"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
В однородной среде свет распространяется по прямым линиям — это называют законом прямолинейного распространения света. Для описания направления используют световые лучи: это условная модель, а не тонкие нити света. Закон помогает объяснить, почему за непрозрачным предметом появляется тень, как возникают полутень и затмения. С его помощью можно также строить границы тени и решать задачи на подобие треугольников.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Однородная среда — среда, свойства которой одинаковы во всех точках. Например, в прозрачном чистом веществе в разных местах свет встречает одинаковые условия. Поэтому при движении по такой среде его направление не меняется, и ход света удобно изображать прямой линией.
Световой луч — линия, показывающая направление распространения света. Это модель, то есть условный способ описания, а не тонкий светящийся предмет. Лучи помогают строить ход света и определять, где окажутся освещённые области и тень.
Закон прямолинейного распространения света гласит: в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Он применим, когда среда однородна и мы рассматриваем распространение света в ней, а не его отражение или преломление на границе. Закон позволяет объяснить образование теней и строить направление световых лучей.
Тень — область, куда свет от источника не попадает из-за непрозрачного тела. Если источник точечный, тень имеет резкую границу и целиком не освещена. Протяжённый источник может создать рядом с полной тенью полутень — область, куда попадает свет только от части источника.
В чистой среде узкий пучок света позволяет проследить его распространение: виден пучок, а не отдельная линия. Чтобы описывать направление такого пучка, вводят модель светового луча. Чем уже пучок, тем точнее его можно представить одной линией; модель особенно удобна для построений. Она не означает, что внутри пучка существует отдельная светящаяся нить.
Прямолинейный ход света можно проверить с помощью нескольких экранов с небольшими отверстиями. Если отверстия расположены на одной прямой, узкий пучок проходит через каждое и достигает последнего экрана. Если одно отверстие сместить, луч упирается в непрозрачную часть экрана. Это происходит потому, что в однородной среде свет не огибает препятствие, чтобы попасть в смещённое отверстие.
Когда на пути света оказывается непрозрачный предмет, он закрывает часть лучей, и за ним возникает тень. Её границу можно найти, проведя лучи от источника через края предмета: внутри границы свет перекрыт, а снаружи лучи достигают поверхности. Поэтому форма тени зависит от формы предмета, его положения и направления света. При точечном источнике лучи расходятся от одной точки, и переход от освещённой области к тени получается резким.
У протяжённого источника свет выходит из разных его точек. Предмет может закрыть источник полностью для одних участков за собой и лишь частично для других: первые образуют полную тень, вторые — полутень. В полутени освещённость меньше, потому что до неё доходит свет только от части источника. Чем больше источник и чем дальше от него предмет, тем заметнее может быть полутеневая область.
Солнечные и лунные затмения также объясняются тем, что непрозрачное тело перекрывает прямые лучи Солнца. При солнечном затмении Луна проходит между Солнцем и Землёй, поэтому её тень падает на часть Земли. При лунном затмении Земля оказывается между Солнцем и Луной, и Луна попадает в земную тень. Затмения возможны при определённом взаимном расположении этих тел.
| Ситуация | Что наблюдаем | Какой вывод делаем |
|---|---|---|
| Свет проходит через несколько соосных отверстий | Пучок достигает последнего экрана, если отверстия лежат на одной прямой | В однородной среде свет идёт прямолинейно |
| Непрозрачное тело освещено точечным источником | За телом видна тень с резкой границей | Источник освещает тело по прямым направлениям, которые оно перекрывает |
| Непрозрачное тело освещено протяжённым источником | Наблюдаются полная тень и полутень | Разные участки источника частично или полностью закрыты телом |
| Земля или Луна оказываются на пути света | Одно небесное тело попадает в тень другого или отбрасывает свою тень | Затмения связаны с прямолинейным распространением света |
В таблице сопоставлены наблюдение и вывод, который можно сделать, если учитывать прямолинейный ход света. Сначала определи, что именно перекрывает свет, затем проследи, куда направлены лучи. Так легче отличить подтверждение закона от простого описания явления.
Узкий пучок света проходит через три отверстия в экранах. Нужно определить, при каком взаимном расположении отверстий свет достигнет последнего экрана. Ищем условие, при котором прямой путь пучка не будет перекрыт экранами. Здесь важна не форма отверстий, а их положение относительно друг друга.
Ответ: свет достигнет последнего экрана, если центры всех трёх отверстий лежат на одной прямой.
Вертикальный предмет высотой 1,5 м отбрасывает тень длиной 2 м. Дерево рядом отбрасывает тень длиной 8 м. Нужно найти высоту дерева, учитывая, что оба предмета освещены одинаково. Граничные лучи и вертикальные предметы образуют два прямоугольных треугольника. Их углы равны, поэтому треугольники подобны.
Ответ: высота дерева равна 6 м.
Точечный источник находится в 1 м от непрозрачного предмета, экран — в 3 м от предмета, высота предмета равна 10 см. Требуется найти высоту тени на экране. Построим два граничных луча от источника через верхний и нижний края предмета. Получившиеся треугольники подобны, так как их границы образованы теми же лучами.
Ответ: высота тени на экране равна 40 см.
Световой луч иногда принимают за реальную тонкую нить света. Такое представление возникает из-за того, что луч рисуют одной линией, но линия лишь обозначает направление пучка. Проверка: спроси себя, можно ли увидеть или потрогать нарисованную линию как отдельное тело. Нет — это модель для описания распространения света.
Ещё одна ошибка — утверждать, что свет всегда идёт по прямой. Так забывают условие закона: он относится к распространению света в однородной среде. Если среда неоднородна или свет встречает границу сред, направление может измениться. Перед применением закона проверь, в какой среде рассматривается ход света.
Полутень часто путают с полной тенью и считают её совсем неосвещённой. Путаница связана с тем, что обе области находятся за предметом и выглядят темнее освещённой поверхности. Проверь, доходит ли свет от части протяжённого источника: если доходит, это полутень, а если не попадает совсем — полная тень.
При построении границ тени можно провести граничные лучи не от источника, а, например, от предмета к экрану. Тогда границы и размер тени определяются неверно, потому что луч должен показывать путь света. Проводи лучи от источника через края предмета и продолжай их до экрана. Проверка проста: предмет должен перекрывать область, в которую лучи не попадают.
Чтобы разобраться в теме, нужно знать, что свет переносит энергию, и уметь описывать направление его распространения. Эти представления позволяют перейти от наблюдения пучка к модели луча. Прямолинейный ход света используют при изучении отражения и преломления, а также при построении изображений в оптических приборах. Он помогает объяснять тени и затмения, связывая геометрию с наблюдаемыми явлениями.
Что называют световым лучом?
Световой луч — условная линия, показывающая направление распространения света. Он помогает описывать ход света, но не является реальной тонкой светящейся нитью.
Почему свет распространяется прямолинейно только в однородной среде?
В однородной среде её свойства одинаковы в каждой точке, поэтому направление распространения света не меняется. Если свойства среды меняются, свет может отклоняться, поэтому закон прямолинейного распространения применяют именно к однородной среде.
Как проверить прямолинейность распространения света с помощью отверстий?
Нужно расположить несколько экранов с отверстиями так, чтобы отверстия находились на одной прямой. Свет пройдёт через них, если они соосны; смещение хотя бы одного отверстия перекроет узкий пучок.
Чем полутень отличается от полной тени?
В полной тени свет от источника не попадает совсем. Полутень освещена частично: из-за размеров протяжённого источника часть его света доходит до этой области.
Почему происходят солнечные и лунные затмения?
Затмения происходят, когда Солнце, Земля и Луна располагаются так, что одно небесное тело преграждает свет другому. При солнечном затмении Луна закрывает для наблюдателя часть Солнца, а при лунном Земля заслоняет солнечный свет, падающий на Луну.
31. Распространение света в однородной среде
