Раздел 3. Световые явления

Определения и обозначения

Источник света — тело или устройство, испускающее свет. Естественные источники существуют в природе: Солнце, звёзды, молния, пламя. Искусственные создаются человеком: лампа, фонарик, экран; понятие нужно, чтобы определить, откуда свет начинается.

Световой луч — идеализированное направление распространения света. Сам луч не является тонкой светящейся палочкой, а служит удобной линией для построений в геометрической оптике. С его помощью изображают ход света от источника к предмету или глазу.

Отражение света — изменение направления распространения света на границе двух сред с возвращением в исходную среду. Оно позволяет видеть освещённые предметы и получать изображения в зеркалах. Основное правило отражения связывает угол падения с углом отражения.

Преломление света — изменение направления света при переходе из одной прозрачной среды в другую. Оно возникает на границе, например между воздухом и водой или стеклом. Это понятие нужно для объяснения работы линз и видимого смещения предметов в воде.

Как это устроено

В однородной прозрачной среде свойства вещества одинаковы во всех точках, поэтому свет не получает причины менять направление и идёт по прямой. Если на его пути поставить непрозрачное тело, оно перекроет часть лучей. За телом образуется тень, куда свет от источника не попадает. При протяжённом источнике края тела могут закрывать лишь часть источника, поэтому возникает полутень.

При отражении луч падает на поверхность, а нормалью называют перпендикуляр к этой поверхности в точке падения. Закон отражения гласит: падающий луч, отражённый луч и нормаль лежат в одной плоскости, а угол падения равен углу отражения. Равенство объясняется обратимостью хода света: если мысленно направить отражённый луч обратно, он пройдёт по прежней траектории падающего луча. Поэтому зеркало меняет направление света предсказуемо.

В разных прозрачных веществах свет распространяется с разной скоростью. При переходе через границу сред одна часть волны уже движется с новой скоростью, а другая ещё находится в прежней среде, поэтому направление распространения меняется. Степень преломления зависит от свойств обеих сред и от угла падения. При переходе в оптически более плотную среду луч обычно приближается к нормали, а при переходе в менее плотную — удаляется от неё.

Чтобы построить изображение в плоском зеркале, достаточно провести от крайних точек предмета лучи к зеркалу и построить их отражённые лучи. Продолжения отражённых лучей за зеркалом пересекутся в точках изображения. Сам свет туда не приходит, поэтому изображение мнимое, но оно прямое, равно предмету и находится на таком же расстоянии за зеркалом, как предмет перед ним. Это результат симметрии хода лучей относительно поверхности зеркала.

Собирающая линза толще в середине и отклоняет параллельные лучи к главной оптической оси, где они сходятся в фокусе. Рассеивающая линза тоньше в середине и после неё лучи расходятся так, будто вышли из мнимого фокуса. Положение и размер изображения собирающей линзы зависят от расстояния до предмета: при удалённом предмете изображение обычно действительное, а при расположении между линзой и фокусом — мнимое. Рассеивающая линза для действительного предмета даёт мнимое, прямое и уменьшенное изображение.

Основные световые явления

В таблице сначала находят условие, при котором возникает явление или работает устройство, затем отслеживают изменение хода света. Последний столбец связывает физический процесс с наблюдаемым результатом. Для построений особенно полезно сравнивать направление лучей до и после границы, зеркала или линзы.

Разбор задач

Угол отражения от зеркала

Условие. Луч падает на плоское зеркало, и угол падения равен 35°. Нужно определить угол отражения. Углы в этой задаче отсчитываются не от зеркала, а от нормали.

1. Записываем закон отражения: угол отражения равен углу падения.
2. Подставляем известное значение: α отражения = α падения = 35°.
3. Проверяем, что оба угла построены по разные стороны нормали и имеют одинаковую величину.

Ответ: угол отражения равен 35°.

Изображение в плоском зеркале

Условие. Требуется построить изображение предмета перед плоским зеркалом и назвать его свойства. Предмет можно представить стрелкой с двумя крайними точками.

1. Из каждой крайней точки проводим к зеркалу по одному падающему лучу.
2. Строим отражённые лучи так, чтобы угол отражения равнялся углу падения.
3. Продолжаем отражённые лучи за зеркало пунктиром: их пересечения дают соответствующие точки изображения.
4. Сравниваем предмет и изображение: они равны по размеру, одинаково удалены от зеркала и симметричны относительно него.

Ответ: изображение мнимое, прямое, равное предмету и расположенное за зеркалом на таком же расстоянии.

Изображение в собирающей линзе

Условие. Предмет расположен за двойным фокусным расстоянием собирающей линзы. Нужно построить изображение и определить его свойства.

1. Проводим от верхней точки предмета луч, параллельный главной оптической оси; после линзы он проходит через дальний фокус.
2. Проводим второй луч через оптический центр линзы: в школьной модели он идёт почти без отклонения.
3. Точка пересечения лучей определяет верх изображения, а положение основания задаётся осью.
4. Так как предмет дальше 2F, изображение возникает между F и 2F, является действительным, перевёрнутым и уменьшенным.

Ответ: изображение находится между фокусом и двойным фокусом, оно действительное, перевёрнутое и уменьшенное.

Типичные ошибки

Угол измеряют от поверхности зеркала. Так делают, потому что поверхность заметнее нормали. Проверьте себя: сначала проведите перпендикуляр в точке падения, затем измеряйте угол между ним и лучом.

Считают, что меняется только направление луча. При переходе между средами изменяется и скорость света, а при преломлении обычно меняется направление; при отражении свет возвращается в исходную среду. Уточняйте, пересекает ли луч границу сред или остаётся в прежней среде.

Изображение строят по одному лучу. Один луч задаёт только возможное направление и не подтверждает положение точки. Используйте минимум два главных луча и проверьте, пересекаются ли они в одной точке.

Путают собирающую и рассеивающую линзы. У собирающей линзы середина толще краёв, а у рассеивающей — тоньше. Проверьте результат по лучам: после собирающей параллельные лучи сходятся, после рассеивающей расходятся.

Связь с другими темами

Для изучения световых явлений нужны геометрия углов, построение перпендикуляра и работа с пропорциями. Эти навыки помогают правильно измерять углы, строить нормаль и находить положение изображения.

Тема служит основой для изучения оптических приборов, глаза и зрения. Законы отражения и преломления объясняют действие зеркал, очков, фотоаппаратов, микроскопов и телескопов.

Световые явления связывают физику с биологией зрения и технологией. В глазе линза формирует изображение на сетчатке, а в приборах системы линз изменяют размер и положение изображения.

Что запомнить

• В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.
• Световой луч показывает направление распространения света.
• Угол падения равен углу отражения.
• Углы падения, отражения и преломления отсчитывают от нормали к поверхности.
• При переходе между средами свет может изменять направление.
• Собирающая линза может дать действительное или мнимое изображение.
• Рассеивающая линза для действительного предмета даёт мнимое, прямое и уменьшенное изображение.