2. Источники света

Определения и обозначения

Источник света — тело, которое излучает свет. Оно само посылает световые лучи в окружающее пространство, в отличие от стены или Луны, которые лишь отражают падающий свет. Это определение помогает не путать тело, создающее свет, с предметом, который становится видимым благодаря освещению.

Естественный источник света — источник, существующий в природе без создания человеком. Примеры: Солнце, молния, звёзды, пламя природного пожара и светлячок. Такое понятие нужно, чтобы отличать природные явления и организмы от сделанных человеком приборов.

Искусственный источник света — источник, созданный человеком. К ним относятся свеча, электрическая лампа, фонарь, прожектор и светодиод. По этому признаку можно определить происхождение источника, даже если он использует природное явление, например горение топлива.

Точечный источник света — источник, размерами которого в данной задаче можно пренебречь по сравнению с расстоянием до него. Это не обязательно маленький предмет в обычном смысле, а удобная модель. Она позволяет считать свет исходящим из одной точки и проще определять направление лучей.

Как это устроено

Светящееся тело само излучает свет, потому что внутри него происходят процессы, при которых энергия превращается в энергию светового излучения. Освещённое тело таких лучей не создаёт: свет от источника падает на его поверхность и частично отражается в разные стороны. Поэтому предмет можно увидеть только тогда, когда отражённый свет попадает в глаза наблюдателя.

Источники делят на естественные и искусственные по их происхождению. Если объект возник и действует без участия человека, его относят к естественным, как Солнце или молнию. Если свет создаётся устройством или предметом, изготовленным человеком, источник называют искусственным, как лампу, свечу или фонарь.

Нагретые тела излучают свет потому, что при высокой температуре частицы вещества движутся и взаимодействуют энергичнее. Часть энергии такого движения испускается в виде электромагнитного излучения, в том числе видимого света. Солнце, пламя костра и раскалённая нить лампы светятся именно по этой причине, хотя одновременно излучают и невидимое тепловое излучение.

Сильный нагрев для свечения нужен не всегда. В светодиоде свет возникает при движении электрических зарядов внутри специального материала, а заметного раскаливания не происходит. Светлячки и некоторые морские организмы используют химические реакции, при которых энергия превращается в свет с небольшим выделением тепла.

Точечный источник — это не отдельный особый вид лампы или звезды, а упрощённое представление. Маленькую лампочку на большом расстоянии можно считать точечной, если её размеры почти не меняют направление лучей. Вблизи тот же источник уже может оказаться протяжённым, то есть таким, размеры которого нужно учитывать.

Виды источников света и их особенности

В таблице можно выбирать признак, который нужен для конкретного вопроса. Один объект может одновременно иметь несколько характеристик: Солнце является естественным, светящимся и обычно протяжённым источником. При решении задачи сначала определите, по какому признаку требуется классификация.

Разбор задач

Задача 1. Солнце, Луна, свеча и освещённая стена

Нужно распределить четыре объекта на источники света и тела, отражающие свет. Сначала выясним, испускает ли каждый объект свет самостоятельно. Затем проверим, не виден ли он только благодаря свету другого источника.

1. Солнце само излучает свет, поэтому это источник света.
2. Пламя свечи тоже испускает собственный свет, значит, свеча относится к источникам света.
3. Луна видна благодаря отражению солнечного света, а стена отражает свет лампы или Солнца. Они являются освещёнными телами.

Ответ: источники света — Солнце и свеча; тела, отражающие свет, — Луна и освещённая стена. При проверке нужно мысленно убрать внешний свет: если объект перестаёт быть видимым, он, скорее всего, не является самостоятельным источником.

Задача 2. Молния, светодиодная лампа, светлячок и костёр

Распределим объекты по происхождению, а не по температуре или яркости. Естественным будет источник, который возник в природе без изготовления человеком. Искусственным считается источник, созданный человеком, даже если внутри него происходит горение.

1. Молния — природное электрическое явление, поэтому это естественный источник.
2. Светлячок — живой организм, испускающий свет в результате химической реакции, значит, он тоже естественный источник.
3. Светодиодная лампа и костёр, подготовленный человеком, относятся к искусственным источникам: их используют или создают для освещения.

Ответ: естественные источники — молния и светлячок; искусственные — светодиодная лампа и костёр. Важен именно факт создания человеком, а не то, насколько сильно нагревается источник.

Задача 3. Фонарь на расстоянии 20 м

Фонарь находится в 20 м от наблюдателя, его размеры равны 10 см. Требуется понять, можно ли считать его точечным при определении направления световых лучей. Сравним размеры источника и расстояние до него в одних единицах.

1. Переведём 20 м в сантиметры: 20 м = 2000 см.
2. Сравним 10 см и 2000 см: размер фонаря в 200 раз меньше расстояния до него.
3. Такой размер очень мал по сравнению с расстоянием, поэтому различием между лучами от разных частей фонаря можно пренебречь в простой модели.

Ответ: да, для определения направления световых лучей фонарь можно считать точечным источником. Однако в задаче о близкой тени или точном распределении освещённости его размеры могут оказаться существенными, и тогда модель нужно изменить.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать Луну источником собственного света. Так думают, потому что Луна выглядит яркой ночью, но её поверхность в основном отражает солнечные лучи. Проверьте себя вопросом: виден ли объект при отсутствии света от других источников?

Ошибка 2. Называть любое видимое тело источником света. Предмет может быть заметен только потому, что отражает свет лампы или Солнца. Определите, испускает ли тело свет само, а не просто попадает ли отражённый свет в глаза.

Ошибка 3. Считать естественный источник обязательно горячим. Светлячок и некоторые морские организмы светятся благодаря химическим реакциям без сильного нагревания. Поэтому сначала выясняйте происхождение и механизм свечения, а не только температуру.

Ошибка 4. Считать источник точечным всегда. Точечность зависит от расстояния и цели задачи: вблизи размеры могут быть заметны. Сравните размер источника с расстоянием и спросите, изменит ли этот размер результат.

Связь с другими темами

До изучения источников света нужно понимать, что свет распространяется от источника и может попадать на другие тела. Это позволяет отличать излучение от отражения. Без такой связи трудно объяснить, почему мы видим предметы.

Различение светящихся и освещённых тел понадобится при изучении отражения света и освещения. Оно помогает правильно описывать путь светового луча. Например, стена видна благодаря свету, отражённому от её поверхности.

Модель точечного источника используется при построении схем распространения света. Она помогает объяснять образование тени и направление лучей. Если размеры источника важны, используют модель протяжённого источника.

Что запомнить

• Источник света сам излучает свет.
• Несветящееся тело может быть видно благодаря отражённому свету.
• Источники света бывают естественными и искусственными.
• Нагретые тела могут излучать свет.
• Существуют источники, светящиеся без сильного нагрева.
• Точечный источник — модель, применимая при подходящих условиях.