- Визначення і формули Частота і довжина хвилі
- енергія фотона
- Температура абсолютно чорного тіла
- Загальні відомості
- Історична довідка
- визначення спектру
- Спектри. фізика явищ
- акустичні спектри
- електромагнітні спектри
- аналіз спектрів
- спектральний синтез
- Деякі досліди зі спектрами
- Досвід 1. Розпад сонячного світла і калібрування простого саморобного спектрографа
- Досвід 2. Розкладання світла від «білого» світлодіода
- Досвід 3. Спектр випромінювання люмінесцентної лампи
Визначення і формули Частота і довжина хвилі
Електромагнітне випромінювання являє собою потік енергії в формі періодичних коливань електричного і магнітного полів, які можуть поширюватися в вакуумі зі швидкістю світла, а також в будь-який прозорою для них середовищі зі швидкістю менше швидкості світла. Для таких періодичних хвиль частота f обернено пропорційна довжині хвилі λ:
Тут v - фазова швидкість хвилі в середовищі. Відзначимо, що якщо середовище переломлює світло, наприклад це може бути оптичне скло, то швидкість поширення хвиль залежить від частоти і, отже, залежність довжини хвилі від частоти не зовсім обернено пропорційна. У вакуумі v = c (c - швидкість світла) і цей вислів стає таким:
Ця формула використовується в даному калькуляторі.
енергія фотона
Кількість енергії, переносний одиночним фотоном, прямо пропорційно його частоті і обернено пропорційно його довжині хвилі. Чим вище частота фотона, тим вище його енергія і, відповідно, чим вище енергія фотона, тим більше його частота. Енергія фотона залежить тільки від його частоти або довжини хвилі. Інтенсивність випромінювання не впливає на енергію фотонів. Співвідношення між енергією фотона E і його довжиною хвилі λ або частотою f визначається наступними виразами, які використовуються в нашому калькуляторі:
Тут h = 6,62607015 · 10-34 Дж · с - постійна Планка і c - швидкість світла у вакуумі. Оскільки і c, і h - константи, енергія фотона обернено пропорційна довжині хвилі і прямо пропорційна частоті.
Енергія фотона вимірюється в будь-яких одиницях енергії, наприклад, в джоулях або електронвольтах (еВ) і їх похідних. 1 еВ дорівнює 1,602176565 · 10⁻¹⁹ Дж.
Температура абсолютно чорного тіла
Випромінювання абсолютно чорного тіла
Абсолютно чорне тіло являє собою ідеалізований фізичне тіло, що поглинає все падаюче на нього електромагнітне випромінювання. Щоб залишатися в термодинамічній рівновазі, воно повинно випромінювати стільки ж енергії, скільки було поглинуто. Енергія, поглинена абсолютно чорним тілом, переизлучается в широкому спектрі і називається випромінюванням абсолютно чорного тіла.
Абсолютно чорні тіла так важливі в фізиці в зв'язку з тим, що вони не відображають падаюче на них випромінювання; вони тільки випромінюють, як і всі інші тіла. Спектральний склад випромінювання гарячих тіл залежить від їх температури. При кімнатній температурі пік їх випромінювання зазвичай знаходиться в інфрачервоній (тепловій) області. Наше тіло при нормальній температурі 310 К (37 ° С) випромінює тільки в інфрачервоній області спектра. Спектр випромінювання більш гарячих тіл зрушать в область більш високих частот, в видиму область спектра. Такі тіла починають світитися червоним кольором, який поступово, при підвищенні температури, переходить в білий колір.
Зірки часто розглядають в астрономії як абсолютно чорні тіла. Температура зірки може бути визначена по частоті максимуму спектра її випромінювання. Зірки, які мають більш високу температуру в порівнянні з нашою найближчою зіркою - Сонцем, випромінюють, в основному, в синього і фіолетового областях спектра, тобто їх випромінювання більш високочастотну в порівнянні з випромінюванням Сонця. Зірки холодніше Сонця випромінюють, в основному, в інфрачервоному діапазоні спектра. Це означає, що їх випромінювання більш низкочастотное. Температура поверхні Сонця близько 6000 К і воно випромінює з максимумом у видимій області спектра.
У цьому конвертері ми розраховуємо температуру за законом зміщення Віна, який стверджує, що довжина хвилі випромінювання з максимальною інтенсивністю f max абсолютно чорного тіла обернено пропорційна його абсолютній температурі (T) або частота випромінювання з максимальною інтенсивністю лінійно збільшується при зміні абсолютної температури:
або
де c - швидкість світла у вакуумі і b = 2,8977729 · 10-3 м · K - коефіцієнт пропорційності, званий постійної Вина.
радіохвилі
Вкрай низькі частоти, КНЧ
Наднизькі частоти, СНЧ
Інфранизьких частоти, ІНЧ
Дуже низькі частоти, ОНЧ
Низькі частоти, НЧ
Середні частоти, СЧ
Високі частоти, ВЧ
Радіохвилі - СВЧ-випромінювання
Дуже високі частоти, ДВЧ
Ультрависокі частоти, УВЧ
Надвисокі частоти, СВЧ
Вкрай високі частоти, КВЧ
Інфрачервоне випромінювання
Далекий інфрачервоний діапазон, FIR гіпервисокі частоти, ГВЧ
Довгохвильовий інфрачервоний діапазон, LWIR
Середній інфрачервоний діапазон, MIR
Короткохвильовий інфрачервоний діапазон, SWIR
Близький інфрачервоний діапазон, NIR
видиме світло
Ультрафіолетове випромінювання
Близький ультрафіолетовий діапазон
Середній ультрафіолетовий діапазон
Далекий ультрафіолетовий діапазон
іонізуюче випромінювання
Екстремальний ультрафіолетовий діапазон
М'яке рентгенівське випромінювання
Жорстке рентгенівське випромінювання
Гамма-випромінювання
Загальні відомості
Історична довідка
визначення спектру
Спектри. фізика явищ
приклади спектрів
акустичні спектри
електромагнітні спектри
аналіз спектрів
спектральний синтез
Деякі досліди зі спектрами
Досвід 1. Розпад сонячного світла і калібрування простого саморобного спектрографа
Досвід 2. Розкладання світла від «білого» світлодіода
Досвід 3. Спектр випромінювання люмінесцентної лампи
Опосуми погано бачать і чують, але чудово відчувають запахи
Загальні відомості
З точки зору природжених здібностей до сприйняття інформації з навколишнього середовища, людина досить-таки жалюгідна істота. Наше нюх не йде ні в яке порівняння з чуттям братів наших менших по класу ссавців - білі ведмеді, наприклад, можуть відчути запах їстівного за півтора кілометра, а собаки деяких порід в змозі взяти слід чотириденної давності. Наш слуховий апарат не пристосований до прийому всієї смуги акустичних коливань - ми не можемо безпосередньо чути переговори слонів на інфразвуку а в ультразвуковому діапазоні нам недоступні ні розмови дельфінів, ні сигнали ехолокації кажанів.
Єноти здатні чути в ультразвуковому діапазоні до 50-85 кГц і вловлювати дуже тихі звуки на зразок шереху земляних черв'яків.
І вже зовсім неважливо у людства йдуть справи зі сприйняттям електромагнітних випромінювань - безпосередньо ми відчуваємо тільки лише малу їх частину, яку називаємо видимим світлом. В ході еволюції людина, як, втім, і багато інших ссавці, втратив можливості брати інфрачервоний слід видобутку, подібно зміям; або бачити ультрафіолет, подібно комахою, птахам, рибам і деяким ссавцям.
Хоча людське вухо може відчувати звуковий тиск в широкому діапазоні від 2 * 10-5 Па (поріг чутності) до 20 Па (больовий поріг), ми щодо погано розрізняємо звуки по гучності (недарма шкала потужності акустичних коливань носить логарифмічний характер!). Зате природа наділила нас здатністю дуже точно визначати різницю в частотах надходять акустичних сигналів, яка, в свою чергу, зіграла визначальну роль у становленні людини як господаря планети. Тут мається на увазі розвиток мови і її використання для планування і організації стайной полювання, захисту від природних ворогів або від ворожих груп людей.
Змії здатні вловлювати теплове випромінювання своєї майбутньої здобичі в діапазоні 5-30 мікрометрів (мкм)
Привласнюючи деяких понять стійку комбінацію звуків, артикульованих розвиненим апаратом голосових зв'язок, наші предки передавали свої побажання і думки оточуючих. Аналізуючи на слух мова оточуючих, вони, в свою чергу, розуміли чужі побажання і думки. Координуючи зусилля своїх членів в часі і просторі, зграя первісних людей перетворювалася в людське співтовариство і навіть в суперхіщніка, що полює на найбільшого наземного тваринного - на мамонта.
Люди не можуть бачити теплове випромінювання як змії, тому вони використовують термографічні камери
Розвинулася мова використовувалася не тільки для спілкування всередині групи людей, а й при межвидовом спілкуванні з прирученими тваринами - бордер-коллі, наприклад, згідно з дослідженнями вчених з Університету Британської Колумбії, здатні запам'ятовувати понад 30 команд і точно виконувати їх мало не з першого разу. Подібними сигнальними системами в зародковому вигляді володіють майже всі стайня тварини незалежно від класу і місця існування. Наприклад, птиці (Вранова), так і ссавці: вовки, гієни, собаки і дельфіни, не рахуючи всіх видів мавп, провідних стайня спосіб життя. Але тільки людина використовувала мова як засіб передачі інформації наступному поколінню людей, що сприяло накопиченню знань про навколишній світ.
Птахи сімейства воронових мають досить високим інтелектом: хорошою пам'яттю, вмінням шукати їжу і користуватися при цьому різними пристосуваннями
Епохальною подією в становленні людства в сучасному вигляді стало винахід писемності - ієрогліфічним в стародавньому Китаї і древньому Єгипті, клинописной в Межиріччі (Месопотамії) і буквеної в стародавній Фінікії. Останньою європейські народи користуються досі, хоча, пройшовши послідовно через стародавні Грецію і Рим, накреслення фінікійських букв - своєрідних символів звуків - дещо видозмінилися.
Іншим епохальною подією в історії людства з'явився винахід друкарства. Воно дозволило широкому колу людей долучитися до наукових знань, колишнім перш доступними тільки вузькому колу подвижників і мислителів. Це не забарилося позначитися на темпах науково-технічного прогресу.
Відкриття і винаходи, здійснені протягом чотирьох останніх століть, буквально перевернули наше життя і заклали основи сучасних технологій передачі та обробки аналогових і цифрових сигналів. Цьому значною мірою сприяв розвиток математичної думки - розроблені розділи математичного аналізу, теорії поля і багато іншого давали в руки вчених і інженерів потужний інструмент для прогнозів, досліджень і розрахунків технічних пристроїв і установок для фізичних експериментів. Одним з таких інструментів став спектральний аналіз фізичних сигналів і величин.
Спектр звуку скрипки, нота сіль другої октави (G5); спектр чітко показує, що звук скрипки складається з основної частоти близько 784 Гц і ряду обертонів з зменшується з ростом частоти амплітудою; якщо обертони вирізати, залишивши тільки звук основної частоти, то звук скрипки перетвориться в звук камертона або генератора синусоїдальної частоти
Download the sound
Відкриття можливості перенесення спектра акустичних коливань в область більш високих частот електромагнітних коливань (модуляція) і його зворотне перетворення (демодуляція) дало потужний поштовх до створення і розвитку нових галузей промисловості: техніки зв'язку (в тому числі і мобільного зв'язку), комерційного та прикладного радіомовлення і телебачення.
Цілком природно, військові не могли пропустити таку чудову можливість для підвищення обороноздатності своїх країн. З'явилися нові способи виявлення повітряних і морських цілей задовго до їх наближення, засновані на радіолокації. Управління сухопутними військами, повітряними силами і флотом по радіо підвищило ефективність проведення бойових операцій в цілому. Нині важко уявити собі сучасну армію, чи не оснащену радіолокаційними (радарними) установками, засобами зв'язку, радіо- і радіотехнічної розвідки і засобами радіоелектронної боротьби (РЕБ).
Історична довідка
Історично поняття спектр було введено видатним англійським фізиком сером Ісааком Ньютоном в ході дослідів з розкладання білого світла на складові за допомогою трикутної оптичної призми. Результати дослідів були ним викладені у фундаментальній праці «Оптика», що вийшов в 1704 році. Хоча задовго до того, як Ньютон ввів у науковий обіг термін «спектр», людству було відомо його прояв у вигляді всім знайомої веселки.
Зліва направо: Ісаак Ньютон, Джеймс Максвелл, Густав Кірхгоф і Роберт Бунзен. Джерело: Вікіпедія
Надалі, у міру розвитку теорії електромагнетизму, це поняття було поширено на весь діапазон електромагнітних випромінювань. Крім поняття спектра коливань, де параметром виступає частота, і яке широко використовується в радіотехніці і акустиці, в фізиці існує поняття енергетичного спектра (наприклад, елементарних частинок), де параметром виступає енергія цих частинок, одержуваних в ході ядерних реакцій або іншим способом.
Іншим прикладом енергетичного спектра є розподілу по станах (кінетичним енергій) молекул газу для різних умов, звані статистиками або розподілом Максвелла-Больцмана, Бозе-Ейнштейна або Фермі-Дірака.
Піонерами вивчення спектрів полум'я, забарвленого парами металевих солей, були німецькі фізик Густав Роберт Кірхгоф і хімік Роберт Вільгельм Бунзен. Спектральний аналіз виявився потужним інструментом дослідження природи і фізики оптичних явищ, пов'язаних з поглинанням і випромінюванням світла. Ще в 1814 році німецький фізик Йозеф Фраунгофер виявив і описав понад 500 темних ліній в спектрі сонячного світла, але не зміг пояснити природу їх виникнення. Зараз ці лінії поглинання звуться ліній Фраунгофера.
Зліва направо: Йозеф Фраунгофер, П'єр Жансен, Норман Локьер і Жозеф Фур'є. Джерело: Вікіпедія
У 1859 році Кірхгоф опублікував статтю «Про фраунгоферових лініях», в якій пояснював причину виникнення фраунгоферових ліній; але головним висновком статті було визначення хімічного складу атмосфери Сонця. Так було доведено наявність в атмосфері Сонця водню, заліза, хрому, кальцію, натрію та інших елементів. У 1868 році спектрометричними методами незалежно один від одного французький астроном П'єр Жюль Сезар Жансен і його англійський колега сер Норман Локьер одночасно виявили на спектрі Сонця яскраву жовту лінію, не збігається ні з одним відомим елементом. Так був відкритий хімічний елемент гелій (по імені давньогрецького бога Сонця - Геліос).
Математичною основою при вивченні спектрів коливань і спектрів взагалі стали ряди та інтеграли Фур'є, названі на честь французького математика Жана Батиста Жозефа Фур'є, що розробив їх в ході дослідження теорії передачі тепла. Перетворення Фур'є є виключно потужним інструментом в різних областях науки: астрономії, акустиці, радіотехніці та інших.
Зліва направо: Френсіс Астон, Джозеф Томсон і Макс Планк. Джерело: Вікіпедія
Дослідження спектрів, як можна побачити величин значень функцій стану деякої системи, виявилося дуже плідним. Засновник квантової фізики німецький вчений Макс Планк прийшов до ідеї кванта в ході роботи над теорією спектра абсолютно чорного тіла. Англійські фізики сер Джозеф Джон Томсон і Френсіс Астон в 1913 році отримали докази існування ізотопів атомів, вивчаючи масові спектри, а в 1919 році, за допомогою першого побудованого їм мас-спектрометра, Астону вдалося відкрити два стабільних ізотопи неону Ne, які стали першими з 213 ізотопів різних атомів, відкритих цим ученим.
З середини минулого століття через бурхливого розвитку радіоелектроніки широке поширення в різних науках отримали радіоспектроскопічними методи досліджень: в першу чергу ядерного магнітного резонансу (ЯМР), електронного парамагнітного резонансу (ЕПР), феромагнітного резонансу (ФР), антиферомагнітного резонансу (АФР) і інші .
визначення спектру
Спектром у фізиці називають розподіл значень фізичної величини (енергії, частоти або маси), заданої графічним, аналітичним або табличним способом. Найчастіше під спектром увазі електромагнітний спектр - розподіл енергії або потужності електромагнітного випромінювання за частотами або по довжинах хвиль.
Безперервний спектр лампи розжарювання потужністю 60 Вт
Величиною, що характеризує сигнал, випромінювання або тимчасову послідовність, є спектральна щільність потужності або енергії. Вона показує як потужність або енергія сигналу розподіляється по частоті. Коли вимірюються сигнали, що містять різні частотні компоненти, потужність компонентів сигналу різної частоти буде різною. Тому графік спектральної щільності є графіком залежності потужності від частоти. Спектральна щільність потужності зазвичай виражається у ВАТ на герц (Вт / Гц) або в децибел-міліватах на герц (дБм / Гц). У загальному випадку, спектральна щільність потужності показує при яких частотах зміни сигналу сильні і за яких вони невеликі Це буває корисно подальшому аналізі різних процесів.
За характером розподілу значень фізичної величини спектри бувають дискретними (лінійчатими), безперервними (суцільними), а також можуть бути комбінацією дискретних і безперервних спектрів.
Спектр компактної люмінесцентної лампи з колірною температурою 4100 K
Прикладом лінійчатіх спектрів могут служити спектр Електрон переходів атомів Із збудженого стану в нормальний. Прикладом Безперервна спектрів - спектр електромагнітного випромінювання нагрітого твердого тіла, а прикладом комбінованого спектра - спектр випромінювання зірок и флуоресцентних ламп. На безперервний спектр нагрітої фотосфери зірки накладаються хромосферні лінії випромінювання і поглинання атомів, що входять до складу хромосфери зірки.
Спектри. фізика явищ
приклади спектрів
Лінії поглинання в сонячному спектрі
У фізиці також розрізняють емісійні спектри (спектри випромінювання), адсорбційні спектри (спектри поглинання) і спектри відображення (релєєвськоє розсіювання). Окремо розглядають комбінаційне розсіювання світла (ефект Рамана), пов'язане з непружним розсіюванням оптичного випромінювання і призводить до помітної зміни частоти (або, що те ж саме, довжини хвилі) відбитого світла. Раман-спектроскопія є ефективним методом хімічного аналізу, вивчення складу і будови матеріалів, що знаходяться як в твердій фазі, так і рідких і газоподібних фазах досліджуваного речовини.
У показаному на цьому малюнку спектрі камертона видно, що відразу після удару в звуці, крім основної гармоніки (440 Гц) присутні друга (880 Гц) і третя (1320 Гц) гармоніки, які швидко згасають і надалі чути тільки основна гармоніка. Звук можна послухати, якщо натиснути на кнопку відтворення програвача
Download the sound
Як зазначалося вище, емісійні спектри обумовлені переходом, в першу чергу, електронів зовнішніх оболонок атомів, що знаходяться в збудженому стані, при яких електрони цих оболонок повертаються на більш низькі енергетичні рівні, відповідні нормального стану атома. При цьому відбувається випромінювання кванта світла певної частоти (довжини хвилі), а в спектрі випромінювання з'являються характерні лінії.
При адсорбционном поглинанні задіюється зворотний механізм - захоплюючи кванти випромінювання певної частоти, електрони зовнішніх оболонок атомів переходять на більш високий енергетичний рівень. При цьому в спектрі поглинання з'являються відповідні характерні затемнені лінії.
При релєєвського розсіюванні (пружне розсіювання), яке цілком може описуватися і не квантовою механікою, відбувається поглинання і переизлучение квантів світла одночасно, що абсолютно не змінює спектр падаючого і відбитого випромінювань.
акустичні спектри
Спектр (вгорі) і сигнал (внизу) рожевого шуму
Download the sound
Особливу роль в науці про звук - акустики - грають акустичні спектри. Аналіз таких спектрів дає уявлення про частотний і динамічному діапазоні акустичного сигналу, що досить важливо для технічних додатків.
Наприклад, для впевненої передачі людського голосу в телефонії досить передачі звуків в смузі 300-3000 Гц. Саме тому в телефоні голоси знайомих звучать дещо інакше, ніж у житті.
Винахід ультразвукового свистка приписується англійському вченому і мандрівникові Френсісу Гальтону, у всякому разі, саме він першим застосував його для психометричних досліджень.
Звуки взагалі, особливо ритмічні і гармонійні, мають потужну психоемоційний вплив. Навіть шумоподібні акустичні сигнали впливають - в акустиці застосовуються поняття «білого» і «рожевого» шуму і шумів «іншого кольору». Спектральна щільність білого шуму рівномірна у всьому діапазоні частот, рожевий шум, так само як і інші «кольорові» шуми, відрізняється від білого шуму амплітудно-частотної спектральної характеристикою.
Ну і вже зовсім не могли залишити без уваги акустичні спектри сучасні лицарі «плаща і кинджала». Спочатку вони використовували тривіальний перехоплення телефонних переговорів. В результаті, з розвитком радіотехніки, почали застосовуватися методи скремблювання (шифрування і кодування) акустичних сигналів за певними математичними алгоритмами з метою ускладнення їх перехоплення. У зв'язку зі збільшенням продуктивної обчислювальної потужності як стаціонарних, так і портативних комп'ютерних пристроїв, нині старі методи шифрування акустичного сигналу йдуть у небуття, подменяясь більш сучасними математичними методами шифрування.
Спектр (вгорі) і сигнал (внизу) білого шуму
Download the sound
електромагнітні спектри
Дослідження електромагнітних спектрів дало в руки радіоастрономів дивовижний інструмент для аналізу фізичних величин. Вони вловили відзвуки Великого вибуху, що поклав початок нашому Всесвіту, у вигляді реліктового випромінювання і уточнили поведінку зірок, розташованих на головній послідовності. Класифікація зірок ведеться по спектру і, слава богу, наше світило - жовтий карлик Сонце класу G (G2V) - володіє досить-таки мирним характером, не рахуючи деяких періодів активності. У міру розвитку чутливості приладів, нині астрофізики і навіть астробіологи здатні зробити висновки про існування за межами нашої сонячної системи планет, подібних нашій Землі, з можливими варіантами існування на них життя.
Широке поширення знайшло застосування аналізу спектрів в медицині, хімії та інших суміжних науках. Нас не дивують оброблені комп'ютером зображення плоду в тілі вагітної жінки, ми звикли до МРТ-обстеження, і навіть нас не лякають операції на судинах людського організму, візуалізація яких заснована на аналізі спектру ультразвукових випромінювань.
Хіміки з допомогою спектральних методів аналізу можуть не тільки скласти уявлення про складні хімічні сполуки, але і розрахувати просторове розташування атомів в молекулах.
І, як завжди, електромагнітні спектри в радіочастотному і оптичному діапазоні не вислизнули від пильної уваги військових фахівців. На основі їх аналізу військові розвідники становлять не тільки уявлення про протидіє угрупованню військ противника, а й здатні визначити початок атомного Армагедону.
Імпульсні радіолокаційні станції AN / FPS-27A далекого виявлення ППО США і інших країн перебувала в експлуатації з початку 60-х до кінця вісімдесятих років минулого століття; такі станції могли визначати азимут, висоту мети і дальність до неї на відстані до 410 км.
аналіз спектрів
Як було показано вище, спектральний аналіз, особливо в радіочастотному і оптичному діапазоні, є найпотужнішим засобом отримання інформації про фізичних та інформаційних сутності об'єктів - зовсім неважливо, стосуються вони дійсно реальних фізичних об'єктів або являють собою ефемерні спектри громадської думки, отримані за допомогою опитувань. Сучасний фізичний спектральний аналіз заснований на порівнянні сигнатур - своєрідних цифрових спектральних підписах об'єктів.
У міру розвитку методів радіолокації, військові фахівці на основі аналізу спектру відбитих сигналів здатні не тільки виявити повітряну ціль і визначити її азимут і кут місця. За часом затримки приходу відбитого сигналу щодо імпульсу випромінювання можливе визначення відстані до цілі. На основі ефекту Доплера можна розрахувати швидкість її руху і по сигнатурам (спектрами) відбитих сигналів навіть визначити її тип.
Втім, точно такі ж методи застосовуються і в цивільній авіації. Відмінний ресурс flightradar24.com дозволяє майже в режимі реального часу відслідковувати польоти літаків, видаючи масу супутньої інформації, як-то: курс літака і його тип, висоту і швидкість польоту; час зльоту і розрахунковий час прибуття; скільки залишилося ще летіти і навіть ім'я та прізвище командира повітряного судна. Засобами комп'ютерної графіки цей ресурс видає трек рейсу, а при збільшенні масштабу можна навіть побачити зліт і посадку рейсу на відповідні моменти.
Фахівці радіотехнічної розвідки, на основі тонкого аналізу спектра випромінювань беруться навіть за визначення належності виявлених радіотехнічних засобів відповідним підрозділам противника.
Радіопрозрачні купола антен систем спостереження за повітряним простором на висоті 1300 м над рівнем моря на горі Бедене-Кир на верхньому плато Ай-Петрі в Криму (Росія)
спектральний синтез
В основі спектрального синтезу сигналів лежить гармонійний аналіз французького математика Фур'є і теорема російського вченого в галузі радіотехніки Котельникова, яка, на жаль, носить в англомовній технічній літературі іншу назву - теорема Найквіста-Шеннона. Гармонійний аналіз передбачає можливість реалізації як завгодно складного сигналу з достатнім ступенем вірності кінцевим набором гармонійних складових з різними параметрами. Не вдаючись в особливості подачі математичного матеріалу, теорема Котельникова свідчить, що для відтворення гармонійного сигналу досить вибірок з цього сигналу з подвоєною частотою.
Збільшене зображення екрану кінескопа
В телебаченні і комп'ютерній техніці для реалізації сигналів, які формують зображення на екранах телевізорів і дисплеїв, широко застосовується метод синтезу кольорового зображення на основі генерації трьох основних кольорів (червоного, зеленого і синього) і їх подальшого змішування. За рахунок зміни інтенсивності того чи іншого основного кольору і їх співвідношень призводить до отримання зображень з високою вірністю передачі кольору.
Саморобний спектрограф з картонної трубки і сегмента компакт-диска
Синтез сигналів - читай синтез спектрів - став основою сучасної комп'ютерної криптографії, створення сучасної музики і навіть емуляції реальних випромінюючих об'єктів віртуальними аналогами, що вводять в оману системи виявлення противника, що застосовуються в сучасних засобах радіоелектронної боротьби (РЕБ).
Нині методи передачі сигналів по закритих каналах зв'язку тісно переплітаються з методами передачі шумоподібних сигналів, що мають високий ступінь захищеності від перешкод.
Їх перерахування не входить в завдання цієї статті, проте, повинні Вас запевнити, що, користуючись мобільним зв'язком, Ви в повній мірі використовуєте перетворення спектра акустичного сигналу відповідно до певним математичним алгоритмам з високим ступенем захисту від дешифрування.
Калібрування саморобного спектрографа
Деякі досліди зі спектрами
На закінчення виконаємо кілька дослідів з оптичними спектрами.
Досвід 1. Розпад сонячного світла і калібрування простого саморобного спектрографа
При наявності трикутної оптичної призми або старого непотрібного CD або DVD-диска можна повторити досвід сера Ісаака Ньютона по розкладанню сонячного світла. Ми скористаємося CD-диском, так як це простіше. Ще потрібна діафрагма на вході в наш спектрограф і трубка з непрозорого матеріалу, наприклад, картону. Для виготовлення діафрагми досить прорізати в пластинці з будь-якого оптично непрозорого матеріалу щілину ножем або скальпелем, до якої потім приклеїти пару лез. Ця щілина буде грати роль коллиматора. Прикріплюємо пластинку зі щілиною до картонної трубці довжиною приблизно 20 см. Отриманий після коллиматора паралельний пучок сонячного світла та інших джерел світла має бути спрямовано на шматок диска, який прикріплюємо на іншому кінці трубки під кутом 60-80 ° до променя світла з щілини (підбирається експериментально) . Другий торець закриваємо кришкою. Щоб розглядати або фотографувати спектр, потрібно в трубці прорізати отвір, як показано на знімку. Все, наш спектрограф готовий. Ми можемо спостерігати і фотографувати кольорову смужку безперервного спектра сонячного світла з плавними переходами між квітами від фіолетового до червоного. На спектрі добре помітні темні фраунгоферові лінії поглинання.
Спектр білого світлодіода
Для калібрування нашого найпростішого спектрографа скористаємося трьома лазерними покажчиками - червоною, зеленою і фіолетовою з довжинами хвиль відповідно 670, 532 і 405 нм.
Досвід 2. Розкладання світла від «білого» світлодіода
Замінимо джерело природного світла. Як заміну використовуємо світлодіод з потужністю випромінювання 5 Вт з білим світінням. Це світло найчастіше виходить за рахунок перетворення випромінювання синього світлодіода покриває його люмінофором в «теплий» або «холодний» білий світ.
При подачі відповідної напруги на висновки світлодіода на екрані можна спостерігати спектр випромінювання з характерною нерівномірністю інтенсивності кольорів.
Досвід 3. Спектр випромінювання люмінесцентної лампи
Лінійчатий спектр люмінесцентної лампи
Подивимося як виглядає спектр компактної люмінесцентної лампи з нормованою колірною температурою 4100 K. Спостерігаємо лінійчатий спектр.
Автор статті: Сергій Акішкін
Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолій Золотков
