Образование тени и полутени Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени. При малых размерах источника или если источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь получается только тень. Тень – это область пространства, в которую свет не попадает. При больших размерах источника света или, если источник находится близко к предмету, создаются нерезкие тени (тень и полутень).
Применение лазера В быту: проигрыватели компакт-дисков, лазерные принтеры, считыватели штрих- кодов, лазерные указки, В промышленности лазеры используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов, лазерная маркировка промышленных образцов и гравировка изделий из различных материалов,
В медицине лазеры применяются как бескровные скальпели, используются при лечении офтальмологических заболеваний (катаракта, отслоение сетчатки, лазерная коррекция зрения), в косметологии (лазерная эпиляция, лечение сосудистых и пигментных дефектов кожи, лазерный пилинг, удаление татуировок и пигментных пятен), в военных целях: в качестве средств наведения и прицеливания, рассматриваются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты воздушного, морского и наземного базирования, в голографии для создания самих голограмм и получения голографического объёмного изображения,
Пособие по физике «Геометрическая оптика».
Прямолинейность распространения света.
Если между глазом и каким-нибудь источником света поместить непрозрачный предмет, то источник света мы не увидим. Объясняется это тем, что в однородной среде свет распространяется по прямым линиям.
Предметы, освещаемые точечными источниками света, например солнцем, отбрасывают четко очерченные тени. Карманный фонарик даёт узкий пучек света. Фактически о положении окружающих нас предметов в пространстве мы судим, подразумевая, что свет от обьекта попадает в наш глаз по прямолинейным траекториям. Наша ориентация во внешнем мире целиком основана на предположении о прямолинейном распространении света.
Именно это допущение привело к представлению о световых лучах.
Световой луч — это прямая, вдоль которой распространяется свет. Условно лучом называют узкий пучок света. Если мы видим предмет, то это означает, что нам в глаз попадает свет от каждой точки предмета. Хотя световые лучи выходят из каждой точки по всем направлениям, лишь узкий пучек этих лучей попадает в глаз наблюдателя. Если наблюдатель сдвинет голову чут ь в сторону, то в его глаз от каждой точки предмета будет попадать уже другой пучек лучей.
На рисунке показана тень, полученная на экране при освещении точечным источником света S непрозрачного шара М. Так как шар непрозрачен, то он не пропускает свет, падающий на него; в результате на экране образуется тень. Такую тень можно получить в тёмной комнате, освещая шар карманным фонарём.
Закон прямолинейного распространения света : в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.
Доказательством этого закона является образование тени и полутени.
В домашних условиях можно выполнить несколько опытов — доказательств этого закона.
Если мы хотим, чтобы свет от лампы не попадал в глаза, мы можем поместить между лампой и глазами лист бумаги, руку или надеть на лампу абажур. Если бы свет распространялся не по прямым линиям, то он мог бы обогнуть препятствие и попасть к нам в глаза. Например от звука нельзя «загородиться» рукой, он обогнёт это препятствие и мы будем его слышать.
Таким образом, описанный пример показывает, что свет не огибает препятствие, а распространяется прямолинейно.
Теперь возьмём маленький источник света, например карманный фонарик S. Расположим на некотором расстоянии от неё экран, то есть в каждую его точку попадает свет. Если между точечным источником света S и экраном разместить непрозрачное тело, например мячик, то на экране увидим темное изображение очертаний этого тела — тёмный круг, поскольку за ним образовалась тень — пространство, куда не попадается свет от источника S. Если бы свет распространялся не прямолинейно и луч не был бы прямой линией, то тень могла бы не образоваться или имела бы другую форму и размеры.
Но чётко ограниченную тень, которая получена в описанном опыте, мы видим в жизни не всегда. Такая тень образовалась, потому что в качестве источника света мы использовали лампочку, размеры спирали которой намного меньше, чем расстояние от неё до экрана.
Если в качестве источника света взять большую, сравнительно с препятствием, лампу, размеры спирали которой сравнимы с расстоянием от неё до экрана, то вокруг тени на экране образуется еще и частично освещенное пространство — полутень .
Образование полутени не противоречит закону прямолинейного распространения света, а, наоборот, подтверждает его. Ведь в данном случае источник света нельзя считать точечным. Он состоит из множества точек и каждая из них испускает лучи. Поэтому на экране имеются области, в которые свет от одних точек источника попадает, а от других не попадает. Таким образом эти области экрана освещены лишь частично, там и образуется полутень. В центральную область экрана не попадает свет ни от одной точки лампы, там наблюдается полная тень.
Очевидно, что если наш глаз находился бы в области тени, то мы не увидели бы источник света. Из области полутени мы видели бы часть лампы. Это мы и наблюдаем при солнечном или лунном затмении.
И последний опыт. Положите на стол кусок картона и воткните в него две булавки в нескольких сантиметрах друг от друга. Между этими булавками воткните ещё две-три булавки так, чтобы, глядя на одну из крайних, вы увидели только её, а остальные булавки были бы закрыты от нашего взгляда ею. Выньте булавки, приложите линейку к следам в картоне от двух крайних булавок и проведите прямую. Как расположены следы от других булавок по отношению к этой прямой?
Прямолинейностью распространения света пользуются при провешивании прямых линий на поверхности земли и под землей в метро, при определении расстояний на земле, на море и в воздухе. Когда контролируют прямолинейность изделий по лучу зрения, то опять-таки используют прямолинейность распространения света.
Весьма вероятно, что и само понятие о прямой линии возникло из представления о прямолинейном распространении света.
optika8.narod.ru
Закон прямолинейного распространения света
Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Доказательством закона служит образование тени и полутени.
Закон независимости световых лучей
Распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга.
Луч падающий, отраженный и перпендикуляр в точке падения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения.
Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром в точке падения к границе. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянная величина для двух данных сред.
При переходе света из оптически более плотной среды (с большим показателем преломления) в оптически менее плотную, начиная с некоторого угла падения преломленного луча не станет. Явление называется полным отражением. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения. При всех больших углах падения преломленная волна отсутствует.
a) преломленный луч существует; б) предельный угол отражения; в) преломленный луч отсутствует;
При прохождении лучей различных длин волн через призму, они отклоняются на разные углы. Явление дисперсии связано с зависимостью показателя преломления среды от частоты распространяющегося излучения.
Явление дисперсии приводит к образованию радуги вследствие преломления солнечных лучей на мельчайших водяных капельках во время дождя.
Закон прямолинейного распространения света объясняет образование тени
- Когда вы играете в прятки или пускаете «солнечных зайчиков», то, не подозревая того, пользуетесь законом прямолинейного распространения света. Выясним, в чем заключается этот закон и какие явления он объясняет.
1. Учимся различать пучок свата и сватовой луч
Для наблюдения световых пучков нам не нужно никакого специального оборудования (рис. 3.12).
Достаточно, например, неплотно сдвинуть в комнате шторы в ясный солнечный день, открыть дверь из освещенной комнаты в темный коридор, или включить в темноте фонарик.
Рис. 3. 12. В пасмурные дни сквозь разрывы туч пробиваются пучки солнечного света
Пучки света в первом случае проходят в комнату сквозь щель между шторами, во втором - падают на пол через дверной проем; в последнем случае свет от лампочки в определенном направлении направляется рефлектором фонарика. Пучки света в каждом из этих случаев образовывают яркие световые пятна на освещаемых ими предметах.
В реальной жизни мы имеем дело только с пучками света, хотя, согласитесь, нам привычнее говорить: луч солнца, луч прожектора, зеленый луч и т. п.
На самом деле, с точки зрения физики, правильно было бы говорить: пучок солнечных лучей, пучок зеленых лучей и т. д. А вот для схематического изображения световых пучков используют световые лучи (рис. 3.13).
- Световой луч - это линия, указывающая направление распространения светового пучка.
Рис. 3. 13. Схематическое изображение световых пучков с помощью световых лучей: а - параллельный световой пучок; б - расходящийся световой пучок; в - сходящийся световой пучок
Рис. 3.14. Опыт, демонстрирующий прямолинейное распространение света
2. Убеждаемся в прямолинейности распространения света
Проведем опыт. Расположим последовательно источник света, несколько листов картона с круглыми отверстиями (диаметром приблизительно 5 мм) и экран. Разместим листы картона таким образом, чтобы на экране появилось световое пятно (рис. 3.14). Если теперь взять, например, спицу и протянуть ее сквозь отверстия, то спица легко пройдет сквозь них, т. е. окажется, что отверстия расположены на одной прямой.
Этот опыт демонстрирует собой закон прямолинейного распространения света, установленный в глубокой древности. О нем свыше 2500 лет тому писал древнегреческий ученый Эвклид. Кстати, в геометрии понятия луча и прямой линии возникли на основе представления о световых лучах.
Закон прямолинейного распространения света: в прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Рис. 3.15. Принцип действия солнечных часов базируется на том, что тень от вертикально расположенного объекта, освещенного солнцем, изменяет свою длину и расположение в течение дня
Рис. 3.16 Образование полной тени O 1 от предмета О, освещенного точечным источником света S
3. Выясняем, что такое полная тень и полутень
Прямолинейностью распространения света можно объяснить тот факт, что любое непрозрачное тело, освещенное источником света, отбрасывает тень (рис. 3.15).
Если источник света относительно предмета является точечным, то тень от предмета будет четкой. В этом случае говорят о полной тени (рис. 3.16).
- Полная тень - это та область пространства, в которую не попадает свет от источника света.
Если тело освещено несколькими точечными источниками света или протяженным источником, то на экране образуется тень с нечеткими контурами. В таком случае создается не только полная тень, а еще и полутень (рис. 3.17).
- Полутень - это область пространства, освещенная некоторыми из нескольких имеющихся точечных источников света или частью протяженного источника.
Образование полной тени и полутени в космических масштабах мы наблюдаем во время лунного (рис. 3.18) и солнечного (рис. 3.19) затмений. В тех местах Земли, на которые упала полная тень Луны, наблюдается полное солнечное затмение, в местах полутени - частичное затмение Солнца.
Рис. 3.17. Образование полной тени O1 и полутени O2 от предмета О, освещенного протяженным источником света S
В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. Линия, указывающая направление распространения светового пучка, называется световым лучом.
В результате того, что свет распространяется прямолинейно, непрозрачные тела отбрасывают тень (полную тень и полутень). Полная тень - область пространства, в которую не попадает свет от источника (источников) света. Полутень - это область пространства, освещенная некоторыми из нескольких имеющихся точечных источников света или частью протяженного источника.
Во время солнечных и месячных затмений мы наблюдаем образование тени и полутени в космических масштабах.
1. Что называют световым лучом?
2. В чем заключается закон прямолинейного распространения света?
3. Какими опытами можно доказать прямолинейность распространения света?
4. Какие явления подтверждают прямолинейность распространения света?
5. При каких условиях предмет будет образовывать только полную тень, а при каких - полную тень и полутень?
6. При каких условиях возникают солнечные и лунные затмения?
1. Во время солнечного затмения на поверхности Земли образуются тень и полутень Луны (рисунок а). Рисунки б, в, г - фотографии этого солнечного затмения, сделанные с разных точек Земли. Какая фотография сделана в точке I рисунка а? в точке 2? в точке 3?
2. Космонавт, находясь на Луне, наблюдает Землю. Что увидит космонавт в тот момент, когда на Земле будет полное лунное затмение? частичное затмение Луны?
3. Как необходимо освещать операционную, чтобы тень от рук хирурга не заслоняла операционного поля?
4. Почему самолет, летящий на большой высоте, не образует тени даже в солнечный день?
1. На расстоянии 30-40 см от зажженной свечи или настольной лампы расположите экран. Между экраном и свечой горизонтально поместите карандаш. Изменяя расстояние между карандашом и свечой, наблюдайте изменения, происходящие на экране. Опишите и объясните свои наблюдения.
2. Предложите способ, как, используя булавки, можно проверить, является ли линия, проведенная на картоне, прямой.
3. Встаньте вечером неподалеку от уличного фонаря. Внимательно рассмотрите свою тень. Объясните результаты наблюдения.
Харьковский национальный университет радиоэлектроники (ХНУРЭ), основанный в 1930 году, по концентрации научно-технического и научно-педагогического потенциала в области радиоэлектроники, телекоммуникаций, информационных технологий и вычислительной техники не имеет себе равных в Украине и странах СНГ.
Уникальные научные результаты работы ученых университета оказывали содействие развитию десятков новых научных направлений, закрепив приоритет отечественной науки в ряде важнейших областей народного хозяйства и оборонной сферы. Прежде всего это касается исследований околоземного пространства. Благодаря созданным учеными университета измерительным комплексам, не имеющим аналогов в странах СНГ, составлен самый полный в мире каталог метеоритных частиц в околоземном пространстве, осуществлена высокоточная привязка во время запуска первого украинского спутника «Сечь-1», построена глобальная модель техногенных примесей в стратосфере и мезосфере Земли.
Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издательство «Ранок», 2007. - 192 с.: ил.
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.
Закон прямолинейного распространения света. Скорость света и методы ее измерения.
Закон прямолинейного распространения света.
Свет в однородной среде распространяется прямолинейно.
Луч – часть прямой, указывающей направление распространения света. Понятие луча ввел Евклид (геометрическая или лучевая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света, основанные на понятии луча, без учета природы света).
Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени.
При малых размерах источника (источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь) получается только тень (область пространства, в которую свет не попадает).
При больших размерах источника света (или, если источник находится близко к предмету) создаются нерезкие тени (тень и полутень).
В астрономии – объяснение затмений.
Световые пучки распространяются независимо друг от друга. Например, проходя один через другой, они не влияют на взаимное распространение.
Световые пучки обратимы, т.е., если поменять местами источник света и изображение, полученное с помощью оптической системы, то ход лучей от этого не изменится.
Скорость света и методы ее измерения.
Первые предложения выдвинуты Галилеем: фонарь и зеркало устанавливаются на вершинах двух гор; зная расстояние между горами и, измеряя время распространения, можно рассчитать скорость света.
Астрономический метод измерения скорости света
Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L 1 ), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L 2 , спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние ? l = l 2 – l 1 .
Лабораторный метод измерения скорости света
Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света.
Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.
с=313 000 км/с.
В настоящее время вместо механических делителей светового потока применяются оптоэлектронные (ячейка Керра – кристалл, оптическая прозрачность которого меняется в зависимости от величины электрического напряжения).
Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле.
По современным данным, в вакууме с=(299792456,2 ± 0,8) м/с.
Применение закона прямолинейного распространения света.? Камера-обскура
А. Закон прямолинейного распространения света: история, формулировка, применение.
1. Образование тени и полутени;
2. Солнечное затмение;
3. Лунное затмение.
«Камера — обскура»
Камерой-обскурой называется темная комната (ящик) с малым отверстием в одной из ее стен, через которое свет проникает внутрь комнаты, вследствие чего становится возможным получение изображения наружных предметов.
Время, когда была изобретена камера-обскура и кому принадлежит сама идея, в точности не известны.
Упоминания о камере-обскуре встречаются ещё в 5-ом веке до н. э. — китайский философ Ми Ти описал возникновение изображения на стене затемнённой комнаты. Упоминания о камере-обскуре встречаются и у Аристотеля.
Арабский физик и математик X века ибн Аль-Хайтам (Альхазен), изучая камеру обскуру, сделал вывод о линейности распространения света. Скорее всего первым использовал камеру-обскуру для зарисовок с натуры Леонардо да Винчи.
В 1686 году Йоганнес Цан спроектировал портативную камеру-обскуру оснащённую зеркалом расположенное под углом 45° и проецирующею изображение на матовую, горизонтальную пластину, что позволило художникам переносить пейзажи на бумагу.
Развитие камер-обскур пошло двумя путями. Первое направление — создание портативных камер.
Многие художники использовали камеру-обскуру для создания своих произведений — пейзажей, портретов, бытовых зарисовок. Камеры-обскуры тех времён представляли собой большие ящики с ситемой зеркал для отклонения света.
Часто вместо простого отверстия использовался объектив, что позволяло значительно увеличить яркость и резкость изображения.
С развитием оптики объективы усложнялись, а после изобретения светочувствительных материалов камеры- обскуры стали фотоаппаратами.
Второе направление развития камер-обскур — создание специальных комнат.
Раньше и сейчас такие комнаты используются для развлечения и обучения.
Однако и в настоящее время некоторые фотографы используют так называемые «стено?пы » - фотоаппараты с маленьким отверстием вместо объектива. Изображения, полученные при помощи таких камер, отличаются своеобразным мягким рисунком, идеальной линейной перспективой и большой глубиной резкости.
Камеры устанавливаются на крышах и проецируют вид с них на вот такие «тарелки».
Просмотр содержимого документа
«Лунные и солнечные затмения»
Лунные и солнечные затмения.
Когда Луна при своём движении вокруг земли полностью или частично заслоняет Солнце, происходит солнечное затмение. Во время полного солнечного затмения Луна закрывает весь диск Солнца (это возможно благодаря тому, что видимые диаметры Луны и Земли одинаковы). Полное солнечное затмение можно наблюдать из тех точек земной поверхности, где проходит полоса полной фазы. По обе стороны полосы полной фазы происходит частное затмение Солнца, во время которого Луна заслоняет не весь солнечный диск, а лишь часть его.
Наблюдается частное солнечное затмение из тех мест земной поверхности, которое охватывает расходящийся конус лунной полутени.
Полное солнечное затмение, которое можно было наблюдать с территории России, произошло 9 марта 1997 года (Восточная Сибирь). Чаще в году бывает 2 солнечных и 2 лунных затмения. В1982 году было 7 затмений — 4 частичных солнечных и 3 полных лунных.
Не в каждое новолуние может быть солнечное затмение, так как плоскость, в которой Луна движется вокруг Земли наклонена к плоскости эклиптики (движения Солнца) под углом примерно равному пяти градусам. В Москве очередное полное солнечное затмение будет наблюдаться 16 октября 2126 года. Полное солнечное затмение обычно длится 2-3 минуты. В 1999 году 11 августа — полное солнечное затмение прошло через Крым и Закавказье.
Солнечные затмения доказывают прямолинейное распространение света.
Если же Луна при своём обращении вокруг Земли попадает в тень, отбрасываемую землёй, то наблюдается лунное затмение. Во время полного лунного затмения Луны лунный диск остаётся видимым, но он приобретает обычный темно — красный оттенок. Это явление объясняется преломлением лучей в земной атмосфере. Преломляясь в земной атмосфере, солнечное излучение, попадает в конус земной тени и освещает Луну.
В области тени на Земле будет наблюдаться полное солнечное затмение. Вокруг тени на Земле будет находиться область полутени. В этом месте на Земле будет наблюдаться частное солнечное затмение.
Во время полного солнечного затмения быстро темнеет. Понижается температура воздуха, появляется даже роса, а на небе виден черный диск Солнца с сияющей вокруг него жемчужно — серой короной.
В прошлом необычный вид Луны и Солнца во время затмений приводил людей в ужас. Жрецы, зная о повторяемости этих явлений, использовали их для подчинения и устрашения людей, приписывая затмения сверхъестественным силам.
Дневной свет ослабевает настолько, что иногда можно видеть на небе яркие звёзды и планеты. Многие растения свертывают листья.
Дайте письменные ответы на вопросы:
1. Выберите из предложенных вариантов ответов, какие движения Земли и Луны вы знаете?
Земля движется вокруг своей оси и вокруг Солнца.
Луна вращается только вокруг своей оси.
Луна вращается вокруг Земли и своей оси.
Луна и Земля вращаются только вокруг Солнца.
2. Если Луна при своем движении окажется между Землёй и Солнцем, то она будет отбрасывать на Землю тень. Продолжите ход солнечных лучей и зарисуйте образование области тени и полутени.
4. Рассмотрите полученный вами рисунок и объясните почему, кроме тени, образуется и полутень.
5. Найдите отличие полного солнечного затмения и частного (используйте полученную вами схему).
6. Что может увидеть человек на земле, находясь в области полного солнечного затмения?
7. На основании предыдущих ответов закончите мысль: «Солнечное затмение наступает тогда когда. »
8. Какая закономерность распространения света объясняет солнечные затмения?
Просмотр содержимого презентации
«Урок №2»
«Применение закона прямолинейного распространения света. Камера-обскура»
О свет! Ты чудо из чудес И вызываешь интерес. Еще не раз умы людей Займешь теорией своей.
Закон прямолинейного распространения света:
Впервые закон прямолинейного распространения света был сформулирован в III в. до н.э. древнегреческим ученым Евклидом. Под прямолинейностью распространения света он имел в виду прямолинейность световых лучей. Сам Евклид, правда, отождествлял лучи света со “зрительными лучами”, которые якобы выходили из глаз человека и в результате “ощупывания” предметов позволяли видеть последние. Такая точка зрения была достаточно широко распространена в древнем мире. Однако уже Аристотель спрашивал: “Если бы видение зависело от света, исходящего из глаз, как из фонаря, то почему бы нам не видеть в темноте?” Теперь мы знаем, что никаких “зрительных лучей” не существует, и видим мы не потому, что какие-то лучи выходят из наших глаз, а наоборот, потому что свет от различных предметов попадает нам в глаза.
Свет в пространстве распространяется прямолинейно .
Под световым лучом в современной физике понимают достаточно узкий пучок света, который в той области, в которой изучается его распространение, можно считать не расходящимся. Это физический световой луч . Различают еще и математический (геометрический) луч — это линия, вдоль которой распространяется свет. Этим понятием мы и будем пользоваться.
Так как свет распространяется по прямой, то когда он встречает непрозрачные предметы, образуется тень. Зона, в которую не попадает свет, называется тенью . Если источник света небольшой, отбрасываемая предметом тень имеет четкие контуры, если большой – расплывчатые. Переход от света к тени называется полутенью : сюда попадает только часть излучаемого света.
Лабораторная работа: «Образование тени и полутени»
Цель: научиться получать тень и полутень на экране.
Оборудование: 2 свечи, шарик на подставке или любое непрозрачное тело; экран; несколько разных геометрических тел.
1. Расположите свечи на расстоянии
5-7 сантиметров друг от друга. Перед ними
поместите шарик. За шариком поставьте
2. Зажгите свечу. На экране
видна чёткая тень от шарика.
3. Если теперь зажечь вторую лампу,
на экране видны тень и полутень.
Лунное и солнечное затмение
У Козьмы Пруткова есть афоризм: «Если у тебя спрошено будет: что полезнее, Солнце или месяц? — ответствуй: месяц. Ибо Солнце светит днем, когда и без того светло, а месяц — ночью». Прав ли Козьма Прутков? Почему?
Назовите источники света, которыми вам доводилось когда-либо пользоваться при чтении.
Зачем водители в темное время суток при встрече машин переключают фары с дальнего света на ближний?
Нагретый утюг и горящая свеча являются источниками излучения. Чем отличаются друг от друга создаваемые этими приборами излучения?
Из древнегреческой легенды о Персее: «Не далее полета стрелы было чудовище, когда Персей взлетел высоко в воздух. Тень его упала в море, и с яростью ринулось чудо — вище на тень героя. Персей смело бросился с высоты на чудовище и глубоко вонзил ему в спину изогнутый меч».
Что такое тень и какой физический закон позволяет объяснить ее образование?
Шар раскаленный, золотой
Пошлет в пространство луч огромный,
И длинный конус тени темной
В пространство бросит шар другой.
Какое свойство света нашло отражение в этом стихотворении А.Блока? О каком явлении говорится в стихотворении?
Камерой-обскурой называется темная комната (ящик) с малым отверстием в одной из ее стен, через которое свет проникает внутрь комнаты, вследствие чего становится возможным получение изображения наружных предметов.
Возьмем спичечный коробок, сделаем посередине маленькое отверстие в полмиллиметра диаметром, разместим на дне коробка фотобумагу или плёнку для фотоаппарата (не засветив при этом) и, направив объективом на улицу, оставим часа на четыре. Вскроем и посмотрим, что получилось. Лучи падают на объект съёмки, отражаются от него, проходят через отверстие в камере-обскуре и фиксируются на фотобумаге. Чем меньше отверстие, тем меньше посторонних лучей от каждой точки объекта сможет через него пройти и отобразиться на фотобумаге. Следовательно, тем четче получится картина изображаемого объекта. А если отверстие большое, фотоотпечатка не получится – бумага просто засветится. С немного усложненной и увеличенной камерой-коробком, фотографические отпечатки получатся четче и большего размера. А усложнить её можно так: возьмите коробочку больших размеров, в центре стенки, где будет располагаться отверстие, вырежьте прямоугольник примерно 2?3 см, прикрепите скотчем на его место фольгу, предварительно проделав в ней аккуратное точечное отверстие. Внутри коробочки, на противоположной от отверстия стороне расположите пленку. Ещё проще взять старый фотоаппарат, свинтить с него объектив, заклеить дыру чёрной бумагой или фольгой и проделать в ней маленькое отверстие. Только не забудьте убрать шторку затвора, чтобы свет мог попасть на плёнку.
- Выполните лабораторную работу в отдельной тетради с построением светового луча и образованием области тени и полутени.
- Пришлите по электронной почте ответы на вопросы по теме «Солнечное и лунное затмения».
- Пришлите по электронной почте ответы на вопросы серии «Проверь себя».
- Сделайте камеру – обскура.
Рассмотрим еще одно экспериментальное подтверждение закона прямолинейного распространения света. Проделаем опыты.
В качестве источника света возьмем обычную электрическую лампочку. Правее нее подвесим на нити мяч. Проводя опыт в темной комнате, мы легко увидим на экране тень мяча. Кроме того, в пространстве правее мяча возникнет некоторая область, в которую световые лучи (световая энергия) не проникают. Это пространство называют областью тени.
Воспользуемся теперь лампочкой с баллоном из белого стекла. Мы увидим, что теперь тень мяча окружена полутенью. И в пространстве правее мяча существует как область тени, куда лучи света не проникают вообще, так и область полутени, куда проникают лишь некоторые лучи, испущенные лампой.
Почему же возникла полутень? В первом опыте источником света служила спираль лампы. Она имела небольшие (говорят: пренебрежимо малые) размеры по сравнению с расстоянием до мяча. Поэтому спираль мы можем считать точечным источником света. Во втором же опыте свет испускался белым баллоном лампы. Его размерами по сравнению с расстоянием до мяча уже нельзя пренебрегать. Поэтому баллон мы будем считать протяженным источником света. От каждой его точки исходят лучи, часть из которых попадает в область полутени.
Итак, оба физических явления – образование тени и образование полутени – являются экспериментальным подтверждением закона прямолинейного распространения света.
Основные законы геометрической оптики известны ещё с древних времен. Так, Платон (430 г. до н.э.) установил закон прямолинейного распространения света. В трактатах Евклида формулируется закон прямолинейного распространения света и закон равенства углов падения и отражения. Аристотель и Птолемей изучали преломление света. Но точных формулировок этих законов геометрической оптики греческим философам найти не удалось.
Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики, когда длина световой волны стремится к нулю.
Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках геометрической оптики.
В основу формального построения геометрической оптики положено четыре закона , установленных опытным путем:
· закон прямолинейного распространения света;
· закон независимости световых лучей;
· закон отражения;
· закон преломления света.
Для анализа этих законов Х. Гюйгенс предложил простой и наглядный метод, названный впоследствии принципом Гюйгенса .
Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является , в свою очередь, центром вторичных волн ; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту фронта действительно распространяющейся волны.
Основываясь на своем методе, Гюйгенс объяснил прямолинейность распространения света и вывел законы отражения и преломления .
Закон прямолинейного распространения света :
· свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно .
Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их источниками малых размеров.
Тщательные эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.
Тень, отбрасываемая предметом, обусловлена прямолинейностью распространения световых лучей в оптически однородных средах.
Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими, например затмение Луны , когда Луна попадает в тень Земли (рис. 7.1). Вследствие взаимного движения Луны и Земли тень Земли перемещается по поверхности Луны, и лунное затмение проходит через несколько частных фаз (рис. 7.2).
Закон независимости световых пучков :
· эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того , действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.
Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.
Закон отражения (рис. 7.3):
· отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром , проведенным к границе раздела двух сред в точке падения ;
· угол падения α равен углу отражения γ: α = γ
Рис. 7.3 Рис. 7.4
Для вывода закона отражения воспользуемся принципом Гюйгенса. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ со скоростью с , падает на границу раздела двух сред (рис. 7.4). Когда фронт волны АВ достигнет отражающей поверхности в точке А , эта точка начнет излучать вторичную волну .
· Для прохождения волной расстояния ВС требуется время Δt = BC / υ . За это же время фронт вторичной волны достигнет точек полусферы, радиус AD которой равен: υ Δt = ВС. Положение фронта отраженной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC , а направление распространения этой волны – лучом II. Из равенства треугольников ABC и ADC вытекает закон отражения : угол падения α равен углу отражения γ.
Закон преломления (закон Снелиуса ) (рис. 7.5):
· луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости;
· отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред .
Рис. 7.5 Рис. 7.6
Вывод закона преломления. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления Iсо скоростью с , падает на границу раздела со средой, в которой скорость ее распространения равна u (рис. 7.6).
Пусть время, затрачиваемое волной для прохождения пути ВС , равно Dt . Тогда ВС = с Dt . За это же время фронт волны, возбуждаемой точкой А в среде со скоростью u , достигнет точек полусферы, радиус которой AD = u Dt . Положение фронта преломленной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC , а направление ее распространения – лучом III. Из рис. 7.6 видно, что
Отсюда следует закон Снелиуса :
Несколько иная формулировка закона распространения света была дана французским математиком и физиком П. Ферма.
Физические исследования относятся большей частью к оптике, где он установил в 1662 г. основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма). Аналогия между принципом Ферма и вариационными принципами механики сыграла значительную роль в развитии современной динамики и теории оптических инструментов.
Согласно принципу Ферма , свет распространяется между двумя точками по пути, для прохождения которого необходимо наименьшее время .
Покажем применение этого принципа к решению той же задачи о преломлении света.
Луч от источника света S , расположенного в вакууме идет до точки В , расположенной в некоторой среде за границей раздела (рис. 7.7).
В каждой среде кратчайшим путем будут прямые SA и AB . Точку A охарактеризуем расстоянием x от перпендикуляра, опущенного из источника на границу раздела. Определим время, затраченное на прохождение пути SAB :
.
Для нахождения минимума найдем первую производную от τ по х и приравняем ее к нулю:
отсюда приходим к тому же выражению, что получено исходя из принципа Гюйгенса: .
Принцип Ферма сохранил свое значение до наших дней и послужил основой для общей формулировки законов механики (в том числе теории относительности и квантовой механики).
Из принципа Ферма вытекает несколько следствий.
Обратимость световых лучей : если обратить луч III (рис. 7.7), заставив его падать на границу раздела под углом β, то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом α, т. е. пойдет в обратном направлении вдоль луча I.
Другой пример – мираж , который часто наблюдают путешественники на раскаленных солнцем дорогах. Они видят впереди оазис, но когда приходят туда, кругом оказывается песок. Сущность в том, что мы видим в этом случае свет, прошедший над песком. Воздух сильно раскален над самой дорогой, а в верхних слоях холоднее. Горячий воздух, расширяясь, становится более разреженным и скорость света в нем больше, чем в холодном. Поэтому свет проходит не по прямой, а по траектории с наименьшим временем, заворачивая в теплые слои воздуха.
Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотной)( > ), например из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления β больше, чем угол падения α (рис. 7.8 а ).
С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 7.8 б , в ), до тех пор, пока при некотором угле падения () угол преломления не окажется равным π/2.
Угол называется предельным углом . При углах падения α > весь падающий свет полностью отражается (рис. 7.8 г ).
· По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет.
· Если , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 7.8 г ).
· Таким образом , при углах падения в пределах от до π/2 , луч не преломляется , а полностью отражается в первую среду , причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.
Предельный угол определим из формулы:
;
.
Явление полного отражения используется в призмах полного отражения (Рис. 7.9).
Показатель преломления стекла равен n » 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло – воздух = arcsin (1/1,5) = 42°.
При падении света на границу стекло – воздух при α > 42° всегда будет иметь место полное отражение.
На рис. 7.9 показаны призмы полного отражения, позволяющие:
а) повернуть луч на 90°;
б) повернуть изображение;
в) обернуть лучи.
Призмы полного отражения применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя , определяем относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления второй среды известен).
Явление полного отражения используется также в световодах , представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала.
В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом – оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления. Свет, падающий на торец световода под углам больше предельного , претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.
Световоды используются при создании телеграфно-телефонных кабелей большой емкости . Кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон тонких, как человеческий волос. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать до восьмидесяти тысяч телефонных разговоров.
Кроме того, световоды используются в оптоволоконных электронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики.
1. Образование полутени объясняется действием...
А. закона прямолинейного распространения света
Б. закона отражения света.
В. закона преломления света.
Г. . .. всех трех перечисленных законов.
2. Как изменится расстояние между человеком и его изображением в плоском зеркале, если человек приблизится к зеркалу на 10 см?
А. Уменьшится на 20 см. В. Уменьшится на 10 см.
Б. Уменьшится на 5см. Г. Не изменится.
3. Как изменится угол между падающим на плоское зеркало и отраженным от него лучом при увеличении угла падения на 10°?
А. Увеличится на 5°. В. Увеличится на 10°.
Б. Увеличится на 20°. Г. Не изменится.
4. На рисунке приведены схемы хода лучей в глазе при близорукости и дальнозоркости. Которая из этих схем соответствует случаю дальнозоркости и какие линзы нужны для очков в этом случае?
А. 1, рассеивающие. Б. 2, рассеивающие.
В. 2, собирающие. Г. 1, собирающие.
А. Уменьшенное, действительное. В. Увеличенное, мнимое.
Б. Уменьшенное, мнимое. Г. Увеличенное, действительное.
6. Какой оптический прибор обычно дает действительное и уменьшенное изображение?
В. Микроскоп. Г. Телескоп.
7.
А Б В Г
А. Действительное, перевёрнутое.
Б. Действительное, прямое.
В. Мнимое, перевёрнутое.
Г. Мнимое, прямое.
9. Фокусные расстояния линз равны: F1=0,25 м, F 2 =0,05 м, F 3= 0,1 м, F 4=0,2 м.
У какой линзы оптическая сила максимальна?
А. 1 В. 3
Б. 2 Г. 4
1. Образование тени объясняется действием...
А. закона преломления света. В. всех трех перечисленных законов
Б. закона отражения света. Г. . .. закона прямолинейного распространения света. 2. Как изменится расстояние между человеком и его изображением в плоском зеркале, если человек удалится от зеркала на 2 м?
А. Не изменится. В. Увеличится на 4 м.
Б. Уменьшится на 2 м. Г. Увеличится на 2 м.
3. Как изменится угол между падающим на плоское зеркало и отраженным от него лучом при уменьшении угла падения на 20°?
А. Уменьшится на 10°. В. Уменьшится на 40°.
Б. Уменьшится на 20°. Г. Не изменится.
4. На рисунке приведены схемы хода лучей в глазе при близорукости и дальнозоркости. Которая из этих схем соответствует случаю близорукости и какие линзы нужны для очков в этом случае?
А. 1, собирающие. Б. 2, собирающие.
В. 1, рассеивающие. Г.. 2, рассеивающие.
5. Какое изображение дает собирающая линза, если предмет находится за двойным фокусом?
А. Увеличенное, мнимое. В. Уменьшенное, действительное.
Б. Уменьшенное, мнимое. Г.Увеличенное, действительное.
6. Какой оптический прибор обычно дает действительное и увеличенное изображение?
А. Фотоаппарат. Б. Кинопроектор.
В. Телескоп. Г. Микроскоп.
7.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
А Б В Г
Луч света падает из воздуха на поверхность стекла. На каком рисунке правильно изображены изменения, происходящие с лучом?
8. Какое изображение получается на сетчатке глаза?
А. Действительное, прямое.
Б. Действительное, перевёрнутое.
В. Мнимое, прямое.
Г. Мнимое, перевёрнутое.
9. Фокусные расстояния линз равны: F1=0,25 м, F 2 =0,5 м, F 3= 1 м, F 4=2 м.
У какой линзы оптическая сила минимальна?
А. 1 В. 3
Б. 2 Г. 4