§ 47. Источники света

Определения и обозначения

Источник света — тело, излучающее свет. Солнце и зажжённая свеча сами дают свет, а белый экран становится видимым, когда отражает падающий на него свет. Поэтому при разборе явлений нужно отличать излучающее тело от освещённого.

Естественный источник света — источник, который существует в природе без создания человеком. К таким источникам относятся Солнце, звёзды, молния и некоторые светящиеся живые организмы. Это понятие помогает описать происхождение источника.

Искусственный источник света — источник, созданный человеком. Примеры из быта — свеча, лампа, фонарь; в технике свет дают, например, сигнальные устройства и прожекторы. Такое разделение показывает, возник источник в природе или появился благодаря деятельности людей.

Точечный источник света — источник, размерами которого в данных условиях можно пренебречь. Например, далёкий фонарь часто удобно считать точечным, хотя вблизи его размеры заметны. Эта модель нужна для решения задач, но её применимость зависит от расстояния и того, что именно изучают.

Как это устроено

Свет от источника может попасть в глаз напрямую или сначала отразиться от поверхности другого тела. Отражённый свет позволяет увидеть предмет, даже если сам предмет ничего не излучает. Поэтому различие между источником и освещённым телом объясняет, почему мы видим Луну, экран или книгу при свете лампы.

Деление на естественные и искусственные связано с происхождением источника: одни существуют в природе, другие изготовлены человеком. Оно не говорит о том, каким способом источник создаёт свет. Например, Солнце — естественный источник, а лампа — искусственный, однако для описания их излучения понадобится другая классификация.

Тепловые источники излучают свет, когда их температура становится достаточно высокой. Так светятся Солнце и раскалённая нить лампы накаливания. Нетепловые источники могут давать свет без заметного нагревания: в светодиоде электрическая энергия превращается в свет. Разделение нужно, чтобы не считать сильный нагрев обязательным условием свечения.

Чтобы решить, можно ли считать источник точечным, сравнивают его размеры с расстоянием до объекта, на котором изучают свет. Если источник намного меньше этого расстояния и его размеры не влияют на ответ, ими можно пренебречь. Если же источник близок или велик, его размеры могут иметь значение, например при рассмотрении границ тени. Поэтому точечность определяется не только устройством самого источника, но и условиями задачи.

Точечный источник — не особый прибор, а упрощённая модель реального источника. Она позволяет описывать свет так, будто он выходит из одной точки, и не учитывать ширину лампы или пламени. Это упрощение полезно, когда размеры источника не меняют изучаемую картину. При исследовании полутени может понадобиться учесть, что источник имеет конечные размеры.

Виды источников света и их примеры

Сначала определите основание классификации: происхождение, способ излучения или размеры в условиях задачи. Один источник можно описать сразу по нескольким основаниям. Например, лампа накаливания искусственная и тепловая, а далёкую лампу при подходящих условиях можно также считать точечной.

Разбор задач

Задача 1

Определите, какие из перечисленных тел являются источниками света: Солнце, Луна, зажжённая свеча, белый экран, освещённый фонарём. Нужно установить, каждое ли тело излучает собственный свет. Видимость предмета сама по себе ещё не означает, что он служит источником.

1. Проверяем Солнце: оно излучает свет, значит, это источник.
2. Луна видна благодаря отражению солнечного света, поэтому собственного света она не даёт.
3. Пламя зажжённой свечи светится само, а белый экран отражает свет фонаря.

Ответ: источники — Солнце и зажжённая свеча. Луна и освещённый экран являются видимыми телами, но в описанных условиях только отражают свет.

Задача 2

Распределите Солнце, молнию, лампу накаливания и светодиодную лампу по двум основаниям: естественные или искусственные, тепловые или нетепловые. Эти признаки нельзя подменять друг другом, поскольку первый описывает происхождение, а второй — способ излучения. Поэтому для каждого предмета нужно выполнить две отдельные проверки.

1. Солнце и молния существуют в природе, значит, они естественные; обе относятся к тепловым источникам.
2. Лампа накаливания создана человеком, а её нить светится из-за высокой температуры: она искусственная и тепловая.
3. Светодиодная лампа тоже искусственная, но светит без сильного нагревания, поэтому она нетепловая.

Ответ: естественные тепловые источники — Солнце и молния; искусственный тепловой — лампа накаливания; искусственный нетепловой — светодиодная лампа. В этом распределении один источник может получить по одному признаку из каждой классификации.

Задача 3

Небольшой светодиод находится на расстоянии 20 м от экрана. Можно ли считать его точечным источником при изучении освещённой области? Само число 20 м не даёт ответа: нужно сопоставить расстояние с размерами светодиода и с тем, насколько важна его форма для задачи. Условия позволяют оценить точечность как модель, а не как неизменное свойство прибора.

1. Сравниваем размер светодиода с расстоянием до экрана: источник намного меньше этого расстояния.
2. Уточняем цель: изучается освещённая область, а не подробное распределение света по поверхности светодиода.
3. Если небольшие размеры не меняют требуемый результат, ими можно пренебречь и использовать точечную модель.

Ответ: в этих условиях небольшой светодиод можно считать точечным источником. Если задача потребует исследовать точную форму освещённой области или особенности самого светодиода, его размерами пренебрегать уже нельзя.

Типичные ошибки

Ошибка — считать Луну источником света, потому что она ярко видна ночью. Так думают, смешивая видимость тела с излучением собственного света. Проверьте себя вопросом: продолжит ли тело светиться в темноте без внешнего освещения? Луна отражает солнечный свет, поэтому в этой ситуации источником не является.

Иногда естественные источники смешивают с тепловыми, хотя признаки отвечают на разные вопросы. Первый показывает, создан ли источник человеком, а второй — связано ли излучение с высокой температурой. Для проверки назовите оба признака отдельно: Солнце естественное и тепловое, а лампа накаливания искусственная и тепловая.

Ошибка — считать любой искусственный источник тепловым. Её допускают, потому что многие привычные лампы нагреваются при работе. Светодиодная лампа показывает, что сильный нагрев не обязателен: она создана человеком, но относится к нетепловым источникам. Проверьте классификацию, не выводя способ излучения только из того, что прибор искусственный.

Неверно думать, будто источник либо всегда точечный, либо никогда им не бывает. Такое представление возникает, если принять модель за неизменное свойство самого предмета. Сравните размер источника с расстоянием до рассматриваемого объекта и проверьте, влияет ли размер на ответ. Именно условия задачи помогают решить, можно ли им пренебречь.

Связь с другими темами

Для понимания источников света нужно знать, что свет позволяет видеть тела и отражается от их поверхностей. Эти знания помогают отличить светящийся источник от предмета, который только отражает свет. Позже понятия источника и точечной модели пригодятся при изучении распространения света, образования тени и полутени. В частности, учёт размеров источника помогает понять, почему границы тени могут быть не резкими.

Что запомнить

• Источник света сам излучает свет.
• Освещённое тело может быть видимым, не являясь источником света.
• Источники света бывают естественными и искусственными.
• Тепловое или нетепловое излучение — отдельный признак классификации.
• Точечный источник — модель, применимая при подходящих условиях.
• Точечность зависит от размеров источника и расстояния до рассматриваемого объекта.