Свет. Основные светотехнические величины и единицы

 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПЕЧАТИ  
им. ИВАНА ФЁДОРОВА

 

 

 

 

Курсовая  работа по дисциплине  
«Безопасность жизнедеятельности»

 

на  тему:

 

 

СВЕТ. 
ОСНОВНЫЕ СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка ФГИ 
группы ДГ 4-3

Павлова А.А.

 

Проверил: доц. Королёв В.П.

 

 

 

 

 

 

 

МОСКВА  – 2011

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Стр.

Аннотация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 1. О волновых явлениях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1. Волновые явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2. Характеристики волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3. Классификации волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.4. Происхождение волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5. Общие свойства  волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 2. Исследования природы света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1. Общая характеристика  световых явлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.1. Разнообразные действия  света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1.2. Особенности света, выявляющие  его природу . . . . . . . . . . . . .

2.1.3. Краткие сведения  из истории оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 3. Электромагнитные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.1. Понятие явления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.2. Характеристики электромагнитного  излучения . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3. Шкала электромагнитных волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 4. Видимое (оптическое) излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1. Свет и цвет. Дисперсия света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1.1. Состояние вопроса о цвете тел до исследований  
Ньютона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1.2. Открытие Ньютоном дисперсии света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.2. Дифракция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3. Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 5. Геометрическая оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.1. Основные законы  геометрической оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2. Светотехнические  величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 6 (дополнительная). Глаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.1. Эволюция глаза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2. Строение глаза  человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.1. Внешнее строение  глаза человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.2. Внутреннее строение  глаза человека . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.3. Светопреломляющий аппарат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.4. Аккомодационный аппарат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.2.5. Рецепторный аппарат . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Глава 7 (дополнительная). Фотоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Список использованных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 

 

АННОТАЦИЯ

В курсовой работе изучение вопроса о свете начинается с  рассмотрения физики явления. Предварительно читатель знакомится с волновыми  явлениями вообще. Далее, через краткий показ некоторых наблюдений человека за свойствами света, делается вывод об электромагнитной природе света, частном случае волновых процессов; в соответствии с последовательностью научных открытий в области света.

Затем, как частный  случай электромагнитных волн, выделяется и рассматривается видимое (оптическое) излучение: основные законы геометрической оптики (прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления света), а также приводятся основные светотехнические величины.

В качестве дополнительных глав приводятся: глава о строении зрительного аппарата и глава о световых квантах (фотонах), уточняющая учение о природе света.

 

 

 

ГЛАВА 1. О ВОЛНОВЫХ ЯВЛЕНИЯХ

1.1. Волновые явления

Волна – изменение состояния среды (возмущение), распространяющееся в этой среде и переносящее с собой энергию. Другими словами: «…волнами или волной называют изменяющееся со временем пространственное чередование максимумов и минимумов любой физической величины, например, плотности вещества, напряжённости электрического поля, температуры¹».

 

 

Рис. 1.1. Отличие колебания от волны

 

Перенос энергии – принципиальное отличие волн от колебаний, в которых происходят лишь «местные» преобразования энергии. Волны же, как правило, способны удаляться на значительные расстояния от места своего возникновения (по этой причине волны иногда называют «колебанием, оторвавшимся от излучателя»).

В основном волны не переносят материю, но возможен вариант, где происходит волновой перенос именно материи, а не только энергии. Это возможность материального излучения, имеющего волновые изменения количества излучаемой материи. Такие волны способны распространяться сквозь абсолютную пустоту.

Большинство волн по своей природе  являются не новыми физическими явлениями, а лишь условным названием для  определённого вида коллективного  движения. Так, если в объёме газа возникла звуковая волна, то это не значит, что  в этом объёме появились какие-то новые физические объекты. Звук – это лишь название для особого скоординированного типа движения тех же самых молекул. То есть большинство волн – это колебания некоторой среды. Вне этой среды волны данного типа не существуют (например, звук в вакууме).

Имеются, однако, волны, которые являются не «рябью» какой-либо иной среды, а представляют собой именно новые физические сущности. Так, электромагнитные волны в современной физике – это не колебание некоторой среды (называвшейся в XIX веке эфиром), а самостоятельное, самоподдерживающееся поле, способное распространяться в вакууме. Аналогично обстоит дело и с волнами вероятности материальных частиц.

 

1.2. Характеристики волны

Геометрические элементы. Геометрически у волны выделяют следующие элементы:

• гребень волны – множество точек волны с максимальным положительным отклонением от состояния равновесия;
• долина (ложбина) волны – множество точек волны с наибольшим отрицательным отклонением от состояния равновесия;
• фронт волны – множество точек, имеющих в некий фиксированный момент времени одинаковую фазу колебаний. В зависимости от формы фронта волны выделяют плоские, сферические, эллиптические и другие волны.

Временна́я и пространственная периодичности. В отличие от стационар-ного колебания волны имеют две основные характеристики:

• временну́ю периодичность – скорость изменения фазы с течением времени в какой-то заданной точке, называемую частотой волны f ;
• пространственную периодичность – скорость изменения фазы в определён-ный момент времени с изменением координаты – длина волны λ.

Временная и  пространственная периодичности взаимосвязаны, что отражено в законе дисперсии, который определяет, как именно волны  будут выглядеть и распространяться. В упрощённом виде для линейных волн эта зависимость имеет следующий  вид:

                                                                                                                   (1.1)

где c – скорость распространения волны в данной среде.

Интенсивность волны. О силе волны судят по её амплитуде. В отличие от колебания, амплитуда волны – скалярная величина.

Но для количественной характеристики переносимой волной энергии используется вектор плотности потока энергии I. Его направление совпадает с направлением переноса энергии, а абсолютная величина равна количеству энергии, переносимой волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению вектора. При небольших амплитудах:

 

                                                                                                                   (1.2)

где A – амплитуда;

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы волны и свойств среды, где эта волна распространяется.

 

 

1.3. Классификации волн

Имеется множество классификаций  волн, различающиеся по своей физической природе, по конкретному механизму  распространения, по среде распространения и т.п.

В зависимости от физической среды. В зависимости от физической среды, в которой распространяются волны, их свойства различны и поэтому различают:

• волны на поверхности жидкости;
• упругие волны (звук, сейсмические волны);
• объёмные волны (распространяющиеся в толще среды);
• электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи);
• гравитационные волны;
• волны в плазме.

 

По отношению к направлению  колебаний частиц среды продольные волны (волны сжатия, P-волны) – частицы среды колеблются параллельно (по) направлению распространения волны (как, например, в случае распространения звука); поперечные волны (волны сдвига, S-волны) – частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред); волны смешанного типа. По виду фронта волны  (поверхности равных фаз) плоская волна – плоскости фаз перпендикулярны направлению распространения волны и параллельны друг другу; сферическая волна – поверхностью фаз является сфера; цилиндрическая волна – поверхность фаз напоминает цилиндр.

Продольные волны: Поперечные волны:   а) плоская;   а) плоская;   б) сферическая.   б) сферическая.

По демонстрируемым волнами физическим проявлениям.

• линейные волны – волны с небольшой амплитудой, свойства которых описываются простыми линейными зависимостями;
• нелинейные волны – волны с большими амплитудами, что приводит к возникновению совершенно новых эффектов и существенно изменяет характер уже известных явлений;
• солитоны (уединённые волны);
• ударные волны или нормальные разрывы.

По постоянству во времени.

• одиночная волна – короткое одиночное возмущение (солитоны);
• волновой пакет – это ряд возмущений, ограниченных во времени с перерывами между ними. Одно беспрерывное возмущение такого ряда называется цуг волн. В теории волновой пакет описывается как сумма всевозможных плоских волн, взятых с определёнными весами. В случае нелинейных волн, форма огибающей волнового пакета эволюционирует с течением времени;

 

 

1.4. Происхождение  волн

Волны могут генерироваться различными способами:

1. Генерация локализованным источником колебаний (излучателем, антенной).
2. Спонтанная генерация волн в объёме при возникновении гидродинамических неустойчивостей. Такую природу могут иметь, например, волны на воде при достаточно большой скорости ветра, дующего над водной гладью.
3. Переход волн одного типа в волны другого типа. Например, при распространении электромагнитных волн в кристаллическом твёрдом теле могут генерироваться звуковые волны.

 

 

1.5. Общие свойства  волн

Распространение в однородных средах. При распространении волн изменения их амплитуды и скорости в пространстве и времени зависят от свойств анизотропности среды, сквозь которую проходят волны.

Чаще волны в некоторой  среде затухают, что связано с  диссипативными процессами внутри среды. Но в случае некоторых специальным  образом подготовленных метастабильных сред амплитуда волны может, наоборот, усиливаться (пример: генерация лазерного  излучения).

На практике монохроматические  волны встречаются очень редко. Поэтому наряду с фазовой скоростью  волны используется и понятие  групповой скорости, то есть скорость «центра тяжести» волнового пакета.

Групповая и фазовая  скорости совпадают только для линейных волн. Для нелинейных волн групповая скорость может быть как больше, так и меньше фазовой скорости. Однако когда речь идёт о скоростях, близких к скорости света, проявляется заведомое неравноправие между групповой и фазовой скоростями. Фазовая скорость не является ни скоростью движения материального объекта, ни скоростью передачи данных, поэтому она может превышать скорость света, не приводя при этом ни к каким нарушениям теории относительности. Групповая же скорость характеризует скорость движения сгустка энергии, переносимой волновым пакетом, и потому не должна превышать скорость света. Но при распространении волны в метастабильной среде удаётся в определённых случаях добиться групповой скорости, превышающей скорость света.