Что такое световой пучок

Световой луч и световой пучок в физике — определение с примерами

Мы живем в мире разнообразных световых явлений. Многие из них, например вид звезд на вечернем небосклоне (рис. 78), радуга (рис. 79) полярные сияния (рис. 80) в полярных широтах, а также подобные сияния в средних широтах, живописны и красивы.

Солнце освещает Землю, электрическая лампа — комнату. Чайная ложка, если поместить ее в стакан с водой, кажется сломанной, на поверхности озера мы видим тучи, плывущие в небе. Почему?

При освещении предметов солнечным светом или светом от лампы мы видим их разноцветными, а с наступлением ночи — темными, серыми. Что такое цвет, почему в различных условиях наблюдений цвета предметов изменяются?

Чтобы ответить на эти и другие вопросы, необходимо изучить разные источники света и законы его распространения, действие света на физические тела.

Учение о свете и световых явлениях называют оптикой.

Благодаря изобретению и использованию линз были созданы оптические приборы, без которых сегодня сложно представить себе повседневную жизнь: очки, лупы, микроскопы, бинокли, фотоаппараты, телескопы и т. п.

Темной ночью или в затемненной комнате мы практически ничего не видим. Зажегши свечу, сразу увидим ее пламя. Одновременно мы увидим саму свечу, другие предметы, находящиеся в комнате (рис. 81).

Что необходимо для того, чтобы видеть предметы

1. Источник света. Пламя свечи

излучает свет, распространяющийся во всех направлениях. Свеча — Рис. 81

источник света. Предметы, находящиеся в комнате, при отсутствии света невидимы. Если эти предметы освещаются свечой, мы их видим, потому что свет отражается от них.

2. Глаза. Глаз человека, воспринимая свет, распространяющийся от какого-либо источника света, дает возможность нам видеть этот источник. Так мы видим пламя свечи и другие освещенные предметы.
Источники света — это тела, излучающие свет.

По характеру излучения различают тепловые и люминесцентные (лат. lumen — «свет, холодное свечение») источники света. В тепловых источниках света свечение достигается за счет нагревания тел до высоких температур. Например, тела при температуре 800 °С начинают излучать свет.

Тепловыми источниками света является Солнце, звезды, лампы накаливания (рис. 82, а), дуговая лампа (рис. 82, б), керосиновая лампа (рис. 82, в), вулканическая лава и т. д.

Но свет могут излучать и тела, имеющие температуру окружающей среды. Такие тела называют люминесцентными источниками света. Люминесценция возникает в веществах при разных химических реакциях. Тихой летней ночью на лесной поляне можно увидеть гнилой светящийся пенек. Это светятся бактерии, вызывающие процесс гниения. Светятся также грибы, растущие возле пенька.

Интересно наблюдать светлячков (рис. 83) — маленьких жучков, в верхней части брюха которых есть особенное светящееся вещество.

В морях и океанах светится вода, причина этого — многочисленные мелкие светящиеся организмы. Светятся медузы (рис. 84), глубоководные рыбы.

Кстати:

Ученые хорошо изучили свечение жуков-светлячков. Их органы свечения состоят из клеток, которые содержат два белковых вещества — люциферин и фермент люцифераза (лат. lucifer — «носитель света»). Люциферин при присутствии люциферазы окисляется, и при этом освобождает энергию, большая часть которой (до 92 %) превращается в свет.

Среди животных, живущих на суше, светящихся очень мало, а вот среди жителей морей и океанов свечение широко распространено. Много животных живет на глубине, куда не доходит солнечный свет. Существуют рыбы, у которых светящиеся органы расположены по всему телу, словно гирлянды электрических ламп.

У некоторых животных световые органы состоят из клеток, которые отражают и преломляют свет. Другие животные могут светиться за счет живущих в них микроорганизмов.

Существуют естественные и искусственные источники света. К естественным источникам относятся, например, Солнце, звезды, молнии, светящиеся насекомые, растения, рыбы, бактерии. К искусственным — пламя свечи, костры, экран компьютера, электрические лампы, газосветные и люминесцентные лампы: неоновые, дневного света, ртутные, галогенные (рис. 85).

Что такое приемники света

Приемники света — это тела, чувствительные к свету.

Это, например, наши глаза. Свет, падающий на зрительный нерв, раздражает его. Это раздражение передается в головной мозг, формируя зрительное Рис. 85 изображение.

Если на кино-, фотопленку (в настоящее время — еще и на светочувствительную матрицу цифрового фотоаппарата или видеокамеры) или фотобумагу попадает отраженный от окружающих предметов свет, на них образуются изображения этих предметов (рис. 86, 87).

Если на солнечные батареи, установленные на самолете (рис. 88), космическом корабле, спутнике или на крыше дома, падает свет, они производят электрический ток, который используют для питания разных электроприборов. Небольшие солнечные батареи применяют для питания карманных фонариков, микрокалькуляторов и мобильных телефонов (рис. 89).

Практически всем живым существам на Земле необходим свет, и они являются его приемниками. Свет необходим для нормального роста и развития растений. На рисунке 90 — две головки капусты, одна выросла при недостаточном освещении, а вторая — в обычных условиях. В первом случае капуста небольшая и светлая, а во втором — она больше и ярко-зеленая.

На разных этапах развития физики использовали различные способы измерения скорости распространения света. Первым ее попробовал рассчитать Галилей, но ему это не удалось. В XVII в. ее впервые измерил датский астроном Олаф (Оле)

Ремер, изучая движения спутника Юпитера — Ио.

Фиксируя его появление из-за планеты, он получил приблизительные данные скорости распространения света — 215 000 км/с. Американский физик Альберт Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости распространения света с применением вращающихся зеркал. Была определена скорость в разных прозрачных веществах. В 1862 г. французский физик Жан Фуко применил для измерения скорости света в воздухе и воде метод вращающегося зеркала, идея которого принадлежит Доминику Араго. Определяя скорость распространения света в воде, ученый выяснил, что она меньше, чем скорость распространения света в воздухе. Точное сравнение скорости света в воде и в воздухе, которое сделал Майкельсон, показало, что скорость в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. По современным данным скорость распространения света в вакууме равна 299 792 458 ± 1,2 м/с.

Световой луч и световой пучок. Закон прямолинейного распространения света

Если между глазом и каким-либо источником света разместить непрозрачный предмет, мы не увидим источника света. Это объясняется тем, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Среду называют однородной, если плотность вещества, из которого она состоит, во всех точках одинакова.

О прямолинейном распространении света еще за 300 лет до новой эры писал основатель геометрии Евклид. Вполне возможно, что понятие прямой линии возникло из представлений о прямолинейном распространении света в однородной среде.

Свет от любого источника, например электрической лампы, распространяется во всех направлениях. Если от источника света провести прямую линию, мы получим луч света.

Луч света — это мнимая линия, вдоль которой распространяется свет.

Если световые лучи ограничить определенной поверхностью в пространстве, то мы получим световой пучок.

Световые пучки можно наблюдать в воздухе, содержащем достаточное количество пылинок, которые отражают свет. Можно видеть световые пучки от карманного фонарика, прожектора (рис. 91), кинопроектора. В природе наблюдаются большие световые пучки, которые образуются во время прохождения солнечных лучей через разрывы в тучах, просветах в кронах деревьев (рис. 92). В чистом воздухе световые пучки не видны.

Вследствие того, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно, мы можем наблюдать тени и полутени, фазы Луны, солнечные и лунные затмения.
Тень — часть пространства за непрозрачным предметом, куда свет не поступает.

В солнечный день четко видно тени людей, зданий, деревьев и других предметов (рис. 93).

Разместим небольшой непрозрачный шар в световой пучок, падающий на экран от источника света небольших размеров. За шаром в пространстве образуется конусовидная тень, а на экране появляется тень, имеющая форму круга (рис. 94).

Если размеры источника света намного меньше расстояния от источника света до экрана, то такой источник называют точечным источником света.

Возьмем источник света, размеры которого больше по сравнению с расстоянием от него к экрану, и повторим опыт. Вокруг тени на экране образуется частично освещенное пространство — полутень (рис. 95).

Образование полутени также подтверждает закон прямолинейного распространения света. В данном случае источник света состоит из многих точечных источников, каждый из которых излучает свет. На экране есть

участки, в которые свет от одних точечных источников поступает, а от других — нет, там и образуется полутень. В центральную часть экрана не попадает свет ни от одного точечного источника, там наблюдается полная тень.

Теневыми проекциями пользуются в театре теней (рис. 96), для демонстрации опытов, например для демонстрации броуновского движения (рис. 97) и т. д.

Луна — естественный спутник Земли. В течение месяца мы можем наблюдать, как изменяется форма видимой из Земли части Луны.

Разные формы видимой из Земли части Луны называют фазами Луны.

Еще в глубокой древности люди могли объяснить явление изменения лунных фаз (рис. 98).

Фазы Луны объясняются взаимным расположением Солнца, Луны и Земли, а также тем, что Луна собственного света не излучает, а отражает солнечный. Солнце находится на большом расстоянии от Луны, поэтому поступающий на Луну пучок солнечных лучей можно считать параллельным. Вследствие этого освещается только половина Луны, а другая ее половина остается в тени. Движение Земли и Луны приводит к тому, что к Земле могут быть одновременно обращены светлая и темная части Луны, и тогда она кажется нам неполной фазы Луны изображены на рисунках 99 и 100.

Когда Луна проходит между Солнцем и Землей, к нам обращена ее темная сторона. Тогда Луны вовсе не видно. Эту фазу называют молодая Луна (новолуние). Через 2 дня, когда Луна переместится на восток от Солнца, к нам будет обращена небольшая часть освещенного полушария Луны — будет виден узкий серп. Еще через 5 дней мы увидим правую половину светлого полушария Луны — первую четверть. Через 2 недели после новой Луны наступает следующая лунная фаза — полная Луна (полнолуние). После нее освещенная часть Луны начинает уменьшаться — наступает последняя четверть, и мы видим левую половину полушария Луны. В следующие дни Луна приобретает форму серпа, и, наконец, ее не видно — опять наступает молодая Луна (новолуние).

В космических масштабах тень и полутень можно наблюдать во время солнечных и лунных затмений. Планеты и их спутники, освещаемые Солнцем, образуют тени и полутени. На рисунке 101 изображены тени и полутени, образованные Землей и Луной.

Если Луна в ходе своего движения вокруг Земли в какой-то момент оказывается между Землей и Солнцем, она образует на земной поверхности тень, и тогда на этих территориях наблюдается солнечное затмение.

Солнечные затмения бывают только при молодой Луне. Их можно наблюдать лишь на тех участках поверхности Земли, на которые падает тень или полутень Луны (рис. 102). Если участок находится в тени Луны, то наблюдается полное затмение Солнца; для участков, находящихся в полутени, солнечное затмение будет частичным.

В связи с тем, что Луна движется с запада на восток, затмение начинается на западном (правом) краю Солнца. В начале затмения на диске Солнца появляется постепенно увеличивающаяся «зазубрина» и Солнце приобретает форму узкого серпа (рис. 103). Когда диск Луны полностью закроет Солнце, мы увидим вокруг него удивительное сияние — корону Солнца — часть раскаленной солнечной атмосферы (рис. 104)

Во время полного солнечного затмения быстро темнеет. На небе становятся видны звезды и планеты. Снижается температура воздуха, иногда выпадает роса. В небе виден черный диск с пылающей вокруг него солнечной короной. В древние времена считали, что это огромный дракон пожирает Солнце.

Дальнейшее перемещение Луны приводит к тому, что спустя некоторое время опять становится виден узкий солнечный серп, а солнечная корона уже не видна. Диск Луны перемещается все дальше в восточном направлении, и вскоре на небе опять ярко светит Солнце.

Полное затмение может длиться не более 8 минут, обычно 2-3 минуты. В разных точках поверхности Земли солнечное затмение не только наблюдается по-разному, но и наступает в разное время. Это объясняют тем, что в результате движения Луны вокруг Земли тень Луны (область полного затмения) движется по поверхности Земли с запада на восток со скоростью 1 км/с. Полное затмение можно наблюдать в пределах полосы длиной в несколько тысяч километров и 270 км в ширину. На остальной части поверхности Земли это затмение наблюдается как частичное или вовсе не наблюдается.

Полное солнечное затмение на Земле можно наблюдать один раз в полтора года, а вот в одном и том же месте земной поверхности — редко, лишь один раз в 300 лет.

Когда Луна попадает в тень Земли, наступает лунное затмение (рис. 105).

Лунные затмения происходят только при полной Луне. Луна движется с запада на восток, и когда она начинает заходить в тень Земли, на лунном диске появляется «зазубрина», постепенно увеличивающаяся в размерах. Луна приобретает форму серпа, на вид резко отличающегося от обычных лунных фаз (рис. 106).

Рис. 106
Затмение Луны будет полным, если она полностью войдет в тень Земли. Если же она перемещается лишь по части области земной тени, затмение будет частичным.

Диаметр земной тени значительно больше диаметра диска Луны, поэтому полное лунное затмение длится сравнительно долго, около 2 часов.

Картина лунного затмения выглядит одинаково во время наблюдения с любой точки поверхности Земли, повернутой в это время к Луне, и во всех этих точках оно начинается и заканчивается одновременно.

При полном затмении диск Луны становится темно-красным. Космонавт, находящийся в это время на Луне, мог бы наблюдать черный диск Земли с красным кольцом вокруг него.
Каждые 18 лет происходит 29 лунных затмений, но интервалы между ними разные. На протяжении года может не наблюдаться ни одного лунного затмения, а в следующем году их может быть 2 или 3.

Пример №1

Является ли Луна источником света?

Ответ: нет; следует также обратить внимание — в литературе используется утверждение, что Луна является мощным источником света, — это неправильно.

Пример №2

На рисунке 88 (см. с. 49) изображен самолет «Гелиос», который питается от солнечных батарей. В 2001 году он установил рекорд высоты, поднявшись на 29 413 м. Солнечные батареи являются источниками или приемниками света?

Ответ: солнечные батареи являются приемниками света — источниками электрического тока.

Пример №3

Почему в первом случае на столе есть тень (рис. 107), а во втором — нет?

Ответ: это зависит от размещения нити накаливания электролампы.

• Разложение белого света на цвета и образование цветов
• Давление света в физике
• Химическое действие света
• Корпускулярно-волновая природа света
• Отражение света
• Спектральный состав естественного света
• Фотоны в физике
• Зеркала и изображение в плоском зеркале

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Отражение света в физике — формулы и определение с примерами

Можем ли мы увидеть друг друга темной ночью? А если мы приблизимся к светящемуся фонарю? Именно благодаря отраженному свету мы видим предметы, различаем цвет одежды, любуемся картиной художника. Известно, что свет отражается от самых разных предметов. Например, и от белой стенки, и от зеркала. Но почему только в зеркале мы видим свое изображение? И почему мы при этом почти не видим самого зеркала и в магазине можем ошибочно протянуть руку не к яблоку, а к его изображению в зеркальной витрине?

Каким бывает отражение света? Какими законами оно описывается? Проведем опыт. На оптическом диске (рис. 231), представляющем собой круг с делениями, укрепим зеркало. Направим из осветителя (лампочка в футляре с отверстием) на зеркало пучок света (луч АО).

От зеркала (гладкая отполированная поверхность) световой луч АО практически полностью отразится (луч ОВ). Опустим в точку падения луча АО перпендикуляр СО к поверхности зеркала. Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения, называется углом падения. Обозначим этот угол буквой

Угол, образованный отраженным лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения. Обозначим его буквой А теперь сравним эти углы. Из опыта видно, что углы отражения и падения равны:

Увеличим угол падения а, повернув осветитель влево. Угол отражения тоже увеличится (рис. 232, а). Ио по-прежнему

То, что мы на оптическом диске видим не только падающий луч, но и отраженный, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска.

На основании результатов опыта можно сформулировать законы отражения света.

1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к отражающей поверхности, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения равен углу падения.

А теперь по направлению отраженного луча (см. рис. 232, а) пустим луч света от осветителя (см. рис. 232, б). Он отразится от зеркала и пойдет но направлению, по которому в предыдущем опыте шел падающий луч. Лучи и углы поменялись местами. Это свойство отраженного и падающего лучей называют обратимостью (или взаимностью) световых лучей.

Одинаково ли отражают свет различные поверхности

Пусть на поверхность зеркала падают направленные лучи света. После отражения от него свет попадает в глаз только тогда, когда глаз находится в положении 2 (рис. 233, а). Если он будет находиться в положениях 1 или 3, то отраженные лучи в глаз не попадут. В этом особенность зеркал. Зеркально отражает свет поверхность воды (рис. 234).

А если поверхность шероховатая? Направленные лучи света отражаются в различных направлениях (рис. 233, б). Такое отражение называется диффузным (иногда говорят: рассеянное отражение).

В случае диффузного отражения поверхность видна при любом положении глаза, так как в него попадают отраженные лучи. Шероховатыми поверхностями, отражающими свет диффузно, являются поверхности стен, потолков, тканей, ваты, снега (рис. 235), кожи лица, рук и т. д. Только благодаря диффузному отражению мы видим предметы, которые сами не излучают свет.

Диффузно отражающие поверхности называют матовыми, зеркально отражающие — блестящими.

Приведите сами примеры блестящих и матовых поверхностей. Чем больше света отражает поверхность (чем меньше поглощает),

тем она кажется светлее. Белый лист бумаги отражает света больше, чем серый картон, но этот же картон отражает света больше, чем черный бархат.

Главные выводы:

1. Отраженный луч лежит в той же плоскости, что и падающий луч, и перпендикуляр к поверхности, проведенный в точку падения.
2. Угол отражения светового луча равен углу падения.
3. Световые лучи обладают свойством обратимости.
4. Зеркальные поверхности отражают свет направленно, шероховатые (матовые) — диффузно, т. е. по всем направлениям.

Пример решения задачи:

Солнечные лучи образуют с горизонтом угол Как надо расположить плоское зеркало, чтобы отраженные лучи пошли вертикально вверх?
Дано:

Решение:

Проведем отраженный луч ОВ (рис. 236, а). Угол АОВ, равный — это сумма двух равных углов (падения и отражения от зеркала):

Проведя биссектрису OD этого угла, мы получим положение перпендикуляра к зеркалу (рис. 236, б). Изобразим и само зеркало (рис. 236, в). Из чертежа видно, что искомый угол

Ответ: = 25°.

Световые явления и скорость распространения света

Из пяти органов чувств больше всего информации об окружающем мире дает нам зрение. Но видеть мир вокруг мы можем только потому, что нам в глаза попадает свет. Итак, начинаем изучение световых, или оптических (греч. optikos — зрительный), явлений, то есть явлений, связанных со светом.

Со световыми явлениями мы сталкиваемся каждый день, ведь они являются частью природной среды, в которой мы живем.

Некоторые оптические явления кажутся нам настоящим чудом, например миражи в пустыне, полярные сияния. Но согласитесь, что и более привычные световые явления: блеск капельки росы в солнечном луче, лунная дорожка на воде, семицветный мост радуги после летнего дождя, молния в грозовых облаках, мерцание звезд в ночном небе — тоже удивительны, ведь они делают мир вокруг нас прекрасным, полным волшебной красоты и гармонии.

Что такое источники света

Источники света — это физические тела, частицы (атомы, молекулы, ионы) которых излучают свет.

Посмотрите вокруг, обратитесь к своему опыту — и вы, без сомнения, назовете много источников света: звезда, вспышка молнии, пламя свечи, лампа, монитор компьютера и т. д. (см., например, рис. 9.1). Свет могут излучать и организмы: светлячки — яркие точки света, которые можно увидеть теплыми летними ночами в лесной траве, некоторые морские животные, радиолярии и др.

В ясную лунную ночь можно достаточно хорошо видеть предметы, освещенные лунным светом. Однако Луну нельзя считать источником света, ведь она не излучает, а только отражает свет, идущий от Солнца.

Рис. 9.1. Некоторые источники света

Различаем источники света:

В зависимости от происхождения различают естественные и искусственные (созданные человеком) источники света.

К естественным источникам света относятся Солнце и звезды, раскаленная лава и полярное сияние, некоторые живые организмы (глубоководная каракатица, светящиеся бактерии, светлячки) и т. д.

Еще в древности люди начали создавать искусственные источники света. Сначала это были костры, лучины, позже — факелы, свечи, масляные и керосиновые лампы; в конце XIX в. была изобретена электрическая лампа. Сегодня разные виды электрических ламп используются повсюду (рис. 9.2, 9.3).

Рис. 9.2. Мощные источники искусственного света — галогенные лампы в фарах современного автомобиля

Рис. 9.3. Сигналы современных светофоров хорошо заметны даже при ярком солнце. В таких светофорах лампы накаливания заменены светодиодными

Различают также тепловые и люминесцентные источники света.

Тепловые источники излучают свет благодаря тому, что имеют высокую температуру (рис. 9.4).

Для свечения люминесцентных источников света не нужна высокая температура: световое излучение может быть достаточно интенсивным, а источник при этом остается относительно холодным. Примерами люминесцентных источников света могут быть полярное сияние и морской планктон, экран телефона, лампа дневного света, покрытый люминесцентной краской дорожный знак и т. д.

Рис. 9.4. Некоторые тепловые источники света

Точечные и протяженные источники света

Источник света, который излучает свет одинаково во всех направлениях и размерами которого, учитывая расстояние до места наблюдения, можно пренебречь, называют точечным источником света.

Наглядный пример точечных источников света — звезды: мы наблюдаем их с Земли, то есть с расстояния, которое в миллионы раз превышает размеры самих звезд.

Источники света, которые не являются точечными, называют протяженными источниками света. В большинстве случаев мы имеем дело именно с протяженными источниками света. Это и лампа дневного света, и экран мобильного телефона, и пламя свечи, и огонь костра.

В зависимости от условий один и тот же источник света может считаться как протяженным, так и точечным.

Характеризуем приемники света

Приемники света — это устройства, которые изменяют свои свойства под действием света и с помощью которых можно выявить световое излучение.

Приемники света бывают искусственные и естественные. В любом приемнике света энергия светового излучения преобразуется в другие виды энергии — тепловую, которая проявляется в нагревании тел, поглощающих свет, электрическую, химическую и даже механическую. В результате таких преобразований приемники определенным образом реагируют на свет или его изменение.

Например, некоторые системы охраны работают на фотоэлектрических приемниках света — фотоэлементах. Пучки света, пронизывающие пространство вокруг охраняемого объекта, направлены на фотоэлементы (рис. 9.6). Если перекрыть один из таких пучков, фотоэлемент не получит световую энергию и сразу об этом «сообщит».

Рис. 9.6. В современных системах охраны используют чувствительные фотоэлементы

В солнечных батареях фотоэлементы преобразуют энергию света в электрическую энергию. Многие современные солнечные электростанции — это большие «энергетические поля» из солнечных батарей.

Долгое время для получения фотографий применяли только фотохимические приемники света (фотопленку, фотобумагу), в которых в результате действия света происходят определенные химические реакции (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Фотопленка и фотобумага — фотохимические приемники света

В современных цифровых фотоаппаратах вместо фотопленки используют матрицу, состоящую из большого количества фотоэлементов. Каждый из таких элементов принимает «свою» часть светового потока, преобразует ее в электрический сигнал и передает этот сигнал в определенное место экрана.

Естественными приемниками света являются глаза живых существ (рис. 9.8). Под воздействием света в сетчатке глаза происходят определенные химические реакции, возникают нервные импульсы, вследствие чего мозг формирует представление об окружающем мире.

Рис. 9.8. Глаза живых существ — это естественные приемники света

Скорость распространения света

Когда вы смотрите на звездное небо, то вряд ли догадываетесь, что некоторые звезды уже погасли. Более того, несколько поколений наших предков любовались этими же звездами, а эти звезды не существовали уже тогда! Как может быть так, что свет от звезды есть, а самой звезды нет?

Дело в том, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью. Скорость с распространения света огромна, и в вакууме она составляет около трехсот тысяч километров в секунду:

Свет преодолевает многокилометровые расстояния за тысячные доли секунды. Именно поэтому, если расстояние от источника света до приемника невелико, кажется, что свет распространяется мгновенно. А вот от далеких звезд свет идет к нам тысячи и миллионы лет.

При решении задач мы будем использовать приблизительное значение скорости распространения света в вакууме:

От ближайшей к нам звезды Альфа Центавра свет идет к Земле почти 4 года. Значит, когда мы смотрим на эту звезду, на самом деле видим, какой она была 4 года назад. А ведь существуют галактики, удаленные от нас на миллионы световых лет (то есть свет идет к ним миллионы лет!). Представьте себе, что в такой галактике существует высокотехнологичная цивилизация. Тогда получается, что они видят нашу планету такой, какой она была во времена динозавров!

Подводим итоги:

Физические тела, атомы и молекулы которых излучают свет, называют источниками света. Источники света бывают тепловые и люминесцентные; естественные и искусственные; точечные и протяженные. Например, полярное сияние — естественный протяженный люминесцентный источник света.

Устройства, которые изменяют свои параметры в результате действия света и с помощью которых можно выявить световое излучение, называют приемниками света. В приемниках света энергия светового излучения преобразуется в другие виды энергии. Органы зрения живых существ — естественные приемники света.

Свет распространяется в пространстве с конечной скоростью. Скорость распространения света в вакууме составляет примерно:

Световой луч и световой пучок. Закон прямолинейного распространения света. Солнечное и лунное затмения

Оказывается, когда вы играете в прятки или пускаете «солнечных зайчиков», то пользуетесь законом прямолинейного распространения света. Выясним, в чем заключается этот закон и какие явления он объясняет.

Для наблюдения световых пучков нам не нужно никакого специального оборудования (рис. 10.1). Достаточно, например, или открыть дверь в темный коридор из освещенной комнаты, или включить в темноте фонарик, или в ясный солнечный день неплотно сдвинуть в комнате шторы. Пучки света в первом случае падают на пол через дверной проем; во втором случае свет направляется рефлектором фонарика; в последнем случае пучки света попадают в комнату через щель между шторами.

Рис. 10.1. Пучки солнечного света, пробивающиеся сквозь тучи

В реальной жизни мы имеем дело только с пучками света. При этом для нас привычно, когда говорят: луч солнца, луч прожектора, зеленый луч и т. п. На самом деле, с точки зрения геометрической оптики, которую вы будете изучать в этом учебном году, правильно было бы говорить: пучок солнечных лучей, пучок зеленых лучей и т. д. А вот для схематического изображения световых пучков используют световые лучи (см. рис. 10.2).

Рис. 10.2. Световой пучок — это совокупность световых лучей. Световые пучки: а — сходящийся; б — расходящийся; в — параллельный

Световой луч — это линия, указывающая направление распространения энергии света.

Таким образом, если далее в тексте будут встречаться фразы, словосочетания типа «луч света падает», «преломление луча» и т. п., следует иметь в виду, что речь идет о пучке света, направление которого задано данным лучом.

Рис. 10.3. Опыт, демонстрирующий прямолинейное распространение света

Прямолинейность распространения света

Проведем простой опыт. Расположим источник света, несколько листов картона с отверстиями (диаметром примерно 5 мм) и экран так, чтобы на экране появилось пятно света (рис. 10.3). Если теперь взять, например, спицу, она легко пройдет сквозь все отверстия, то есть окажется, что отверстия расположены на одной прямой.

Данный опыт демонстрирует закон прямолинейного распространения света

B прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Об этом законе еще более 2500 лет назад писал древнегреческий ученый Евклид. В геометрии понятия луча и прямой линии возникли на основе представления о световых лучах.

Полная тень и полутень

Прямолинейностью распространения света можно объяснить тот факт, что любое непрозрачное тело, освещенное источником света, отбрасывает тень.

Если источник света точечный, тень от предмета будет четкой. В данном случае образуется только полная тень (рис. 10.4).

Рис. 10.5. Образование полной тени O₁ и полутени O2 от предмета О, освещенного протяженным источником света S

Полная тень — это область пространства, в которую не попадает свет от источника.

Если тело освещено протяженным источником света, образуется тень с нечеткими контурами, то есть образуется не только полная тень, а еще и полутень (рис. 10.5).

Полутень — это область пространства, освещенная некоторыми из имеющихся точечных источников света или частью протяженного источника.

Образование полной тени и полутени в космических масштабах мы наблюдаем во время солнечных и лунных затмений.

Дело в том, что из-за вращения Луны вокруг Земли бывает так, что Луна, Солнце и Земля оказываются на одной прямой. Если при этом Луна расположена между Солнцем и Землей, то тень от Луны падает на Землю, — на Земле наблюдается солнечное затмение (рис. 10.7). В тех местах Земли, на которые упала полная тень Луны, наблюдается полное солнечное затмение, а в местах полутени — частичное солнечное затмение. За год на Земле наблюдается 2-5 солнечных затмений.

Когда Луна, вращаясь вокруг Земли, попадает в зону тени, которую отбрасывает Земля, наступает лунное затмение (рис. 10.8). За год на Земле наблюдается 2-4 лунных затмения.

Рис. 10.7. Солнечное затмение: а — полное (в области полной тени), б — частичное (в области полутени)

Рис. 10.8. Лунное затмение: а — полное (Луна в положении 1); б— частичное (Луна в положении 2).

Пример №1

В солнечный день длина тени от вертикально поставленной метровой линейки равна 24 см, а длина тени от дерева — 3,6 м. Определите высоту дерева.

Анализ физической проблемы. Для решения задачи воспользуемся законом прямолинейного распространения света. Выполним пояснительный рисунок; отметим, что пучок света, идущий от Солнца, является параллельным.

Поиск математической модели, решение

Из рисунка видим, что

Из подобия треугольников имеем:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ:

Подводим итоги:

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. Линию, указывающую направление распространения энергии света, называют световым лучом.

Из-за того что свет распространяется прямолинейно, непрозрачные тела отбрасывают тень (полную тень, полутень).

Полная тень — область пространства, в которую не попадает свет от источника (источников) света. Полутень — область пространства, освещенная некоторыми из имеющихся точечных источников света или частью протяженного источника.

Во время солнечных и лунных затмений наблюдается образование тени и полутени в космических масштабах.

Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы. Действие солнечных часов основано на том, что длина и расположение тени от освещаемого солнцем предмета изменяются в течение дня.

Любые солнечные часы состоят из кадрана (плоская поверхность с нанесенным на нее циферблатом) и гномона (небольшой стержень из металла, пластика или дерева, закрепленный на кадране).

Отражение света

Большинство окружающих вас объектов: дома, деревья, ваши одноклассники и т. д. — не являются источниками света. Но вы их видите. Ответ на вопрос «Почему так?» вы найдете в этом параграфе.

Почему мы видим тела, не являющиеся источниками света

Вы уже знаете, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. А что происходит, если на пути пучка света находится какое-то тело? Часть света может пройти сквозь тело, если оно прозрачное, часть поглотится, а часть обязательно отразится от тела. Некоторые отраженные лучи попадут нам в глаза, и мы увидим это тело (рис. 11.1).

Рис. 11.1. При отсутствии источника света невозможно ничего увидеть. Если есть источник света, мы видим не только сам источник, но и предметы, которые отражают свет, идущий от источника

Законы отражения света

Чтобы установить законы отражения света, воспользуемся специальным прибором — оптической шайбой*. В центре шайбы закрепим зеркало и направим на него узкий пучок света так, чтобы он давал на поверхности шайбы светлую полосу. Видим, что пучок света, отраженный от зеркала, тоже дает светлую полосу на поверхности шайбы (см. рис. 11.2).

Рис. 11.2. Установление законов отражения света с помощью оптической шайбы: — угол падения; — угол отражения

Направление падающего пучка света зададим лучом СО (рис. 11.2). Этот луч называют падающим лучом. Направление отраженного пучка света зададим лучом ОК. Этот луч называют отраженным лучом.

Из точки О падения луча проведем перпендикуляр ОВ к поверхности зеркала. Обратим внимание на то, что падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр лежат в одной плоскости, — в плоскости поверхности шайбы.

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным из точки падения, называют углом падения; угол между отраженным лучом и данным перпендикуляром называют углом отражения.

Измерив углы и можно убедиться, что они равны.

* Оптическая шайба — белый диск с нанесенными делениями; на краю диска установлен осветитель. отражения

Рис. 11.3. С изменением угла падения света изменяется и угол отражения. Угол отражения всегда равен углу падения

Если перемещать источник света по краю диска, угол падения светового пучка будет изменяться и соответственно будет изменяться угол отражения, причем каждый раз угол падения и угол отражения света будут равны (рис. 11.3). Итак, мы установили законы отражения света:

1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности отражения,проведенный из точки падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения равен углу падения:

Законы отражения света установил древнегреческий ученый Евклид еще в III в. до н. э.

С помощью зеркала на оптической шайбе можно продемонстрировать также обратимость световых лучей: если падающий луч направить по пути отраженного, то отраженный луч пойдет по пути падающего (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Демонстрация обратимости световых лучей: отраженный луч идет по пути падающего луча

Изображение в плоском зеркале:

Рассмотрим, как создается изображение в плоском зеркале (рис. 11.6).

Пусть из точечного источника света S на поверхность плоского зеркала падает расходящийся пучок света. Из этого пучка выделим лучи SA, SB и SC. Используя законы отражения света, построим отраженные лучи и (рис. 11.7, а). Эти лучи пойдут расходящимся пучком. Если продлить их в противоположном направлении (за зеркало), все они пересекутся в одной точке — расположенной за зеркалом.

Если часть отраженных от зеркала лучей попадет в ваш глаз, вам будет казаться, что отраженные лучи выходят из точки хотя в действительности никакого источника света в точке нет. Поэтому точку называют мнимым изображением точки Плоское зеркало всегда дает мнимое изображение.

Выясним, как расположены предмет и его изображение относительно зеркала. Для этого обратимся к геометрии. Рассмотрим, например, луч SC, который падает на зеркало и отражается от него (рис. 11.7, б).

Рис. 11.7. Получение изображения точечного источника света в плоском зеркале: S — источник света; — мнимое изображение источника света

Из рисунка видим, что — прямоугольные треугольники, имеющие общую сторону и равные острые углы (так как по закону отражения света ). Из равенства треугольников имеем, что то есть точка и ее изображение симметричны относительно поверхности плоского зеркала.

То же можно сказать и об изображении протяженного предмета: предмет и его изображение симметричны относительно поверхности плоского зеркала.

Итак, нами установлены общие характеристики изображений в плоских зеркалах.

1. Плоское зеркало дает мнимое изображение предмета.

2. Изображение предмета в плоском зеркале и собственно предмет симметричны относительно поверхности зеркала, и это означает:

• изображение предмета равно по размеру самому предмету;
• изображение предмета расположено на том же расстоянии от поверхности зеркала, что и сам предмет;
• отрезок, соединяющий точку на предмете и соответствующую ей точку на изображении, перпендикулярен поверхности зеркала.

Зеркальное и рассеянное отражение света

Вечером, когда в комнате горит свет, мы можем видеть свое изображение в оконном стекле. Но изображение исчезает, если задернуть шторы: на ткани мы своего изображения не увидим. А почему? Ответ на этот вопрос связан по меньшей мере с двумя физическими явлениями.

Первое такое физическое явление — отражение света. Чтобы появилось изображение, свет должен отразиться от поверхности зеркально: после зеркального отражения света, идущего от точечного источника S, продолжения отраженных лучей пересекутся в одной точке S₁, которая и будет изображением точки S (рис. 11.8, а). Такое отражение возможно только от очень гладких поверхностей. Их так и называют — зеркальные поверхности. Кроме обычного зеркала примерами зеркальных поверхностей являются стекло, полированная мебель, спокойная гладь воды и т. п. (рис. 11.8, б, в).

Если свет отражается от шероховатой поверхности, такое отражение называют рассеянным (диффузным) (рис. 11.9). В этом случае отраженные лучи распространяются в разных направлениях (именно поэтому мы видим освещенный предмет с любой стороны). Понятно, что поверхностей, рассеивающих свет, намного больше, чем зеркальных.

Рис. 11.8. Зеркальное отражение света — это отражение света от гладкой поверхности

Рис. 11.9. Рассеянное (диффузное) отражение света — это отражение света от шероховатой поверхности

Второе физическое явление, влияющее на возможность видеть изображение, — это поглощение света. Ведь свет не только отражается от физических тел, но и поглощается ими. Лучшие отражатели света — зеркала: они могут отражать до 95 % падающего света. Хорошими отражателями света являются тела белого цвета, а вот черная поверхность поглощает практически весь свет, падающий на нее.

Пример №2

На рис. 1 схематически изображены предмет и зеркало Найдите графически участок, из которого изображение предмета видно полностью.

Анализ физической проблемы. Чтобы видеть изображение некоторой точки предмета в зеркале, необходимо, чтобы в глаз наблюдателя отразилась хотя бы часть лучей, падающих из этой точки на зеркало. Понятно, что если в глаз отразятся лучи, исходящие из крайних точек предмета, то в глаз отразятся и лучи, исходящие из всех точек предмета.

Решение, анализ результатов

1. Построим точку B₁ — изображение точки B в плоском зеркале (рис. 2, а). Область, ограниченная поверхностью зеркала и лучами, отраженными от крайних точек зеркала, и будет той областью, из которой видно изображение B₁ точки B в зеркале.

2. Аналогично построив изображение C₁ точки C, определим область ее видения в зеркале (рис. 2, б).

3. Видеть изображение всего предмета наблюдатель может только в том случае, если в его глаз попадают лучи, которые дают оба изображения — B₁ и C₁ (рис. 2, в). Значит, участок, выделенный на рис. 2, в оранжевым, и есть тот участок, из которого изображение предмета видно полностью.

Подводим итоги:

Все видимые тела отражают свет. При отражении света выполняются два закона отражения света: 1) луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности отражения, проведенный из точки падения луча, лежат в одной плоскости; 2) угол отражения равен углу падения.

Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, равное по размеру самому предмету и расположено на том же расстоянии от зеркала, что и сам предмет.

* Различают зеркальное и рассеянное отражения света. В случае зеркального отражения мы можем видеть мнимое изображение предмета в отражающей поверхности; в случае рассеянного отражения изображение не возникает.

• Спектральный состав естественного света
• Фотоны в физике
• Зеркала и изображение в плоском зеркале
• Световой луч и световой пучок
• Зависимость размеров тел от температуры
• Световые явления
• Источники света
• Скорость света

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Физика

Геометрическая оптика является самой древней частью оптики как науки.

Геометрическая оптика – это раздел оптики, в котором рассматривают вопросы распространения света в различных оптических системах (линзах, призмах и т. д.) без рассмотрения вопроса о природе света.

Одним из основных понятий в оптике и, в частности, в геометрической оптике, является понятие луча.

Световой луч – линия, вдоль которой распространяется световая энергия.

Световой луч – это пучок света, толщина которого много меньше расстояния, на которое он распространяется. Такое определение близко, например, к определению материальной точки, которое дается в кинематике.

Первый закон геометрической оптики (Закон о прямолинейном распространении света): в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

По теореме Ферма: свет распространяется по такому направлению, время распространения по которому будет минимально.

Второй закон геометрической оптики (Законы отражения):

1. Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.
2. Угол падения равен углу отражения (см. рис. 1).

∟α = ∟β

Рис. 1. Закон отражения

Третий закон геометрической оптики (Закон преломления) (см. рис. 2)

1. Преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точку падения.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина, постоянная для данных двух сред, которая называется показателем преломления (n).

Интенсивность отраженного и преломленного луча зависит от того, какова среда и что собой представляет граница раздела.

Рис. 2. Закон преломления

Физический смысл показателя преломления:

Показатель преломления является относительным, так как измерения проводятся относительно двух сред.

В том случае, если одна из сред – это вакуум:

С – скорость света в вакууме,

n – абсолютный показатель преломления, характеризующий среду относительно вакуума.

Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду, то скорость света уменьшается.

Оптически более плотная среда – среда, в которой скорость света меньше.

Оптически менее плотная среда – среда, в которой скорость света больше.

Закон полного внутреннего отражения

Существует предельный угол преломления – наибольший угол падения луча, при котором еще имеет место преломление при переходе луча в менее плотную среду. При углах падения больше предельного происходит полное внутреннее отражение (см. рис. 3).

Рис. 3. Закон полного внутреннего отражения

Границы применимости геометрической оптики заключаются в том, что необходимо учитывать размер препятствий для света.

Свет характеризуется длиной волны, равной примерно 10 -9 метра

Если препятствия больше длины волны, то можно использовать размеры геометрической оптики.

Список рекомендованной литературы

1. Физика. 11 класс: Учебник для общеобразоват. учреждений и шк. с углубл. изучением физики: профильный уровень / А. Т. Глазунов, О. Ф. Кабардин, А. Н. Малинин и др. Под ред. А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. Рос. акад. наук, Рос. акад. образования. – М.: Просвещение, 2009.
2. Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.
3. Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Санкт-Петербургская Школа (Источник)
2. Интернет-портал «AYP.ru» (Источник)
3. Техническая и учебно-методическая документація (Источник)

Рекомендованное домашнее задание

Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10–11 кл. – М.: Дрофа, 2010. – № 1023, 1024, 1042, 1054.

1. Зная скорость света в вакууме, найдите скорость света в алмазе.
2. Почему, сидя у костра, мы видим предметы, расположенные напротив, колеблющимися?
3. Прокомментируйте опыт: положите монетку на стол и поставьте на нее пустую стеклянную банку (см. рис. 4). Посмотрите на монетку сбоку сквозь стенку банки (или попросите кого-нибудь смотреть на монетку). Налейте воды полную банку и посмотрите вновь сбоку на дно банки. Куда исчезла монетка?

СВЕТОВОЙ ПУЧОК

совокупность световых лучей, испускаемых элементом поверхности источника dS в пределах малого телесного угла dW. Если яркость поверхности источника равна I, а ось пучка и нормаль к dS совпадают, то поток энергии, переносимой С. п., равен dФ=IdSdW.

Физический энциклопедический словарь.— М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

СВЕТОВОЙ ПУЧОК

— совокупность световых лучей, испускаемых элементомповерхности источника dS в пределах малого телесного угла .Если яркость поверхности источника равна I, а ось пучка и нормальк dS совпадают, то поток энергии, переносимой С. п., равен

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .