§ 22. Джерела та приймачі світла. Швидкість поширення світла

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

«Усмішка!» — зненацька лунає голос фотографа, а його пальці натискають на спуск. Ви інстинктивно затуляєте обличчя долонями, щоб уникнути яскравого спалаху. Та чи встигнете ви випередити фотоспалах і сховати обличчя? Чи можливо «обігнати» світло?

Ні, випередити спалах чи затулити обличчя за цей час фізично неможливо. Світло поширюється з колосальною швидкістю — близько $300\,000\text{ км/с}$, тому відстань у кілька метрів від фотоапарата до людини воно долає за мільярдні частки секунди. Навіть найшвидша реакція нашого організму та рух м’язів вимагають принаймні десятої частки секунди, тому світло спалаху освітить обличчя значно раніше, ніж мозок устигне надіслати команду рукам. Обігнати світло неможливо, адже його швидкість у вакуумі є граничною швидкістю передачі будь-яких взаємодій і рухів у Всесвіті.

Чи можна назвати джерелом світла дзеркало, за допомогою якого ви посилаєте сонячного зайчика? Обґрунтуйте свою відповідь.

Ні, дзеркало не є джерелом світла. За фізичним означенням джерелами світла є лише ті тіла, атоми й молекули яких самі випромінюють світлову енергію. Дзеркало самостійно світло не генерує, воно лише відбиває сонячні промені, які падають на його поверхню від справжнього джерела — Сонця. Якщо помістити дзеркало в темну кімнату, жодного сонячного зайчика пустити не вдасться.

На рисунку (с. 169) зображено світильники для ландшафтного освітлення парку. У якому, на вашу думку, випадку такий світильник можна вважати точковим джерелом світла?

Світильник можна вважати точковим джерелом світла, якщо спостерігати за ним із великої відстані — наприклад, з іншого кінця парку, з вікна висотного будинку або з літака. У такому разі геометричні розміри самого плафона є мізерно малими порівняно з відстанню до очей спостерігача, тому ними можна знехтувати. Якщо ж людина стоїть поруч зі світильником на алеї, його розміри та форма відіграють помітну роль у розподілі тіней, і світильник вважають протяжним джерелом.

ДОСЛІДЖЕННЯ

Подивіться навкруги й знайдіть п’ять джерел світла. З’ясуйте, до яких видів джерел вони належать. Складіть відповідну таблицю.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Якою є швидкість поширення світла у вакуумі?

Швидкість поширення світла у вакуумі позначається літерою $c$ і становить приблизно $300\,000\text{ км/с}$ (точне значення дорівнює $299\,792\,458\text{ м/с}$, а для розрахунків зазвичай використовують $3 \cdot 10^8\text{ м/с}$).

2. Дайте означення джерела світла. Наведіть приклади.

Джерела світла — це фізичні тіла, частинки яких випромінюють світло (перетворюють різні види енергії на електромагнітне світлове випромінювання). Прикладами джерел світла є Сонце, полум’я свічки, електрична лампа, багаття, екран монітора та світлячки в нічній траві.

3. Наведіть приклади природних і штучних джерел світла.

До природних джерел світла належать об’єкти живої та неживої природи, створені без втручання людини: Сонце, зорі, блискавка, полярне сяйво, розпечена лава вулкана, світні глибоководні риби й медузи, світлячки. Штучними є джерела світла, сконструйовані людиною для власних потреб: гасові лампи, свічки, електричні лампи розжарювання, світлодіодні світильники, неонові рекламні трубки та екрани гаджетів.

4. Що спільного мають теплові й люмінесцентні джерела світла? Чим вони відрізняються?

Спільним для них є те, що обидва типи джерел випромінюють видиме світло в навколишній простір завдяки перетворенню енергії. Головна ж відмінність полягає в механізмі світіння та температурі: теплові джерела випромінюють світло виключно завдяки високому нагріванню свого тіла (сонце, вогонь свічки, вольфрамова нитка лампи), тоді як люмінесцентні залишаються відносно холодними, оскільки світіння в них викликане іншими процесами — хімічними реакціями, електричним розрядом у газі або світінням люмінофора під дією ультрафіолету.

5. За яких умов джерело світла вважають точковим?

Джерело світла вважають точковим, якщо воно випромінює світло в усіх напрямках, а його власні геометричні розміри є настільки малими порівняно з відстанню до точки спостереження чи освітлюваного предмета, що ними можна знехтувати.

6. Які пристрої називають приймачами світла? Наведіть приклади.

Приймачі світла — це пристрої або органи живих істот, за допомогою яких можна виявити світлове випромінювання, оскільки в них енергія світла перетворюється на інші види енергії (теплову, електричну чи хімічну). Прикладами штучних приймачів є фотоелементи систем безпеки, сонячні панелі калькуляторів, цифрові матриці фотоапаратів та смартфонів; природними приймачами слугують очі людей і тварин, а також зелене листя рослин, у якому світло поглинається для фотосинтезу.

ВПРАВА № 22

1. До яких видів джерел світла належать джерела, зображені на рисунку (1 — телефон, 2 — факел, 3 — світлячок)?

1. Екран телефона — це штучне, люмінесцентне джерело світла, яке за нормальної відстані використання є протяжним.
2. Факел — це штучне, теплове джерело світла (світіння зумовлене високою температурою полум’я), зазвичай протяжне.
3. Світлячок — це природне, люмінесцентне джерело світла (холодне біолюмінесцентне світіння внаслідок хімічних реакцій), яке на помітній відстані сприймається як точкове.

2. Для кожного рядка визначте «зайве» слово або словосполучення:
а) полум’я свічки, Сонце, зоря, Місяць, світлодіодна лампа;
б) світлодіодна лампа, блискавка, зоря, факел;
в) електролампа, полум’я газового пальника, багаття, радіолярія.

а) Зайвим є Місяць, оскільки він не випромінює власного світла, а лише відбиває сонячне (не є джерелом світла, на відміну від усіх інших у переліку).

б) Зайвою є світлодіодна лампа, оскільки вона є штучним джерелом світла люмінесцентного типу, тоді як блискавка, зоря та факел є тепловими джерелами (крім того, блискавка і зоря є природними).

в) Зайвою є радіолярія, оскільки це природне люмінесцентне джерело світла (живий організм), тоді як електролампа, полум’я газового пальника та багаття — це теплові джерела світла, створені або контрольовані людиною.

3. За який приблизно час світло проходить відстань від Сонця до Землі — $150\text{ млн км}$?

Остаточно одержуємо:
$t = \dfrac{s}{c}$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[t] = \dfrac{\text{м}}{\text{м/с}} = \text{с}$

Обчислення:
$t = \dfrac{1{,}5 \cdot 10^{11}}{3 \cdot 10^8} = 0{,}5 \cdot 10^3 = 500\text{ (с)}$

Переведемо отриманий час у хвилини та секунди:
$500\text{ с} = 8 \cdot 60\text{ с} + 20\text{ с} = 8\text{ хв } 20\text{ с}$

Відповідь: $t \approx 500\text{ с} = 8\text{ хв } 20\text{ с}$.

4. У яких випадках Сонце можна вважати точковим джерелом світла? Наведіть приклади.

Сонце можна вважати точковим джерелом світла під час спостереження за ним із меж дальніх рубежів Сонячної системи (наприклад, з орбіт Плутона, пояса Койпера або з борту міжзоряних зондів «Вояджер»), а також при астрономічних дослідженнях Сонячної системи з інших зоряних систем нашої Галактики. На таких колосальних відстанях велетенський діаметр Сонця (близько $1{,}4\text{ млн км}$) стає мізерно малим порівняно з відстанню до точки спостереження, тому наша зоря має вигляд яскравої світної цятки.

5. Однією з одиниць довжини, яку застосовують в астрономії, є світловий рік. Скільки кілометрів становить світловий рік, якщо він дорівнює відстані, яку долає за один рік світло у вакуумі?

Остаточно одержуємо:
$s = c \cdot t$

Перевіримо одиницю шуканої величини:
$[s] = \dfrac{\text{км}}{\text{с}} \cdot \text{с} = \text{км}$

Обчислення:
$s = 3 \cdot 10^5 \cdot 31\,536\,000 = 9{,}4608 \cdot 10^{12}\text{ (км)} \approx 9{,}46 \cdot 10^{12}\text{ км}$

Відповідь: $s \approx 9{,}46 \cdot 10^{12}\text{ км}$ (майже дев’ять з половиною трильйонів кілометрів).

6. Дізнайтеся, хто першим виміряв швидкість поширення світла. Що саме стало поштовхом для вченого?

Першим ученим, який успішно визначив швидкість поширення світла, був данський астроном Оле Ремер у 1676 році. Поштовхом до цього відкриття стали регулярні спостереження за затемненнями Іо — найближчого до Юпітера великого супутника. Ремер складав точні астрономічні таблиці затемнень Іо і помітив незрозумілу аномалію: коли Земля на своїй орбіті віддалялася від Юпітера, затемнення щоразу запізнювалися (максимальна затримка сягала близько 22 хвилин), а коли наближалася — відбувалися раніше розрахованого часу. Учений здогадався, що закони руху супутника не порушуються, а ця різниця в часі виникає тому, що світлу потрібен додатковий час, щоб подолати збільшену відстань через земну орбіту, звідки Ремер уперше в історії й обчислив швидкість світла.