§ 63 Источники света. Распространение света

Определения и обозначения

Источник света — тело, испускающее свет. Если оно существует в природе, как Солнце или звезда, его называют естественным; если создано человеком, например лампа или свеча, — искусственным. Различие помогает описывать происхождение света, а не то, насколько ярким кажется предмет.

Точечный источник света — источник, размерами которого в данной задаче можно пренебречь по сравнению с расстоянием до него. Это не обязательно крошечное тело: лампа может служить такой моделью, если рассматриваемые расстояния намного больше её размеров. Модель упрощает построение схем.

Световой луч — условная линия, показывающая направление распространения света. На рисунке его обычно изображают линией со стрелкой, но в действительности тонкой материальной нити нет. Луч нужен, чтобы наглядно строить ход света и границы тени.

Прямолинейное распространение света — распространение света по прямым линиям в однородной прозрачной среде. Однородная среда имеет одинаковые свойства во всех точках, а прозрачная пропускает свет. Это правило помогает предсказывать, куда свет попадёт и какие области останутся неосвещёнными.

Как это устроено

Источниками называют именно тела, которые сами испускают свет. В природе свет излучают Солнце и звёзды, а человек создаёт искусственные источники — например, электрические лампы и фонари. Пламя свечи тоже испускает свет, хотя сама свеча была изготовлена человеком. Деление на естественные и искусственные показывает, откуда появился источник, а не каким способом свет доходит до наблюдателя.

Некоторые предметы хорошо видны, но собственного света не излучают. Свет от лампы или Солнца падает на их поверхность, отражается и попадает в глаза, поэтому предмет становится видимым. Именно так мы видим Луну и освещённую стену. Если убрать освещение, такие тела сами не смогут послать свет наблюдателю.

Размеры источника иногда мешают простому описанию: свет выходит из разных его точек и может идти по различным направлениям. Если источник мал по сравнению с расстояниями до предметов, различием между этими точками можно пренебречь. Тогда его удобно считать точечным и строить схему так, словно свет исходит из одной точки. Если размеры сравнимы с расстояниями, такое упрощение может дать неверный результат.

Направление распространения света изображают световым лучом. Это модель, то есть удобный способ рассуждать и делать чертёж, а не тонкий предмет внутри светового пучка. Лучи проводят прямыми линиями и отмечают стрелками, куда движется свет. Такая схема помогает проследить, какие участки экрана освещены, а какие закрыты предметом.

В прозрачной однородной среде свойства среды не меняются от точки к точке, поэтому в рассматриваемой модели свет идёт по прямой. Непрозрачный предмет преграждает часть этих прямых путей: свет за ним не проходит. В результате за предметом появляется область, куда не попадает свет от источника, — тень. Если источник имеет заметные размеры, разные его точки могут освещать край тени по-разному; для простой схемы его часто сначала принимают точечным.

Источники света и модели для описания света

Сначала определите, описывает ли строка реальный вид источника или удобную модель. Затем сверьте пример с условием задачи: один и тот же источник можно считать точечным только при подходящем соотношении размеров и расстояний. Световой луч используют на схеме, чтобы показать направление распространения, а не форму самого светового пучка.

Разбор задач

Какие тела являются источниками света?

Условие: нужно определить, какие из перечисленных тел являются источниками света: Солнце, Луна, зажжённая свеча, освещённая стена. Важно выяснить не просто, какие тела видны, а какие из них сами испускают свет. Для этого проверим происхождение света от каждого тела.

1. Солнце испускает собственный свет, поэтому это естественный источник.
2. Луна отражает солнечный свет и сама его не испускает, значит, источником её не считаем.
3. Пламя зажжённой свечи излучает свет, поэтому свеча служит искусственным источником.
4. Стена получает свет от других тел и отражает его, но собственного света не испускает.

Ответ: источниками света являются Солнце и зажжённая свеча. Луна и освещённая стена видны благодаря отражению. Проверка простая: спросите, продолжит ли тело испускать свет, если на него не направлен свет другого источника.

Как изобразить свет от лампы к экрану?

Условие: маленькая лампа освещает экран, требуется начертить схему и решить, можно ли считать лампу точечным источником. Без размеров лампы и расстояний нельзя дать окончательное решение заранее. Поэтому сначала обозначим схему, а затем оценим применимость модели.

1. Нарисуйте лампу точкой, если её размеры малы относительно расстояния до экрана.
2. Обозначьте экран отрезком и проведите от точки к нему несколько прямых линий со стрелками, направленными от лампы.
3. Сравните размер лампы с расстоянием до экрана. Если размер намного меньше расстояния, точечная модель подходит; если они сравнимы, нужно учитывать протяжённость источника.

Ответ: при достаточно большой дистанции лампу можно изобразить точкой, а направление света — прямыми лучами. Если расстояние мало по сравнению с размерами лампы, утверждать, что источник точечный, нельзя. На схеме лучи служат условными линиями, а не изображением отдельных нитей света.

Где за предметом появится тень?

Условие: между небольшим источником света и экраном поставили непрозрачный предмет. Нужно провести лучи и найти место тени. Считаем источник точечным, а среду между телами — однородной и прозрачной, чтобы применить прямолинейное распространение.

1. Изобразите источник точкой, предмет и экран за ним.
2. Проведите прямые от источника через края предмета и продолжите их до экрана. Эти линии показывают границы области, которую предмет закрывает от источника.
3. Отметьте на экране участок между граничными линиями: прямой свет туда не попадает. Остальная часть экрана остаётся освещённой лучами, которые не перекрыты предметом.

Ответ: тень возникнет на экране за непрозрачным предметом, в области, закрытой от источника. Построение работает потому, что световые пути в выбранных условиях прямые. Если источник нельзя считать точечным, схема может потребовать дополнительного рассмотрения краёв тени.

Типичные ошибки

Считать Луну источником света. Так думают, потому что Луна ярко видна на ночном небе. Но видимость объясняется отражением солнечного света, а не собственным излучением Луны. Проверьте себя вопросом: излучает ли тело свет само или только отражает чужой?

Называть луч реальной тонкой линией. На чертеже луч выглядит как линия, поэтому схему легко принять за изображение предмета. На самом деле это условная модель направления распространения света. Проверка: стрелка на линии обозначает направление, а сама линия не является материальной нитью.

Считать любой источник точечным. Упрощение кажется удобным, но источник может быть большим относительно расстояний в задаче. Тогда свет выходит из разных его частей и модель одной точки не описывает ситуацию точно. Сравните размеры источника с расстояниями: пренебрегать ими можно лишь при подходящем соотношении.

Утверждать, что свет всегда идёт по прямой. Это правило применяют к распространению в однородной прозрачной среде, а не без всяких условий. Ошибка возникает, когда забывают уточнить свойства среды. Перед построением схемы проверьте, что рассматриваемая среда прозрачна и однородна.

Связь с другими темами

Для этой темы пригодятся знания о прозрачных и непрозрачных телах: они помогают понять, проходит ли свет через предмет или задерживается им. Отражение объясняет, почему мы видим тела, которые сами не излучают свет. Прямолинейное распространение применяют при разборе тени, полутени и солнечных и лунных затмений. Модель светового луча понадобится далее при построении изображений в зеркалах и линзах.

Что запомнить

• Источник света сам испускает свет.
• Источники света бывают естественными и искусственными.
• Освещённое тело может быть видимым, не являясь источником света.
• Точечный источник — приближение, применяемое при подходящих размерах и расстояниях.
• Световой луч условно показывает направление распространения света.
• В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.
• Образование тени объясняется прямолинейным распространением света.