"Физика (Базовый и углубленный уровни)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
В однородной прозрачной среде свет распространяется по прямым линиям. Это позволяет изображать его лучами и строить границы освещённых областей. Если на пути находится непрозрачное тело, за ним возникает тень, а при протяжённом источнике — ещё и полутень. Понимание этих явлений помогает объяснить работу камеры-обскуры, построение изображений и солнечные и лунные затмения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Прямолинейное распространение света — распространение света по прямым линиям в однородной прозрачной среде. Однородной называют среду с одинаковыми свойствами во всех точках. Это понятие позволяет изображать путь света лучами и выполнять геометрические построения.
Точечный источник света — источник, размерами которого в данной задаче можно пренебречь. Например, далёкую звезду часто считают точечным источником. Такая модель удобна, когда размеры источника намного меньше расстояний до тела и экрана.
Тень — область пространства, куда не попадает свет от источника. Она появляется за непрозрачным телом, которое закрывает путь лучам. По форме и размерам тени можно судить о расположении источника, тела и экрана.
Полутень — область пространства, освещённая частью протяжённого источника. В ней свет не исчезает полностью, но его приходит меньше, чем в обычной освещённой области. Понятие полутени нужно, чтобы объяснить нечёткие края тени и частные затмения.
Наблюдения за узкими пучками света показывают, что в однородной прозрачной среде пучок сохраняет прямое направление. Если поставить на его пути непрозрачный предмет, он перекроет часть пучка, а за предметом останется неосвещённая область. Поэтому прямолинейное распространение — не просто условный рисунок, а удобная модель, согласующаяся с наблюдениями.
Световой луч изображают линией со стрелкой, указывающей направление движения света. Чтобы найти границу освещённой области, проводят лучи, которые касаются краёв непрозрачного тела. Именно крайние лучи отделяют область, куда свет попадает, от области, закрытой телом.
Непрозрачное тело не пропускает свет через себя, потому что его вещество поглощает или отражает падающее излучение. Лучи от источника, которые направлялись к участку за телом, оказываются перекрыты. Поэтому за телом возникает область тени, особенно хорошо заметная на экране.
Точечный источник можно представить одной светящейся точкой. Все лучи, ограничивающие тень, выходят из одного места, поэтому на экране граница тени получается резкой. У протяжённого источника светящиеся точки расположены рядом и дают разные крайние лучи: часть источника может быть закрыта, а часть — видна.
Размеры тени и полутени зависят от размеров источника и тела, а также от расстояний между ними. При увеличении расстояния от тела до экрана тень обычно расширяется, а при удалении источника от тела угловой размер источника уменьшается и полутень становится уже. При солнечном затмении Луна отбрасывает на Землю тень и полутень: наблюдатели в тени видят полное затмение, а в полутени — частное.
| Ситуация | Источник света | Что попадает на экран | Граница области |
|---|---|---|---|
| Свет распространяется в однородной прозрачной среде | Точечный источник и непрозрачное тело | Полная тень | Резкая граница |
| Протяжённый источник и непрозрачное тело | Протяжённый источник | Полная тень и полутень | Граница полной тени резкая, переход к освещённой области постепенный |
| Солнечное затмение | Солнце, Луна и Земля | Тень и полутень Луны на поверхности Земли | Размер и вид затмения зависят от положения наблюдателя |
Сначала определите, является ли источник точечным или протяжённым, а затем мысленно проведите крайние лучи. Таблица помогает связать вид границы с тем, какая часть источника освещает экран.
Если источник имеет заметные размеры, нельзя ограничиваться одной линией из его центра. Нужно учитывать лучи от крайних точек источника и тела.
Условие. Точечный источник S, непрозрачный шар и экран расположены на одной прямой. Требуется построить границу тени на экране. Размеры шара и расстояния на рисунке в условии не заданы.
Ответ. Границу тени задают два крайних луча от точечного источника, касающиеся шара. Внутри получившейся области свет от S отсутствует, а за её пределами экран освещён.
Условие. Лампа находится в 2 м от непрозрачного диска диаметром 10 см, экран — ещё в 3 м за диском. Считаем лампу точечным источником. Нужно найти диаметр тени на экране.
Ответ. Диаметр полной тени на экране равен 25 см. Тень стала больше диска, потому что крайние лучи от источника расходятся.
Условие. Объясните, почему во время одного солнечного затмения одни наблюдатели видят полное затмение, другие — частное, а некоторые не замечают его. Нужно учесть размеры Солнца, Луны и Земли.
Ответ. Вид затмения определяется положением наблюдателя относительно лунной тени и полутени. Поэтому затмение не бывает одинаковым для всей поверхности Земли.
Считать, что свет всегда распространяется прямолинейно. Ошибка возникает из-за пропуска условия: речь идёт об однородной прозрачной среде. Проверьте, не рассматриваются ли граница сред, отражение, преломление или неоднородность.
Путать тень и полутень. В тени свет от источника отсутствует полностью, а в полутени закрыта только его часть. Для проверки спросите себя, может ли наблюдатель увидеть хотя бы часть протяжённого источника.
Проводить границу от центра источника. Центральный луч показывает направление, но не определяет край области. Границу нужно строить по крайним лучам, проходящим через края тела.
Считать, что любой источник даёт резкую тень. Так бывает только в приближении точечного источника. Если источник имеет заметные размеры, постройте лучи от его крайних точек и найдите полутень.
До изучения темы нужны понятия источника света, прозрачного и непрозрачного тела, светового луча и закона отражения света. Эти знания позволяют правильно описывать путь лучей.
Прямолинейное распространение света лежит в основе геометрической оптики, построения изображений в зеркалах и линзах. По той же идее объясняется работа камеры-обскуры и некоторых оптических приборов.
Тень и полутень помогают понять солнечные и лунные затмения. В расчётах размеров теней используется подобие треугольников.
Почему свет распространяется прямолинейно не во всех средах?
В однородной прозрачной среде её свойства одинаковы во всех точках, поэтому направление распространения света не меняется. На границах сред, в неоднородной среде или при отражении и преломлении свет может изменить направление.
Чем тень отличается от полутени?
В область тени свет от источника не попадает совсем. В полутени видна только часть протяжённого источника, поэтому она освещена слабее полной освещённой области.
Почему у протяжённого источника граница тени получается нечёткой?
Разные точки протяжённого источника посылают лучи в разных направлениях. Одни из них перекрываются телом полностью, а другие — лишь частично, поэтому между тенью и освещённой областью возникает полутень.
Как построить границу тени на экране?
Нужно провести крайние лучи от крайних точек источника через крайние точки непрозрачного тела. Места, где эти лучи пересекают экран, задают границы тени и полутени.
Почему солнечное затмение наблюдается не на всей Земле одновременно?
Луна отбрасывает на Землю небольшую область тени и более широкую полутень. Полное затмение видят наблюдатели в тени, частное — в полутени, а за пределами этих областей затмение не наблюдается.
2. Прямолинейное распространение света. Тень и полутень
