§ 49. Световой пучок и световой луч

Определения и обозначения

Световой пучок — область пространства, занятая распространяющимся светом. Его можно представить как совокупность световых лучей, расположенных внутри этой области. Такое представление помогает показать границы пучка и понять, куда распространяется свет.

Световой луч — условная линия, указывающая направление распространения света. Это модель для чертежей, а не тонкая светящаяся нить, которую можно увидеть отдельно. Луч нужен, чтобы наглядно прослеживать ход света и изображать его взаимодействие с предметами.

Параллельный пучок — пучок, в котором лучи параллельны друг другу. Например, лучи от очень удалённого источника на небольшом участке можно считать почти параллельными. Это упрощение позволяет изображать направление света без заметного расхождения лучей.

Сходящийся пучок — пучок, лучи которого сближаются; расходящийся — пучок, лучи которого удаляются друг от друга. Чтобы различить их, нужно проследить направление лучей: сходящиеся направлены к общей области, а расходящиеся постепенно расходятся. Такое различие помогает понять, как меняется форма пучка при его распространении.

Как это устроено

Распространение света удобно изображать линиями, потому что так проще показать его направление. Линия на рисунке не означает, что свет движется внутри материальной нити: она лишь заменяет сложную картину распространения понятной схемой. Стрелка показывает, в какую сторону распространяется свет, и позволяет не перепутать движение от источника с движением к нему.

Чтобы изобразить световой пучок, мысленно выделяют область, в которой распространяется свет, а затем проводят внутри неё несколько лучей. Несколько линий помогают представить пучок целиком, хотя каждый луч сам по себе показывает только направление. Крайние лучи обычно изображают границы пучка, а лучи между ними показывают, как свет заполняет область.

Вид пучка определяют по направлению и расположению лучей, а не только по тому, куда в целом движется свет. Если линии параллельны, расстояние между ними при продолжении не меняется. Если линии направлены одна к другой, они сближаются; если направлены в разные стороны, расстояние между ними растёт.

Пучок от небольшого источника обычно расходится, потому что свет выходит из него в разных направлениях. Поэтому лучи, начавшись рядом, постепенно удаляются друг от друга. Но если источник находится далеко, то на маленьком участке пространства изменение расстояний между лучами может быть незаметным, и пучок приближённо считают параллельным.

Направление распространения света обозначают стрелкой на луче. Она должна указывать туда, куда движется свет, а не просто от центра рисунка или в сторону, удобную для чертежа. Границы пучка показывают несколькими лучами, чтобы было видно, занимает ли он узкую или расширяющуюся область.

Виды световых пучков и их изображение

Сначала посмотрите на направление стрелок, а затем сравните расстояние между линиями. Если оно сохраняется, пучок параллельный; если уменьшается — сходящийся, если увеличивается — расходящийся. Примеры в последнем столбце помогают связать схему с реальным распространением света.

Разбор задач

Задача 1. На рисунке показаны три луча, идущие в одном направлении на одинаковом расстоянии друг от друга. Определите вид пучка. Сначала важно выяснить не только то, куда направлены лучи, но и как они расположены между собой. Именно взаимное расположение определяет вид пучка.

1. Сравним направление всех трёх линий: они идут параллельно.
2. Проверим расстояние между соседними лучами: оно одинаковое и не меняется.
3. Сопоставим эти признаки с определением параллельного пучка.

Ответ: пучок параллельный. Одного совпадения общего направления недостаточно, но здесь лучи ещё и параллельны между собой. Поэтому условие задачи соответствует параллельному пучку.

Задача 2. Изобразите лучами свет от маленькой лампы, распространяющийся в нескольких направлениях, и укажите направление света. Нужно показать не видимую нить, а направления, в которых распространяется свет. Поскольку лампа маленькая, её можно изобразить точкой-источником.

1. Отметим на листе точку, обозначающую лампу.
2. Проведём из неё несколько линий в разные стороны, чтобы показать область распространения света.
3. Поставим на каждой линии стрелку от точки, поскольку свет идёт от источника.

Ответ: от точки-источника проводят несколько расходящихся лучей, а стрелки направляют от лампы. Лучи показывают направления, а не отдельные светящиеся нити. Расстояние между линиями при удалении от источника увеличивается.

Задача 3. Два луча пучка направлены к одной точке на экране. Определите вид пучка и изобразите, как продолжатся лучи за этой точкой. Здесь нужно проследить не только путь до экрана, но и направление после встречи лучей. Пересечение не означает, что свет прекращает распространяться.

1. До точки на экране лучи сближаются, значит, пучок сходящийся.
2. Продолжим каждую линию за точкой пересечения прямолинейно.
3. Проверим, как меняется расстояние между продолжениями: оно увеличивается.

Ответ: до экрана пучок сходящийся, а после пересечения лучи расходятся. На схеме стрелки на продолжениях направляют дальше от точки пересечения. Так видно, что свет продолжает распространяться и после встречи лучей.

Типичные ошибки

Считать световой луч тонкой светящейся нитью. Так можно подумать, потому что луч на рисунке изображён линией. Но линия — условное обозначение направления света, а не самостоятельный видимый предмет. Проверьте себя: спросите, показывает ли линия направление или описывает материальную нить.

Путать луч и пучок. Луч показывает одно направление, а пучок охватывает область распространения света и может быть представлен несколькими лучами. Ошибку легко допустить, потому что оба понятия изображают линиями. Чтобы проверить себя, уточните, идёт ли речь об одной линии-направлении или о всей области света.

Называть пучок параллельным только потому, что лучи направлены в одну сторону. Лучи могут быть направлены примерно одинаково, но при этом сближаться или расходиться. Для параллельного пучка сами лучи должны быть параллельны между собой. Проверьте расстояние между ними при продолжении: оно должно оставаться постоянным.

Ставить стрелку на луче к источнику. Такое направление может показаться естественным, если сначала отметить источник на чертеже. Однако стрелка показывает распространение света, обычно от источника, поэтому её направляют от него. Проверьте себя, проследив путь света от лампы или другого источника.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в световых пучках, нужно знать, что такое источник света и что свет распространяется от него. Представление о лучах понадобится при изучении отражения и преломления: с их помощью изображают направление света до и после взаимодействия с границей сред. Те же схемы используют при построении хода лучей в оптических приборах, чтобы понять, как прибор изменяет распространение света.

Что запомнить

• Световой луч — условная линия, показывающая направление распространения света.
• Стрелка на луче указывает направление распространения света.
• Световой пучок можно представить как совокупность лучей.
• В параллельном пучке лучи параллельны друг другу.
• В сходящемся пучке лучи сближаются, в расходящемся — удаляются.
• Лучи служат моделью и не являются видимыми нитями.