Свет через призму как сделать
Обновлено: 05.07.2024
Призменное освещение - это использование призм для улучшения распределения света в пространстве. Обычно он используется для распределения дневного света и представляет собой форму анидольного освещения .
Призменное освещение было популярно с момента его появления в 1890-х годах до 1930-х годов, когда дешевые электрические лампы были обычным явлением, а призменное освещение стало немодным. В то время как массовое производство призматических осветительных систем закончилось примерно в 1940 году [1], в 2010-е годы возродились новые материалы. [2]
СОДЕРЖАНИЕ
Реакция человеческого глаза на свет нелинейна : уменьшение вдвое уровня освещенности не уменьшает вдвое воспринимаемую яркость пространства, оно лишь немного делает его более тусклым. [ необходимая цитата ] Если свет перераспределяется от самых ярких частей комнаты к самым тусклым, комната, следовательно, кажется более яркой в целом, и больше места может быть предоставлено полезному и удобному уровню освещения (см. изображения до и после из статьи 1899 года, ниже). Это может снизить потребность в искусственном освещении.
Преломление и полное внутреннее отражение внутри оптических призм могут изгибать лучи света. Этот поворот света позволяет перераспределить его.
Многие маленькие призмы могут быть соединены по краям в лист. Лист призмы чем-то похож на линейную линзу Френеля , но каждый гребень может быть идентичным. В отличие от линзы Френеля, свет не предназначен для фокусировки, а используется для анидольного освещения .
Неравномерный свет из окна.
Тот же свет, перераспределенный призматической плиткой в окне.
Два разных рецепта призматических плиток, демонстрирующие различное преломление света. Угол падающего света отличается, но исходящий угол выходящего света тот же (оптимально, почти горизонтальный [3] ).
Палубные призмы пропускали свет через верхние палубы кораблей и распространяли его по палубам ниже. Точно так же на суше призмы в тротуарных огнях использовались для освещения подвалов и хранилищ.
Призменные плитки использовались вертикально, обычно в качестве фрамуги над окном или дверью. [4] Они также были встроены в фиксированные и подвижные навесы, наклонное остекление и световые люки . Они отклоняют свет вверх, чтобы он глубже проникал в комнату, а не освещал пол возле окна. [3]
Современные призматические панели - это, по сути, акриловая версия старых стеклянных призматических плиток. Как и стеклянная плитка, их можно установить на регулируемые навесы. [5] Панели каналов имеют прорези, которые отражают свет изнутри. Голографические оптические элементы также могут использоваться для перенаправления света. [6] [5]
Оконная пленка, перенаправляющая дневной свет (DRF), представляет собой тонкую гибкую пленку , которую можно отслаивать и прилипать, с оптическим слоем, обычно сделанным из акрила. Есть два типа пленки. Некоторые пленки имеют крошечные призмы, образуя гибкую миниатюрную призматическую панель, которую можно отслаивать и приклеивать. Другая пленка формируется с тонкими почти горизонтальными пустотами, выступающими внутрь акрила или сквозь него; щели отражают свет, падая их верхними поверхностями вверх. [7] [2] Преломление сведено к минимуму, чтобы избежать окрашивания света. [2] Пленки на основе отражения более прозрачны (обе полупрозрачные)., но они, как правило, направляют свет вверх в потолок, а не вглубь комнаты. Пленки на основе преломления являются полупрозрачными, а не прозрачными, но позволяют более точно контролировать направление исходящего светового луча; пленка может иметь различные формы призм, чтобы преломлять свет под разными углами.
Старые стеклянные элементы были отлиты, их можно было резать и полировать. Призменные плитки часто делались из одинарных призм, соединенных цинковыми, свинцовыми или электроглазированными медными полосками (скорее, как методы, используемые для соединения традиционных европейских витражей ). [1] Тротуарные призмы были отлиты как одно целое в виде линз с одной или несколькими призмами и вставлены в несущие рамы. Пленка, перенаправляющая дневной свет, изготовлена из акрила . [8]
Поврежденные призматические плитки можно отремонтировать, и, поскольку они поставлялись в стандартном исполнении, существует рынок замены. Возможен ввод в эксплуатацию замены неразъемных отливок. Ослабленные призматические плитки могут быть усилены скрытыми стержнями, как те, что используются для усиления витража. [1]
Неоптимальное использование призменного освещения. Пленка, перенаправляющая дневной свет, приклеенная к внутренней стороне окон, резко отражает свет на потолок, в основном освещая область, ближайшую к окну.
Плитки Prisms иногда имеют сложные художественные конструкции, вылепленные снаружи; Фрэнк Ллойд Райт создал более сорока дизайнов призматической плитки. [10]
Призменное освещение более эффективно работает в светлых открытых пространствах. [3] Некоторые считают, что это способствовало тенденции ухода от темных, разделенных на подразделения викторианских интерьеров, к светлым интерьерам открытой планировки. [ необходимая цитата ] Удаление или закрытие старых призматических транцевых фонарей часто оставляет характерно высокие места для вывесок над витринами магазинов (см. рисунки).
Оконная пленка, перенаправляющая дневной свет, изначально была сделана из одной перенаправляющей пленки и одной рассеивающей пленки, уменьшающей блики, которые часто располагались на разных внутренних поверхностях окна с двойным остеклением [2], но теперь доступны интегрированные одинарные пленки. [11] Некоторые пленки, перенаправляющие дневной свет, отражают падающий свет вверх от крошечных почти горизонтальных отражателей, поэтому при больших углах солнца они резко изгибают его, отбрасывая вверх к потолку, где обычный потолок несколько глубже рассеивает дневной свет в пространстве. [7] Другие пленки, перенаправляющие дневной свет, преломляют свет под любым заданным углом, в идеале направляя его почти горизонтально в комнату. Перенаправляющие пленки можно использовать как замену непрозрачным жалюзи. [2]
В дальнейшем Ньютон усовершенствовал свои наблюдения спектра, чтобы получить более чистые цвета. Ведь круглые цветные пятна светового пучка, прошедшего через призму, частично перекрывали друг друга . Вместо круглого отверстия использовалась узкая щель, освещенная ярким источником. За щелью располагалась линза, дающая на экране изображение в виде узкой белой полоски. Если на пути лучей поместить призму (рис. 197), то изображение щели растянется в спектр.
Так как показатель преломления зависит от скорости света в веществе, то, очевидно, красный свет, который меньше преломляется, имеет наибольшую скорость, а фиолетовый — наименьшую. Именно поэтому призма и разлагает свет. В пустоте скорости лучей разного цвета одинаковы. Если бы это было не так, то, к примеру, спутник Юпитера Ио, который наблюдал Ремер, казался бы красным в момент его выхода из тени, а перед погружением в тень — фиолетовым. Но этого не наблюдается.
Зная, что белый свет имеет сложную структуру, можно объяснить удивительное многообразие красок в природе. Если предмет, например лист бумаги, отражает все падающие на него лучи различных цветов, то он будет казаться белым. Покрывая бумагу слоем красной краски, мы не создаем при этом света нового цвета, но задерживаем на листе некоторую часть имеющегося. Отражаться теперь будут только красные лучи, остальные же поглотятся слоем краски. Трава и листья деревьев кажутся нам зелеными потому, что из всех падающих на них солнечных лучей они отражают лишь зеленые, поглощая остальные. Если посмотреть на траву через красное стекло, пропускающее лишь красные лучи, то она будет казаться почти черной.
Явление дисперсии, открыто Ньютоном,— первый шаг к пониманию природы цвета. Глубина понимания дисперсии пришла после того как была выяснена зависимость цвета от частоты (или длины) световой волны.
Как уже говорилось, свет, проходя через трехгранную призму, преломляется и при выходе из призмы отклоняется от своего первоначального направления к основанию призмы. Величина отклонения луча зависит от показателя преломления вещества призмы, и, как показывают опыты, показатель преломления зависит от частоты света. Зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волн) света называется дисперсией. О чень просто наблюдать явление дисперсии при пропускании белого света через призму (рис. 102). При выходе из призмы белый свет разлагается на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Меньше всех отклоняется красный свет, больше - фиолетовый. Это говорит о том, что стекло имеет для фиолетового света наибольший показатель преломления, а для красного - наименьший. Свет с разными длинами волн распространяется в среде с разными скоростями: фиолетовый с наименьшей, красный - наибольшей, так как n= c/v ,
В результате прохождения света через прозрачную призму получается упорядоченное расположение монохроматических электромагнитных волн оптического диапазона - спектр.
Все спектры делятся на спектры испускания и спектры поглощения. Спектр испускания создается светящимися телами. Если на пути лучей, падающих на призму, поместить холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии.
При этом получим спектр поглощения газа. Немецкий физик Г. Кирхгоф (1824-1887) открыл закон, согласно которому спектральный состав света, который излучается телами в горячем состоянии, поглощается ими в холодном состоянии (атомы данного элемента поглощают те длины волн, которые излучают при высокой температуре).
Спектры испускания делятся на сплошные, линейчатые и полосатые. Сплошной спектр дают раскаленные твердые и жидкие тела. Линейчатый спектр - это совокупность определенных спектральных линий (на черном фоне). Такой спектр дают возбужденные газы, находящиеся в атомарном состоянии. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Полосатый спектр представляет собой отдельные спектральные полосы, разделенные темными промежутками. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.
Дисперсия света представляет собой явление разложения луча белого света на цветные лучи. Это происходит при прохождении света через трёхгранную призму.
История открытия
Явление дисперсии света было открыто в 1672 году известным учёным Ньютоном, который путём серии экспериментов доказал прямую зависимость между цветом световой волны и её частотой. Самым наглядным природным подтверждением проделанного учёным опыта является появление радуги после дождя. В этом случае белый свет преломляется через множество капель, образуя целый спектр света, от красного к фиолетовому цвету. Во многом именно благодаря открытию явления дисперсии света удалось доказать волновую природу света.
Изучение явления
Спектральный прибор
Видимый белый свет включает монохроматические волны, обладающие разной длиной. Совокупность таких волн называют световым спектром, а прибор, при помощи которого изучают дисперсию света, именуется спектральным. Так, простейшим спектральным прибором, при помощи которого можно произвести разложение света в спектр, является стеклянная призма. Математически явление дисперсии света определяется как зависимость преломления того или иного вещества от длины световой волны.
Дифракционная решетка
Дифракционная решетка на лазер
Для более детального изучения явления дисперсии света были изобретены дифракционные решётки. Эти приборы состоят из большого количества щелей и выступов, которые в периодической последовательности наносятся на специальные (стеклянные или металлические) поверхности. Благодаря применению высоких технологий, удалось создать такие дифракционные решётки, которые на каждом миллиметре своей структуры содержат около 2000 штрихов. Существуют также более грубые дифракционные решётки, содержащие всего лишь 100 штрихов на 1 миллиметр. Однако следует отметить, что функцию этого прибора могут выполнять такие обыденные предметы, как граммофонная пластинка или компакт-диск.
Радуга
В том случае, если свет внутри дождевой капли преломляется только один раз, появляется так называемая первичная радуга. Однако при двух отражениях на небе появляется двойная радуга, которая представляет собой более редкое природное явление. Та радуга, диаметр которой меньше, более яркая и обладает стандартным порядком цветов. Вторая радуга, напротив, менее заметна и обладает обратным порядком цветов спектра. Таким образом, необычно красивое явление радуги после дождя можно объяснить простыми физическими законами.
.
Радуга нравится всем – и детям, и взрослым. Её красочные переливы так и притягивают взгляд, однако ценность её не ограничивается одной лишь эстетикой: это к тому же отличный способ заинтересовать ребёнка наукой и превратить познание мира в увлекательную игру! Для этого предлагаем родителям провести с детьми несколько экспериментов и получить настоящую радугу прямо у себя дома.
По стопам Ньютона
Чтобы повторить опыт учёного, не обязательно нужна призма - можно использовать то, что найдётся под рукой. В хорошую погоду поставьте стакан с водой на стол вблизи окна на солнечной стороне помещения. Расположите лист обычной бумаги на полу недалеко от окна таким образом, чтобы на него падали солнечные лучи. Смочите окно горячей водой. Затем меняйте положение стакана и листа бумаги до тех пор, пока на бумаге не заиграет маленькая радуга.
Радуга из зазеркалья
Химическая радуга
Все знают, что мыльные пузыри имеют радужную окраску. Толщина стенок мыльного пузыря меняется неоднородно, постоянно двигаясь, поэтому его цвет постоянно меняется. Например, при толщине 230 нм пузырь окрашивается в оранжевый цвет, при 200 нм - в зелёный, при 170 нм - синий. Когда из-за испарения воды толщина стенки мыльного пузыря становится меньше длины волны видимого света, пузырь перестает переливаться цветами радуги и становится почти невидимым, перед тем как лопнуть - это происходит при толщине стенки примерно 20-30 нм.
То же самое же происходит с бензином. Это вещество не смешивается с водой, поэтому оказываясь в луже на дороге, оно растекается по её поверхности и образует тончайшую плёнку, которая создаёт красивые радужные разводы. Этим чудом мы обязаны так называемой интерференции – или, проще говоря, эффекту преломления света.
Музыкальная радуга
Кроме того, чем не повод научить ребёнка основам музыкальной грамоты? Ведь изначально Ньютон различал в радуге всего пять цветов (красный, жёлтый, зелёный, голубой и фиолетовый), но потом добавил ещё два - оранжевый и фиолетовый. Таким образом учёный хотел создать соответствие между числом цветов спектра и количеством нот музыкальной гаммы.
Проектор-ночник
Оконная подвеска
Флип-бук с 3D-эффектом
При желании похожую ручную радугу можно сделать и своими руками, а заодно наглядно продемонстрировать ребёнку эффект анимации. Для этого нужно распечатать на бумаге или нарисовать на каждой страничке блокнота квадратики цветов радуги. Всего нужно 30-40 листков. При этом важно учитывать, что с одной стороны каждой страницы нужно рисовать их в обычной последовательности, а с другой – в обратной, иначе радуга у вас не получится.
Радуга, которую можно потрогать
И ещё один забавный способ получения радуги, которая здорово украсит любой современный интерьер, не отнимая ни сантиметра пространства и наполняя его радужным сиянием. Для этого мексиканский дизайнер Габриэль Доу (Gabriel Dawe) предлагает использовать искусно натянутые швейные нитки. С такой инсталляцией, конечно, придётся часок-другой повозиться, однако результат того стоит. Не даром работы художника имели огромный успех во многих странах, в том числе в США, Бельгии, Канаде и Великобритании.
Читайте также: