От чего зависит цвет волны. Применение и особенности видимого света и излучения

Введение………………………………………………………………………… 1. Понятие цветовой температуры…………………………………………….. 1.1. Таблица числовых значений цветовой температуры распространённых источников света……………………………………………………………….. 1.2. Диаграмма цветности XYZ………………………………………………….

1.3.Солнечный свет и Индекс Цветопередачи (CRI - colour rendering index)..

2. Методы измерения цветовой температуры………………………………...... Источники информации………………………………………………………….

Введение.

По нашим психологическим ощущениям цвета бывают тёплыми и горячими, бывают холодными и очень холодными. На самом деле все цвета горячие, очень горячие, ведь у каждого цвета есть своя температура и она очень высокая. Любой предмет в окружающем нас мире имеет температуру, выше абсолютного нуля, а значит, испускает тепловое излучение. Даже лед, у которого отрицательная температура, является источником теплового излучения. В это трудно поверить, но это так. В природе температура -89°С не самая низкая, можно достичь ещё более низких температур, правда, пока что, в лабораторных условиях. Самая низкая температура, которая на данный момент теоретически возможна в пределах нашей вселенной – это температура абсолютного нуля и она равна -273,15°С. При такой температуре прекращается движение молекул вещества и тела полностью перестают испускать любое излучение (тепловое, ультрафиолетовое, а уж тем более видимое). Полная тьма, нет ни жизни, ни тепла. Возможно, кто-нибудь из вас знает, что цветовая температура измеряется в Кельвинах. Кто покупал себе домой энергосберегающие лампочки, тот видел надпись на упаковке: 2700К или 3500К или 4500К. Это как раз и есть цветовая температура светового излучения лампочки. Но почему измеряется в Кельвинах, и что означает Кельвин? Эта единица измерения была предложена в 1848г. Ульямом Томсоном (он же лорд Кельвин) и официально утверждена в Международной Системе единиц. В физике и науках, имеющих непосредственное отношение к физике, термодинамическую температуру измеряют как раз Кельвинах. Начало отчета температурной шкалы начинается с точки 0Кельвин, что означат - 273,15 градуса Цельсия. То есть 0К – это и есть абсолютный нуль температуры. Можно легко перевести температуру из Цельсия в Кельвин. Для этого нужно просто прибавить число 273. Например, 0°С это 273К, тогда 1°С это 274К, по аналогии, температура тела человека 36,6°С это 36,6 + 273,15 = 309,75К. Вот так всё просто получается.

Глава 1. Понятие цветовой температуры.

Давайте попробуем разобраться, что такое цветовая температура.

Источниками света являются раскаленные до высоких температур тела, тепловые колебания атомов которых и вызывают излучение в виде электромагнитных волн различной длины. Излучение, в зависимости от длины волны, имеет свою цветность. При невысоких температурах и соответственно при более длинных волнах преобладает излучение с теплой, красноватой цветностью светового потока, а при более высоких, с уменьшением длины волны, с холодной, сине-голубой цветностью. Единицей длины волны является нанометр (нм), 1нм=1/1 000 000мм. Еще в 17 веке Исаак Ньютон при помощи призмы разложил так называемый белый дневной свет и получил спектр, состоящий из семи цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего, фиолетового, а в результате различных опытов доказал, что любой спектральный цвет можно получить смешением световых потоков, состоящих из различных соотношений трех цветов - красного, зеленого и синего, которые и были названы основными. Так появилась теория трехкомпонентности.

Человеческий глаз воспринимает цветность света благодаря рецепторам, так называемым колбочкам, которые имеют три разновидности, каждая из которых воспринимает один из трех основных цветов - красный, зеленый или синий и имеет к каждому из них свою чувствительность. Человеческий глаз воспринимает электромагнитные волны в диапазоне от 780 до 380 нанометров. Это видимая часть спектра. Следовательно, и светоприемники носителей информации - кино и фотопленка или матрица камеры должны иметь идентичную глазу чувствительность к цвету. Сенсибилизированные пленки и матрицы видеокамер воспринимают электромагнитные волны в чуть более широком диапазоне, захватывая близлежащее к красной зоне инфракрасное излучение (ИК) в диапазоне 780-900 нм и близлежащее к фиолетовой - ультрафиолетовое (УФ) излучение в диапазоне 380-300 нанометров. Эта область спектра, в которой действует геометрическая оптика и светочувствительные материалы, называется оптическим диапазоном.

Человеческий глаз кроме световой и темновой адаптации обладает так называемой цветовой адаптацией, благодаря которой при различных источниках, с различными соотношениями длин волн основных цветов, правильно воспринимает цвета. Пленка же и матрица такими свойствами не обладают, они сбалансированы под определенную цветовую температуру.

Нагреваемое тело в зависимости от температуры нагрева в своем излучении имеет различное соотношение различных длин волн и соответственно различную цветность светового потока. Эталон, по которому определяется цветность излучения, есть абсолютно черное тело (АЧТ), т.н. излучатель Планка. Абсолютно черное тело - виртуальное тело, поглощающее 100% падающего на него светового излучения, описывается законами теплового излучения. А цветовая температура - это температура АЧТ в градусах Кельвина, при которой цветность его излучения совпадает с цветностью данного источника излучения. Разница между шкалой температуры в градусах Цельсия, где за ноль принята температура замерзания воды, и шкалой в градусах Кельвина составляет -273, 16, потому что точкой отсчета в шкале Кельвина взята температура, при которой в теле прекращается любое движение атомов и соответственно прекращается любое излучение, так называемый абсолютный ноль, соответствующий температуре по Цельсию -273,16 град. То есть 0 градусов по Кельвину соответствует температура -273,16 град. по Цельсию.

Основным естественным источником света для нас является Солнце и различные источники света - огонь в виде костра, спички, факела и осветительные приборы, начиная от бытовых приборов, приборов технического назначения и заканчивая профессиональными осветительными приборами, созданными специально для кинематографа и телевидения. И в бытовых приборах, и в профессиональных, используются различные лампы (не будем касаться их принципа действия и конструктивных различий) с различными энергетическими соотношениями в их спектрах излучения основных цветов, которые можно выразить величиной цветовой температуры. Все источники света разделены на две основные группы. Первые, с цветовой температурой (Тцв.)5600 0К, белого дневного света (ДС), в излучении которых преобладает коротковолновая, холодная часть оптического спектра, вторые - лампы накаливания (ЛН) с Тцв.- 32000К и преобладанием в излучении длинноволновой, теплой части оптического спектра.

С чего всё начинается? Всё начинается с нуля, в том числе и световое излучение. Черный цвет – это отсутствие света вовсе. С точки зрения цвета, черный – это 0 интенсивности излучения, 0 насыщенности, 0 цветового тона (его просто нет), это полное отсутствие всех цветов вообще. Почему мы видим предмет черным, а потому, что он почти полностью поглощает весь падающий на него свет. Существует такое понятие как абсолютно черное тело. Абсолютно черным телом называют идеализированный объект, который поглощает всё падающее на него излучение и ничего не отражающее. Конечно же, в реальности это недостижимо и абсолютно черных тел в природе не существует. Даже те предметы, которые кажутся нам черными, на самом деле не абсолютно черные. Но можно изготовить модель почти что абсолютно черного тела. Модель представляет собой куб с полой структурой внутри, в кубе проделано небольшое отверстие, через которое внутрь куба проникают световые лучи. Конструкция чем-то похожа на скворечник. Посмотрите на рисунок (1).

Рисунок (1). – Модель абсолютно черного тела.

Свет, попадающий внутрь сквозь отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Даже если мы покрасим куб в черный цвет, отверстие будет чернее черного куба. Это отверстие и будет являться абсолютно черным телом. В прямом смысле слова, отверстие не является телом, а только лишь наглядно демонстрирует нам абсолютно черное тело.

Все объекты обладают тепловым излучением (пока их температура выше абсолютного нуля, то есть -273,15 градусов по Цельсию), но ни один объект не является идеальным тепловым излучателем. Одни объекты излучают тепло лучше, другие хуже, и всё это в зависимости от различных условий среды. Поэтому, применяют модель абсолютно черного тела. Абсолютно черное тело является идеальным тепловым излучателем. Мы можем даже увидеть цвет абсолютно черного тела, если его нагреть, и цвет, который мы увидим, будет зависеть от того, до какой температуры мы нагреем абсолютно черное тело. Мы вплотную подошли к такому понятию как цветовая температура.

Посмотрите на рисунок (2).

Рисунок (2). – Цвет абсолютно черного тела в зависимости от температуры нагревания.

а) Есть абсолютно черное тело, мы его не видим вообще. Температура 0 Кельвин (-273,15 градуса Цельсия) – абсолютный нуль, полное отсутствие любого излучения.

б) Включаем «сверхмощное пламя» и начинаем нагревать наше абсолютно черное тело. Температура тела, посредством нагревания, повысилась до 273К.

в) Прошло ещё немного времени и мы уже видим слабое красное свечение абсолютно черного тела. Температура увеличилась до 800К (527°С).

г) Температура поднялась до 1300К (1027°С), тело приобрело ярко-красный цвет. Такой же цвет свечения вы можете увидеть при нагревании некоторых металлов.

д) Тело нагрелось до 2000К (1727°С), что соответствует оранжевому цвету свечения. Такой же цвет имеют раскаленные угли в костре, некоторые металлы при нагревании, пламя свечи.

е) Температура уже 2500К (2227°С). Свечение такой температуры приобретает желтый цвет. Трогать руками такое тело крайне опасно!

ж) Белый цвет – 5500К (5227°С), такой же цвет свечения у Солнца в полдень.

з) Голубой цвет свечения – 9000К (8727°С). Такую температуру путем нагреванием пламенем получить в реальности будет невозможно. Но такой порог температуры вполне достижим в термоядерных реакторах, атомных взрывах, а температура звезд во вселенной может достигать десятки и сотни тысяч Кельвин. Мы можем лишь увидеть такой же голубой оттенок света, например, у светодиодных фонарей, небесных светил или других источников света. Цвет неба в ясную погоду примерно такого же цвета. Подводя итог ко всему вышесказанному, можно дать четкое определение цветовой температуры. Цветовая температура – это температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Проще говоря, температура 5000К – это цвет, который приобретает абсолютно черное тело при нагревании его до 5000К. Цветовая температура оранжевого цвета – 2000К, это означает, что абсолютно черное тело необходимо нагреть до температуры 2000К, чтобы оно приобрело оранжевый цвет свечения.

Но цвет свечения раскаленного тела не всегда соответствует его температуре. Если пламя газовой плиты на кухне сине-голубого цвета, это не значит, что температура пламени свыше 9000К (8727°С). Расплавленное железо в жидком состоянии имеет оранжево-желтый оттенок цвета, что в действительности соответствует его температуре, а это примерно 2000К (1727°С).

Электромагнитный спектр представляет диапазон всех частот или длин волн электромагнитного излучения от очень низких энергетических частот как радиоволны до очень высоких частот, таких как гамма-лучи. Свет это часть электромагнитного излучения, которая является видимой для человеческого глаза и называется видимый свет.

Солнечные лучи гораздо шире видимого спектра света и описываются как полный спектр, включающий диапазон длин волн, необходимых для поддержания жизни на земле и : инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый (УФ).

Человеческий глаз реагирует только на видимый свет, который лежит между инфракрасным и ультрафиолетовым излучением имеющий крошечные длины волн. Длина волны видимого света составляет всего от 400 до 700 Нм (нанометр миллиардная метра).

Видимый спектр света включает семь цветных полос, когда солнечные лучи преломляются через призму: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Первым человеком, открывшим что белый состоит из цветов радуги был Исаак Ньютон который в 1666 году направил солнечный луч через узкую щель и затем через призму на стену – получив все видимые цвета.

Видимый свет применение

За годы светотехническая промышленность стремительно развивала электрические и искусственные источники, которые копировали свойства солнечного излучения.

В 1960-х годов ученые придумали термин «полный спектр освещения» для описания источников, испускающих подобие полного естественного освещения, который включал ультрафиолетовый и видимый спектр необходимый для здоровья организма человека, животных и растений.

Искусственное освещение для дома или офиса подразумевает естественное освещение в непрерывном распределении спектральной мощности который представляет мощность источника в зависимости от длины волны с равномерным уровнем лучистой энергии связанный с и галогенновыми лампами.

Видимый свет — это часть электромагнитного излучения (ЭМ), как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и микроволны. Как правило, видимый свет определяется как визуально определяемый для большинства человеческих глаз

Спектр, как правило, делится на семь диапазонов в порядке уменьшения длины волны и увеличения энергии и частоты. Общее обозначение представляет радиоволны, микроволны, инфракрасное (ИК), видимый свет, ультрафиолетовое (УФ), рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Длина волны видимого света находится в диапазоне электромагнитного спектра между инфракрасным (ИК) и ультрафиолетовым (УФ).

Что такое цвет

Пожалуй, наиболее важной характеристикой видимого света является пояснение что такое цвет . Цвет является неотъемлемым свойством и артефактом человеческого глаза. Как ни странно, но объекты «не имеют» цвета – он существует только в голове смотрящего. Наши глаза содержат специализированные клетки, образующие сетчатку глаза, которая действует как приемники, настроенные на длины волн в этой узкой полосе частот.

Излучение в нижней части видимого спектра, имеющей большую длину волны (около 740 нм) воспринимается как красный, в середине, как зеленый, и на верхнем конце спектра, с длиной волны около 380 нм, считается синий. Все остальные цвета, которые мы воспринимаем, являются смесью этих цветов.

Например, желтый цвет содержит красный и зеленый; голубой — смесь зеленого и синего, пурпурный — смесь красного и синего . Белый содержит все цвета в сочетании. Черный — это полное отсутствие видимого излучения.

Цвет и температура

Излучение энергии воспринимается как изменение цвета. Например, пламя паяльной лампы меняется от красноватого до синего и можно отрегулировать, чтобы жарче горела. Этот процесс превращения тепловой энергии в видимую энергию называется накаливание.

Лампа накаливания высвобождает часть своей тепловой энергии в виде фотонов. Около 800 градусов по Цельсию энергия, излучаемая объектом, достигает инфракрасного излучения. При увеличении температуры, энергия переходит в видимый спектр и у объекта появляется красноватое свечение. Когда объект становится жарче, цвет меняется до «белого каления» и в итоге превращается в синий.

Видимое излучение в астрономии

Видимый свет горячих объектов, таких как звезды, может быть использован для оценки их температуры.

Например, температура поверхности Солнца составляет примерно 5800 0 по Кельвину или 5527 0 по Цельсию.

Излучаемая энергия имеет пиковую длину колебаний около 550 нм, которые мы воспринимаем как видимый белый (или слегка желтоватый).

Если бы температура поверхности Солнца была прохладнее, около 3000 0 С, это бы выглядело как красноватый цвет, как звезда Бетельгейзе. Если бы это было жарче, около 12000 0 С, это будет выглядеть голубым, как звезда Ригель.

Звезда Бетельгейзе

Звезда Ригель

Астрономы также могут определить, какие объекты из чего состоят, так как каждый элемент поглощает свет в определенных длинах волн, называемых спектром поглощения. Зная спектры поглощения элементов, астрономы могут использовать спектроскопы для определения химического состава звезд, газопылевых облаков и других удаленных объектов.

Учитель физики г. Бахчисарай

Гапеенко Нина Александровна

Урок 2.78 по теме «Дисперсия света»

Цель: изучить понятия: волновая оптика, спектр, монохроматический свет, дисперсия; объяснять окраски предметов.

Метод: объяснительно-иллюстративный, исследование.

Ход урока:

Слайд 2-3.

На слайдах мы видим проявление законов отражения и законов преломления в цвете. Может ли геометрическая оптика ответить на вопрос: откуда появляются те или иные цвета и что такое цвет?

Нет. Для этого необходимо изучить строение световых волн. А эти вопросы рассматриваются в разделе «Волновая оптика».

Слайд 4.

(«Волновая оптика» и её основные вопросы)

Слайд 5.

Сегодня на уроке мы рассмотрим свойство «дисперсия».

Запишите тему урока:

Объяснение нового материала:

Обратимся к экспериментальным данным. Ещё в 1605г . английский учёный Томас Харриот , изучая преломление света в жидкостях, обнаружил, что показатель преломления одного и того же вещества для красных лучей один, а для зелёных лучей другой. Это означает, что скорость световых волн разного цвета в веществе различна.

В настоящее время известно, что цвет , видимый глазом, определяется частотой световой волны. Поэтому открытие Харриота можно рассматривать как обнаружение зависимости показателя преломления вещества от частоты света.

Сам Харриот о своём открытии умолчал, и о его исследовании узнали значительно позже. В 1611г. Аналогичное явление, только не в жидкостях, а в стекле, обнаружил итальянский учёный Марк Антоний Доминис. И хотя его результаты были опубликованы, широкого распространения они не получили, а сам Доминис через 13 лет умер в тюрьме инквизиции.

В 1648г. дисперсия света была переоткрыта чешским учёным Я.М.Марци . Однако и на этот раз никто не обратил на это внимания.

И лишь когда соответствующие опыты были проведены Исааком Ньютоном в 1666г. , мир наконец узнал о новом явлении.

В начале 1666г. Ньютон был занят шлифовкой оптических стёкол несферической формы и решил испытать с помощью треугольной стеклянной призмы прославленное явление цветов.

Слайд 6-8.

«Сначала вид ярких и живых красок, получавшихся при этом, приятно развлёк меня. – вспоминал впоследствии Ньютон. – Но через некоторое время, заставив себя присмотреться к ним более внимательно, я был удивлён их продолговатой формой…»

Наблюдаемая картина получила название призматического или дисперсионного спектра.

До Ньютона белый (солнечный) свет считался простым, а различные цвета – его изменениями, появляющимися в результате взаимодействия света с «темнотой» или каким-либо веществом. Ньютон же, по словам современников, высказал «странную и необычную» гипотезу: «Мы должны различать два рода цветов: одни первоначальные и простые, другие же сложённые из них». Некоторые из простых лучей, по Ньютону, «способны производить красный цвет и никакого другого, другие – жёлтый и никакого другого и т.д.

Свои окончательные выводы Ньютон сформулировал в виде нескольких теорем. Первые из них гласят:

«Теорема I . Лучи, отличающиеся по цвету, отличаются и по степени преломляемости»

«Теорема II . Солнечный свет состоит из лучей различной преломляемости»

Итак, белый свет, по Ньютону, не является простым. Он имеет сложный состав и может быть разложен в спектр с помощью стеклянной призмы.

Рецензию на работу Ньютона было поручено сделать Роберту Гуку. Просидев над отзывам несколько часов подряд, Гук в своей рецензии выдвинул столь сильное возражение против ньютоновской теории, что Ньютону для обдумывания своего ответа потребовалось полгода. (По мнению Гука, утверждение о том, что в белом свете содержатся лучи всех цветов, равносильно утверждению о том, что в воздухе, заключённом в органных мехах, содержатся сразу все звуковые тона. Иными словами, это то же самое, что говорить о том, что шум есть совокупность правильных музыкальных звуков.)

В своём ответе на рецензию Гука Ньютон ушёл от рассматриваемой проблемы и сосредоточил внимание на слабых местах теории самого Гука.

Однако вслед за возражениями Гука последовала критика со стороны Гюйгенса. «Если бы то, что лучи света в их первоначальном состоянии были некоторые красными, некоторые синими и так далее, было правдой, - писал он, - то было бы очень трудно объяснить на механических принципах, в чём же состоит это различие цветов».

Гюйгенс оказался очень прозорлив – объяснение этого излучения появилось лишь в XIX в., когда было установлено, что излучения различных цветов отличаются частотой колебаний.

Слайд 9.

В самом деле, если с помощью второй призмы, перевернутой на 180 градусов относительно первой, собрать все пучки спектра , то опять получится белый цвет.

Слайд 10-12

Электромагнитное излучение одной определённой и строго постоянной частоты называется монохроматическим.

(На практике содержит узкий участок спектра)

-Дайте определение понятий «видимое излучение», «спектр», «цвет», «дисперсия».

Цвет – свойство тела вызывать определённое зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения.

Спектр – совокупность гармонических колебаний (или волн), создаваемых каким-либо источником.

Видимое излучение – электромагнитное излучение с длиной волны от 380 до 780 нм.

Дисперсия – это разложение белого света на семь цветов.

Слайд 13.

Вывод:

Призма не изменяет свет, а лишь раскладывает его на составные части.

Белый свет состоит из цветных лучей.

Фиолетовые лучи преломляются сильнее красных.

Почему?

Классическая электромагнитная теория дисперсии была создана в конце XIX в Х.А.Лоренцом. Согласно электромагнитной теории дисперсия света является результатом взаимодействия световой волны с молекулами вещества. Когда световая волна проникает в вещество, под действием электрического поля этой волны электроны молекул начинают совершать вынужденные колебания. Частота этих колебаний совпадает с частотой волны, а амплитуда зависит от соотношения между данной частотой и собственной частотой колебаний электрона. При разной частоте света амплитуда вынужденных колебаний электронов, а также степень поляризации вещества также различны. Различной при этом оказывается и диэлектрическая проницаемость вещества . Но скорость света
, а показатель преломления

Поэтому если зависит от частоты света, то зависимостью от частоты будут обладать и с .

Скорость света в вакууме равна с=3·10 8 м/с. Но свет бывает разным: жёлтым, красным, зелёным и т.д. В вакууме лучи всех цветов распространяются с одной и той же скоростью. Заключение о том, что и в веществе лучи разного цвета распространяются с разной скоростью докажем на практике.

Обратим внимание на формулу:
.

Следовательно,
(опираемся на формулу из лабораторной работы по определению показателя преломления стекла).

Слайд 14.

Вывод :

Красный свет, который меньше преломляется, имеет наибольшую скорость, а фиолетовый – наименьшую, поэтому призма и раскладывает свет.

Почему?

Рассуждения выносятся на доску:

Значит показатель преломления зависит от длины волны (от частоты).

Слайд 15.

Вывод: Показатель преломления зависит от длины волны электромагнитного излучения. → Зависимость показателя преломления света от его длины волны называется дисперсией.

Определение: Зависимость скорости света в веществе (или показателя преломления) от частоты волны (или цвета) называется дисперсией света.

Слайд 16

Первичная проверка понимания:

Что называют дисперсией света?

Какой свет называют монохроматическим?

Какой свет будет распространяться в веществе призмы (из стекла) с большей скоростью?

Что произойдет при соединении световых лучей спектра?

Чем объяснить белый цвет снега, черный цвет сажи, зеленый цвет листьев, красный цвет флага?

От чего зависит цветность световых волн? От частоты (только частота не изменяется при переходе из одной прозрачной среды в другую и цвет тоже не изменяется)

Объяснение цветности:

Особенно значительной становится амплитуда колебаний элект­ ронов в веществе при v ≈ v 0 . В этом случае наблюдается резонансное поглощение энергии и излучения соответствующих частот из падаю­ щего света «выпадают» (поглощаются).

У молекул бесцветного прозрачного вещества, например стекла, наиболее существенные резонансные частоты лежат в ультрафиоле­товой области. Поэтому обычное стекло хорошо пропускает видимый свет и поглощает ультрафиолетовый.

У цветных стекол резонансы имеются и в видимом диапазоне частот. Из-за этого часть проходящего света поглощается и остается лишь тот, который и придает цвет стеклу. Например, глядя на лампу накаливания через синий светофильтр, мы увидим ее синей потому, что синий светофильтр из всей совокупности излучений лампы про­пускает только синие, фиолетовые и голубые лучи, а остальные по­глощает.

Цвет непрозрачных предметов определяется тем светом, который они диффузно (рассеянно) отражают. Так, например, предмет, по­глощающий все лучи, кроме зеленых, отражая последние, приобре­тает зеленый цвет. Если же поверхность какого-то предмета оди­наково хорошо отражает лучи всех цветов спектра, то она будет казаться белой. Белые поверхности характеризуются значительным коэффициентом отражения. Причем, чем больший коэффициент от­ражения имеет белая поверхность, тем более светлой она кажется. Очень светлым поэтому выглядит белый порошок оксида магния (ко­эффициент отражения 96%). Свежевыпавший снег отражает 85% падающего светового потока, белая бумага - 75%.

«Черных лучей» в природе не существует. Предмет нам кажется черным в том случае, когда он поглощает почти весь падающий на него свет, одинаково плохо отражая лучи всех цветов. Например, коэффициент отражения черного бархата составляет всего лишь 0,3%.

Вообще все цвета, встречающиеся в природе, делят на ахрома­ тические и хроматические. К ахроматическим цветам относятся белый, черный и серый цвета.

К хроматическим относятся спектральные цвета (от красного до фиолетового), пурпурные (малиновый, вишнёвый и сиреневый) и все остальные (коричневый, салатный и т.д.), получившиеся в результате смешения различных цветов между собой. Пурпурные цвета возникают при смешении в разной пропорции красных и фиолетовых или синих цветов.

Красный, зеленый и синий цвета являются взаимно независи­ мыми. Это означает, что каждый из них не может быть получен в результате смешения двух других. Направив на белый экран три пучка света, пропущенные соответственно через красный, зеленый и синий светофильтры, в месте их пересечения можно получить белый цвет. Правда, он получится лишь при одном совершенно опреде­ленном соотношении яркостей складывающихся световых пучков. Из­меняя это соотношение, в результате смешения красного, зеленого и синего цветов можно получить практически любой другой хрома­тический цвет.

Слайд 17

Объяснение на основе свойства дисперсии света природного явления «Радуга»

Закрепление:

Слайд 18

Закрепление полученных на уроке знаний:

Тест по теме «Дисперсия света»

Вариант 1

Сравните скорость распространения красного и фиолетового излучений в вакууме.

А. υ к › υ ф

Б. υ к = υ ф

В. υ к ‹ υ ф

Как изменится частота зеленого излучения при переходе света из воздуха в воду?

А. Уменьшается

Б. Не изменяется

В.Увеличивается

Показатель преломления воды при температуре 20 0 С для различных монохроматических лучей видимого излучения находится в интервале от n 1 =1,3308 до n 2 =1,3428. Каков из этих показателей является показателем преломления фиолетовых лучей?

А. n 2

Б. n 1

В.n 1 и n 2

Почему для транспорта световым сигналом опасности является красный свет?

А. Ассоциируется с цветом крови

Б. Бросается в глаза

В.Имеет самый малый показатель преломления

Г. Менее всего рассеивается в воздухе и тумане.

На белой бумаге написан текст красными буквами. Через стекло какого цвета буквы будут казаться черными?

А.Белого

Б.Красного

В.Зеленого

Вариант 2

Сравните скорость распространения красного и фиолетового излучений в стекле.

А. υ к › υ ф

Б. υ к = υ ф

В. υ к ‹ υ ф

Как изменится длина волны красного излучения при переходе света из воздуха в воду?

А. Уменьшается

Б. Не изменяется

В.Увеличивается

От чего зависит цветность световых волн?

А. От их частоты

Б. От скорости их распространения

В.От длины волны

Почему рабочие на стройке носят каски оранжевого цвета?

А. Оранжевый цвет хорошо заметен на расстоянии

Б. Мало изменяется во время непогоды

В. Менее всего рассеивается в воздухе и тумане.

Г. Согласно требованиям безопасности труда.

В бутылку из зеленого стекла налиты красные чернила. Какого цвета кажутся чернила?

А.Черного

Б.Красного

В.Зеленого

Слайд 19

Самопроверка

Самоанализ (рефлексия)

Домашнее задание:

Слайд 20.

Домашнее задание:

Параграф 53 (учебник под редакцией проф. Н.А. Парфентьевой)

Рымкевич №1081,1083,1084

Творческое задание: «Применение дисперсии света.»

Список используемой литературы:

Рымкевич А.П., « Задачник» для 10 – 11 классов, Москва, издательство «Дрофа», 2006

Громов С.В., «Физика – 11», Москва, издательство «Просвещение», 2009

Мякишев Г.Я., «Физика – 11», Москва, издательство «Просвещение», 2014

Пинский А.А., «Физика – 11», Москва, издательство «Просвещение», 2009

В природе не существует цветов как таковых. Каждый оттенок, который мы видим, задает та или иная длина волны. образуется под воздействием самых длинных волн и представляет собой одну из двух граней видимого спектра.

О природе цвета

Возникновение того или иного цвета можно объяснить благодаря законам физики. Все цвета и оттенки являются результатами обработки мозгом информации, поступающей через глаза в форме световых волн различной длины. При отсутствии волн люди видят а при единовременном воздействии всего спектра - белый.

Цвета предметов определяются способностью их поверхностей поглощать волны определенной длины и отталкивать все остальные. Также имеет значение освещенность: чем ярче свет, тем интенсивнее отражаются волны, и тем ярче выглядит объект.

Люди способны различать более ста тысяч цветов. Любимые многими алые, бордовые и вишневые оттенки образуются самыми длинными волнами. Однако чтобы человеческий глаз мог увидеть красный цвет, не должна превышать 700 нанометров. За этим порогом начинается невидимый для людей инфракрасный спектр. Противоположная граница, отделяющая фиолетовые оттенки от ультрафиолетового спектра, находится на уровне около 400 нм.

Цветовой спектр

Спектр цветов как некоторая их совокупность, распределенная в порядке возрастания длины волны, был открыт Ньютоном в ходе проведения его знаменитых экспериментов с призмой. Именно он выделил 7 явно различимых цветов, а среди них - 3 основных. Красный цвет относится и к различимым, и к основным. Все оттенки, которые различают люди - это видимая область обширного электромагнитного спектра. Таким образом, цвет - это электромагнитная волна определенной длины, не короче 400, но не длиннее 700 нм.

Ньютон заметил, что пучки света разных цветов имели разные степени преломления. Если выражаться более корректно, то стекло преломляло их по-разному. Максимальной скорости прохождения лучей через вещество и, как следствие, наименьшей преломляемости способствовала наибольшая длина волны. Красный цвет является видимым отображением наименее преломляемых лучей.

Волны, образующие красный цвет

Электромагнитная волна характеризуется такими параметрами, как длина, частота и Под длиной волны (λ) принято понимать наименьшее расстояние между ее точками, которые колеблются в одинаковых фазах. Основные единицы измерения длины волн:

• микрон (1/1000000 метра);
• миллимикрон, или нанометр (1/1000 микрона);
• ангстрем (1/10 миллимикрона).

Максимально возможная длина волны красного цвета равна 780 ммк (7800 ангстрем) при прохождении через вакуум. Минимальная длина волны этого спектра - 625 ммк (6250 ангстрем).

Другой существенный показатель - частота колебаний. Она взаимосвязана с длиной, поэтому волна может быть задана любой из этих величин. Частота волн красного цвета находится в пределах от 400 до 480 Гц. Энергия фотонов при этом образует диапазон от 1,68 до 1,98 эВ.

Температура красного цвета

Оттенки, которые человек подсознательно воспринимает как теплые либо холодные, с научной точки зрения, как правило, имеют противоположный температурный режим. Цвета, ассоциируемые с солнечным светом - красный, оранжевый, желтый - принято рассматривать как теплые, а противоположные им - как холодные.

Однако теория излучения доказывает обратное: у красных оттенков намного ниже, чем у синих. На деле это легко подтвердить: горячие молодые звезды имеют а угасающие - красный; металл при раскаливании сначала становится красным, затем желтым, а после - белым.

Согласно закону Вина, существует обратная взаимосвязь между степенью нагрева волны и ее длиной. Чем сильнее нагревается объект, тем большая мощность приходится на излучения из области коротких волн, и наоборот. Остается лишь вспомнить, где в видимом спектре существует наибольшая длина волны: красный цвет занимает позицию, контрастную синим тонам, и является наименее теплым.

Оттенки красного

В зависимости от конкретного значения, которое имеет длина волны, красный цвет приобретает различные оттенки: алый, малиновый, бордовый, кирпичный, вишневый и т. д.

Оттенок характеризуется 4 параметрами. Это такие, как:

1. Тон - место, которое цвет занимает в спектре среди 7 видимых цветов. Длина электромагнитной волны задает именно тон.
2. Яркость - определяется силой излучения энергии определенного цветового тона. Предельное снижение яркости приводит к тому, что человек увидит черный цвет. При постепенном повышении яркости появится за ним - бордовый, после - алый, а при максимальном повышении энергии - ярко-красный.
3. Светлость - характеризует близость оттенка к белому. Белый цвет - это результат смешивания волн различных спектров. При последовательном наращивании этого эффекта красный цвет превратится в малиновый, после - в розовый, затем - в светло-розовый и, наконец, в белый.
4. Насыщенность - определяет удаленность цвета от серого. Серый цвет по своей природе - это три основных цвета, смешанные в разных количествах при понижении яркости излучения света до 50%.

Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение - это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения, вы все, конечно же, знаете. Но в этой статье я не стану рассказать вам теорию электромагнитного излучения и его физическую природу, я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное: Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Примеров может быть достаточно много, вы и сами можете привести их в гораздо большем количестве, чем я написал. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.

На Рисунке 1 видимое излучение представлено в виде шкалы, которая состоит из «смеси» различных цветов. Как вы уже догадались – это спектр . Через весь спектр (слева направо) проходит волнообразная линия (синусоидальная кривая) – это электромагнитная волна, которая отображает сущность света как электромагнитного излучения. Грубо говоря, любое излучение – есть волна. Рентгеновское, ионизирующее, радиоизлучение (радиоприемники, телевизионная связь) – не важно, все они являются электромагнитными волнами, только каждый вид излучения имеет разную длину этих волн. Синусоидальная кривая является всего лишь графическим представлением излучаемой энергии, которая изменяется во времени. Это математическое описание излучаемой энергии. На рисунке 1 вы также можете заметить, что изображенная волна как бы немного сжата в левом углу и расширена в правом. Это говорит о том, что она имеет разную длину на различных участках. Длина волны – это расстояние между двумя её соседними вершинами. Видимое излучение (видимый свет) имеет длину волны, которая изменяется в пределах от 380 до 780nm (нанометров). Видимый свет - всего лишь звено одной очень длинной электромагнитной волны.

От света к цвету и обратно

Ещё со школы вы знаете, что если на пути луча солнечного света поставить стеклянную призму, то большая часть света пройдет через стекло, и вы сможете увидеть разноцветные полосы на другой стороне призмы. То есть изначально был солнечный свет - луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Помните, я только что говорил, что видимый свет (видимое излучение) - это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн. Смотрим на рисунок 2.

Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.

Каждая из волн имеет свою длину. Видите, вершины соседних волн не совпадают друг с другом: потому что красный цвет (красная волна) имеет длину примерно 625-740nm, оранжевый цвет (оранжевая волна) – примерно 590-625nm, синий цвет (синяя волна) – 435-500nm., не буду приводить цифры для остальных 4-х волн, суть, я думаю, вы поняли. Каждая волна – это излучаемая световая энергия, то есть красная волна излучает красный свет, оранжевая – оранжевый, зеленая – зеленый и т.д. Когда все семь волн излучаются одновременно, мы видим спектр цветов. Если математически сложить графики этих волн вместе, то мы получим исходный график электромагнитной волны видимого света – получим белый свет. Таким образом, можно сказать, что спектр электромагнитной волны видимого света – это сумма волн различной длины, которые при наложении друг на друга дают исходную электромагнитную волну. Спектр «показывает из чего состоит волна». Ну, если совсем просто сказать, то спектр видимого света – это смесь цветов, из которых состоит белый свет (цвет). Надо сказать, что и у других видов электромагнитного излучения (ионизирующего, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового и т.д.) тоже есть свои спектры.

Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.

Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).

Проверим как это работает на практике. Возьмем 3 источника света (прожектора) - красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 - Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.

Посмотрите, в местах пересечения световых лучей друг с другом образовались новые световые лучи – новые цвета. Зеленый и красный образовали желтый, зеленый и синий – голубой, синий и красный - пурпурный. Таким образом, изменяя яркость световых лучей и комбинируя цвета можно получить большое многообразие цветовых тонов и оттенков цвета. Обратите внимание на центр пересечения зеленого, красного и синего цветов: в центре вы увидите белый цвет. Тот самый, о котором мы недавно говорили. Белый цвет – это сумма всех цветов. Он является «самым сильным цветом» из всех видимых нами цветов. Противоположный белому – черный цвет. Черный цвет – это полное отсутствие света вообще. То есть там, где нет света - там мрак, там всё становится черным. Пример тому - иллюстрация 4.

Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения

Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет и вам ничего не говорю. Пора внести ясность. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Но будем считать, что вы достаточно хорошо себя чувствуете, читаете эту статью и можете отличить 7 цветов радуги друг от друга. Отмечу, что на данный момент, речь идет именно о цвете светового излучения, а не о цвете предметов. На рисунке 5 показаны зависимые друг от друга параметры цвета и света.

Рисунки 5 и 6– Зависимость параметров цвета от источника излучения

Существуют основные характеристики цвета: цветовой тон (hue), яркость (Brightness), светлость (Lightness), насыщенность (Saturation).

Цветовой тон (hue)

– Это основная характеристика цвета, которая определяет его положение в спектре. Вспомните наши 7 цветов радуги – это, иначе говоря, 7 цветовых тонов. Красный цветовой тон, оранжевый цветовой тон, зелёный цветовой тон, синий и т.д. Цветовых тонов может быть довольно много, 7 цветов радуги я привел просто в качестве примера. Следует отметить, что такие цвета как серый, белый, черный, а также оттенки этих цветов не относятся к понятию цветовой тон, так как являются результатом смешивания различных цветовых тонов.

Яркость (Brightness)

– Характеристика, которая показывает, насколько сильно излучается световая энергия того или иного цветового тона (красного, желтого, фиолетового и т.п.). А если она вообще не излучается? Если не излучается – значит, её нет, а нет энергии - нет света, а там где нет света, там черный цвет. Любой цвет при максимальном снижении яркости становится черным цветом. Например, цепочка снижения яркости красного цвета: красный - алый - бордовый - бурый - черный. Максимальное увеличение яркости, к примеру, того же красного цвета даст «максимально красный цвет».

Светлость (Lightness)

– Степень близости цвета (цветового тона) к белому. Любой цвет при максимальном увеличении светлости становится белым. Например: красный - малиновый - розовый - бледно-розовый - белый.

Насыщенность (Saturation)

– Степень близости цвета к серому цвету. Серый цвет является промежуточным цветом между белым и черным. Серый цвет образуется путем смешивания в равных количествах красного, зеленого, синего цвета с понижением яркости источников излучения на 50%. Насыщенность изменяется непропорционально, то есть понижение насыщенности до минимума не означает, что яркость источника будет снижена до 50%. Если цвет уже темнее серого, при понижении насыщенности он станет ещё более темным, а при дальнейшем понижении и вовсе станет черным цветом.

Такие характеристики цвета как цветовой тон (hue), яркость (Brightness), и насыщенность (Saturation) лежат в основе цветовой модели HSB (иначе называемая HCV).

Для того чтобы разобраться в этих характеристиках цвета, рассмотрим на рисунке 7 палитру цветов графического редактора Adobe Photoshop.

Рисунок 7 – Палитра цветов Adobe Photoshop

Если вы внимательно посмотрите на рисунок, то обнаружите маленький кружочек, который расположен в самом верхнем правом углу палитры. Этот кружочек показывает, какой цвет выбран на цветовой палитре, в нашем случае это красный. Начнем разбираться. Сначала посмотрим на числа и буквы, которые расположены в правой половине рисунка. Это параметры цветовой модели HSB. Самая верхняя буква – H (hue, цветовой тон). Он определяет положение цвета в спектре. Значение 0 градусов означает, что это самая верхняя (или нижняя) точка цветового круга – то есть это красный цвет. Круг разделен на 360 градусов, т.е. получается, в нем 360 цветовых тонов. Следующая буква – S (saturation, насыщенность). У нас указано значение 100% - это значит, что цвет будет «прижат» к правому краю цветовой палитры и имеет максимально возможную насыщенность. Затем идет буква B (brightness, яркость) – она показывает, насколько высоко расположена точка на палитре цветов и характеризует интенсивность цвета. Значение 100% говорит о том, что интенсивность цвета максимальна и точка «прижата» к верхнему краю палитры. Буквы R(red), G(green), B(blue) - это три цветовых канала (красный, зеленый, синий) модели RGB. В каждом в каждом из них указывается число, которое обозначает количество цвета в канале. Вспомните пример с прожекторами на рисунке 3, тогда мы выяснили, что любой цвет может быть получен путем смешивания трех световых лучей. Записывая числовые данные в каждый из каналов, мы однозначно определяем цвет. В нашем случае 8-битный канал и числа лежат в диапазоне от 0 до 255. Числа в каналах R, G, B показывают интенсивность света (яркость цвета). У нас в канале R указано значение 255, а это значит, что это чистый красный цвет и у него максимальная яркость. В каналах G и B стоят нули, что означает полное отсутствие зеленого и синего цветов. В самой нижней графе вы можете увидеть кодовую комбинацию #ff0000 - это код цвета. У любого цвета в палитре есть свой шестнадцатиричный код, который определяет цвет. Есть замечательная статья Теория цвета в цифрах , в которой автор рассказывает как определять цвет по шестнадцатеричному коду.
На рисунке вы также можете заметить перечеркнутые поля числовых значений с буквами «lab» и «CMYK». Это 2 цветовых пространства, по которым тоже можно характеризовать цвета, о них вообще отдельный разговор и на данном этапе незачем вникать в них пока не разберетесь с RGB.
Можете открыть цветовую палитру Adobe Photoshop и поэксперовать со значением цветов в полях RGB и HSB. Вы заметите, что изменение числовых значений в каналах R, G, и B приводит к изменению числовых значений в каналах H, S, B.

Цвет объектов

Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.

Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет . А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет . Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света , которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря - физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать.

Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.

- Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.

- Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.

- И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.

Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Отражение зеленой волны спектра

Бананы на рисунке 9 выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.

Рисунок 9 – Отражение желтой волны спектра

Собачка, та что изображена на рисунке 10 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.

Рисунок 10 – Отражение всех волн спектра

Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.

В следующей статье речь пойдет о новой характеристике цвета -

Главная » Полезно знать » От чего зависит цвет волны. Применение и особенности видимого света и излучения