Цвет и свет

Природа наделила нас органами чувств, для того чтобы мы могли осознанно воспринимать окружающий мир. Зрение дает нам всеобъемлющее восприятие мира. В этой книге дается обзор разнообразных явлений, объясняется их происхождение, рассматривается роль цвета в моде и архитектуре.

Тема цвета и света в значительной мере касается физики, которая помогает раскрыть природу многих феноменов. Здесь не просто описаны явления, но и объяснены. Умение задавать правильные вопросы, пожалуй, даже важнее чистых знаний, которым можно научиться. Посвящаю эту книгу Фредерике и Хенрику, у которых никогда не кончаются вопросы.

Роджер Эрб

Цвета способствуют хорошему настроению так же, как приятная музыка и удобный диван. Они дают нам возможность самим создавать свой собственный мир в соответствии с личными представлениями. У нас есть свобода выбора.

Из множества комбинаций цвета мы можем выбрать те, которые нам нравятся. Какими были бы искусство, реклама и архитектура без цвета? Однотонными и скучными. Из этой книги ты узнаешь, какое влияние оказывает на нас цвет.

Стефан Зелевски

Свет и его распространение

Человек видит тогда когда свет достигает его глаз. Моряк на корабле может рассмотреть утопающего, посветив фонарём.

Как мы видим окружающий мир?

Новый день начинается для нас утром, когда мы открываем глаза. Ночью тело отдыхает. Встречая наступающий день, первое, что ты делаешь, — открываешь глаза. О человеке, который испытывает интерес к жизни и радуется каждому дню, говорят, что он идёт по жизни с широко открытыми глазами. День сменяет ночь. Этот порядок определяет ритм нашей жизни.

Природа дала человеку возможность видеть мир, наделив его особыми органами чувств глазами. Днем Землю освещает Солнце, а ночью Луна. Люди пользуются и другими источниками света, например электрическими лампочками или огнем. Иногда можно услышать выражение «у него (человека) светятся глаза»; на самом же деле свет исходит не из глаз, а, на-оборот, попадает туда из внешней среды.

Источники света, например солнце, излучают свет, который освещает предметы. Те в свою очередь частично отражают его, и свет достигает глаз, которые являются приемниками света. Если в безлунную ночь осветить фонариком стену дома или какой-либо предмет, то свет, отразившись от них, попадет в твои глаза и ты сможешь их увидеть. Если же направить фонарик в небо, где нет объекта, который бы отражал свет, все останется черным.

Что такое свет

Попробуем ответить на этот вопрос. Свет распространяется от источника света, подобно капле чернил в стакане воды, только намного быстрее, Его можно поймать и сфокусировать; чуть позже мы рассмотрим эти процессы. В отличие от чернил, свет не является веществом. Что же та кое свет?

На сегодняшний день известно, что свет — это особая материя, исходящая от источника света, которая перемещается в пространстве, достигая наших глаз. Строение глаз человека и животных позволяет воспринимать эту материю.

Представь, что ты бросил камень в середину пруда. Оттуда до берега распространится волна, которая приведет в движение плавающую на воде пробку. При этом сама вода не перемещается от середины к берегу. Происходит лишь ритмическое изменение формы распространяющейся волны. Выделившаяся энергия заставляет пробку двигаться. Подобно волне, свет переносит энергию, поэтому в солнечный день нам так жарко.

В комиксах возможно все: у этих викингов распространяется не только свет, но и тьма.

В комиксах возможно все: у этих викингов распространяется не только свет, но и тьма.

Что такое модель света?

Ученые моделируют какой — либо процесс или явление в том случае, когда не могут точно описать его свойства. Модель отражает лишь некоторые особенности явления, в то время как другие свойства изученными не до конца либо для конкретного исследования не представляют интереса. Примером модели является знакомый тебе глобус, который отображает поверхность Земли: для большинства тех, у кого он есть, внутреннее строение нашей планеты не представляет особого интереса.

То же относится и к свету. Ученые создали несколько моделей света, потому что природа света на сегодняшний день изучена не до конца. Рассмотрим волновую модель, в которой свет распространяется в пространстве в виде волн. В отличие от воды, световой волне не требуется материала, который приводился бы в движение.

Так же ведут себя и радиоволны. При их распространении происходит периодическое изменение электромагнитного поля. Распространение радиоволн обусловливает небольшие изменения электричества и магнетизма. Однако зарегистрировать эти изменения с помощью обычного прибора невозможно. Лишь сверхчувствительный компас мог бы отреагировать на эти периодически возникшие изменения.

Другая модель представляет свет в виде потока частиц, которые называются фотонами. Фотоны находятся в постоянном движении, они не накапливаются и не хранятся. При столкновении с предметами они отдают им свою энергию. Третья модель (оптические приборы) ставит своей целью описание того, как именно распространяется свет, Согласно лучевой модели прямолинейно, посредством лучей.

Эти три способа описания света являются всего лишь моделями, поэтому нельзя сказать, что одна модель лучше другой. Ученые выбирают наиболее подходящую модель в зависимости от того, какое конкретное свойство света их интересует.

Три модели света — волновая, корпускулярная и лучевая — отображают различные теории его распространения.

Три модели света - волновая, корпускулярная и лучевая - отображают различные теории его распространения.
Три модели света.

Поляризация

Волновая модель света позволяет понять еще одно его свойство. Световые волны могут перемещаться в определенном направлении, как натянутая веревка, которую можно заставить колебаться с помощью руки (рис. сдесь). Ориентация в определенном направлении называется поляризацией. Солнечный свет не является поляризованным. Это значит, что он может распространяться в любом направлении.

С помощью поляризационного фильтра свет можно разложить на компоненты с определенным направлением — например, сделать отражение (блик) на стекле, при этом отраженный свет поляризуется. Такие фильтры находят применение в фотографии.

Как распространяется свет?

Когда летом мы хотим посидеть в саду в тени, то ставим зонтик от солнца. В большинстве случаев свет распространяется однородно и прямолинейно, не огибая препятствий. При описании движения света обычно чертят прямые линии от источника света до предметов или глаза. Эти линии называются лучами.

Давайте разберемся, что означает понятие «прямо»? На первый взгляд, это легкий вопрос. Однако на самом деле все не так просто. Рассуждаем следующим образом: натянем нить между двумя колышками; ее длина соответствует кратчайшему расстоянию между ними.

Если вместо колышка поставить источник света, то можно заметить, что свет распространяется вдоль нити, т.е. как раз по прямому, кратчайшему пути, на который затрачивает минимальное время. Эта закономерность была названа принципом Ферма — по имени ученого, установившего этот факт.

В воздухе, насыщенном испарениями, прямолинейное распространение солнечного света особенно заметно.

Имеет ли свет скорость?

Чтобы доехать на велосипеде, например, от спортивной площадки до дома требуется определенное время. Поделив расстояние на время, можно рассчитать скорость движения. Распространение же света проследить невозможно, так как скорость слишком велика.

Это происходит, по крайней мере, быстрее звука, что можно легко заметить во время грозы. Попытки измерить скорость света были предприняты еще много столетий назад. Однако впервые это удалось сделать датскому астроному Оле Рёмеру в 1676 году в ходе наблюдений за лунами планеты Юпитер. Сегодня скорость Свет света принято считать равной 300 000 км/сек.

СКОРОСТИ

Велосипед20 км/ч
Поезд — экспресс 250 км/ч
Звук1200 км/ч
Свет300000 км/ч
Чтобы преодолеть расстояние, которое свет проходит за секунду, велосипедисту пришлось бы безостановочно ехать более полутора лет. Поезду- экспрессу для этого потребовалось бы 50 дней, а звуку или современному самолету — около 10.

Измерение скорости света Оле Рёмера

Оле Рёмер (1644-1710) в течение долгого времени наблюдал за лунами Юпитера. Он установил, что одна из лун каждые семь дней исчезает за Юпитером и спустя некоторое время появляется на другой стороне. Рёмер рассчитал день и время исчезновения и появления луны с точностью до минуты. При этом он заметил, что, когда Земля, проходя путь от пункта А до пункта Б вокруг Солнца, удалялась от Юпитера, затмения наступали позже, чем показывали расчеты. Это объясняется тем, что свету необходимо какое-то время для преодоления этого расстояния. Рёмер вычислил, что скорость света составляет порядка 300 000 км/ч. Расстояние от Солнца до Земли свет преодолевает за 8 минут.


Эксперимент: Насколько далеко находится гроза?

В грозу сначала видна молния, а чуть позже слышен гром. Ты можешь вычислить, на каком расстоянии находится гроза. Принимать во внимание следует только скорость звука. Она составляет 1200 км/ч, или 340 м/сек. Если между молнией и громом прошло 3 секунды, значит, гроза примерно на расстоянии километра (3 х 340). Ожидание приближающейся грозы — занятие увлекательное, однако не забудь вовремя укрыться в безопасном месте.


Что можно видеть?

Тела, которые обладают способностью светиться, называют источниками света. К ним относятся свечи, лампы накаливания и, конечно, Солнце. Глаза воспринимают свет, исходящий от них. Однако следует соблюдать осторожность! Некоторые источники светят настолько сильно, что на них нельзя смотреть без специальных приспособлений. Прямой солнечный свет и лазер вредны для глаз.

Большинство источников светятся потому, что сильно нагреваются (вспомните лампы накаливания) и начинают излучать свет. Чем он белее, тем горячее источник света. Мы видим предмет, потому что он освещается. Отражаясь, свет достигает глаз. Этот процесс называется рассеянием. Предмет отражает не весь падающий на него свет: часть света поглощается, и предмет нагревается.

Накаливание или свечение

По цвету светящегося тела можно определить его температуру. Раскаленный докрасна кусок древесного угля имеет температуру около 80 «С, нить накала электрической лампочки светится белым цветом, ее температура — 2500 °С. Некоторые источники света не накаляются, испуская свет. Примером таких относительно холодных осветительных приборов являются современные энергосберегающие люминесцентные лампы, светодиоды и лазеры. У светлячков тоже холодное свечение.

Благодаря освещению мы можем видеть тела, которые сами по себе не являются источниками света, а лишь отражающего. Этот процесс называется рассеянием.
В процессе рассеяния микроскопически малые неровности (в нашем случае яичная скорлупа) отклоняют лучи света в различные направления.

Как образуется тень?

Тень возникает в том случае, когда источник света загораживается предметом. Особенно отчетливой она получается, если предмет освещен небольшим источником света. Такие осветительные приборы используются в театре теней. По форме тени можно легко определить форму предмета. Возможно, ты замечал две тени, проходя вечером по улице между двух фонарей: каждый из них отбрасывает свою собственную тень.

В тень, которую отбрасывает одна лампа, попадает и свет второй лампы, поэтому они отличаются по тону. Размер тени меняется. В этом можно убедиться, поместив руку между небольшим источником света и стеной. Тень на стене будет четче и больше, чем рука. Если ты поднесешь руку к лампе, тень увеличится. Если же руку осветить большим источником света, то тень станет нечеткой, состоящей из более темной области (ядра тени), куда не попадает свет, и более светлой (полутени). Подобная ситуация наблюдается при солнечном затмении.

ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ ЭФФЕКТ

Предметы бросают тень не только на поверхность, но и сами на себя. Они рассеивают свет в окружающем пространстве. Художник Георг де ла Тур демонстрирует, как со умелым обращением со светом и тенью можно добиться впечатляющего пространственного эффекта.


Эксперимент: Определи высоту предмета с помощью тени

Высоту дерева в солнечный день можно определить по размеру его тени. Измерь какойлибо предмет, например сложенный зонтик от солнца. На рисунке эта величина обозначена буквой а. Затем измерь длину тени зонтика (b) и дерева (d). Теперь можно рассчитать высоту дерева по формуле: с = (a x d) : b. Это измерение подходит лишь для источника света, находящегося на большом расстоянии, например Солнца.

Что такое солнечное затмение?

В полнолуние ночи очень светлые, несмотря на то что Луна не является сама по себе источником света, она лишь рассеивает свет Солнца. Луна всегда освещена лишь наполовину. Где же в это время находится Солнце? Представь себе мяч, который ты держишь в руках летним днем. Когда Солнце у тебя за спиной, ты видишь весь мяч. При полумесяце мы смотрим на Солнце и Луну со стороны; освещенная сторона Луны указывает направление, где на данный момент находится Солнце.

При новолунии мы видим неосвещенную сторону, когда Солнце располагается вблизи Луны. Когда Луна проходит между Землей и Солнцем, отбрасывая на Землю свою тень, наблюдается солнечное затмение. Лунное затмение бывает, когда Земля находится между Солнцем и Луной и, дви- гансь по своей орбите вокруг Земли, Луна попадает в ее тень.

Схема солнечного затмения

Схема солнечного затмения
Схема солнечного затмения

Что такое отражение?

Помещение с зеркальными стенами кажется намного больше, чем есть на самом деле. Зеркала обманывают зрение, и наши глаза воспринимают изображение как продолжение помещения.

Где находится отражение, когда мы смотрим н зеркало? Точно не на поверхности зеркала; в этом ты можешь убедиться, дотронувшись до него рукой, Ты можешь четко видеть либо свои пальцы, либо отражение предметов, находящихся позади тебя, но не два отражения одновременно.

Если внимательно присмотреться к отражению предмета, то можно заметить, что оно располагается за поверхностью зеркала на расстоянии, равном расстоянию от объекта до зеркала. Гладкая зеркальная поверхность отражает свет в строго определенном направлении. Этот процесс называется отражением. Он описывается с помощью физического закона, который можно представить в виде рисунка (внизу).

Закон отражения света гласит: угол падения равен углу отражения. Синий и красный углы на рисунке внизу равны.

Свет, отражаясь от наручных часов, отбрасывает на стену солнечный зайчик

Меняются ли в зеркале правая и левая стороны?

К счастью, нет. Проведи эксперимент: в зеркале ты моргающий глаз на той же стороне, на которой он находится перед зеркалом. В зеркале левая и правая стороны не меняются местами, изменяется лишь направление предметов.

Слово, написанное зеркальным шрифтом на пленке, при рассмотрении сзади соответствует своему зеркальному отражению.

Оружие — вогнутое зеркало

Согласно легенде, когда вражеский флот напал на Сиракузы, греческий механик и математик Архимед (285-212 до н.э.) с помощью вогнутого зеркала сфокусировал солнечный свет и направил его на деревянные корабли противника, чтобы те воспламенились. Однако достоверность этой истории подвергается сомнению.

Косметическое зеркало и столовая ложка

В косметическом зеркале или зеркале для бритья мы видим свое увеличенное изображение, потому что поверхность таких зеркал не плоская, а изогнутая. Если же она искривлена слишком сильно, отражение становится уменьшенным и перевернутым. В столовой ложке, например, мы видим себя вверх ногами. Такие зеркала называются вогнутыми. Другая сторона ложки — выпуклое зеркало. В нем отражение уменьшается, но остается прямым. Кривые зеркала дают измененные отражения, потому что сделаны из вогнутых и выпуклых зеркал.

В гладкой водной поверхности, как в зеркале, отражаются дома. Если же поверхность воды неспокойна, свет рассеивается и отражение становится нечетким.

Что такое преломление?

Взгляни на оборотную сторону этикетки на бутылке с водой. Она выглядит так, будто не согнута, а выпрямлена. Причина этого заключается в том, что свет, проходя через границу двух прозрачных сред, таких как воздух и стекло, меняет свое первоначальное направление. Этот процесс называеться преломлением.

Сила преломления света зависит от угла его прохождения. На ровных поверхностях, например на толстом стекле, изображение перемещается. На изогнутых — искривляется. Преломление также зависит от среды: если свет проходит из воздуха в стекло, то преломление будет сильнее, чем при прохождении света в воду.


Эксперимент: Волшебство в кофейной чашке

Поставь чашку на стоп Положи в нее монету. Сядь так, чтобы ты не мог видеть монету (стена) Попроси друга медленно налить воду чашку, Что происходит? по мана- вению волшебной палочки, монета снова становится видна (справа).

При вхождении в водную среду свет преломляется (слева). То же происходит, когда свет переходит из воды в воздух. Мы же исходим из того, что предмет находится в направлении нашего взгляда, т.е. не задумываемся о преломлении и видим предмет приподнятым (справа).


Что такое световод?

Если свет падает из толщи воды по направлению к поверхности, он не может проникнуть наружу и полностью отражается. То же происходит в стекле или прозрачном синтетическом материале. Если посветить в конец длинной тонкой трубки, свет не сможет выйти за ее пределы и будет полностью отражаться.

Еще более тонкая и длинная трубка будет представлять собой гибкое волокно, выпускающее свет на другом конце. Такие световоды используются для освещения мест, которые невозможно осветить лампой. Меняя интенсивность света, посылаемого в волокно, можно передавать информацию — так же, как по телевизионному и телефонному кабелю.

Световоды (вверху) представляют собой пучок отдельных стекловолокон. Они используются в качестве источника света.

В гастроскопе — медицинском аппарате для обследования желудка.

ПРИЗМА — это стеклянный оптический прибор, имеющий в своем основании треугольник. Проходя через призму, свет меняет направление лучей. Если в ее основании находится равносторонний треугольник, белый свет, падающий на нее, разлагается на цветные составляющие.

Фата — моргана

На границе воздушных слоев, имеющих разную температуру, свет преломляется. На снимке (внизу) видно, что воздух над раскаленным шоссе сильно нагрелся. Так как свет достигает глаз наблюдателя двумя путями (прямым и дополнительно преломленным в том месте, где теплый нижний воздушный слой соприкасается с прохладным верхним), он видит двойное изображение предметов: машины и горы, какие они есть на самом деле, и их отражения на мокрой дороге.

Когда теплый воздух располагается поверх прохладного, можно увидеть отражение предметов или земли на небе, Такие миражи называются фата-моргана — по имени злой феи Морганы, которая умела возводить воздушные замки.

Фата — моргана