"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Свет распространяется, отражается и преломляется, а линзы помогают изменять направление лучей и получать изображения предметов. Эти явления объясняют образование тени и затмений, работу зеркал, очков и оптических приборов. Для их изучения используют модель светового луча и простые правила построения. Главное — понимать, от чего отсчитывают углы, как меняется направление луча на границе сред и как положение предмета относительно фокуса влияет на изображение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Световой луч — модель, показывающая направление распространения света. Ею удобно пользоваться, когда важно проследить путь света, но не нужно изображать ширину пучка; луч помогает строить тени и изображения.
Отражение света — изменение направления света на границе сред, при котором луч возвращается в исходную среду. Закон отражения гласит: угол падения равен углу отражения, а падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр к поверхности лежат в одной плоскости.
Преломление света — изменение направления луча при переходе из одной прозрачной среды в другую. Оно возникает потому, что в разных средах свет распространяется с разной скоростью; направление зависит от того, в какую среду переходит луч.
Линза — прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями. Собирающая линза сводит параллельные лучи, а рассеивающая разделяет их; различие нужно, чтобы предсказывать ход лучей и вид изображения.
В однородной прозрачной среде свет идёт по прямой, поэтому непрозрачный предмет преграждает лучам путь и за ним возникает тень. Если источник имеет заметные размеры, часть лучей перекрывается, а часть проходит: между освещённой областью и полной тенью появляется полутень. При затмении Солнца Луна закрывает для наблюдателя часть или весь солнечный диск, а при затмении Луны тень Земли падает на Луну. Все эти явления можно объяснить, проводя прямые лучи от источника и отмечая, где предмет их перекрывает.
Чтобы описать отражение, в точке падения луча мысленно проводят перпендикуляр к поверхности. Падающий луч, отражённый луч и этот перпендикуляр лежат в одной плоскости, потому что направление отражённого луча определяется направлением падающего и ориентацией поверхности. Угол падения равен углу отражения, и оба измеряют от перпендикуляра. Поэтому зеркало меняет направление луча предсказуемо: зная угол падения, можно построить отражённый луч симметрично относительно перпендикуляра.
При переходе через границу сред скорость света меняется, и из-за этого меняется направление распространения луча. Если свет попадает в оптически более плотную среду, он отклоняется к перпендикуляру; если выходит в менее плотную — от него. Например, при переходе из воздуха в воду луч обычно приближается к перпендикуляру, а при выходе из воды в воздух удаляется от него. При падении точно по перпендикуляру направление не меняется, хотя скорость света в среде становится другой.
Форма линзы определяет, что происходит с параллельными лучами. У собирающей линзы середина толще краёв, и после неё лучи сходятся в фокусе; у рассеивающей линзы середина тоньше, и лучи расходятся так, будто вышли из фокуса перед линзой. Фокусное расстояние — расстояние от линзы до фокуса. Чем ближе фокус к линзе, тем сильнее линза изменяет направление параллельных лучей.
Изображение получают, прослеживая лучи от точек предмета после прохождения через линзу. Для построения обычно используют два главных луча: луч, идущий параллельно главной оптической оси, после собирающей линзы проходит через фокус, а луч через оптический центр считают практически не меняющим направление. Если сами лучи пересекаются, изображение действительное; если пересекаются только их продолжения, оно мнимое. У собирающей линзы предмет за фокусом даёт действительное перевёрнутое изображение, но его размер зависит от расстояния до линзы: для точного определения нужно знать, находится ли предмет дальше двойного фокусного расстояния.
| Понятие или явление | Что происходит со светом | Основное правило или характеристика | Пример применения |
|---|---|---|---|
| Прямолинейное распространение | Свет идёт по прямой в однородной прозрачной среде. | Непрозрачное тело перекрывает лучи и создаёт тень. | Объяснение тени и затмений. |
| Отражение | Луч меняет направление на границе и возвращается в прежнюю среду. | Угол падения равен углу отражения; углы отсчитывают от перпендикуляра. | Зеркало. |
| Преломление | Луч меняет направление при переходе между прозрачными средами. | В более плотную среду — к перпендикуляру, в менее плотную — от него. | Линза, изменение видимого положения предмета в воде. |
| Собирающая линза | Параллельные лучи после линзы сходятся. | Луч проходит через фокус; изображение зависит от положения предмета. | Лупа, объектив фотоаппарата. |
| Рассеивающая линза | Параллельные лучи после линзы расходятся. | Продолжения лучей пересекаются в мнимом фокусе. | Очки для коррекции близорукости. |
Сначала найдите явление или устройство, затем проследите, как оно меняет лучи. Последний столбец помогает связать правило с устройством из повседневной жизни. Для задач о линзах дополнительно проверяйте положение предмета относительно фокуса.
Условие. Источник света и непрозрачный предмет расположены перед экраном. Нужно объяснить появление тени и определить, как изменится её размер, если предмет приблизить к источнику. Считаем источник точечным, чтобы рассуждать о чёткой границе тени.
Ответ. Предмет перекрывает прямолинейно распространяющийся свет, поэтому на экране возникает тень. При приближении предмета к источнику размер тени увеличивается; при протяжённом источнике вместо резкой границы может быть полутень.
Условие. Луч падает на плоское зеркало под заданным углом к поверхности. Требуется найти угол отражения и показать направление отражённого луча. Обозначим угол к поверхности через α, чтобы не спутать его с углом падения.
Ответ. Угол отражения равен 90° − α, если заданный угол α измерен между лучом и поверхностью. Например, при α = 30° угол отражения составляет 60°. Для построения луча отразите падающий луч относительно перпендикуляра, а не относительно зеркала.
Условие. Предмет расположен перед собирающей линзой дальше её фокуса. Нужно построить изображение и указать его свойства. Одного условия «дальше фокуса» достаточно для определения типа и ориентации изображения, но не для точного размера или расстояния до него.
Ответ. Лучи пересекутся по другую сторону линзы, поэтому изображение действительное и перевёрнутое. Его размер зависит от того, насколько далеко предмет находится относительно фокусного расстояния: дальше двойного фокусного расстояния изображение уменьшенное, между фокусом и двойным фокусом — увеличенное.
Углы падения и отражения иногда измеряют от поверхности, потому что именно она видна на рисунке. Закон отражения требует отсчитывать оба угла от перпендикуляра, проведённого в точке падения. Проверьте построение: если мысленно отразить падающий луч относительно перпендикуляра, отражённый луч должен совпасть с построенным.
Ошибочно считать, что при преломлении луч всегда идёт к перпендикуляру. Направление зависит от того, в какую среду переходит свет: к перпендикуляру — при переходе в оптически более плотную, от него — в менее плотную. Перед построением подпишите среды и определите направление перехода.
Собирающая линза не всегда создаёт действительное изображение: если предмет находится внутри фокусного расстояния, изображение мнимое. Эту ошибку допускают, запоминая только случай, когда предмет стоит за фокусом. Проверьте расстояние до предмета: если оно меньше фокусного, пересекаться будут продолжения лучей, а не сами лучи.
При построении изображения лучи после линзы могут продолжить не по правилам, и тогда пересечение окажется в неверном месте. Используйте главные лучи: параллельный оси после собирающей линзы проходит через фокус, а луч через оптический центр идёт прямо. Проверьте результат вторым лучом: оба должны встретиться в одной точке изображения.
Для изучения световых явлений нужно знать, что свет распространяется, и уметь изображать его путь лучами. Отражение света можно сравнить с отражением звука: в обоих случаях волна меняет направление на границе, хотя природа света и звука различна. Представления о преломлении и линзах понадобятся при изучении глаза, очков и оптических приборов. Построение изображений помогает понять, как такие приборы передают или изменяют вид предметов.
Почему за непрозрачным предметом возникает тень?
Свет в однородной прозрачной среде распространяется прямолинейно. Непрозрачный предмет перекрывает лучи, поэтому за ним образуется область, куда свет не попадает, — тень.
От чего отсчитывают угол падения света?
Угол падения отсчитывают от перпендикуляра к поверхности в точке, куда падает луч. Угол между лучом и самой поверхностью для закона отражения не используют.
Почему свет меняет направление при переходе из воздуха в воду?
В воздухе и воде свет распространяется с разной скоростью. Из-за этого при переходе через границу сред луч меняет направление: при переходе в оптически более плотную среду он отклоняется к перпендикуляру.
Чем собирающая линза отличается от рассеивающей?
Собирающая линза после прохождения через неё сводит параллельные лучи к фокусу. Рассеивающая линза делает параллельный пучок расходящимся; его лучи как будто выходят из мнимого фокуса.
Когда собирающая линза даёт мнимое изображение?
Когда предмет находится между линзой и её фокусом, то есть ближе к линзе, чем фокусное расстояние. Лучи после линзы расходятся, а изображение получается при пересечении их продолжений.
Основное в главе 4
