"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Световые лучи помогают описывать, куда распространяется свет и как он меняет направление. С их помощью можно объяснить появление тени, построить изображение в зеркале и понять, как работают линзы. Для отражения угол падения равен углу отражения, а при переходе света между прозрачными средами обычно меняются его скорость и направление. Собирающая и рассеивающая линзы по-разному изменяют ход лучей и создают изображения с разными свойствами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Световой луч — условная линия, показывающая направление распространения света. Эта модель удобна, когда шириной светового пучка можно пренебречь. По лучам строят ход света в зеркалах и линзах.
Отражение света — изменение направления света на границе двух сред, при котором свет возвращается в прежнюю среду. Угол падения равен углу отражения, и оба угла измеряют от нормали — перпендикуляра к поверхности в точке падения. Закон нужен, чтобы находить направление отражённого луча.
Преломление света — изменение направления луча при переходе из одной прозрачной среды в другую. Оно связано с тем, что в разных средах свет распространяется с разной скоростью. Понимание преломления помогает объяснить ход лучей в линзах.
Линза — прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями. Собирающая линза сводит параллельные лучи к фокусу, а рассеивающая делает их расходящимися. Различие важно для построения изображений и понимания работы оптических приборов.
В однородной прозрачной среде свойства вещества одинаковы в каждой точке, поэтому свет не меняет направление и идёт по прямой. Если на его пути стоит непрозрачный предмет, лучи не могут пройти сквозь него. За предметом остаётся область, куда свет от источника не попадает, — тень. У протяжённого источника края тени могут быть размытыми: часть области освещают лучи от одних участков источника, а от других они закрыты.
Чтобы построить изображение в плоском зеркале, мысленно проводят отражённые лучи от предмета к глазу. Глаз воспринимает их так, словно они пришли из-за зеркала, поэтому продолжения лучей за зеркалом показывают положение изображения. Для каждой точки предмета соответствующая точка изображения лежит на перпендикуляре к зеркалу и на таком же расстоянии от него. Поэтому изображение прямое и равно предмету по размеру, но его нельзя получить на экране.
Нормаль нужна потому, что именно относительно неё закон отражения одинаков для зеркал, наклонённых под разными углами. Луч падает на поверхность под углом падения, а отражается под углом отражения, причём эти углы равны. Чтобы построить отражённый луч, проводят нормаль в точке падения и откладывают по другую сторону от неё угол той же величины. Если угол задан относительно поверхности, его сначала переводят в угол к нормали.
При переходе в другую среду свет меняет скорость, и из-за этого меняется направление распространения. Если луч входит в среду, где свет движется медленнее, он обычно поворачивает к нормали; в среде, где свет быстрее, — от нормали. Поэтому нельзя заранее утверждать, что луч всегда отклоняется в одну сторону: нужно знать, из какой среды и в какую он переходит. Падающий по нормали луч направления не меняет, хотя его скорость может измениться.
Линза изменяет ход лучей за счёт преломления на своих поверхностях. Собирающая линза сводит параллельные главной оптической оси лучи в фокусе, а рассеивающая после линзы делает их расходящимися; главная ось проходит через центры поверхностей линзы. Положение предмета относительно фокуса определяет, где встретятся лучи и каким будет изображение: действительным или мнимым, прямым или перевёрнутым, увеличенным или уменьшенным. Для построения используют луч через оптический центр, который практически не меняет направление, и луч, идущий параллельно оси.
| Свойство | Отражение света | Преломление света | Собирающая линза | Рассеивающая линза |
|---|---|---|---|---|
| Что происходит с лучом | Возвращается в прежнюю среду | Переходит в другую среду и обычно меняет направление | Сводит параллельные лучи к фокусу | Делает параллельные лучи расходящимися |
| Закон или правило построения | Угол падения равен углу отражения | Учитывают изменение скорости и направление перехода | Луч через центр почти не отклоняется; параллельный оси идёт через фокус | Луч через центр почти не отклоняется; параллельный оси расходится так, будто вышел из фокуса |
| Условия изменения направления | Падение на границу сред | Переход между средами; направление зависит от их свойств | Преломление на поверхностях линзы | Преломление на поверхностях линзы |
| Характерные изображения | В плоском зеркале — мнимое, прямое, равное предмету | Зависит от границ сред и хода лучей | Действительное или мнимое, в зависимости от положения предмета | Мнимое, прямое и уменьшенное |
| Применение | Зеркала | Линзы и оптические приборы | Фотоаппараты, проекторы, очки | Очки и оптические приборы |
Сначала определите, какое явление или устройство описано, затем найдите соответствующий столбец. Сравните строку о ходе лучей с правилом построения: это подскажет, как начертить лучи. Характер изображения зависит от конкретного расположения предмета, особенно для собирающей линзы.
Задача 1. Луч падает на плоское зеркало под углом 35° к нормали. Определите угол отражения и угол между падающим и отражённым лучами.
Ответ: угол отражения — 35°, угол между лучами — 70°. Здесь оба заданных угла отсчитывались от нормали, а не от поверхности зеркала.
Задача 2. Предмет находится на расстоянии 20 см от плоского зеркала. Определите расстояние от предмета до его изображения.
Ответ: расстояние от предмета до изображения — 40 см. Не следует отвечать 20 см: это расстояние от предмета до зеркала или от изображения до зеркала.
Задача 3. Постройте изображение предмета, расположенного за двойным фокусным расстоянием собирающей линзы, и укажите его характер и положение.
Ответ: изображение находится между F и 2F по другую сторону линзы; оно действительное, перевёрнутое и уменьшенное. Проверяйте характер по пересечению самих лучей, а не их продолжений.
Углы падения и отражения измеряют от поверхности зеркала, хотя закон задаёт их относительно нормали. Путаница возникает потому, что лучи встречаются именно с поверхностью. Проведите перпендикуляр в точке падения и отсчитывайте углы от него; угол к поверхности и угол к нормали в сумме дают 90°.
Иногда считают, что изображение в плоском зеркале лежит на его поверхности. На самом деле отражённые лучи лишь кажутся вышедшими из-за зеркала, и изображение находится за ним на равном расстоянии. Проверьте построение: предмет и изображение должны лежать на одном перпендикуляре к зеркалу, по разные его стороны.
Ошибочно полагать, что при любом преломлении луч отклоняется к нормали. Направление зависит от того, в какую среду переходит свет и как в ней меняется его скорость. Сравните скорость света в средах: при переходе в более медленную среду луч обычно идёт к нормали, в более быструю — от неё.
При построении изображения в линзе могут произвольно провести луч через оптический центр или фокус. Тогда линии не соответствуют правилам прохождения лучей, и их пересечение даст неверное изображение. Перед построением отметьте главную ось, центр и фокусы, а затем проверьте, что луч через центр почти не отклонился, а параллельный оси после собирающей линзы прошёл через фокус.
Для изучения оптики пригодятся представления о прямолинейном распространении света, углах и перпендикулярах, а также навыки измерения углов. Закон отражения и преломление объясняют работу зеркал, очков, фотоаппаратов и других оптических приборов. Построение изображений в линзах станет основой для изучения зрения и более сложных оптических систем. Если уверенно строить ход лучей, легче понять, как прибор меняет изображение предмета.
Почему тень имеет резкие или размытые края?
У точечного источника свет идёт почти из одного места, поэтому граница тени получается резкой. Протяжённый источник освещает предмет лучами из разных точек, и появляется полутень — область, куда попадает лишь часть света. Из-за неё край тени выглядит размытым.
Как определить угол отражения, если луч задан относительно поверхности зеркала?
Сначала найдите угол падения относительно нормали — перпендикуляра к зеркалу. Угол между лучом и поверхностью дополняет его до 90°. Угол отражения равен углу падения.
Почему изображение в плоском зеркале кажется расположенным за ним?
Отражённые лучи расходятся, но глазу кажется, что они вышли из точек за зеркалом. Если мысленно продолжить эти лучи за зеркало, они пересекутся там, где находится изображение. Оно мнимое: световые лучи в этой точке на самом деле не собираются.
Всегда ли луч при переходе в другую среду отклоняется к нормали?
Нет. При переходе в среду, где свет распространяется медленнее, луч обычно отклоняется к нормали, а при переходе в среду, где свет быстрее, — от неё. Если луч падает по нормали, направление не меняется.
Как по построению определить, будет ли изображение в линзе действительным?
Если после линзы сами лучи сходятся в точке, изображение действительное. Если сходятся только продолжения лучей назад, изображение мнимое. Действительное изображение можно получить на экране.
Основное в главе 8
