhizni