Лабораторная работа: Свет. Как мы видим

Выстилает заднюю стенку глазного яблока и занимает 72% площади его внутренней поверхности. Он называется СЕТЧАТКОЙ . Сетчатка имеет форму пластинки толщиной приблизительно в четверть миллиметра и состоит из 10 слоев.

По своему происхождению сетчатка является выдвинутой вперед частью мозга: в процессе развития эмбриона сетчатка образуется из глазных пузырей, которые являются выпячиваниями передней стенки первичного мозгового пузыря. Главный из ее слоев - это слой светочувствительных клеток - ФОТОРЕЦЕПТОРОВ . Они бывают двух видов: ПАЛОЧКИ и КОЛБОЧКИ . Такие названия они получили благодаря своей форме:

Палочек в каждом глазу насчитывается около 125-130 миллионов. Они характеризуются высокой чувствительностью к свету и работают при низкой освещенности, то есть отвечают за сумеречное зрение. Однако палочки не способны различать цвета, и с их помощью мы видим в черно-белом цвете. Они содержат зрительный пигмент РОДОПСИН .

Палочки расположены по всей сетчатке, кроме самого центра, поэтому благодаря именно им обнаруживаются предметы на периферии поля зрения.

Колбочек гораздо меньше, чем палочек - около 6-7 миллионов в сетчатке каждого глаза. Колбочки обеспечивают цветовое зрение, но они в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки. Поэтому цветное зрение - дневное, и в темноте, когда работают только палочки, человек не может различать цвета. Колбочки гораздо лучше, чем палочки, воспринимают быстрые движения.

Пигмент колбочек, которому мы обязаны цветным зрением, называется ЙОДОПСИН . Палочки бывают «синие», «зеленые» и «красные», в зависимости от длины световой волны, которая они преимущественно поглощают.

Колбочки расположены, главным образом, в центре сетчатки, в так называемом ЖЁЛТОМ ПЯТНЕ (еще его называют МАКУЛА ). В этом месте толщина сетчатки минимальная (0.05-0.08 мм) и отсутствуют все слои, кроме слоя колбочек. Макула имеет желтый цвет из-за высокого содержания желтого пигмента. Желтым пятном человек видит лучше всего: вся световая информация, попадающая на эту область сетчатки, передается наиболее полно и без искажений, с максимальной четкостью.

Сетчатка человека устроена необычно: она как бы перевернута. Слой сетчатки со светочувствительными клетками находится не спереди, со стороны стекловидного тела, как можно было бы ожидать, а сзади, со стороны сосудистой оболочки. Чтобы добраться до палочек и колбочек, свет должен сначала пробраться через 9 остальных слоев сетчатки.

Между сетчаткой и сосудистой оболочкой находится пигментный слой, содержащий черный пигмент - меланин. Этот пигмент поглощает свет, идущий через сетчатку, и не дает ему отражаться обратно, рассеиваться внутри глаза. У альбиносов - людей с врождённым отсутствием меланина во всех клетках тела - при высокой освещенности свет внутри глазного яблока отражается во всех направлениях поверхностями сетчатки. Как результат, одиночное дискретное пятно света, которое в норме возбудило бы только несколько палочек или колбочек, отражается повсюду и возбуждает много рецепторов. Поэтому у альбиносов острота зрения редко бывает выше 0,2-0,1 при норме 1,0.

Под воздействием световых лучей в фоторецепторах происходит фотохимическая реакция - распад зрительных пигментов. В результате этой реакции выделяется энергия. Эта энергия в виде электрического сигнала передается на промежуточные клетки - БИПОЛЯРЫ (их еще называют интернейроны или вставочные нейроны), а затем на ГАНГЛИОНАРНЫЕ КЛЕТКИ , которые генерируют нервные импульсы и по нервным волокнам отправляют их в мозг.

Каждая колбочка соединяется через биполярную клетку с одной ганглионарной клеткой. А вот сигналы палочек, идущие к ганглионарным клеткам, подвергаются так называемой конвергенции: к одной биполярной клетке подсоединяется несколько палочек, она суммирует их сигналы и передает на одну ганглионарную клетку. Конвергенция позволяет увеличивать световую чувствительность глаза, а также чувствительность периферийного зрения к движениям, тогда как в случае колбочек отсутствие суммирования позволяет увеличивать остроту зрения, но при этом чувствительность "колбочного" зрения понижена.

По зрительному нерву информация об изображении с сетчатки поступает в мозг и там обрабатывается, таким образом, что мы видим конечную картину окружающего мира.

Подробнее: мозговая часть зрительной системы (зрительного анализатора)

Строение зрительного аппарата человека
1 - сетчатка,
2 - неперекрещенные волокна зрительного нерва,
3 - перекрещенные волокна зрительного нерва,
4 - зрительный тракт,
5 - наружное коленчатое тело,
6 - зрительная лучистость,
7 - зрительная кора головного мозга
8 - глазодвигательный нерв
9 - верхние бугры четверохолмия

У человека и высших обезьян половина волокон каждого зрительного нерва правой и левой стороны перекрещиваются (так называемый зрительный перекрест, или ХИАЗМА ). В хиазме совершают перекрест только те волокна, которые передают сигнал от внутренней половины сетчатки глаза. А это означает, что зрение левой половины изображения каждого глаза направляется в левое полушарие, а зрение правой половины каждого глаза - в правое!

Пройдя через хиазму, волокна каждого зрительного нерва образуют зрительный тракт. Зрительные тракты проходят по основанию мозга и достигают подкорковых зрительных центров - наружных коленчатых тел. Отростки нервных клеток, расположенных в этих центрах, формируют зрительную лучистость, которая образует большую часть белого вещества височной доли головного мозга, а также теменной и затылочной доли.

В конечном счете, вся зрительная информация передается в виде нервных импульсов в головной мозг, его высшую инстанцию - кору, где и происходит формирование зрительного образа.

Зрительная кора расположена - представьте себе! - в затылочной доле головного мозга.

В настоящее время уже многое известно о механизмах зрительной системы, но нужно честно признать, что современная наука еще не знает до конца, как именно мозг справляется со сложнейшей задачей преобразования электрических сигналов сетчатки в зрительную сцену в том виде, как мы ее воспринимаем - со всей сложностью форм, глубины, движения и цвета. Но изучение этого вопроса не стоит на месте, и, будем надеяться, наука в будущем разгадает все тайны зрительного анализатора и сможет использовать их на практике - в медицине, кибернетике и других областях.

Обучающий видеофильм:
Строение и работа зрительного анализатора

Экология жизни: Зафиксируйте взгляд на строчке текста и не двигайте глазами. При этом попытайтесь переключить внимание на строчку ниже. Потом еще на одну. И еще. Через полминуты вы почувствуете, что в глазах как будто помутнело: четко видно только несколько слов, на которых сфокусированы ваши глаза, а все остальное размыто. На самом деле именно так мы видим мир. Всегда. И при этом думаем, что видим все кристально четко.

Зафиксируйте взгляд на строчке текста и не двигайте глазами. При этом попытайтесь переключить внимание на строчку ниже. Потом еще на одну. И еще. Через полминуты вы почувствуете, что в глазах как будто помутнело: четко видно только несколько слов, на которых сфокусированы ваши глаза, а все остальное размыто. На самом деле именно так мы видим мир. Всегда. И при этом думаем, что видим все кристально четко.

У нас на сетчатке есть маленькая-маленькая точка, в которой чувствительных клеток - палочек и колбочек - достаточно, чтобы все было нормально видно. Эта точка называется «центральной ямкой». Центральная ямка обеспечивает угол обзора примерно в три градуса - на практике это соответствует величине ногтя большого пальца на вытянутой руке.

На всей остальной поверхности сетчатки чувствительных клеток гораздо меньше - достаточно, чтобы различить смутные очертания предметов, но не более. Есть в сетчатке дырка, которая не видит вообще ничего, - «слепое пятно», точка, где к глазу подсоединяется нерв. Ее вы, само собой, не замечаете. Если этого мало, то напомню, что вы еще и моргаете, то есть отключаете зрение раз в несколько секунд. На что тоже не обращаете внимания. Хотя теперь обращаете. И вам это мешает.

Как мы вообще что-то видим? Ответ вроде как очевидный: мы очень быстро двигаем глазами, в среднем от трёх до четырёх раз в секунду. Эти резкие синхронные движения глаз называются «саккадами». Их мы тоже, кстати, обычно не замечаем, и это хорошо: как вы уже догадались, во время саккады зрение не работает. Зато с помощью саккад мы постоянно меняем картинку в центральной ямке - и в итоге покрываем все поле зрения.

Мир через соломинку

Но если задуматься, то объяснение это никуда не годится. Возьмите в кулак коктейльную соломинку, приставьте к глазу и попробуйте так посмотреть фильм - я уж не говорю о том, чтобы выйти погулять. Как, нормально видно? Вот это и есть ваши три градуса обзора. Шевелите соломинкой сколько угодно - нормального зрения не получится.

В общем, вопрос нетривиальный. Как получается, что мы всё видим, если мы ничего не видим? Вариантов несколько. Первый: мы таки ничего не видим - у нас просто есть ощущение, что мы все видим. Чтобы проверить, не обманчиво ли это впечатление, мы сдвигаем глаза так, что центральная ямка оказывается направлена ровно на ту точку, которую мы проверяем.

И думаем: ну вот, все же видно! И слева (вжик глазами влево), и справа (вжик вправо). Это как с холодильником: если исходить из наших собственных ощущений, то там всегда горит свет.

Второй вариант: мы видим не поступающее с сетчатки изображение, а совсем другое - то, которое выстраивает за нас мозг. То есть мозг елозит соломинкой туда-сюда, прилежно составляет из этого единую картинку - и вот ее мы уже воспринимаем как окружающую реальность. Иными словами, мы видим не глазами, а корой головного мозга.

Оба варианта сходятся в одном: единственный способ что-то увидеть - сдвинуть глаза. Но есть одна проблема. Эксперименты показывают, что мы различаем объекты с феноменальной скоростью - быстрее, чем успевают среагировать глазодвигательные мышцы. Причем сами мы этого не понимаем. Нам кажется, что мы уже сдвинули глаза и увидели объект четко, - хотя на самом деле мы только собираемся это сделать. Выходит, мозг не просто анализирует картинку, принятую с помощью зрения, - он ее еще и предсказывает.

Невыносимо тёмные полоски

Немецкие психологи Арвид Хервиг и Вернер Шнайдер провели эксперимент: добровольцам фиксировали голову и специальными камерами записывали движения их глаз. Подопытные смотрели в пустой центр экрана. Сбоку - в боковом поле зрения - на экран выводился полосатый кружок, на который добровольцы тут же переводили взгляд.

Тут психологи проделывали хитрый трюк. Во время саккады зрение не работает - человек на несколько миллисекунд становится слепым. Камеры улавливали, что подопытный начал сдвигать глаза в сторону круга, и в этот момент компьютер подменял полосатый кружок другим, который отличался от первого количеством полосок. Участники эксперимента подмены не замечали.

Получалось следующее: в боковом зрении добровольцам показывали круг с тремя полосками, а в сфокусированном или центральном полосок оказывалось, например, четыре.

Таким образом добровольцев обучали ассоциировать смутный (боковой) образ одной фигуры с четким (центральным) образом другой фигуры. Операцию повторяли 240 раз в течение получаса.

После обучения начинался экзамен. Голову и взгляд снова фиксировали, в боковом поле зрения снова выводили полосатый кружок. Но теперь, как только доброволец начинал двигать глазами, кружок исчезал. Через секунду на экране появлялся новый кружок со случайным количеством полосок.

Участников эксперимента просили клавишами отрегулировать количество полосок так, чтобы получилась та фигура, которую они только что видели боковым зрением.

Добровольцы из контрольной группы, которым на стадии обучения показывали одни и те же фигуры в боковом и центральном зрении, определяли «степень полосатости» довольно точно. Но те, которых обучили неправильной ассоциации, видели фигуру иначе. Если при обучении количество полосок увеличивали, то на стадии экзамена подопытные распознавали трехполосные круги как четырехполосные. Если уменьшали - то круги им казались двухполосными.

Иллюзия зрения и иллюзия мира

Что это означает? Наш мозг, как выясняется, постоянно учится ассоциировать внешний вид объекта в боковом зрении с тем, как этот объект выглядит, когда мы переводим на него взгляд. И в дальнейшем использует эти ассоциации для предсказаний. Этим и объясняется феномен нашего зрительного восприятия: мы узнаем предметы еще до того, как, строго говоря, их разглядим, поскольку наш мозг анализирует размытую картинку и вспоминает на основании предыдущего опыта, как эта картинка выглядит после фокусировки. Делает он это настолько быстро, что у нас создается впечатление четкого зрения. Это ощущение - иллюзия.

Удивительно еще и то, насколько эффективно мозг учится делать такие предсказания: всего получаса рассогласованных картинок в боковом и центральном зрении хватило, чтобы добровольцы стали неправильно видеть. Учитывая, что в реальной жизни мы двигаем глазами сотни тысяч раз в день, представьте, какие терабайты видео с сетчатки мозг перелопачивает каждый раз, когда вы идете по улице или смотрите кино.

Дело даже не в зрении как таковом - просто это самая яркая иллюстрация того, как мы воспринимаем мир.

Нам кажется, что мы сидим в прозрачном скафандре и всасываем в себя окружающую реальность. На самом деле мы с ней вообще не взаимодействуем напрямую. То, что нам кажется отпечатком окружающего мира, на самом деле выстроенная мозгом виртуальная реальность, которая выдается сознанию за чистую монету.

Это Вам будет интересно:

На то, чтобы обработать информацию и выстроить из обработанного материала более-менее целостную картину, мозгу требуется около 80 миллисекунд. Эти 80 миллисекунд - задержка между реальностью и нашим восприятием этой реальности.

Мы всегда живём в прошлом - точнее в сказке о прошлом, рассказанной нам нервными клетками. Мы все уверены в правдивости этой сказки - это тоже свойство нашего мозга, и от него никуда не деться. Но если бы каждый из нас хотя бы изредка вспоминал об этих 80 миллисекундах самообмана, то мир, мне кажется, был бы чуть-чуть добрее. опубликовано

Предмет и его отражение

То, что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут “вверх ногами” далеко не так.

Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем “исчезнет”, если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.

Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.

Часто людям кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок и насыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить, наблюдая отражение предметов в зеркале. Здесь большую роль играет психологическое восприятие, чем физическая сторона явления. Рама зеркала, берега пруда ограничивают небольшой участок пейзажа, ограждая боковое зрение человека от избыточного рассеянного света, поступающего со всего небосвода и ослепляющего наблюдателя, то есть он смотрит на небольшой участок пейзажа как бы через темную узкую трубу. Уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает людям наблюдение неба, облаков и других яркоосвещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза.

Зеркальное отражение.

Явление отражения света наблюдается на границе раздела двух сред, например воздуха и воды. Если отражающая поверхность гладкая (полированный металл, стекло), то отраженные
лучи будут идти параллельным пучком, если при падении на поверхность они были параллельны (рисунок слева). Такое отражение называют зеркальным. Зеркала могут отражать до 90% света,падающего на них.

Глядя в зеркало прямо перед собой, вы видите как бы своего двойника и различные предметы, которые находятся вокруг и позади вас. При этом вам кажется, что и ваш двойник, и эти предметы находятся перед вами, за зеркалом, хотя их там, разумеется, нет. То, что вы видите в зеркале, - это изображения предметов.

Диффузное отражение.

Отражают свет любые поверхности, не только гладкие. Именно благодаря этому мы видим все тела. Поверхности, которые отражают большую часть светового потока, выглядят светлыми или белыми. Поверхности, которые поглощают большую часть света, выглядят тёмными или черными. Если пучок параллельных световых лучей падает на шершавую поверхность (даже если шероховатости микроскопически малы, как на поверхности листка бумаги) (рисунок справа) свет отражается в различных направлениях, то есть отраженные лучи не будут параллельными, поскольку углы падения лучей на неровности поверхности разные. Такое отражение света называют рассеяным, или диффузным. Закон отражения выполняется и в этом случае, но на каждом маленьком участке поверхности. Из-за диффузного отражения во всех направлениях обычный предмет можно наблюдать под разными углами. Стоит сдвинуть голову в сторону, как из каждой точки предмета в глаз будет попадать другой пучок отраженных лучей. Но если узкий пучок света падает на зеркало, то вы увидите его только в том случае, если глаз занимаетположение, для которого выполняется закон отражения .Этим иобьясняются необычные свойства зеркал. (Используя аналогичные аргументы, Галилей показал, что поверхность Луны должна быть шероховатой, а не зеркально гладкой, как полагали некоторые.)

В се несветящиеся тела, освещаемые каким-нибудь источником, становятся видимыми только благодаря рассеиваемому ими свету. Хорошо отшлифованную поверхность стекла, поверхность спокойной воды трудно увидеть потому, что такие поверхности рассеивают очень мало света. Мы видим в них чёткие изображения окружающих освещенных предметов. Однако стоит только поверхности зеркала покрыться пылью, а поверхности воды зарябить, как они становятся хорошо видимыми.

Кандидат химических наук О. БЕЛОКОНЕВА.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Представьте, что вы стоите на залитом солнцем лугу. Сколько вокруг ярких красок: зелёная трава, жёлтые одуванчики, красная земляника, сиренево-синие колокольчики! Но мир ярок и красочен только днём, в сумерках все предметы становятся одинаково серыми, а ночью и вовсе невидимыми. Именно свет позволяет увидеть окружающий мир во всём его разноцветном великолепии.

Главный источник света на Земле - Солнце, громадный раскалённый шар, в глубинах которого непрерывно идут ядерные реакции. Часть энергии этих реакций Солнце посылает нам в виде света.

Что же такое свет? Учёные спорили об этом на протяжении столетий. Одни считали, что свет - поток частиц. Другие проводили опыты, из которых с очевидностью следовало: свет ведёт себя как волна. Правы оказались и те и другие. Свет - это электромагнитное излучение, которое можно представить как бегущую волну. Волна создаётся колебаниями электрического и магнитного полей. Чем выше частота колебаний, тем большую энергию несёт излучение. И в то же время излучение можно рассматривать как поток частиц - фотонов. Пока нам важнее, что свет - это волна, хотя в конце концов придётся вспомнить и о фотонах.

Человеческий глаз (к сожалению, а может быть, и к счастью) способен воспринимать электромагнитное излучение только в очень узком диапазоне длин волн, от 380 до 740 нанометров. Этот видимый свет излучает фотосфера - относительно тонкая (менее 300км толщиной) оболочка Солнца. Если разложить «белый» солнечный свет по длинам волн, получится видимый спектр - хорошо известная всем радуга, в которой волны разной длины воспринимаются нами как разные цвета: от красного (620-740 нм) до фиолетового (380-450 нм). Излучение с длиной волны больше 740 нм (инфракрасный) и меньше 380-400 нм (ультрафиолетовый) для человеческого глаза невидимо. В сетчатке глаза есть специальные клетки - рецепторы, отвечающие за восприятие цвета. Они имеют коническую форму, поэтому их называют колбочками. У человека три типа колбочек: одни лучше всего воспринимают свет в сине-фиолетовой области, другие - в жёлто-зелёной, третьи - в красной.

Что же определяет цвет окружающих нас вещей? Для того чтобы наш глаз увидел какой-либо предмет, нужно, чтобы свет сначала попал на этот предмет, а уже затем на сетчатку. Мы видим предметы, потому что они отражают свет, и этот отражённый свет, пройдя через зрачок и хрусталик, попадает на сетчатку. Свет, поглощённый предметом, глаз, естественно, увидеть не может. Сажа, например, поглощает почти всё излучение и кажется нам чёрной. Снег, напротив, равномерно отражает почти весь падающий на него свет и потому выглядит белым. А что будет, если солнечный свет упадёт на выкрашенную синей краской стену? От неё отразятся только синие лучи, а остальные будут поглощены. Поэтому мы и воспринимаем цвет стены как синий, ведь у поглощённых лучей просто нет шанса попасть на сетчатку глаза.

Разные предметы, в зависимости от того, из какого вещества они сделаны (или какой краской покрашены), поглощают свет по-разному. Когда мы говорим: «Мячик красный», то имеем в виду, что отражённый от его поверхности свет воздействует только на те рецепторы сетчатки глаза, которые чувствительны к красному цвету. А это значит, что краска на поверхности мячика поглощает все световые лучи, кроме красных. Предмет сам по себе не имеет никакого цвета, цвет возникает при отражении от него электромагнитных волн видимого диапазона. Если вас попросили отгадать, какого цвета бумажка лежит в запечатанном чёрном конверте, вы нисколько не погрешите против истины, если ответите: «Никакого!». И если красную поверхность осветить зелёным светом, то она покажется чёрной, потому что зелёный свет не содержит лучей, отвечающих красному цвету. Чаще всего вещество поглощает излучение в разных частях видимого спектра. Молекула хлорофилла, например, поглощает свет в красной и голубой области, а отражённые волны дают зелёный цвет. Благодаря этому мы можем любоваться зеленью лесов и трав.

Почему одни вещества поглощают зелёный свет, а другие - красный? Это определяется структурой молекул, из которых вещество состоит. Взаимодействие вещества со световым излучением происходит таким образом, что за один приём одна молекула «заглатывает» только одну порцию излучения, иначе говоря, один квант света или фотон (вот нам и пригодилось представление о свете как о потоке частиц!). Энергия фотона напрямую связана с частотой излучения (чем выше энергия - тем больше частота). Поглотив фотон, молекула переходит на более высокий энергетический уровень. Энергия молекулы повышается не плавно, а скачком. Поэтому молекула поглощает не любые электромагнитные волны, а только те, которые подходят ей по величине «порции».

Вот и получается, что ни один предмет не окрашен сам по себе. Цвет возникает из выборочного поглощения веществом видимого света. А поскольку способных к поглощению веществ - и природных, и созданных химиками - в нашем мире великое множество, мир под Солнцем расцвечен яркими красками.

Частота колебаний ν, длина волны света λ и скорость света c связаны между собой простой формулой:

Cкорость света в вакууме постоянна (300млнм/с).

Длину волны света принято измерять в нанометрах.

1 нанометр (нм) - единица измерения длины, равная одной миллиардной доле метра (10 -9 м).

В одном миллиметре содержится миллион нанометров.

Частоту колебаний измеряют в герцах (Гц). 1 Гц - это одно колебание в секунду.

Чрезвычайно важный вид энергии. Жизнь на земле зависит от энергии солнечного света. Кроме того, свет - это излучение, которое дает нам зрительные ощущения. Лазерное излучение применяется во многих областях - от передачи информации до резки стали.

Мы видим предметы, когда свет от них достигает наших глаз. Эти предметы либо сами излучают свет, либо отражают свет излучаемый другими предметами, либо пропускают eго через себя. Мы видим, например, Солнце и звезды потому, что они излучают свет. Большинство же предметов вокруг нас мы видим благодаря отраженному ими свету. А некоторые материалы, такие, как витражи в окнах соборов, раскрывают богатство своих цветов, пропуская свет через себя.

Яркий солнечный свет кажется нам чисто белым, то есть бесцветным. Но тут мы заблуждаемся, так как белый свет состоит из многих цветов. Они бывают видны, когда лучи солнца освещают дождевые капли и мы наблюдаем радугу. Разноцветная полоса образуйся и тогда когда солнечный свет отражается от скошенного края зеркала или проходит через стеклянное украшение либо сосуд. Эта полоса называется световым спектром. Начинается он с красного цвета и, постепенно меняясь, заканчивается на противоположном конце фиолетовым.

Обычно мы не принимаем во внимание более слабые оттенки цвета и поэтому считаем, что спектр состою всею из семи цветовых полос. Цвета спектра, называемые семью цветами радуги, включают красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Призмы

В 60х годах ХVII столетия Исаак Ньютон про водил эксперименты со светом. Чтобы разложить свет на составляющие и получить спектр он использовал трехгранную стеклянную призму. Ученый обнаружил, что, собрав раздробленный луч с помощью второй призмы, можно опять получить белый свет. Так он доказал что белый свет является смесью разных цветов.

Основными цветами света являются красный, зеленый и синий. Их комбинация образует белый свет. Смешанные парами, они образуют цвета желтый, синий или пурпурный. Пигментными или основными цветами красок являются пурпурный, синий, желтый Их сочетание показано на рисунке.

Проходя через призму световые лучи преломляются. Но лучи разного цвета преломляются в разной степени - красный в наименьшей, фиолетовый в наибольшей. Именно по этому, проходя через призму, белый цвет дробится па составные цвета.

Преломление света называется рефракцией, а разложение белого света на разные цвета -дисперсией. Когда дождевые капли рассеивают солнечный свет, образуется радуга.

Электромагнитные волны

Световой спектр - лишь часть огромного диапазона излучений, который называется электромагнитным спектром. Он включает в себя гамма-, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное (тепловое) излучение и радиоволны. Все виды электромагнитных излучений распространяются в форме волн электрических и магнитных колебаний со скоростью света - около 300 000 км/с. Электромагнитные волны различаются между собой главным образом длиной волны. Определяется она частотой, то есть скоростью, с которой образуются эти волны. Чем выше частота, тем ближе друг к другу они располагаются и тем меньше длина каждой из них. В спектре световые волны занимают место между областями инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Солнце испускает широкий спектр электромагнитных излучений. На шкале даны длины волн в нанометрах (одна миллиардная метра) и более крупных единицах.

Линзы

Изображение в фотоаппаратах и оптических инструментах получают, используя линзы и явление преломления в них световых лучей. Возможно, вы заметили, что в линзах дешевых телескопов, например, вокруг контуров изображения образуется цветная кайма. Происходит это потому что, подобно призме, простая линза, изготовленная из одного куска стекла или пластика, преломляет лучи разного цвета в разной степени. В более качественных приборах этот дефект устраняется путем использования двух линз, соединенных вместе. Первая часть такой составной линзы разлагает белый свет на разные цвета, а вторая опять соединяет их, убирая таким образом ненужную кайму.

Основные цвета

Как показал Ньютон, белый свеч можно получить, смешав семь цветов радуги. По это можно сделать и проще, смешав лишь три цвета -красный, зеленый и синий. Они называются основными цветами света. Другие цвета мы получим, комбинируя основные. Так, например, смесь красного с зеленым дает желтый.

Выпуклая линза фокусирует параллельные лучи. Поскольку белый свет состоит из более чем одного цвета, их лучи преломляются в разной степени и фокусируются на разных расстояниях от линзы. В результате вокруг контуров изображения образуется цветная кайма.

Линзу из двух сортов стекла можно использовать для получения изображений без цветной каймы. Первая часть линзы преломляет лучи разного цвета в разной степени, заставляя их расходиться. Вторая опять собирает их, устраняя цветовые искажения.

Тот факт, что белый свет состоит из нескольких цветов, объясняет, почему мы видим предметы в том или ином цвете. (Для простоты предположим, что белый свет состоит только из красного зеленою и синего). Мы видим предмет белым, если он отражает все три составляющие части белого света, и черным, если он не отражает ни одной из них. Но красный предмет, освещаемый белым светом, видится красным потому, что он отражает главным образом красную составляющую белого цвета и поглощает большинство синих и зеленых составляющих. В результат мы видим в основном красный цвет. Точно так же синий предмет отражает синие лучи, поглощая красные и зеленые. А зеленый предмет отражает зеленые лучи, поглощая красные и синие.

Фасеточные глаза мух состоят из тысяч линз. Каждая фокусирует свет лишь на нескольких светочувствительных клетках, так что муха не может разглядеть все детали объекта. Цветок глазами мухи выглядит как состоящая из тысяч кусочков картинка.

WebProm banner network

Если смешать краски разною цвета, то каждая будет поглощать (вбирать) различные составляющие белого света смесь будет становиться темнее. Таким образом смешивание красок - это процесс противоположный смешиванию цветовых лучей. Чтобы получить определенную гамму цветов надо использовать другой набор основных цветов. Основные цвета используемые в живописи, называются основными пигментными цветами. Это пурпурный цвет или «идеально красный», синий и желтый обычно (но неправильно) называемые красным, синим и желтым. Черный добавляют, чтобы увеличить плотность темных участков, а насыщенная смесь всех основных цветов все же отражает в какой-то степени свет. В результате вместо черного цвета получается темно-коричневый.

Волны и частицы

Как образуются и распространяются световые лучи, веками оставалось полнейшей тайной. И в наши дни это явление не до конца исследовано учеными.

В XVII веке Исаак Ньютон и другие ученые полагали, что свет состоит из быстро движущихся частиц, которые назвали корпускулами. Датский ученый Христиан Гюйгенс yтверждал, что свет состоит из волн

В 1801 г английский ученый Томас Янг произвел ряд опытов с дифракцией света Это явление состоит в том, что при прохождении через очень узкую щель свет слегка рассеивается, а не распространяется по прямой линии. Янг объяснил дифракцию распространением света в форме волн. А в 60-х годах XIX века шотландский ученый Джеймс Кларк Максвелл высказал предположение, что электромагнитная энергия распространяется волнами, и что свет является особым видом этой энергии.

Мираж - это оптический обман, наблюдаемый в жарких пустынях (вверху). Когда Солнце сильно нагревает землю, воздух над ней тоже нагревается. При изменениях температуры на разных высотах, свет в воздухе преломляется, как показано на картинке. Чтобы увидеть верхушку дерева, наблюдателю приходится смотреть вниз, так что дерево кажется перевернутым. Иногда падающий с неба свет выглядит, как разлитые на земле лужи. Слои холодного воздуха над морем может вызвать противоположное явление (внизу). Свет, отраженный от далекого корабля, преломляется так, что корабль кажется парящим в небе.

Однако к началу XX века немецкий ученый Макс Планк в своих работах доказал, что энергия излучения может существовать лишь в виде крошечных сгустков - квантов. Это доказательство лежит в основе квантовой теории Планка, за которую он в 1918 году получил Нобелевскую премию в области физики Квант светового излучения - это частица, называемая фотоном. При излучении или поглощении свет всегда ведет себя как поток фотонов.

Таким образом, иногда свет ведет себя как волны, иногда - как частицы. Поэтому считается, что он имеет двойственную природу. Ученые, объясняя данные наблюдений, могут пользоваться либо волновой теорией, либо теорией частиц.

Рыба хаулиод излучает биолюминесцентный свет из набрюшных органов (фотофоров). Рыба регулирует их яркость так, чтобы она соответствовала яркости света, проникающего с поверхности.

Генерирование света

Подобно электрическому току, свет может генерироваться другими видами энергии. Солнце генерирует свет и другие электромагнитные излучения путем мощных реакций синтеза, в процессе которых водород превращается в гелий. При сгорании угля или дерева химическая энергия топлива превращается в тепло и свет. Прохождение тока через тонкую нить накала в электрической лампочке дает тот же результат. Лампа дневного света работает по другому принципу. На концы трубки, наполненной парами (обычно ртути) под большим давлением, подается высокое напряжение. Пар начинает светиться, испуская ультрафиолетовое излучение, которое действует на химическое покрытие внутренних стенок трубки. Покрытие поглощает невидимое ультрафиолетовое излучение и само излучает энергию света. Этот процесс преобразования излучения называется флюоресценцией.

Фосфоресценция - явление того же рода, но свечение при этом продолжается довольно долго и после удаления источника излучения. Светящаяся краска фосфоресцирует. После кратковременного воздействия на нее яркого света она светится часами. Флюоресценция и фосфоресценция являются формами люминесценции - излучения света без влияния высокой температуры.

Биолюминесценция

Некоторые живые организмы, включая жуков-светляков, отдельные виды рыб, грибов и бактерий, генерируют свет способом биолюминесценции. В этом виде люминесценции источником света является химическая энергия, получаемая в результате окисления вещества, называемого люциферином.

Одним из наиболее полезных источников света является лазер. Это слово составлено из первых букв полного термина «усиление света методом индуцированного излучения» (по-английски light amplification by stimulated emission of radiation). В лазерной трубке под воздействием электричества из атомов высвобождаются фотоны. Они вылетают из трубки в виде узкого луча света или в какой-либо другой форме электромагнитного излучения в зависимости oт вещества, используемого для получения фотонов.

Захватывающие эффекты на рок-концертах получают при помощи генераторов дыма. Его частицы рассеивают лучи прожекторов, придавая им видимые очертания.

В отличие от обычного света лазерный свет является когерентным. Это означает, что выпущенные световые волны поднимаются и опускаются вместе. Получаемое таким образом световое излучение высокой направленности и большой плотности энергии имеет различные области применения, включая сшивание тканей в хирургии, резку стали, наведение ракет на цели, передачу информации.