§22. Действия света. Источники света. Распространение света

Определения и обозначения

Свет — видимое излучение, способное вызывать зрительные ощущения и оказывать физическое, химическое и биологическое действие. Иными словами, это излучение, которое мы воспринимаем глазами и которое может влиять на вещества и живые организмы. Понятие света нужно, чтобы описывать не только зрение, но и различные изменения, вызываемые излучением.

Источник света — тело или устройство, излучающее свет; источники бывают естественными и искусственными. Солнце и молния существуют в природе, а лампу или фонарь создаёт человек. Это понятие помогает отличать тела, которые сами испускают свет, от тех, которые только отражают его.

Световой луч — линия, показывающая направление распространения света. Это условная модель: она не означает, что свет представляет собой тонкую нитку. Луч нужен для того, чтобы на чертеже указывать путь и направление света.

Световой пучок — совокупность световых лучей, распространяющихся в некоторой области пространства. Например, фонарь посылает не один луч, а множество лучей, образующих пучок. Это понятие помогает описывать свет, который занимает некоторую область, а не идёт только в одном направлении.

Как это устроено

Свет оказывает несколько видов действия. Поглощая излучение, тело получает энергию и может нагреваться; свет также способен запускать химические превращения, поэтому на нём основана, например, работа фотоматериалов. На живые организмы свет влияет через процессы, зависящие от освещения, а его давление связано с передачей телу импульса излучения. Так проявляется физическое действие света, хотя давление обычно очень мало.

Источники делят на естественные и искусственные по их происхождению. Солнце и молния возникают в природе, поэтому это естественные источники; свечу, светодиод и электрическую лампу изготовил человек, значит, они искусственные. Классификация отвечает на вопрос, откуда появился источник, а не о том, горячий он или холодный.

Нагретое тело начинает светиться, когда его температура становится достаточно высокой: при нагревании оно излучает энергию, часть которой может быть видимой. Так работают раскалённая спираль лампы и пламя свечи. Однако свет могут испускать и тела, не раскалённые до высокой температуры: в светодиодах и некоторых других источниках излучение возникает благодаря иным физическим процессам. Поэтому тепловое свечение связано с нагреванием, а нетепловое — с другими причинами.

Если источник находится далеко, его размеры могут быть намного меньше расстояния до него. Тогда различия в направлении лучей, идущих от разных участков источника, настолько малы, что их можно не учитывать. В такой задаче источник удобно считать точечным: это упрощение модели, а не утверждение, что реальное тело не имеет размеров.

В однородной прозрачной среде свойства среды одинаковы во всех точках, поэтому свет не меняет направление и распространяется прямолинейно. На рисунках его путь показывают линиями со стрелками — световыми лучами; стрелка указывает, куда движется свет. Если лучей много, они образуют световой пучок. На границе разных сред направление может измениться, поэтому правило прямой линии нельзя безоговорочно переносить на любой случай.

Источники света и распространение света

Сначала определите, по какому признаку нужно сравнить объект: происхождение, способ свечения или размеры относительно расстояния. Один источник может одновременно относиться к разным строкам, например быть искусственным и тепловым. Для построения хода света используйте строки о луче и прямолинейном распространении.

Разбор задач

Задача 1. Естественные и искусственные источники

Нужно распределить Солнце, свечу, светодиод, молнию и раскалённую спираль лампы на естественные и искусственные источники. Критерий здесь — происхождение: возник ли источник в природе или был создан человеком. Не следует смешивать эту классификацию с делением на тепловые и нетепловые источники.

1. Выясняем происхождение каждого объекта. Солнце и молния — природные явления, поэтому они относятся к естественным источникам.
2. Свеча, светодиод и спираль лампы изготовлены человеком. Все три объекта относим к искусственным источникам.
3. Проверяем, что распределили предметы по одному признаку — происхождению, а не по температуре или яркости. Это исключает смешение двух разных классификаций.

Ответ: естественные источники — Солнце и молния; искусственные — свеча, светодиод и раскалённая спираль лампы. При этом спираль является тепловым источником, а светодиод — нетепловым. Значит, происхождение источника и способ его свечения описывают разные свойства.

Задача 2. Границы тени на экране

На схеме показаны фонарь, непрозрачный предмет и экран; требуется построить границы тени. Тень возникает там, куда свет от источника не попадает из-за предмета. Для построения используем прямолинейное распространение света и лучи, проходящие по касательной к краям предмета.

1. Отметьте на фонаре края светящейся области, а на предмете — его крайние точки. Если источник изображён точкой, достаточно взять эту точку и крайние точки предмета.
2. Проведите прямые от краёв источника через соответствующие края предмета и продолжите их до экрана. Эти линии показывают предельные направления лучей, которые ещё проходят мимо предмета.
3. Обозначьте на экране область между границами. Лучи внутри неё перекрыты предметом, поэтому эта область не освещается полностью; если источник имеет заметные размеры, рядом может возникнуть полутень.

Ответ: границы тени на экране задают лучи, проведённые от крайних точек источника через крайние точки предмета. Проверка построения проста: между источником и областью тени должен находиться непрозрачный предмет, а линии должны быть прямыми. Точные углы и размеры зависят от расположения объектов на схеме.

Задача 3. Перевёрнутое изображение в камере-обскуре

Камера-обскура — закрытая камера с небольшим отверстием, через которое свет попадает внутрь. Нужно объяснить, почему изображение удалённого предмета на противоположной стенке получается перевёрнутым. Причина связана с тем, что лучи от разных точек предмета проходят через отверстие по прямым и пересекаются в нём.

1. Рассмотрите верхнюю точку предмета. Луч от неё идёт через малое отверстие и после него попадает на нижнюю часть стенки камеры.
2. Теперь проследите луч от нижней точки предмета. Он проходит через то же отверстие, но попадает на верхнюю часть стенки.
3. Сопоставьте точки предмета и изображения: верх оказался внизу, а низ — вверху. Малое отверстие помогает разделить лучи от разных точек, поэтому изображение получается различимым.

Ответ: изображение перевёрнуто, потому что лучи от верхней и нижней частей предмета, проходя через отверстие, попадают на противоположные части стенки. Их ход можно изобразить прямыми линиями, что опирается на прямолинейное распространение света. Если отверстие сделать слишком большим, лучи от разных точек будут сильнее накладываться и изображение станет менее чётким.

Типичные ошибки

Ошибка: считать источником света любой видимый предмет. Освещённое тело может быть заметно глазу потому, что отражает свет, а не испускает его; путаница возникает из-за того, что мы видим и источник, и отражатель. Проверьте себя вопросом: продолжит ли тело светиться в темноте без внешнего освещения? Луна отражает солнечный свет, поэтому сама источником не является.

Ошибка: утверждать, что свет всегда распространяется прямолинейно. Это правило верно для однородной прозрачной среды, но при переходе в другую среду направление может измениться. Ошибку допускают, когда забывают условия, при которых действует модель луча. Перед построением уточните, идёт ли свет внутри одной однородной среды или пересекает её границу.

Ошибка: путать световой луч со световым пучком. Луч показывает одно направление, тогда как пучок включает множество лучей; оба термина звучат похоже и часто встречаются рядом. Чтобы проверить себя, спросите, изображаете ли вы одну линию или целую область распространения света. На схеме направление отдельного луча обычно показывают стрелкой.

Ошибка: считать все источники света тепловыми. Нагретые тела действительно светятся, поэтому легко решить, что высокая температура обязательна, но светодиоды излучают благодаря другим физическим процессам. Проверка — выяснить, связано ли свечение именно с сильным нагреванием. Деление на тепловые и нетепловые источники не совпадает с делением на естественные и искусственные.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны представления об энергии и нагревании: они помогают понять, почему поглощённый свет может повышать температуру тела. Знание отражения света и различий между прозрачными и непрозрачными телами помогает отличать источник от освещённого предмета и объяснять тень. Прямолинейное распространение понадобится при изучении тени и полутени, а также при построении хода лучей в зеркалах и линзах. Действия света помогают понять работу солнечных батарей, фотоэлементов и оптических приборов.

Что запомнить

• Свет — излучение, воспринимаемое глазом.
• Источники света сами испускают свет, а освещённые тела отражают его.
• Источники света бывают естественными и искусственными.
• Источники могут излучать свет вследствие нагревания или других физических процессов.
• Световой луч показывает направление распространения света.
• В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.
• Свет оказывает тепловое, химическое, биологическое и механическое действие.