Apgaismojuma fizikālie lielumi

• Lielumi, kas ietekmē apgaismojumu, ir gaismas avots, gaismas plūsma, apgaismojums un gaismas stiprums.

Gaismas Avoti

• Gaismas avoti ir ķermeņi, kas izstaro redzamo gaismu.
• Gaismas avoti apgaismo citu ķermeņu virsmas, ļaujot mums tos redzēt.
• Punktveida gaismas avots izstaro gaismu vienādi visos virzienos.
• Dabā nav ideālu punktveida gaismas avotu, bet pietiekami attālinot gaismas avotu, to var uzskatīt par punktveida.

Gaismas Plūsma

• Gaismas plūsma ir redzamās gaismas jauda jeb gaismas enerģija, ko gaismas avots izstaro laika vienībā.
• Gaismas plūsmu mēra lūmenos (lm).
• Gaismas plūsmu (Φ) var iedomāties kā gaismas starus, kas vienmērīgi visos virzienos šķērso sfēru ap punktveida gaismas avotu.
• Jo lielāka gaismas plūsma krīt uz ķermeņiem, jo labāk mēs tos varam saredzēt.
• Gaismas avotu raksturo izstarotā gaismas plūsma, ko mēra lūmenos.

Gaismas Stiprums

• Gaismas stiprums (I) raksturo gaismas avota redzamās gaismas starojumu un to mēra kandelās (cd).
• Punktveida gaismas avota pilnā gaismas plūsma ir proporcionāla gaismas avota stiprumam (I): jo lielāks stiprums, jo lielāka gaismas plūsma (Φ).
• Reāli gaismas avoti gaismas plūsmu (Φ) dažādos virzienos izstaro nevienmērīgi.
• Spuldze ar gaismas stiprumu 150 cd rada lielāku gaismas plūsmu nekā spuldze ar 70 cd.

Apgaismojums

• Apgaismojums ir gaismas plūsma, kas krīt uz virsmas laukuma vienību.
• Jo spēcīgāka ir gaismas plūsma, jo lielāks ir virsmas apgaismojums.
• Ja gaismas plūsma (Φ) krīt uz virsmas laukumu (S), tad virsmas apgaismojums ir E = Φ/S.
• Apgaismojuma vienība ir lukss (lx).
• Viens lukss (1 lx) ir apgaismojums, ko rada 1 lm gaismas plūsma, perpendikulāri krītot uz 1 m² lielu laukumu.
• Saules apspīdētas Zemes virsmas apgaismojums pusdienlaikā ir aptuveni 100 000 lx, bet apmākušās dienās – ap 100 lx.
• Strādājot pie rakstāmgalda, darba virsmas apgaismojumam jābūt ap 300 lx.
• Virsmas apgaismojums ir proporcionāls gaismas avota stiprumam un apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam no gaismas avota.
• Virsmas apgaismojums samazinās proporcionāli staru krišanas leņķa α kosinusam.
• Ierīci, ar kuru mēra apgaismojumu, sauc par luksmetru.

Gaismas Atstarošanās

• Viendabīgā vidē gaisma izplatās taisnā virzienā pa gaismas stariem.
• Gaismas atstarošanās parādība rodas, kad gaisma izplatās caurspīdīgā materiālā un krīt uz robežvirsmu ar citu materiālu.
• Krītošais stars ir apzīmēts ar burtu k, bet atstarotais stars – ar burtu a.
• Gaismas krišanas leņķis α ir leņķis starp krītošās gaismas staru un perpendikulu stara krišanas punktā.
• Gaismas krišanas plakne ir plakne, kurā atrodas krītošais stars un perpendikuls pret virsmu.
• Atstarotās gaismas stars ir gaisma, kas atstarota no robežvirsmas.
• Gaismas atstarošanās leņķis β ir leņķis starp perpendikulu un atstaroto staru.
• Krītošais stars, perpendikuls pret robežvirsmu un atstarotais stars atrodas vienā plaknē.
• Atstarošanās leņķis β ir vienāds ar gaismas krišanas leņķi α.

Spoguļi

• Spoguļatstarošanās notiek, ja uz spoguļa krīt paralēlu staru kūlis, un pēc atstarošanās tas turpina izplatīties paralēlu staru veidā.
• Par spoguļvirsmu var kalpot jebkura gludi nopulēta virsma, ja tās nelīdzenumu izmēri nepārsniedz gaismas viļņa garumu.
• Difūzā atstarošanās notiek, ja uz nelīdzenu virsmu krītošs paralēlo staru kūlis izkliedējas.
• Gaismas difūzo atstarošanos var novērot no visām matētām virsmām.

Plakans Spogulis

• Lai ieraudzītu attēlu spogulī, mēs skatāmies pretī atstarotajiem stariem un turpinām tos aiz spoguļa.
• No priekšmeta punkta P nākošie stari atstarojas no spoguļa virsmas atbilstoši gaismas atstarošanās likumam.
• Atstaroto staru turpinājumi aiz spoguļa krustojas punktā A, kur acs saskata punkta P attēlu.
• Attēls novietojas uz perpendikula pret spoguli AP un atrodas tikpat lielā attālumā no spoguļa, kā priekšmeta punkts P.
• Lai konstruētu priekšmeta spoguļattēlu, pietiek uzzīmēt divus no priekšmeta uz spoguli krītošus starus.
• Ja gaismas stari pēc atstarošanās no spoguļa krustojas, tad veidojas reāls attēls.
• Ja aiz spoguļa krustojas atstaroto staru turpinājumi, tad veidojas šķietams attēls.
• Reālu attēlu var projicēt uz ekrāna, bet šķietamu — redzēt tikai ar aci.
• Attēls plakanā spogulī ir vienliels ar priekšmetu, šķietams un tiešs.
• Priekšmeta un attēla attālumi līdz spogulim ir vienādi.
• Sevi pilnā augumā var aplūkot spogulī, kura augstums ir vienāds ar pusi no mūsu garuma.

Sfērisks Spogulis

• Sfēriskā spoguļa atstarojošā virsma ir sfēras segments.
• Sfēras centru O sauc par spoguļa centru.
• Spoguļa segmenta centrs P ir sfēriskā spoguļa virsotne.
• Attālums starp spoguļa centru O un tā virsotni P ir vienāds ar sfēras rādiusu R.
• Simetrijas asi, kas iet caur spoguļa centru O un tā virsotni P, sauc par spoguļa galveno optisko asi.
• Citas taisnes, kas vilktas caur spoguļa centru O un šķērso spoguļa virsmu, dēvē par optiskajām blakusasīm.
• Ja atstarojošā ir segmenta iekšējā virsma, veidojas ieliekts sfērisks spogulis, ja ārējā — izliekts sfērisks spogulis.

Ieliekts Spogulis

• Ieliekta spoguļa galvenie raksturlielumi ir spoguļa centrs O, spoguļa fokuss F, fokusa attālums F un spoguļa liekuma rādiuss R.
• Ieliekts spogulis sakopo paralēlu staru kūli.
• Ja uz ieliektu sfērisku spoguli paralēli galvenajai optiskajai asij krīt paralēlu staru kūlis, tad no spoguļa atstarotie stari krustojas galvenajā optiskajā asī vienā punktā – spoguļa fokusā F.
• Spoguļa fokuss no spoguļa virsotnes atrodas katram spogulim raksturīgā fokusa attālumā F.
• Lai noskaidrotu, kāds attēls veidojas sfēriskajā spogulī, konstruē vismaz divu no priekšmeta punkta nākošo staru gaitu.
• Ja stars iet paralēli galvenajai optiskajai asij, tas atstarojas caur spoguļa fokusu.
• Ja stars iet caur spoguļa fokusu, tas atstarojas paralēli galvenajai optiskajai asij.
• Ja stars iet caur spoguļa centru, tad atstarojoties tas iet caur spoguļa centru.
• Attēls, kas veidojas ieliektā sfēriskā spogulī, ir atkarīgs no tā, cik tālu no spoguļa virsotnes atrodas priekšmets.

Spoguļa Formula

• Sfēriska spoguļa trīs galvenos attālumus – spoguļa fokusa attālumu F, priekšmeta attālumu līdz spogulim d un attēla attālumu līdz spogulim f saista spoguļa formula.
• Lietojot spoguļa formulu, ieliekta spoguļa fokusa attālums F ir pozitīvs.
• Ja attēls ir reāls, tad attēla attālums f ir pozitīvs, bet šķietamam attēlam – negatīvs.

Izliekts Spogulis

• Ja gaismas stari krīt uz izliektu spoguli, tie izkliedējas.
• Attēls izliektā spogulī vienmēr ir šķietams, tiešs, samazināts un nav atkarīgs no priekšmeta attāluma līdz spogulim.
• Spoguļa formulā fokusa attālums F un attēla attālums līdz spogulim f ir negatīvi.

Spoguļu pielietojums

• Plakanu spoguli lieto, lai iegūtu ar priekšmetu vienlielu attēlu vai lai izmainītu gaismas plūsmas virzienu.
• Sfēriskus spoguļus lieto, lai palielinātu virsmas apgaismojumu vai iegūtu palielinātu (samazinātu) priekšmeta attēlu.
• Ar sfēriskiem vai paraboliskiem spoguļiem var ievērojami palielināt virsmas apgaismojumu, novietojot gaismas avotu spoguļa fokusā.
• Ja gaismas avots atrodas ieliekta spoguļa fokusā, tad pēc atstarošanās stari veido galvenajai optiskajai asij paralēlu staru kūli.
• Automašīnu tālo gaismu lukturos spuldzes kvēldiegs atrodas spoguļa fokusā, lai iegūtu paralēlu staru kūli.
• Ieliekto spoguļu īpašību izmanto arī prožektoros, lai iegūtu spēcīgas gaismas kūli.
• Mūsdienu optiskajos teleskopos par objektīvu izmanto lielu, ieliektu spoguli, kas pārklāts ar plānu alumīnija kārtiņu.

Gaismas Laušana

• Gaismas laušana notiek, gaismai izplatoties no vienas vides citā, jo gaismas izplatīšanās ātrums šajās vidēs ir atšķirīgs.
• Gaismas laušana ir krītošās gaismas staru lūšana uz robežvirsmas, kas atdala divas caurspīdīgas vides ar atšķirīgiem gaismas laušanas koeficientiem.
• Gaisma izplatās tikai caurspīdīgā vidē, piemēram, gaisā, ūdenī un stiklā.
• Vakuumā gaismas ātrums ir vienāds ar c ≈ 3 ⋅ 108 m/s.
• Vidē gaismas ātrums ir mazāks un vienāds ar v = c/n, kur n ir videi raksturīgs gaismas laušanas koeficients.
• Gaismas laušanas koeficients (n) rāda, cik reizes gaismas ātrums vidē ir mazāks nekā vakuumā.
• Krītošais stars, atstarotais stars, lauztais stars un perpendikuls pret robežvirsmu atrodas vienā plaknē.
• Gaismas starus, kas izplatās otrajā vidē, sauc par lauztās gaismas stariem.
• Lauztie gaismas stari ar perpendikulu pret robežvirsmu veido gaismas laušanas leņķi γ.
• Gaismai krītot no gaisa ūdenī, tās stari noliecas uz perpendikula pusi un gaismas laušanas leņķis γ ir mazāks salīdzinājumā ar gaismas krišanas leņķi α.
• Ja gaisma lūst vidē, kuras gaismas laušanas koeficients ir lielāks par gaismas laušanas koeficientu videi, no kuras gaisma krīt, tad gaismas stari noliecas uz perpendikula pusi.
• Savukārt, ja gaisma krīt no ūdens gaisā, gaismas stari atliecas no perpendikula un gaismas laušanas leņķis ir lielāks nekā gaismas krišanas leņķis.
• Uzzīmējot staru gaitu, jāievēro, ka to iespējams arī apgriezt pretējā virzienā, proti, lauztais stars var kļūt par krītošo un otrādi.
• Laušanas likums nosaka, ka krišanas leņķa un laušanas leņķa sinusu attiecība ir vienāda ar laušanas koeficientu attiecību (sin α / sin γ = n2 / n1).
• Ja gaismas stars nāk no ūdens gaisā, tad lauztais stars atliecas no perpendikula un tā turpinājumā zīmulis izskatās pārlūzis.
• Raugoties iesānis uz ūdenī iegrimušu priekšmetu, tas izskatās novietots seklāk un tālāk no tās vietas, kur tas īstenībā ir, jo no priekšmeta nākošie gaismas stari uz ūdens virsmas lūzt un tikai pēc tam nonāk novērotāja acīs.

Gaismas Pilnīgā Iekšējā Atstarošanās

• Gaismas pilnīgā iekšējā atstarošanās ir parādība, kad visa gaisma, krītot uz robežvirsmu starp divām caurspīdīgām vidēm, atstarojas vidē, no kuras tā krīt.
• Ja gaisma pāriet no vides, kur ir lielāks gaismas laušanas koeficients, vidē, kur tas ir mazāks, tad laušanas leņķis ir lielāks par krišanas leņķi.
• Ja laušanas leņķis sasniedz 90°, lauztais stars otrajā vidē vairs nenokļūst un visa gaisma atstarojas vidē, no kuras tā ir nākusi.
• Pilnīgā iekšējā atstarošanās notiek tad, kad gaismas krišanas leņķis sasniedz robežvērtību α0 un lauztais stars slīd pa robežvirsmu un otrajā vidē nenokļūst.
• Robežleņķa α0 lielums ir atkarīgs tikai no gaismas laušanas koeficientu attiecības abās vidēs (sin α0 = n2 / n1), kur n2 ir gaismas laušanas koeficients videi, uz kuras robežvirsmas lūst krītošais stars, bet n1 ir gaismas laušanas koeficients videi, kurā atrodas krītošais stars.
• Gaismas pilnīgo iekšējo atstarošanos izmanto optiskajos instrumentos, piemēram, binokļos, lai pagrieztu krītošās gaismas staru par 90° vai apgrieztu attēlu.
• Šim nolūkam izmanto taisnleņķa stikla prizmu.
• Gaismai krītot 45° leņķī pret prizmas skaldni, krišanas leņķis pārsniedz robežleņķi un gaisma no stikla neiznāk — tā tikai prizmas iekšienē atstarojas.
• Pilnīgās iekšējās atstarošanās izmantošana notiek optiskajos kabeļos, kas sastāv no vairākiem tūkstošiem optisko šķiedru.
• Optisko šķiedru aptver ļoti plāns apvalks, kuram gaismas laušanas koeficients ir mazāks nekā pašai šķiedrai.
• Gaismas staram, kas pa zigzagu ceļu izplatās šķiedras garenass virzienā, piemīt pilnīgā iekšējā atstarošanās, un tas nenokļūst ārpus šķiedras.
• Optiskā šķiedra var aizvadīt lāzera starā koncentrēto gaismas viļņa enerģiju līdz vietai, kur to patērē, piemēram, metālu kausēšanai vai medicīnisko operāciju veikšanai bez skalpeļa.

Lēcas

• Lēcas maina gaismas staru gaitu un iegūst attēlus.
• Lēca var būt jebkurš gaismai caurspīdīgs ķermenis ar liektu virsmu, uz kuras notiek gaismas staru lūšana.
• Lēcas iedala izliektās (biezākas vidū) un ieliektās (plānākas vidū).
• Šis ir lēcu iedalījums pēc ģeometriskās formas.
• Lēcā gaismas stari lūst divreiz: ieejot lēcā uz priekšējās virsmas un izejot uz aizmugurējās.
• Plānas sfēriskas lēcas ir tādas, kurām strauji mainās biezums no centra uz malām.
• Ja uz izliektu lēcu krīt paralēlu staru kūlis paralēli tās galvenajai optiskajai asij, tad izejot caur lēcu, stari savācas un krustojas lēcas fokusā F.
• Izliektas lēcas darbojas kā gaismas staru savācējlēcas.
• Ja paralēlā staru kūļa ceļā novieto ieliektu lēcu, tad no lēcas izejošie gaismas stari izkliedējas tā, ka lēcas pretējās puses fokusā krustojas izklīstošo staru turpinājumi.
• Ieliektās lēcas darbojas kā gaismas staru izkliedētājlēcas.
• Ja uz lēcu krītošs paralēls staru kūlis pēc laušanas lēcā kļūst saejošs, tad lēca ir savācējlēca.
• Ja paralēls staru kūlis pēc laušanas lēcā izkliedējas, tad lēca ir izkliedētājlēca.

Attēla konstruēšana lēcās

• Lai konstruētu attēlu, no katra raksturīgā priekšmeta punkta jānovelk vismaz divi uz lēcu krītošie stari un jāatrod tiem atbilstošie lauztie stari vai šo staru turpinājumi.
• Attēla punkti ir lauzto staru krustpunkti.
• Konstruēšanai ieteicams izvēlēties starus, kuru gaita lēcā ir iepriekš zināma.
• Priekšmeta un attēla savstarpējo novietojumu plānai lēcai nosaka trīs attālumi: lēcas fokusa attālums F, priekšmeta attālums līdz lēcas centram d un attēla attālums līdz lēcas centram f.
• Šos attālumus saista lēcas formula: 1/F = 1/d + 1/f
• Lēcas formulā reālo lielumu skaitliskās vērtības jāņem ar plusa zīmi, bet šķietamo — ar mīnusa zīmi.
• Savācējlēcas fokusa attālums F ir pozitīvs, bet izkliedētājlēcas fokusa attālums F ir negatīvs.
• Attiecību starp attēla augstumu H un priekšmeta augstumu h sauc par lēcas lineāro palielinājumu (Γ = H/h).
• Lēcas lineārais palielinājums ir vienāda ar attiecību f/d.

Optiskie Instrumenti

• Optisko instrumentu piemēri: lupa, mikroskops, tālskatis, teleskops, lādiņsaites matrica, fotoaparāts, projektors.
• Optiskos instrumentus izmanto, lai saskatītu, fotografētu vai iegūtu citu informāciju no tālu esošiem vai ļoti maziem priekšmetiem.
• Redzes leņķim jābūt pietiekami lielam, lai varētu atšķirt detaļas attēlā.
• Acīm piemīt noteikta izšķiršanas spēja.
• Acs spēj izšķirt divus priekšmeta punktus ja to attēli nokļūst uz blakus esošām tīklenes šūnām.
• Redzes leņķis α ir leņķis, kura virsotne atrodas acs optiskajā centrā, bet stari ir vērsti uz priekšmeta galējiem punktiem.

Lupa

• Lupa ir vienkāršākais instruments redzes leņķa palielināšanai.
• Tā ir ietvarā nostiprināta savācējlēca, kas tiek turēta tuvu acīm.
• Aplūkojamais priekšmets tiek novietots pirms lupas fokusa.
• Lupa veido šķietamu, tiešu un palielinātu attēlu labākā redzes attālumā.
• Acs redz šo attēlu lielākā redzes leņķī αL nekā pašu priekšmetu.
• Lupas palielinājumu aprēķina pēc formulas Γ = d0 / F, kur d0 = 0,25 m ir labākais redzes attālums un F ir lēcas fokuss.

Mikroskopi

• Optiskos mikroskopus lieto lielāka leņķiskā palielinājuma iegūšanai.
• Visiem optiskajiem mikroskopiem ir divas lēcu sistēmas: objektīvs un okulārs.
• Objektīvu novieto pirms aplūkojamā objekta, okulārā skatās.
• Abas lēcu sistēmas ievietotas kopējā tubusā un darbojas kā savācējlēcas.
• Novērojamo objektu novieto pirms objektīva priekšējā fokusa.
• Okulāru novieto tā, lai priekšmeta reālais un apgrieztais attēls atrastos tuvu okulāra galvenajam fokusam.
• Okulārs darbojas kā lupa.
• Mikroskopā var redzēt šķietamu, apgrieztu un palielinātu attēlu.
• Mikroskopa palielinājumu aprēķina pēc formulas Γ = (L * d0) / (Fob * Fok), kur d0 ir labākais redzes attālums, L ir attālums starp objektīva aizmugurējo fokusu un okulāra priekšējo fokusu, Fob ir objektīva fokusa attālums, Fok ir okulāra fokusa attālums.

Tālskati un Binokļi

• Tālskatus un binokļus lieto, lai palielinātu tālu priekšmetu redzes leņķi.
• Galvenās sastāvdaļas ir objektīvs un okulārs.
• Tālskatī no tāla priekšmeta nākošais paralēlais staru kūlis pēc iziešanas caur optisko sistēmu paliek paralēls.
• Objektīva aizmugurējo fokusu savieto ar okulāra priekšējo fokusu.
• No tāla priekšmeta nākošie stari veido šķietamu, apgrieztu priekšmeta attēlu tuvu objektīva aizmugurējai fokālajai plaknei..
• Okulārs darbojas kā lupa, palielinot redzes leņķi.
• Šādu teleskopisku sistēmu sauc par Keplera tālskati, izveidoja Johanness Keplers 1611. gadā.
• Lai attēlu pagrieztu tālskatī ievieto papildus lēcas vai prizmas.
• Tālskata palielinājumu aprēķina pēc formulas Γ = Fob / Fok, kur Fob ir objektīva fokusa attālums, Fok ir okulāra fokusa attālums.
• Galileja tālskatos kā okulāru izmanto izkliedētājlēcu, izgatavoja Galileo Galilejs 1609. gadā..

Teleskopi

• Teleskopi ar milzīgas lēcas vai spoguļa palīdzību savāc un koncentrē vājo zvaigžņu gaismu.
• Teleskopa galvenās sastāvdaļas ir objektīvs un starojuma uztvērējs.
• Objektīvs veido debess ķermeņa attēlu, bet starojuma uztvērējs reģistrē to.
• Mūsdienu optiskajos teleskopos par objektīvu izmanto lielu, ieliektu spoguli, un tos sauc par reflektoriem.
• Reflektora spogulis izgatavots no stikla un pārklāts ar plānu alumīnija kārtiņu.

Lādiņsaites Matricas

• Lādiņsaites matricas izmanto kā uztvērējus optiskajos teleskopos.
• Tā ir plāksnīte, kas sastāv no gaismjutīgām silīcija pusvadītāju šūnām jeb pikseļiem.
• Tajos gaismas informācija tiek pārvērsta elektriskajos signālos, kurus pastiprina un reproducē uz monitora vai izdrukā.
• Tādas pašas matricas izmanto digitālajos fotoaparātos, tikai ar mazāku pikseļu skaitu.
• Lādiņsaites matrica ir ļoti jutīga un spēj reģistrēt gandrīz visu uz to krītošo gaismu.

Fotokameras

• Fotoaparāts jeb fotokamera ir ierīce, kurā ir lēcas.
• Mūsdienu fotokamerās un videokamerās objektīvi ir vairāku lēcu sistēmas.
• Vienkāršākajos objektīvos lēcu skaits ir no trīs līdz sešām lēcām.
• Lēcas var būt gan savācējlēcas, gan izkliedētājlēcas.
• Ass attēls veidojas objektīva fokālajā plaknē, kur atrodas fotojūtīgais materiāls (fotofilma) vai lādiņsaites matrica.
• Objektīvos tiek kombinētas dažādas lēcas, tad iespējams panākt dažādus lēcu sistēmas fokusa attālumus.

Projektori

• Projektors ir ierīce, ar kuras palīdzību uz ekrāna var iegūt palielinātu attēlu.
• Projektorā ir gaismas avots, kas apgaismo matricu, uz kuras tiek elektroniski izveidots attēls.
• Optiskā sistēma, kurā ietilpst gan spogulis, gan lēcas, šo attēlu projicē uz ekrāna.