"Физика", Грачёв А.В., Погожев В.А., Боков П.Ю.
Свет в однородной прозрачной среде распространяется по прямым линиям. Это свойство описывает закон прямолинейного распространения света и помогает объяснить появление тени, солнечных и лунных затмений. Световой луч используют как модель направления движения света, а световой пучок рассматривают как совокупность лучей. По крайним лучам можно построить границы тени, а с помощью камеры-обскуры получить перевёрнутое изображение предмета.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Световой луч — геометрическая линия, показывающая направление распространения света. Это не настоящая тонкая нить света, а удобная модель для построения схем. С помощью луча определяют, куда движется свет от источника.
Световой пучок — совокупность световых лучей, распространяющихся в одном направлении или из одной области пространства. Например, от фонаря выходит пучок, в котором можно выделить множество отдельных направлений. Такое представление помогает изучать действие всего потока света через несколько лучей.
Закон прямолинейного распространения света утверждает: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Однородной называют среду с одинаковыми свойствами во всех точках, например чистый воздух в обычных условиях. Закон позволяет предсказывать путь света и строить изображения.
Тень — область пространства, куда не попадает свет от источника из-за непрозрачного тела. Она появляется потому, что тело преграждает часть прямых лучей. По форме и границам тени можно судить о положении источника, тела и экрана.
В однородной прозрачной среде свет встречает одинаковые условия на всём пути. Поэтому его направление не изменяется, и луч сохраняет вид прямой линии. Если свойства среды меняются от точки к точке, например из-за неодинаковой плотности воздуха, луч может отклоняться, поэтому условие однородности обязательно.
Источник света испускает свет во многих направлениях, поэтому от него расходится пучок. Изучать сразу все направления сложно, и пучок мысленно разделяют на отдельные лучи. Каждый луч показывает один возможный путь света, а вместе они позволяют понять форму освещённой области и тени.
Когда на пути пучка оказывается непрозрачное тело, оно не пропускает лучи сквозь себя. Лучи, которые могли бы пройти дальше, задерживаются, а пространство позади тела остаётся без прямого света. Так возникает тень, причём её положение зависит от взаимного расположения источника, тела и поверхности, на которой её наблюдают.
Границы тени задают крайние лучи — те, которые проходят от источника через крайние точки тела. Если мысленно продолжить их до экрана, они покажут боковые границы затемнённой области. По этому же принципу объясняются затмения: Луна закрывает солнечный свет для части Земли, а Земля преграждает солнечные лучи, падающие на Луну.
Камера-обскура состоит из непрозрачной коробки с маленьким отверстием и экраном внутри. Лучи от каждой точки предмета идут прямолинейно, а через отверстие проходят только в узком направлении. Луч от верхней части попадает вниз, а от нижней — вверх, поэтому на экране возникает перевёрнутое изображение.
| Ситуация | Ход световых лучей | Наблюдаемый результат |
|---|---|---|
| Распространение света в однородной прозрачной среде | Световые лучи идут по прямым линиям | Можно определить направление распространения света |
| Непрозрачное тело на пути света | Часть прямолинейных лучей задерживается телом | За телом возникает тень |
| Точечный источник и непрозрачное тело | Крайние лучи проходят через края тела | Образуется область полной тени с чёткими границами |
| Камера-обскура | Лучи от разных точек предмета проходят через малое отверстие прямолинейно | На экране получается перевёрнутое изображение |
Сначала найдите источник света и непрозрачное тело, а затем проследите путь нескольких лучей. Для построения тени особенно важны крайние лучи: именно они определяют её границу. Таблица помогает связать ход лучей с результатом, который можно наблюдать.
Задача 1. Точечный источник освещает непрозрачный шар, расположенный перед экраном. Требуется построить границы тени и указать лучи, которые их образуют. Так как источник точечный, границу можно определить двумя крайними направлениями света.
Границы тени образуют крайние лучи, касательные к шару. Все лучи, проходящие внутри этих направлений, задерживаются шаром или не достигают соответствующей области экрана.
Задача 2. Высота предмета H = 2 см, расстояние до отверстия a = 1,5 м, расстояние от отверстия до экрана b = 10 см. Найдём высоту изображения h, используя подобие треугольников, образованных прямыми лучами.
Ответ: высота изображения примерно 0,13 см, или 1,3 мм. Изображение будет перевёрнутым, но его размер определяется тем же отношением расстояний.
Задача 3. Источник находится в 1 м от диска диаметром 4 см, а экран — в 2 м за диском. Нужно найти диаметр полной тени. Крайние лучи образуют подобные треугольники, поэтому тень увеличивается пропорционально расстоянию от источника.
Ответ: диаметр полной тени на экране равен 12 см. При точечном источнике граница такой тени считается чёткой.
Считают, что свет всегда идёт по прямой. Так забывают условие однородной прозрачной среды, потому что в простых опытах оно обычно выполняется незаметно. Проверьте, не проходит ли свет через границу сред или область с неодинаковыми свойствами.
Путают луч с тонкой полоской света. Луч принимают за самостоятельный физический предмет, хотя это геометрическая модель направления. Проверьте себя: луч на схеме можно продолжить прямой линией, не приписывая ему толщину.
Проводят границу тени произвольно. Ошибка возникает, если не учитывать направление от источника к телу и экрану. Для проверки проведите именно крайние лучи через крайние точки тела, а не линии через случайные точки.
Забывают переворот изображения в камере-обскуре. Иногда считают, что отверстие только уменьшает предмет, но не меняет его положение. Проверьте ход двух лучей: верхний должен попасть вниз, а нижний — вверх.
До изучения закона нужны понятия источника света, прозрачного и непрозрачного тела, а также умение строить прямые линии. Закон объясняет образование тени, полутени, солнечных и лунных затмений. Позже он поможет понять отражение и преломление света, работу оптических приборов и построение изображений.
Почему свет распространяется прямолинейно не во всех средах?
Закон выполняется в однородной прозрачной среде, свойства которой одинаковы во всех точках. При переходе в другую среду или при изменении её свойств свет может преломляться и менять направление.
Чем световой луч отличается от светового пучка?
Световой луч — это модель, показывающая одно направление распространения света. Световой пучок состоит из множества лучей, которые идут примерно в одном направлении или выходят из одной области.
Почему за непрозрачным телом образуется тень?
Непрозрачное тело не пропускает свет через себя. Поэтому за ним появляется область, куда не доходят прямолинейные лучи от источника.
Как построить границы тени на экране?
Нужно провести крайние лучи от источника через крайние точки непрозрачного тела и продолжить их до экрана. Точки пересечения этих лучей с экраном задают границы тени.
Почему изображение в камере-обскуре получается перевёрнутым?
Лучи от верхней точки предмета проходят через отверстие и попадают на нижнюю часть экрана, а лучи от нижней точки — на верхнюю. Поэтому изображение меняется местами по вертикали и получается перевёрнутым.
§ 40. Закон прямолинейного распространения света
