Лабораторная работа №11 Наблюдение прямолинейного распространения света

Определения и обозначения

Световой луч — условная линия, показывающая направление распространения света. Луч не является тонкой светящейся нитью: его рисуют, чтобы наглядно обозначить путь света. Эта модель помогает рассуждать, пройдёт ли свет через отверстие или встретит препятствие.

Прямолинейное распространение света — распространение света по прямым линиям в однородной прозрачной среде. Однородной называют среду, свойства которой одинаковы в разных местах, а прозрачная среда пропускает свет. Это правило позволяет предсказывать путь света в опыте.

Источник света — тело, которое излучает свет. В опыте им может служить электрическая лампа или свеча, если она безопасно установлена. Источник нужен, чтобы осветить отверстия и увидеть, проходит ли свет через установку.

Тень — область за непрозрачным телом, куда свет от источника не попадает. Тень возникает потому, что тело задерживает свет на пути к экрану. По её положению можно понять, какую часть пространства закрывает предмет.

Как это устроено

Для опыта ставят источник света, несколько непрозрачных экранов с отверстиями и конечный экран, на котором наблюдают световое пятно. Экраны размещают между источником и конечным экраном, чтобы свету пришлось пройти через их отверстия. Источник должен быть направлен на отверстия, иначе пятно может не появиться даже при правильном расположении экранов. Установка позволяет проследить путь света, не пытаясь увидеть сам луч как отдельную нить.

Сначала отверстия располагают на одной прямой с источником света и конечным экраном. Тогда свет, идущий по прямому пути, проходит через отверстие первого экрана, затем через следующее и достигает конечного экрана. Появление светлого пятна показывает, что свет прошёл через всю цепочку отверстий. Так проверяют, что совпадение отверстий имеет значение для прохождения света.

Затем один из экранов немного смещают, не меняя положения источника и конечного экрана. Отверстия оказываются не на пути прямого света, и непрозрачная часть экрана закрывает этот путь. Поэтому свет не проходит дальше, а пятно исчезает или заметно меняется. Если вернуть экран на прежнее место и пятно снова появится, причина наблюдения подтверждается.

Чтобы увидеть тень, на пути света помещают непрозрачный предмет, а за ним устанавливают экран. Часть света задерживается предметом, поэтому участок экрана за ним остаётся неосвещённым или освещается слабее. В условиях опыта свет не огибает предмет, а распространяется прямолинейно, поэтому за предметом возникает тень. Её положение связано с тем, какие прямые пути от источника к экрану перекрыты.

Сопоставление опытов с совпадающими и смещёнными отверстиями позволяет сделать вывод: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Это не утверждение о любых возможных условиях, а вывод, соответствующий устройству опыта. Если среда неоднородна или свет переходит из одной среды в другую, его путь может измениться. Поэтому в формулировке вывода обязательно называют условие — однородную прозрачную среду.

Наблюдения в лабораторной работе

Сначала найдите в таблице нужное положение установки, затем сравните наблюдение с выводом. Первые две строки особенно важно рассматривать вместе: они показывают, что происходит при совпадении отверстий и при смещении. Третья строка связывает прямолинейный путь света с образованием тени.

Разбор задач

Задача 1

Условие: расположить источник света, два экрана с отверстиями и экран так, чтобы на последнем появилось световое пятно, и определить положение отверстий. Нужно учесть, что свет должен пройти через оба отверстия, прежде чем попасть на экран. Значит, отверстия не могут находиться в произвольных местах. Будем считать, что между ними однородная прозрачная среда.

1. Поставим источник перед первым экраном, а второй экран и экран для наблюдения — дальше по направлению света.
2. Представим прямую линию от источника к конечному экрану. Отверстие каждого промежуточного экрана должно лежать на этой линии.
3. Направим источник так, чтобы свет прошёл через оба отверстия, и проверим, появилось ли пятно на конечном экране.

Ответ: отверстия нужно расположить на одной прямой с источником и конечным экраном. Тогда свет проходит через них и достигает экрана.

Задача 2

Условие: после смещения одного экрана световое пятно исчезло; нужно объяснить наблюдение и проверить причину. Само исчезновение ещё следует связать с изменением установки, а не с поломкой источника. Если источник продолжает светить, нужно проверить, не перекрыл ли экран путь света. Для проверки достаточно сравнить установку до и после смещения.

1. Проверим, светит ли источник и не закрыт ли конечный экран посторонним предметом.
2. Посмотрим, совпадают ли отверстия: после сдвига одно из них могло оказаться выше, ниже или в стороне от прямой линии.
3. Вернём экран в исходное положение, выстроив отверстия на одной линии, и проверим, появилось ли пятно снова.

Ответ: пятно исчезло, потому что отверстия перестали находиться на пути прямого света. Если после возвращения экрана пятно появляется, это подтверждает объяснение.

Задача 3

Условие: между источником и экраном помещён непрозрачный предмет; нужно предсказать, где возникнет тень и от чего зависят её границы. Тень появится на экране в той области, куда не могут попасть лучи из-за предмета. Чтобы её определить, полезно представить прямые линии от источника к краям предмета. Они показывают границы области, перекрытой предметом.

1. Отметим направление от источника к экрану и положение непрозрачного предмета на этом пути.
2. Мысленно проведём прямые от источника мимо краёв предмета к экрану. Эти линии задают границы освещённой области и тени.
3. Определим участок экрана за предметом, до которого прямые пути света закрыты. Там и будет тень; если источник имеет заметные размеры, граница может быть не резкой.

Ответ: тень появится на экране за предметом, на участке, куда свет не проходит. Её границы определяются прямыми, проведёнными от источника мимо краёв предмета.

Типичные ошибки

Считать луч реально видимой тонкой линией. Так думают, потому что на схемах путь света изображают линией. Но луч — это условная модель направления, а не светящаяся нить; проверка проста: различайте сам свет и линию, которой его путь обозначают на рисунке или в объяснении.

Делать вывод по одному наблюдению, не меняя положения экранов. Пятно при совпавших отверстиях само по себе не показывает, почему свет прошёл. Нужно сравнить его с результатом после смещения экрана: изменение наблюдения подтверждает связь между расположением отверстий и прохождением света.

Не проверять, находятся ли отверстия на одной высоте и одной линии. Даже небольшой сдвиг мешает свету пройти через все отверстия, и опыт может показаться неудачным. Перед началом проверьте установку взглядом со стороны источника: отверстия должны совпадать по прямому направлению.

Распространять вывод опыта на любые условия. Это происходит, если забыть, что опыт проводят в прозрачной среде с одинаковыми свойствами. Сам вывод относится к однородной прозрачной среде; при ответе назовите это условие и не утверждайте, что свет всегда идёт по прямой при любых обстоятельствах.

Связь с другими темами

Перед работой нужно знать, что называют источником света, а также различать прозрачные и непрозрачные тела: это помогает правильно собрать установку и объяснить наблюдения. Опыт связан с образованием тени и полутени при освещении предметов; тень появляется там, куда свет не попадает, а полутень — там, куда доходит только часть света от протяжённого источника. Представление о световых лучах пригодится при изучении отражения и преломления: с их помощью показывают направление света до и после изменения его пути.

Что запомнить

• Световой луч показывает направление распространения света.
• В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.
• Через отверстия свет проходит, когда они расположены на одной линии.
• Непрозрачное тело задерживает свет.
• За непрозрачным телом может образоваться тень.
• Вывод опыта относится к условиям, в которых среда однородна и прозрачна.