Между блоком и полутенью что идет

Оптика

Оптика – это раздел физики, в котором изучаются закономерности световых явлений, природа света и его взаимодействие с веществом.

Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется свет.

Закон независимости световых лучей:
при пересечении световых лучей каждый из них продолжает распространяться в прежнем направлении.

Источник света – это тело, которое излучает свет.

При излучении света источник теряет энергию, при поглощении его внутренняя энергия увеличивается, т. е. распространение света сопровождается переносом энергии.

Виды источников света:

• тепловые – это источники, в которых излучение света происходит в результате нагревания тела до высокой температуры;
• люминисцентные – это тела, излучающие свет при облучении их светом, рентгеновскими лучами, радиоактивным излучением и т. д.

Точечный источник света – это источник, представляющий собой светящуюся материальную точку, т. е. источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до освещаемого предмета.

Если источник света находится в бесконечности, то его лучи падают на поверхность параллельным пучком.

Свет – это электромагнитная волна с частотой от 1,5·10 11 Гц до 3·10 16 Гц.

Скорость света в вакууме: ​ \( c \) ​ = 3·10 8 м/с.

Прямолинейное распространение света

Закон распространения света:
свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно.

Экспериментальным доказательством прямолинейности распространения света является образование тени.

Тень – это область пространства, куда не попадает свет от источника.

Полутень – это область пространства, куда частично попадает свет от источника.

Если источник света точечный, то на экране образуется четкая тень предмета.

Если источник неточечный, то на экране образуется размытая тень (области тени и полутени).

Образованием тени при падении света на непрозрачный предмет объясняются такие явления, как солнечное и лунное затмения.

Закон отражения света

Отражение – это явление, при котором при падении световых лучей на непрозрачную гладкую поверхность они меняют направление распространения, возвращаясь в прежнюю среду.

АО – падающий луч, ОВ – отраженный луч, СО – перпендикуляр

Угол падения – это угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности.

Угол отражения – это угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности.

Законы отражения света

• Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к отражающей поверхности.
• Угол отражения равен углу падения. ​ \( \angle\beta=\angle\alpha \) ​, где ​ \( \alpha \) ​ – угол падения, ​ \( \beta \) ​ – угол отражения.

Виды отражения

• Зеркальное – это отражение, при котором лучи, падающие на поверхность параллельным пучком, после отражения остаются параллельны.

• Рассеянное – это отражение, при котором лучи, падающие на поверхность параллельным пучком, после отражения отклоняются в различных направлениях.

Если луч падает перпендикулярно отражающей поверхности, то угол падения равен нулю, и угол отражения тоже равен нулю. Поэтому луч отражается в обратном направлении.

Важно!
В оптике все углы отсчитываются от перпендикуляра к отражающей поверхности или к границе раздела сред.

Построение изображений в плоском зеркале

Построение изображения в плоском зеркале основано на законах отражения света.

Алгоритм построения изображения в плоском зеркале

1. Проведите из данной точки на поверхность луч под произвольным углом. В точке падения луча на границу раздела сред проведите перпендикуляр.
2. Отметьте угол падения ​ \( \alpha \) ​.
3. Постройте равный ему угол отражения ​ \( \beta \) ​.
4. Проведите из данной точки перпендикуляр к поверхности зеркала ​ \( (\alpha=0) \) ​.
5. Постройте равный ему угол отражения ​ \( (\beta=0) \) ​ (эти лучи совпадают).
6. Проведите пунктирной линией продолжения отраженных лучей за зеркало.
7. Найдите точку пересечения продолжений отраженных лучей (эта точка является изображением данной точки в плоском зеркале).
8. Аналогично постройте изображение второй точки.
9. Соедините полученные изображения точек пунктирной линией.

Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, прямое, по размерам равное предмету, находящееся за зеркалом на таком же расстоянии, на каком предмет находится перед зеркалом.

Важно!
Если на поверхность плоского зеркала падает сходящийся пучок лучей, то изображение получается действительным.

Если поверхность двух плоских зеркал образует угол ​ \( \varphi \) ​, то количество изображений в такой системе зеркал можно определить по формуле:

где ​ \( N \) ​ – количество изображений.

Закон преломления света

Преломление света – это изменение направления распространения светового луча на границе раздела двух сред.

Угол преломления – это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.

​ \( \gamma \) ​ – угол преломления

Законы преломления света

• Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к преломляющей поверхности.
• Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и равная относительному показателю преломления двух сред:

где ​ \( n_ \) ​ – относительный показатель преломления.

Первой является среда, в которой распространяется падающий луч, второй является среда, в которой распространяется преломленный луч.

Относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:

где ​ \( n_1 \) ​ – абсолютный показатель преломления первой среды; ​ \( n_2 \) ​ – абсолютный показатель преломления второй среды.

Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде:

где ​ \( c \) ​ – скорость света в вакууме, ​ \( v \) ​ – скорость распространения света в данной среде.

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в первой среде больше, чем во второй:

Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, является оптически более плотной средой.

Среда, у которой абсолютный показатель преломления меньше, является оптически менее плотной средой.

Следствия закона преломления света

• Если свет падает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол падения больше угла преломления:

• Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол падения меньше угла преломления:

Если луч падает на плоско параллельную пластину, изготовленную из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч не изменяет своего направления, а лишь смещается на некоторое расстояние.

​ \( x \) ​ – смещение луча от первоначального направления:

где ​ \( d \) ​ – толщина пластины.

Важно!
Если в условии задачи говорится, что «кажется, что луч падает под углом ​ \( \varphi_1 \) ​ к поверхности воды», то имеют в виду не кажущийся угол падения ​ \( \alpha_1 \) ​, а угол между кажущимся падающим лучом и поверхностью воды \( \varphi_1 \) .

Полное внутреннее отражение

Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то с увеличением угла падения увеличивается угол преломления. При некотором значении угла падения угол преломления становится равным 90°. Преломленный луч будет скользить по поверхности раздела двух сред.

Предельный угол полного отражения – это угол падения, при котором угол преломления становится равным 90°:

Если вторая среда – воздух, ​ \( n_2 \) ​ = 1, то ​ \( \sin\alpha_=\frac. \) ​.

При дальнейшем увеличении угла падения угол преломления тоже увеличивается и наблюдается только отражение света. Это явление называется полным отражением света.

Применение явления полного внутреннего отражения

Треугольная призма – прозрачное тело, ограниченное с трех сторон плоскими поверхностями так, что линии их пересечения взаимно параллельны.

Если призма изготовлена из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч, дважды преломляясь, отклоняется к основанию призмы, а мнимое изображение источника света смещается к вершине призмы.

Преломляющий угол призмы – это угол, лежащий против основания.

Угол отклонения луча призмой – это угол между направлениями падающего на призму и вышедшего из призмы лучей.

​ \( \varphi \) ​ – преломляющий угол,

​ \( \theta \) ​ – угол отклонения луча призмой.

Важно!
С помощью треугольной равнобедренной призмы с преломляющим углом 90° можно:

• повернуть луч на 90° (поворотная призма, используется в перископах);

• изменить направление луча на 180° (оборотная призма, используется в биноклях);

• изменить относительное расположение лучей.

Линзы. Оптическая сила линзы

Линза – это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими или криволинейными поверхностями, одна из которых может быть плоской.

Тонкая линза – физическая модель линзы, в которой ее толщиной можно пренебречь по сравнению с диаметром линзы.

Классификация линз

• выпуклые – это линзы, у которых средняя часть толще, чем края;
• вогнутые – это линзы, у которых края толще, чем средняя часть.

2. По оптическим свойствам:

• собирающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей собирается в одной точке;

• рассеивающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей рассеивается.

Величины, характеризующие линзу

Главная оптическая ось – это прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы.

Оптический центр линзы – это точка пересечения главной оптической оси с линзой, проходя через которую луч не изменяет своего направления.

Побочная оптическая ось – это любая прямая, проходящая через оптический центр линзы под произвольным углом к главной оптической оси.

Фокус линзы – это точка, в которой пересекаются после преломления лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра линзы до ее фокуса. Обозначение – \( F \) , единица измерения – м.

Фокальная плоскость – это плоскость, проходящая через фокус линзы перпендикулярно ее главной оптической оси.

Побочный фокус – это точка пересечения побочной оптической оси с фокальной плоскостью.

Оптическая сила линзы – это величина, обратная фокусному расстоянию.

Обозначение – ​ \( D \) ​, единица измерения – диоптрия (дптр):

1 дптр – это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Важно!
Оптическая сила линзы зависит от показателя преломления линзы и от радиусов кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линзу:

где ​ \( n_л \) ​ – показатель преломления линзы, ​ \( n_ \) ​ – показатель преломления среды, ​ \( R_1 \) ​ и \( R_2 \) – радиусы сферических поверхностей.

Если поверхности выпуклые, то ​ \( R_1 \) ​ > 0 и \( R_2 \) > 0, если поверхности вогнутые, то \( R_1 \) < 0 и \( R_2 \) < 0.

Если одна из поверхностей линзы плоская, например первая, то ​ \( R_1\to\infty \) ​, а вторая поверхность выпуклая: \( R_2 \) > 0, то

Формула тонкой линзы

где ​ \( F \) ​ – фокусное расстояние линзы, ​ \( d \) ​ – расстояние от предмета до линзы, ​ \( f \) ​ – расстояние от линзы до изображения.

Правило знаков:

• ​ \( F \) ​ > 0, если линза собирающая; \( F \) < 0, если линза рассеивающая;
• ​ \( d \) ​ > 0, если предмет действительный; \( d \) < 0, если предмет мнимый (если на линзу падает сходящийся пучок лучей);
• ​ \( f \) ​ > 0, если изображение действительное; ​ \( f \) ​ < 0, если изображение мнимое.

Линза собирающая, предмет действительный, изображение действительное:

Линза собирающая, предмет действительный, изображение мнимо:

Линза собирающая, предмет мнимый, изображение действительное:

Линза рассеивающая, предмет действительный, изображение мнимое:

Линза рассеивающая, предмет мнимый, изображение мнимое:

Увеличение линзы – это величина, равная отношению линейных размеров изображения к линейным размерам предмета.

Обозначение – ​ \( \mathit \) ​, единицы измерения – нет.

где ​ \( H \) ​ – линейный размер изображения, ​ \( h \) ​ – линейный размер предмета.

где ​ \( f \) ​ – расстояние от линзы до изображения, ​ \( d \) ​ – расстояние от предмета до линзы.

Важно!
При расчете увеличения линзы знаки ​ \( f \) ​ и ​ \( d \) ​ не учитываются.

Построение изображений в линзах

Для построения изображения в линзах следует помнить:

1. луч, идущий вдоль главной оптической оси линзы, не преломляется;
2. луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется;
3. луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления пройдет через фокус линзы;
4. луч, падающий на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через фокус линзы, а сам луч – противоположно мнимому продолжению;
5. луч, падающий на собирающую линзу через фокус, после преломления пройдет параллельно главной оптической оси линзы;
6. произвольный луч после преломления в собирающей линзе пойдет через побочный фокус (точку фокальной плоскости, в которой ее пересечет параллельная произвольному лучу побочная оптическая ось);
7. произвольный луч, падающий на рассеивающую линзу, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через точку, в которой пересечет фокальную плоскость линзы побочная оптическая ось, параллельная произвольному лучу.

Изображение, даваемое тонкой линзой, может быть действительным или мнимым.

Действительное изображение получается в результате пересечения преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Мнимое изображение получается в результате пересечения продолжений преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Построение изображений точки, даваемых собирающей линзой

• Если точка находится за двойным фокусом линзы, то ее действительное изображение получается между фокусом и двойным фокусом по другую сторону от линзы.

• Если точка находится в двойном фокусе линзы, то его действительное изображение получается в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

• Если точка находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его действительное изображение получается за двойным фокусом по другую сторону от линзы.

• Если точка находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

• Если точка находится между линзой и фокусом, то его мнимое изображение получается по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых собирающей линзой

• Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, уменьшенным, по другую сторону от линзы.

• Если предмет находится в двойном фокусе линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, равным по размерам предмету, в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

• Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, увеличенным, по другую сторону от линзы.

• Если предмет находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

• Если предмет находится между линзой и фокусом, то его изображение получается мнимым, прямым, увеличенным, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений точки, даваемых рассеивающей линзой

В рассеивающей линзе изображение точки всегда получается мнимым, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых рассеивающей линзой

Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда получается мнимым, прямым, уменьшенным, по ту же сторону от линзы.

Важно!
При решении задач на прохождение световых лучей сквозь линзы и получение изображений в них прежде всего выясните, о какой линзе идет речь: собирающей или рассеивающей. Обязательно сделайте чертеж, на котором соответствующими буквами укажите все основные расстояния: расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения, фокусное расстояние. Также обязательно укажите оптический центр линзы и оба фокуса по разные стороны от линзы.

При построении изображения следует заранее выучить, каким оно должно быть при соответствующем расположении предмета относительно линзы и где находиться (действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным, прямым или обратным). В противном случае при неверном построении, когда вы чуть-чуть искривите луч или он пойдет неточно через фокус или центр, изображение может оказаться не там, где надо, или вместо увеличенного уменьшенным, и тогда в решении появится ошибка.

Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.

Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.

Увеличение лупы рассчитывается по формуле:

где ​ \( d_0 \) ​ – расстояние наилучшего зрения, ​ \( d_0 \) ​ = 0,25 м.

Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.

Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.

Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:

где ​ \( F_1 \) ​ – фокусное расстояние объектива; ​ \( F_2 \) ​ – фокусное расстояние окуляра.

Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.

Предметы могут находиться на разных расстояниях.

Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.

Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.

Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.

Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.

На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.

Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.

Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.

​ \( \varphi \) ​ – угол зрения.

Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.

Предел аккомодации – от ​ \( \infty \) ​ до 10 см.

Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:

Дефекты зрения

• Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
• Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.

Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.

Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.

Интерференция света

Интерференция света – это явление перераспределения энергии в пространстве, происходящее в результате сложения когерентных волн, вследствие чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы.

Когерентные волны – это волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз.

Когерентные волны можно получить от одного источника в результате отражения, преломления или дифракции.

Два независимых источника света не могут быть когерентными, поэтому в опытах с интерференцией света световые пучки от одного источника разделяют на два пучка, заставляют их проходить разные расстояния, а потом соединяют.

Когерентными могут быть:

• волны, одна из которых падает на экран непосредственно от источника света, а другая создается его отражением в зеркале (зеркало Ллойда);

• волны, образованные отражением одной и той же волны от двух сдвинутых относительно друг друга поверхностей (тонкие пленки);

• волны, падающие от точечного источника на непрозрачную преграду с двумя узкими щелями, которые разделяют исходный пучок света на два когерентных пучка (опыт Юнга).

Интерференционная картина представляет собой чередование светлых (цветных) и темных полос.

Источником когерентных волн является лазер.

Геометрическая разность хода волн – это разность путей волн от двух когерентных источников ​ \( S_1 \) ​ и \( S_2 \) до точки пространства ​ \( M \) ​, в которой наблюдается интерференция.

Обозначение – ​ \( \Delta r \) ​, единица измерения в СИ – м.

Условие максимума интерференции

Если геометрическая разность хода содержит целое число длин волн или четное число длин полуволн, то в месте их наложения друг на друга наблюдается усиление света – максимум:

где ​ \( k \) ​ = 0; 1; 2; 3… – порядок интерференционного максимума.

Условие минимума интерференции

Если геометрическая разность хода содержит нечетное число длин полуволн, то в месте их наложения друг на друга наблюдается ослабление света – минимум:

где \( k \) = 0; 1; 2; 3… – порядок интерференционного минимума.

Если свет распространяется в прозрачной среде с показателем преломления ​ \( n \) ​, то применяют понятие оптической разности хода.

Оптическая разность хода – это величина, равная произведению показателя преломления и геометрической разности хода волн.

Обозначение – ​ \( \Delta \) ​, единица измерения в СИ – м.

Интерференция в тонких пленках

Наблюдаемое в природе радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах) объясняется интерференцией света, возникающей в результате отражения света от передней и задней поверхностей пленки. На тонкую прозрачную пленку толщиной ​ \( h \) ​ падает световая волна, ограниченная лучами 1 и 2. В точке О свет частично отразится от верхней поверхности пленки (волна 1′), а частично преломится и отразится от задней ее поверхности в точке С, преломившись в точке В, выйдет в воздух параллельно волне 1′. Волны 1′ и 1″ когерентны. (То же самое справедливо и для луча 2.)

Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу, то они будут накладываться в ее фокальной плоскости и давать интерференционную картину. ( То же самое справедливо и для луча 2.)

Максимум освещенности поверхности тонкой пленки в отраженном свете:

где ​ \( \Delta=2k\frac<\lambda> \) ​ – оптическая разность хода световых волн при отражении от верхней и нижней поверхности, ​ \( k \) ​ = 1; 2; 3… – целое число длин полуволн, укладывающихся в этой разности хода, ​ \( \beta \) ​ – угол преломления.

Минимум освещенности поверхности тонкой пленки в отраженном свете:

Максимум освещенности поверхности тонкой пленки в проходящем свете:

Минимум освещенности поверхности тонкой пленки в проходящем свете:

Примером интерференции являются кольца Ньютона, которые наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны. Воздушная прослойка постепенно утолщается от точки соприкосновения линзы к краям. Отраженные от верхней и нижней границ воздушной прослойки световые волны интерферируют между собой. При этом получается следующая картина: в точке соприкосновения наблюдается черное пятно, окруженное рядом концентрических светлых и темных колец убывающей ширины.

Радиус светлого кольца Ньютона в отраженном свете:

где ​ \( R \) ​ – радиус кривизны линзы, ​ \( k \) ​ – номер кольца, считая от центра интерференционной картины.

Радиус темного кольца Ньютона в отраженном свете:

Радиус светлого кольца Ньютона в проходящем свете:

Радиус темного кольца Ньютона в проходящем свете:

Важно!
При решении задач следует учитывать, в каком свете наблюдается интерференция: в отраженном или проходящем.

Использование интерференции света

• Интерферометры – это приборы, которые контролируют качество обработки поверхностей зеркал, точность изготовления деталей оптических инструментов и измерительных приборов.
• Просветление оптики – на поверхность линз наносят тонкую пленку с показателем преломления меньше, чем показатель преломления стекла. Подбирая толщину пленки и величину показателя преломления, добиваются «гашения отраженных волн», вследствие чего возрастает интенсивность света, пропускаемого линзой.

Дифракция света

Дифракция света – это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Наилучшее условие для наблюдения дифракции создается, когда размеры отверстий или препятствий – порядка длины волны. Чтобы определить распределение интенсивности световой волны, распространяющейся в среде с неоднородностями, используют принцип Гюйгенса–Френеля.

Принцип Гюйгенса–Френеля

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, которые интерферируют между собой. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой, поэтому амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – это оптический прибор, предназначенный для наблюдения дифракции света.

Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.

Дифракционную решетку применяют для разложения света в спектр и измерения длин световых волн.

Период решетки – это величина, равная сумме ширины прозрачной и непрозрачной полос решетки.

Обозначение – ​ \( d \) ​, единица измерения в СИ – м.

где ​ \( a \) ​ – ширина прозрачной полосы; ​ \( b \) ​ – ширина непрозрачной полосы.

Если решетка регулярна, т. е. ее прозрачные и непрозрачные полосы имеют одинаковую ширину, то период решетки можно рассчитать, разделив ее длину на число штрихов:

где ​ \( l \) ​ – длина решетки, ​ \( N \) ​ – число штрихов.

Формула дифракционной решетки

где ​ \( d \) ​ – период решетки; ​ \( \varphi \) ​ – угол дифракции; ​ \( k \) ​ = 0; 1; 2… – порядок максимума, считая от центрального ​ \( k \) ​ = 0 и расположенного напротив центра решетки; ​ \( \lambda \) ​ – длина волны, падающей на решетку нормально к ней.

Если дифракционная решетка освещается белым светом, то при ​ \( k \) ​ ≠ 0 разным длинам волн будут соответствовать разные дифракционные углы. Поэтому положение главных максимумов ненулевого порядка будет различным. Центральный максимум (​ \( k \) ​ = 0) остается белым, т. к. при ​ \( k \) ​ = 0 для всех длин волн ​ \( \varphi \) ​ = 0, т. е. положение главного максимума для всех длин волн одинаково. Все остальные максимумы имеют вид радужных полос, называемых дифракционными спектрами первого порядка (​ \( k \) ​ = 1), второго порядка (​ \( k \) ​ = 2) и т. д. Ближе к центральному максимуму находится фиолетовый край спектра, дальше всего – красный, т. к. ​ \( \lambda_ <\lambda_<кр>\) ​, то и ​ \( \varphi_ \) ​.

Важно!
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы первого и второго порядка, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы.

Дисперсия света

Дисперсия света – это зависимость показателя преломления среды от длины волны (частоты) падающего на вещество света.

Опыт Ньютона (1672)

Из-за дисперсии световые волны с различной длиной волны поразному преломляются веществом, что приводит к разложению белого света на цветные монохроматические лучи – спектр.

Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны, т. к. различны скорости распространения электромагнитных волн, у которых разная длина волны. Луч красного света преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового цвета наименьшая. Это объясняется особенностями взаимодействия этих волн с электронами, входящими в состав атомов и молекул вещества среды, где они движутся.

Дисперсией света объясняется такое природное явление, как радуга.

Источники света. Распространение света

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

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

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

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Источники света. Распространение света»

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

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

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

Любое тело, которое излучает свет, называется источником света.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Свет. Источники света. Распространение света

Мы переходим к следующему разделу физики, который будет посвящён изучению световых явлений. И сегодня на уроке мы с вами узнаем, что такое свет. Познакомимся с различными видами источников света. Узнаем, что такое световой пучок и световой луч. А также объясним, как образуется тень и полутень.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

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

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Свет. Источники света. Распространение света»

Кто из нас не испытывал восторга от новогодней ёлки, сияющей разноцветными огнями? А от чуда природы — северного сияния? Свет очаровывает человека, даёт возможность ему лучше понять окружающий мир. Однако роль света в жизни человека нельзя сводить только к получению информации о явлениях природы. Свет сам вызывает различные явления: химическую реакцию (на этом, например, основана фотография, а также фотосинтез в листьях растений). Электрический ток (это, например, солнечные батареи, которые особенно важны для космических полётов). Без света невозможна сама жизнь на Земле. Но что же такое свет?

Древние греки, например, считали свет особым веществом, текущим из глаз. Согласно этим представлениям человек видит тела, прощупывая их направленным потоком этого вещества.

Но тогда почему ночью человек не может видеть? Ответить на этот вопрос в то время было невозможно.

В конце XVII в. были выдвинуты две различные гипотезы о том, что же такое свет. Одни учёные считали, что свет — это поток частиц, другие, что свет — это волна. Более подробно об этих теориях вы познакомитесь в старших классах. Мы же с вами пока рассмотрим самые простые и очевидные световые явления.

Все вы знаете, что свет, идущий к нам от Солнца, нагревает тела, на которые он падает. Значит, свет способен передавать энергию.

Мы уже знаем, что одним из видов теплопередачи является излучение, в котором перенос энергии возможен в вакууме. Следовательно, свет — это излучение, но только та его часть, которая воспринимается нашим глазом. Поэтому свет называют видимым излучением.

Все тела, излучающие свет, называются источниками света. Они делятся на две большие группы: естественные и искусственные. К естественным источникам света относятся Солнце и другие звёзды, атмосферные разряды. Естественными источниками света являются и различные светящиеся организмы: рачки, рыбы, жуки и грибы.

К искусственным источникам света можно отнести электрические лампочки, свечи и т. д.

Существует и много веществ, которые становятся источниками света только после того, как на них попал свет. Такие вещества называются фотолюминофорами, а их свечение — фотолюминесценцией.

Поэтому, в зависимости от процесса, лежащего в основе получения светового излучения, искусственные источники света принято разделять на тепловые и люминесцирующие.

Рассмотрим такой опыт. Растворим в воде немного флуоресцеина (это такой органический краситель) и пропустим через полученный раствор пучок белого света.

Раствор начал светиться зелёным светом. Это свойство веществ светиться при их облучении используют, например, для декорирования помещений. В новогоднюю ночь вы наблюдали, как светятся ёлочные игрушки, покрытые такими веществами. А дорожные знаки, в краску которых добавлено вещество люминофор, светятся при облучении светом фар и хорошо видны водителю.

Большинство видимых нами тел сами не излучают, а отражают падающий на них свет. Такими телами являются Луна, деревья, здания, люди и так далее.

Если размерами источника света в данных условиях можно пренебречь, то его называют точечным. Точечными источниками света для нас, например, являются звезды, лампы уличного освещения и прочее.

Любой точечный источник излучает свет по всем направлениям. Однако, если, например, надеть на горящую электрическую лампочку колпак, имеющий маленькое отверстие, то из отверстия будет выходит узкий пучок света. Световым пучком называется область пространства, в пределах которой распространяется свет.

Различают три вида светового пучка: параллельный, расходящийся и сходящийся.

Как показывает опыт, световые пучки являются независимыми: каждый световой пучок при взаимном пересечении ведёт себя самостоятельно, независимо от других пучков и не оказывает никакого влияния на другие пучки света.

Линия, указывающая направление распространения света, называется световым лучом.

А как распространяется свет? Для ответа на этот вопрос, проведём такой опыт. Поставим на столе три экрана с отверстиями. Зажжём электрическую лампочку и попытаемся, перемещая экраны, увидеть свет через отверстия в них.

Если в отверстия вставить тонкий стержень, то он пройдёт через них. Значит, они расположены на одной прямой.

Если сместить один экран, то свет в глаза больше не будет попадать. Это говорит о том, то свет распространяется прямолинейно.

А если взять другую среду, например воду, то как будет в ней распространяться свет? И опять обратимся к опыту. В стеклянный сосуд нальём воду и добавим немного молока. Фонарь, от которого идёт пучок света, поднесём к стенке сосуда.

В воде мы видим прямую светящуюся линию, которая образована светом, отражённым от частичек молока. Значит, и в воде свет распространяется прямолинейно. И воздух, и вода имеют по всему своему объёму одинаковые физические свойства, поэтому являются однородными средами.

Теперь можно сформулировать закон распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Закон прямолинейного распространения света был открыт в глубокой древности. Об этом ещё за 300 лет до н. э. писал отец геометрии Евклид. А, древние египтяне использовали этот закон для установления колонн вдоль прямой линии. Для этого они ставили колонны таким образом, чтобы из-за ближайшей к глазу колонны не было видно остальные.

Прямолинейностью распространения света объясняются многие явления, например, образование тени и полутени.

Возьмём маленькую электрическую лампочку, шарик и экран. Расположим их на столе так, как это показано на рисунке. Включив лампочку, мы увидим на экране чётко очерченную тень.

Тенью называют ту часть пространства за непроницаемым предметом, куда не проникает свет.

Если осветить шарик двумя лампочками, то на экране мы увидим тень, то есть область, куда не попадает свет ни от одной ни от второй лампочки, и полутени, то есть области, в которые попадает свет только от одной лампочки.

Тень и полутень можно получить от одного источника, если он не является точечным.

Полутень — это та область пространства, в которую попадает свет от части источника света.

Конечно, каждый из вас может привести сотни примеров того, когда мы сталкиваемся с образованием тени или полутени в повседневной жизни. Мы же обратим внимание, на не совсем повседневные, но интересные явления. Образованием тени и полутени можно объяснить солнечные и лунные затмения.

Итак, что же происходит при затмениях? Все мы прекрасно знаем, что Земля вращается вокруг Солнца, а Луна — вокруг Земли. Это значит, что в определённые моменты, Солнце, Луна и Земля могут выстроиться на одной прямой. Если Луна окажется между Землёй и Солнцем, то она на время закрывает Солнце, отбрасывая тень на Землю. Жители той местности, куда у падёт тень от Луны, окажутся свидетелями полного солнечного затмения. В тех областях, куда свет будет попадать частично, то есть это области полутени, жители будут видеть ту часть Солнца, от которой в данную область попадает свет — это частное солнечное затмение.

В случае, когда Земля окажется между Солнцем и Луной, она отбросит тень и полутень. Но, поскольку размеры Луны меньше размеров Земли, то она попадёт в полную тень. То есть, Луну видно не будет. Произойдёт лунное затмение.

ОПТИКА

Геометрическая оптика — раздел оптики, изучающий законы распространения и отражения света, а так же принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учёта его волновых свойств.

Согласно геометрической оптике свет распространяется прямолинейно, а линию, вдоль которой он распространяется называют световым лучом.

Тень — область пространства куда не попадает свет от источника.
Полутень — частично освещенные области пространства. Полутени часто можно наблюдать когда мы имеем дело с большим источником света.

К примеру софтбокс фотографа, который будет размывать резкие грани между светом и тенью, создавая мягкое распределение света. Если же источник света пренебрежимо мал, то он будет четко разделять границы между светом и тенью. Такие источники света в физике называют точечными, то есть источниками размерами и формой которых можно пренебречь.

Законы отражения света

1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения.

Построение изображений в плоском зеркале

Плоское зеркало — тело с плоской зеркально отражающей свет поверхностью.
Изображение, построенное в плоском зеркале, всегда симметрично самому отраженному предмету и имеет те же размеры. Растояние от предмета до зеркала и от зеркала до изображения равны.

Законы преломления света

1. Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина, постоянная для двух данных сред. И называется относительным показателем преломления для этих двух сред.

Абсолютный показатель преломления — величина, которая показывает, во сколько раз скорость света в веществе меньше, чем скорость света в вакууме:

Относительный показатель преломления для двух сред можно определить как отношение их абсолютных показателей преломления, или как отношение скоростей света в этих средах друг к другу.

Полное внутреннее отражение — внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол. При этом падающий луч отражается полностью, и значение коэффициента отражения превосходит его самые большие значения для полированных поверхностей.
Предельный (критический) угол полного внутреннего отражения:

Линзы

Линза — прозрачная среда, ограниченная с двух сторон сферическими поверхностями. (Плоские поверхности линз так же считаются феерическими, при этом говорят что радиус искривления стремится к бесконечности).
Собирающая линза – это линза которая в средней части толще, чем по краям.
Рассеивающая линза – это линза которая в средней части тоньше, чем по краям.

Виды линз

1. Двояковыпуклые
2. Вогнуто-выпуклые (мениск)
3. Плоско-выпуклые
4. Выпукло-вогнутые
5. плоско-вогнутые
6. Двояковогнутые

Главная оптическая ось — прямая проходящая через центры сферических поверхностей образующих линзу.
Побочная оптическая ось — любая прямая проходящая через оптический центр линзы.
Оптический центр линзы — это точка на оптической оси, любой луч, проходящий через которую не преломляется.
Фокус — точка, в которой пересекаются все параллельные главной оптической оси лучи,после преломления.
Фокальная плоскость — плоскость, проходящая через фокус линзы и перпендикулярная главной оптической оси.

Четыре правила построения изображений с помощью линз

1. Луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется
2. Луч, параллельный главной оптической оси, преломляясь проходит через фокус
3. Луч, проходящий через фокус, преломляясь, идет параллельно главной оптической оси.
4. Луч, падающий под произвольным углом, преломляясь, проходит через пересечение фокальной плоскости с побочной оптической осью, параллельной этому лучу.

Оптическая сила линзы

Линейное увеличение линзы

Формула тонкой линзы

Волновая оптика

Волновая оптика – раздел оптики, изучающий волновую природу света и описывающий такие оптические явления, как интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия.

Поляризация — это явление выделения из светового пучка лучей с определенной ориентацией электрического вектора. Поляризация характерна только для поперечных волн.

Дисперсия — зависимость показателя преломления вещества от длины волны света (в вакууме). В результате дисперсии белый свет проходящий через призму распадается на составные части (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый).

Интерференция — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга.

Разность фаз колебаний двух точек волны, расстояние между которыми l:

Ближайшие точки, совершающие колебания в фазе, расположены на расстоянии , в противофазе — на расстоянии . Исходя из этого можно вывести следующие условия возникновения максимумов и минимумов при интерференции волн:
Условия максимума при интерференции двух волн:

где — разность фаз интерферирующих волн в данной точке, — разность хода двух волн от когерентных синфазных источников, а . какое-то целое число.
Условия минимума:

Дифракция — явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Период дифракционной решетки — сумма ширины щели и ширины непрозрачного промежутка, дифракционной решетки.
Условия максимума при интерференции двух волн:

где какое-то целое число.

Специальная теория относительности

В основе специальной теории относительности Эйнштейна лежит два основных постулата:
1. Все процессы в природе протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
2. Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости приемника.
И если согласно классическим представлениям пространство и время были абсолютными, то согласно новой теории абсолютна лишь скорость света в вакууме, а пространство и время относительны и по разному могут восприниматься в зависимости выбранной нами системы отсчета. То есть если какие то два события происходят одновременно в одной системе отсчета, то относительно другой системы они могут происходить в разное время.

Скорость света в вакууме согласно специальной теории относительности является максимально возможной и составляет c=3*10^8 м/с
Относительность расстояний и размеров Если тело длинной будет двигаться со скоростью сопоставимой со скоростью света , то для него будет справедливо сокращение размеров описанное следующим уравнением:

Дургими словами, если хотите выглядеть стройным и подтянутым… Теперь вы знаете что делать. =)
Относительность времени Так как время в СТО не является чем то абсолютным, в зависимости от скорости движения в разных системах отсчета оно будет течь по разному.

Релятивистский закон сложения скоростей Так как скорость света максимально возможная скорость, то скорости тела относительно разных систем отсчета будут складываться по особенному. Что бы не дай Бог не превысить скорость света. Представим что какое то тело движется со скоростью относительно какой то системы отсчета, которая в свою очередь двиется со скоростью относительно другой системы отсчета. Тогда скорость тела относительно второй системы

• Наши соцсети: