Тема 14. Введение в оптику

Определения и обозначения

Оптика — раздел физики, изучающий световые явления и взаимодействие света с веществом. Она помогает описывать, как свет распространяется и почему мы видим предметы. Эти знания применяют, например, при объяснении отражения и образования тени.

Источник света — тело, излучающее свет. Источники бывают естественными, возникающими в природе, и искусственными, созданными человеком. Это понятие нужно, чтобы отличать тела, которые сами посылают свет, от тех, что лишь отражают его.

Точечный источник света — источник, размерами которого в данной задаче можно пренебречь по сравнению с расстояниями до рассматриваемых объектов. Это не означает, что источник совсем лишён размеров: его считают точечным только для удобства расчёта или построения. Модель полезна, когда размеры источника почти не влияют на ответ.

Световой луч — условная линия, показывающая направление распространения света. Луч не является отдельным предметом или тонкой нитью. С его помощью удобно изображать путь света в оптических задачах.

Как это устроено

Оптика изучает распространение света, его взаимодействие с веществом и явления, которые возникают при этом. Свет может доходить до предметов, отражаться от них или менять направление при переходе из одной среды в другую. Поэтому оптические явления связаны не только с источником, но и с тем, на что свет попадает. Рассматривая весь путь света, можно объяснить, почему меняется вид предмета или куда он становится виден.

Мы видим тело, когда свет от него попадает в глаз. Если тело само излучает свет, он идёт прямо от него; если нет, тело должно быть освещено другим источником и отражать его свет. Например, в темноте книгу без освещения не видно, потому что от неё почти не поступает свет в глаз. При включённой лампе свет отражается от страниц, и часть его достигает наблюдателя.

Источники делят на естественные и искусственные по их происхождению. Солнце и звёзды — естественные источники, потому что существуют без изготовления человеком и излучают свет. Лампа, экран телефона и зажжённая свеча — искусственные источники, поскольку их создаёт или зажигает человек. Такое деление описывает происхождение источника, а не яркость его света.

Модель точечного источника вводят, чтобы упростить описание света, когда форма и размер источника несущественны. Для этого сравнивают размеры источника с расстоянием до объекта: если источник намного меньше этого расстояния, его часто допустимо считать точечным. Например, далёкий огонёк может казаться точечным, хотя в действительности лампа или маяк имеют заметные размеры. Если изучают тень от близкой большой лампы, учитывать её протяжённость уже важно.

Световой луч используют как наглядную модель направления, потому что реальный свет не выглядит в обычных условиях тонкой линией. На схеме луч показывает, куда распространяется свет и как меняется его направление при взаимодействии с поверхностью. Это упрощает построение пути от источника к предмету, а затем к глазу. Модель не описывает все свойства света, но удобна для разбора многих задач школьной оптики.

Светящиеся и освещённые тела

Чтобы пользоваться таблицей, сначала выясни, светится ли тело само или получает свет от другого источника. Затем проследи, какой свет попадает в глаз: собственный или отражённый. Одно и то же тело может быть источником в одном случае и освещённым — в другом, если его способность излучать меняется.

Разбор задач

Какие тела являются источниками света?

Даны Солнце, Луна, зажжённая лампа и книга при дневном освещении. Нужно определить, какие из них излучают собственный свет, а какие только отражают чужой. Видимости самой по себе недостаточно, чтобы назвать тело источником.

1. Проверяем Солнце: оно излучает свет, поэтому является естественным источником.
2. Луна не излучает видимый солнечный свет, а отражает его; книга при дневном освещении тоже отражает свет, поэтому обе не являются источниками собственного света.
3. Зажжённая лампа излучает свет, следовательно, это искусственный источник. Различаем собственное излучение и отражение, а не просто видимость тела.

Ответ: источники света — Солнце и зажжённая лампа; Луна и книга отражают свет.

Можно ли считать маяк и лампу точечными источниками?

С берега наблюдают далёкий маяк, а при изучении освещённости стола рассматривают близкую протяжённую лампу. Решение зависит не от того, что источник назван маяком или лампой, а от размеров источника относительно расстояния до изучаемого объекта. Нужно оценить, существенно ли повлияет размер на результат.

1. Для далёкого маяка расстояние от берега до него обычно намного больше размеров его светящейся части. Поэтому в задаче, где не важны подробности формы луча и пятна света, маяк можно приближённо считать точечным.
2. Близкая протяжённая лампа имеет заметные размеры по сравнению с расстоянием до стола. Если изучают распределение освещённости или тень, этими размерами пренебрегать нельзя.
3. Сравниваем размер источника и расстояние до объекта, а затем проверяем, повлияет ли приближение на требуемый ответ. Условия задачи определяют, подходит ли модель.

Ответ: далёкий маяк часто можно считать точечным; близкую лампу при изучении освещённости стола обычно рассматривают как протяжённый источник.

Как показать путь света от лампы к глазу через зеркало?

Нужно изобразить, как наблюдатель видит свет лампы в зеркале, и обозначить направления распространения. Зеркало не создаёт свет, а отражает падающий на него свет. Поэтому путь на схеме должен начинаться у источника и продолжаться от зеркала к глазу.

1. Изобрази лампу и зеркало, затем проведи стрелку от лампы к точке на зеркале: это направление падающего света.
2. От той же точки проведи вторую стрелку к глазу наблюдателя. Это отражённый свет, который и позволяет увидеть изображение лампы в зеркале.
3. Обозначь обе линии как световые лучи и направь стрелки по ходу света. Линии показывают направление распространения, а не материальные нити.

Ответ: путь света на схеме — лампа → зеркало → глаз; стрелки показывают сначала падение, затем отражение света.

Типичные ошибки

Луну иногда называют источником собственного света, потому что она ярко видна на ночном небе. Но её видимость объясняется отражением солнечного света от поверхности. Проверь себя вопросом: продолжала бы Луна светиться так же, если бы на неё не падал свет от Солнца? В этой модели Луна — освещённое тело.

Называть светящимся любое видимое тело — значит путать источник и отражатель. Книга на свету видна, но светит не сама: она отражает свет лампы или Солнца. Чтобы проверить ответ, проследи, откуда свет пришёл в глаз. Если он сначала исходил от другого тела, рассматриваемый предмет освещён.

Точечный источник не является источником, у которого физически нет размеров. Это приближение, которое допустимо лишь при подходящем соотношении размеров и расстояний. Ошибку можно заметить, спросив, изменит ли учёт размеров результат задачи. Если изменит, модель точечного источника применять нельзя.

Световой луч иногда представляют тонкой материальной нитью. Однако это условная линия на схеме, которая обозначает направление света, а не объект, который можно потрогать. Луч помогает строить и объяснять путь света. Чтобы проверить себя, различай нарисованное обозначение и физическое явление, которое оно описывает.

Связь с другими темами

Перед изучением оптики полезно знать, что такое источник энергии, и различать излучение и отражение: первое помогает понять, откуда берётся свет, второе — почему видны не светящиеся тела. Представление о световых лучах пригодится при разборе прямолинейного распространения света, тени и полутени. Понятия источника и луча также используют при изучении отражения и преломления. Поэтому умение прослеживать путь света станет основой для следующих тем.

Что запомнить

• Оптика изучает световые явления.
• Источники света излучают свет.
• Видимое тело не обязательно является источником света.
• Освещённое тело отражает падающий на него свет.
• Точечный источник — модель, применимая, когда размерами источника можно пренебречь.
• Световой луч условно показывает направление распространения света.