Что такое источник света физика

Моделирование источников света в виртуальных пространствах

В приложениях компьютерной графики реального времени, например в компьютерных играх, выделяют три основных вида источников света [2] :

• Точечные источники света
• Бесконечно удалённые (направленные) источники света
• Прожекторы

Они лишь приближённо описывают свои аналоги в физическом мире, тем не менее в сочетании с качественными моделями затенения, например затенением по Фонгу они позволяют создавать вполне реалистичные изображения.

Примечания

1. ↑Г.С. Ландсберг Элементарный учебник физики. Том 3. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. — 12-е изд.. — М .: Физматлит, 2001. — 656 с. — ISBN 5-9221-0138-2
2. ↑Д. Роджерс Алгоритмические основы машинной графики = Procedural elements for computer graphics. — пер. с англ.. — М .: Мир, 1989. — ISBN 5-03-000476-9,0-07-053534-5 (англ.)

Ссылки

• Свойства источника света и материала. Типы источников света. Суммарное освещение
• Энергия электро-магнитных волн. Интенсивность света

• Источники света
• Освещение в трёхмерной графике

Источники света. Распространение света

Все прекрасно знают, в общем и целом, что такое свет, тень и источник света. На этом уроке мы рассмотрим все эти понятия с точки зрения физики.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Источники света. Распространение света»

Все с детства знают как минимум один источник света: это Солнце.

Солнечный свет играет огромную роль в нашей жизни, как и в жизни многих организмов на нашей планете. Также, от Солнца нам передаётся и тепло (то есть энергия). Из этого мы можем сделать вывод, что свет — это излучение. Его называют видимым излучением, потому что свет — это та часть излучения, которую мы в состоянии увидеть. Итак, мы можем сказать, что свет — это электромагнитное излучение, которое мы в состоянии увидеть невооруженным глазом.

На самом деле, природа света очень сложна, и подробно мы будем изучать её значительно позже. Ведь мы знаем, что свет бывает ярким и тусклым, обладает разным цветом, разной интенсивностью и продолжительностью излучения. Всё это зависит от процессов, которые происходят внутри атомов тех или иных тел. Но об этом мы поговорим позже. Сегодня, мы рассмотрим самые простые и очевидные световые явления.

Любое тело, которое излучает свет, называется источником света.

То есть, источником света могут быть лампочка, фонарик, свеча и так далее. Помимо Солнца, другие звезды тоже являются источниками света. Есть искусственные и естественные источники света. К искусственным источникам относятся источники света, которые были кем-то созданы (но не природой).

То есть, например, лампочка — это искусственный источник света, а Солнце — естественный.

Каждый источник испускает световые лучи. Ну, например, всем хорошо знакомо выражение «лучик солнца». Так вот, световой луч — это линия, вдоль которой передается энергия от источника света.

Ведь мы только что выясняли, что свет — это видимая часть излучения, а излучение — это один из способов теплопередачи. А теплопередача, конечно, является передачей энергии.

Существует, также, такое понятие, как световой пучок. Световым пучком называют область пространства, в пределах которой распространяется свет.

Все вы знаете, что если источник света перекрывается каким-то непрозрачным объектом, то этот источник мы не увидим. Более того, непрозрачный объект будет отбрасывать тень.

Это объясняется довольно просто: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. То есть, световые лучи являются прямыми. Конечно, свет не может сам по себе каким-то образом обогнуть препятствие.

Теперь поговорим о тени. Тень — это область пространства, в которую не попадает свет от источника.

Как мы уже сказали, достаточно просто преградить дорогу света каким-то непрозрачным объектом, и появится тень. Существуют даже, так называемые теневые театры, где все действия показываются с помощью теней.

Сзади белого экрана расположен источник света. На экран накладываются различные объекты. В результате, зритель видит тень с другой стороны экрана.

Давайте разберёмся, как образуется тень. Это легко сделать, находясь дома: достаточно в тёмной комнате посветить фонариком на мяч. Или зажечь свечу и сделать «собачку» или «птичку». Вариантов много. Но давайте остановимся на фонарике с мячиком. Итак, свет не может пройти сквозь мячик, поэтому, позади мячика образуется пространство, в которое свет не попадает. То есть, тень.

Теперь сделаем маленькое уточнение. Лампочка фонарика, в данном случае, является точечным источником света. Источник называется точечным, когда его размеры очень малы по сравнению с расстоянием до нас.

То есть, если диаметр лампочки фонарика составляет 2-3 см, а мы стоим за 5 м от фонарика, то фонарик — это точечный источник света. Точнее, не сам фонарик, а лампочка внутри фонарика. Для нас даже огромные звезды могут являться точечными источниками света из-за ещё более огромного расстояния между ними и Землей. Действительно, ведь если посмотреть на звёздное небо, то все звёзды кажутся нам совсем крошечными.

А теперь повторим наш опыт, только вместо фонарика, возьмём большую лампу. Она уже не будет точечным источником света, поскольку её размеры сравнимы с расстоянием до мячика.

В этом случае, мы будем наблюдать другую картину: на стене появятся две четко разграниченные области: тень и полутень. Полутень, как мы видим, светлее, чем тень, но тусклее, чем освещённая часть. Потому что на полутень попала только часть света. Дело в том, что лампа не является точечным источником. Она как бы делится на много точечных источников. Каждая точка испускает лучи света. В итоге, образуются три области: туда, куда попали все лучи, туда, куда вообще не попали лучи света (то есть тень) и туда, куда попала только часть лучей света. Эта область и называется полутенью. В первом случае, когда не было полутени, мы называли затемнённое пространство тенью. Во втором случае, когда мы получили полутень, иногда тень называют полной тенью.

Конечно, каждый из вас может привести сотни примеров того, когда мы сталкиваемся с образованием тени или полутени в повседневной жизни. Мы обратим внимание, на не совсем повседневные, но интересные явления. Это солнечные и лунные затмения. Итак, что же происходит при затмениях. Мы прекрасно знаем, что Земля вращается вокруг Солнца, а Луна — вокруг Земли. Это значит, что в определённые моменты, Солнце, Луна и Земля могут находиться на одной прямой. Проходя между Солнцем и Землёй, Луна на время закрывает Солнце, отбрасывая тень на Землю. Заметим, что как Луна может находиться между Землёй и Солнцем, так и Земля может находиться между Солнцем и Луной. Итак, в случае, если Земля между Солнцем и Луной, Солнце, конечно, исполняет роль источника света, а Земля — перекрывающего объекта.

Солнце нельзя считать точечным источником по отношению к Земле, поэтому, Земля отбросит тень и полутень. Но, поскольку Луна меньше Земли, она попадёт в полную тень. То есть, Луну видно не будет. Произойдёт лунное затмение.

Теперь рассмотрим солнечные затмения, то есть, когда Луна между Солнцем и Землёй. Луна также отбросит тень и полутень на Землю.

В полной тени будет наблюдаться полное солнечное затмение (то есть Солнце вообще не будет видно с той области Земли, которая попала в полную тень). Видно будет только верхние слои атмосферы Солнца, которые часто называют короной. В областях Земли, которые попадут в полутень, будет наблюдаться частное солнечное затмение. То есть, будет видно только часть Солнца, потому что только часть света попадает в полутень. Конечно, учёные могут предсказать затмения на много лет вперёд, потому что уже очень хорошо изучили движение Земли и Луны. Это нужно, например, для того, чтобы понаблюдать за короной Солнца.

Обычно, корону разглядеть невозможно из-за слишком яркого солнечного света, а при полном солнечном затмении это удобно. Поэтому, даты и места ближайших солнечных затмений уже давно известны.

Источники света

Источник света – это тело, которое излучает энергию в световом диапазоне.

Различные типы источников света

Классификация источников света проводится в зависимости от разных характеристик. Таким образом, в физике определяющим является разделение источников света на 2 вида:

1. Точечные;
2. Непрерывные (модели источников света).

Встречается подразделение на и на такие виды источников света как:

1. Естественные (солнце, звёзды, атмосферные электрические разряды и т.п.);
2. Искусственные (пламя, разнообразные лампы, светодиоды, лазерные приспособления).

Искусственные источники света подразделяют в зависимости от вида энергии, переходящей в излучение, на:

1. Тепловые источники (свет в них возникает в результате нагревания до высоких температур);
2. Люминесцентные источники (световое излучение в них появляется благодаря превращению разных видов энергии, но не тепловой).

Также искусственные источники света выделяются по конструктивным особенностям.

Основные характеристики источников света

Сила света

Определение 2

Точечный источник света – это такой световой источник, размеры которого можно не принимать во внимание, по сравнению с расстоянием от источника до места наблюдения. В оптически однородной и изотропной среде волны, излучаемые точечным источником, являются сферическими.

Определение 3

Для характеристики точечного источника используют понятие силы света ( I ) , которая определяется как:

где d Ф – это световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла d Ω . При рассмотрении сферической системы координат можно сказать, что в общем-то сила света зависит от полярного ( ν ) и азимутального φ углов I = I ν , φ .

Определение 4

Источник света называется изотропным, если на его силу света не оказывает влияние направление. Для изотропного источника света запишем:

где Ф – это суммарный световой поток, излучаемый источником во всех направлениях. Величина силы источника, которая вычисляется как ( 2 ) , также называется средней сферической силой света источника.

Если источник света не является точечным (протяженный источник), тогда применяют понятие силы света элемента его поверхности ( d S ) . В данном случае в формуле ( 1 ) величина d Ф – это световой поток, излучаемый элементом поверхности источника ( d S ) в пределах телесного угла ( d Ω ) .

Основная единица измерения силы света в системе измерения – кандела ( к д ) (старое название – свеча ( с в ) ). 1 к д излучает световой эталон как абсолютно черное тело при температуре T = 2046 , 6 K (температура, при которой затвердевает чистая платина) и давлении 101325 П а .

Световой поток

Определение 5

Основной единицей измерения светового потока является люмен ( л м ) , который равняется световому потоку, испускаемому источником в 1 к д внутрь телесного угла 1 стерадиан.

Освещенность

Определение 6

Величина ( E ) , равная E = d Φ p a d d S ( 5 ) , называется освещенностью. В выражении ( 5 ) d Φ p a d – это величина светового потока, падающего на элемент поверхности d S . Освещенность измеряется с системе измерения в люксах ( л к ) 1 л к = 1 л м 1 м 2 ( 6 ) , при равномерном распределении потока по поверхности.

Светимость

Протяженный источник света характеризуют светимостью ( R ) его участков. Она описывает излучение (отражение) света выделенным элементом поверхности во всех направлениях.

Светимость проявляется из-за отражения поверхностью падающего на нее светового потока. Тогда под d Φ i s p понимают в выражении ( 8 ) поток, отражаемый элементарной поверхностью d S во всех направлениях.

Светимость измеряется в люксах.

Яркость

Яркость ( B ) используют для описания излучения (отражения) света в заданном направлении. Направление причем задается полярным углом ν , который откладывают от внешней нормали n → к излучающей площадке и азимутальным углом φ .

Ламбертовскими источниками света (или косинусные, подчиняющиеся закону Ламберта), называются источники, яркость которых не меняется в зависимости от направления. Для ламбертовских светильников d I элементарной площадки пропорциональна cos ν .

Единица яркости кандела на квадратный метр к д м 2 .

Необходимо найти световой поток, излучаемый элементарной поверхностью d S внутрь конуса, ось которого расположена перпендикулярно выделенному элементу. Угол конуса равен ν 0 . Будем считать, что светящаяся поверхность подчинена закону Ламберта и ее яркость равняется В .

Решение

Для решения задачи используем определение яркости и из него выделим элемент светового потока:

B = d Φ d Ω d S cos ν → d Φ = B d Ω d S cos ν ( 1 . 1 ) .

Элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:

d Ω = sin ν d ν d φ ( 1 . 2 ) .

Подставим выражение для телесного угла в выражение ( 1 . 1 ) , получаем:

d Φ = B sin ν d ν d φ d S cos ν ( 1 . 3 ) .

Определим полный световой поток интегрированием выражения ( 1 . 3 ) :

Φ = B d S ∫ 0 v 0 sin ν cos ν d ν ∫ 0 2 π d φ = π B d S sin 2 ν 0 .

Ответ: Φ = π B d S sin 2 ν 0 .

Яркость однородного светящегося диска радиуса r меняется по закону B = B 0 cos ν , B 0 = c o n s t , ν – это угол с нормалью к поверхности. Необходимо найти световой поток ( Ф ) , испускаемый диском.

Решение

Выразим элемент светового потока с помощью уравнения из условий задачи для ярости как:

d Φ = B d Ω d S cos ν = B 0 cos ν 2 d Ω d S ( 2 . 1 ) ,

где элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:

d Ω = sin ν d ν d φ ( 2 . 2 ) .

Световой поток вычислим как интеграл от выражения ( 2 . 1 ) при использовании ( 2 . 2 ) :

Φ = B 0 d S ∫ 0 π 2 sin ν cos 2 ν d ν ∫ 0 π 2 d φ = 2 π B 0 d S ∫ 0 π 2 d ( — cos ν ) cos 2 ν = 2 3 πB 0 dS = = 2 3 B 0 π 2 r 2 .

Ответ: Φ = 2 3 B 0 π 2 r 2 .

Источники света

Когда мы говорим “свет”, то подразумеваем свет видимый — небольшую часть спектра электромагнитного излучения, которое человеческий способен воспринимать. Источники света — это различные предметы или природные явления (естественные и искусственные), которые излучают электромагнитное излучение видимого диапазона. Разберемся с видами источников света и их параметрами.

Общие понятия

Свет — это результат физического процесса, происходящего в атомах вещества. Атомы, получая энергию извне (нагрев, облучение), часть ее передают электронам. Электроны сначала возбуждаются, а затем начинают терять энергию, переходя на нижние энергетические уровни. Каждый переход происходит с излучением фотонов — частиц света, которые воспринимает наш глаз. Фотоны могут проявлять себя либо как волна, либо как частица.

Одной из главных характеристик электромагнитного излучения является длина волны. К видимому свету относятся излучения с длиной волны от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, то есть от красного до фиолетового света.

Свет распространяется в вакууме со скоростью 300 000 км/с или 3*10 8 см/с. Это самая большая скорость в природе для любых частиц и взаимодействий.

Первые источники видимого света, которые человек изобрел для собственных нужд, использовали разные виды горючего топлива: дерево, жир, сало. В конце XIII швейцарец Аргант изобрел лампу с фитилем, в которую в качестве топлива заливался керосин. Американец Томас Эдисон изобрел лампочку накаливания в конце XIX века. И если лампа с фитилем давно превратилась в настоящий антиквариат, то лампочка накаливания до сих пор верой и правдой служит человеку.

Естественные источники света

К естественным относятся источники света, дарованные нам природой:

• Солнце;
• Луна. Правда, сама она не излучает, а только отражает солнечный свет, но это не мешает считать ее прекрасным, естественным источником света в ночное время. Кстати, из космоса наша Земля смотрится также, отражая солнечный свет;
• Звезды на ночном небосклоне;
• Метеориты, кометы, болиды;
• Полярное сияние;
• Разряды атмосферного электричества (гроза, молния);
• Объекты животного (глубоководные медузы, моллюски, планктон, лесные светлячки) и растительного миров (некоторые грибы), способные излучать свет.

Искусственные источники света

Этот вид источников является результатом интеллектуальной деятельности многих поколений учений и изобретателей:

• Лампы накаливания. Они излучают свет вследствие разогрева нити накаливания из тугоплавких металлов (например, вольфрам) до температуры в несколько тысяч градусов. Нить накаливания помещена в стеклянную колбу, из которой предварительно откачивают воздух и наполняют инертным газом (гелий, неон), предотвращающим перегорание нити;
• Галогеновые лампы. Это усовершенствованный вариант ламп накаливания. В них вместе с инертным газом добавляют галогеновый газ (бром или йод). Этот прием позволяет продлить срок эксплуатации лампы. Еще вместо обычного стекла для корпуса используют толстое кварцевое, которое выдерживает более высокие температуры, чем обычное стекло;
• Газоразрядные лампы. Этот вид источников создает видимое излучение за счет электрического разряда в смеси газов с добавлением паров некоторых металлов. Эти лампы чаще всего используются для уличного освещения и освещения производственных помещений. Неоновую световую рекламу изготавливают по этой технологии;
• Люминесцентные лампы. Внутренняя поверхность таких ламп покрыта специальным химическим составом, который называется люминофором. Сначала происходит электрический разряд в газе, как в обычных газоразрядных лампах. В разряде есть высокоэнергетичные фотоны ультрафиолетового диапазона, невидимые глазу. Эти фотоны возбуждают атомы и молекулы люминофора, которые излучают видимый на выходе свет. Эти лампы массово используются для освещения офисов, магазинов, производственных помещений.
• Светодиоды или LED-источники. Это самый современный, массовый полупроводниковый источник света. Излучение возникает в результате протекания электрического тока через p–n переход полупроводникового диода. Выпускаются лампочки дающие основные цвета: белый (дневной), зеленый, красный, синий, голубой. Использование этих ламп дает существенную экономию электроэнергии при эксплуатации осветительных приборов. Светодиоды имеют огромный срок службы (свыше 50000 часов) по сравнению с прочими источниками;
• Лазеры. Этот источник света для видимого диапазона в последние годы становится массовым в связи с использованием малогабаритных полупроводниковых лазеров, которые позволили создать полезные, безопасные в обращении устройства.

Примером использования современного источника света может служить лазерный нивелир, который позволяет быстро производить измерение расстояний, углов, выставлять уровни (горизонтальные, вертикальные).

Рис. 3. Лазерный нивелир.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что источники света бывают искусственные и естественные. Естественные источники существуют независимо от деятельности человека. Искусственные источники появились благодаря умственной деятельности человека, разработке новых технологий и материалов. Большой прогресс в последние годы произошел в области производства светодиодов.