"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Свет распространяется в однородной прозрачной среде по прямым линиям. Это свойство описывают с помощью световых лучей и используют, чтобы объяснить появление тени, полутени, солнечных и лунных затмений. По расположению источника, непрозрачного тела и экрана можно построить границы освещённых областей и предсказать размер тени.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Свет — электромагнитное излучение, воспринимаемое глазом. Естественные источники света — Солнце, звёзды, молния; искусственные — лампа, свеча, экран телефона. Понятие источника помогает определить, откуда начинаются световые лучи.
Световой луч — геометрическая линия, вдоль которой распространяется свет. Он показывает не отдельную «порцию» света, а направление его движения. Лучи нужны для построения схем, потому что источник обычно испускает множество направлений света.
Закон прямолинейного распространения света утверждает: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Однородная среда имеет одинаковые свойства во всех точках, например чистый воздух. Закон позволяет заранее построить путь света и найти освещённые области.
Тень — область за непрозрачным телом, куда свет от источника не попадает. Полутень — область, куда доходит свет только от части протяжённого источника. Эти понятия помогают объяснить резкие и размытые контуры тёмных участков.
Световой луч используют как удобную модель, потому что число лучей от реального источника огромно. Нельзя нарисовать каждый из них, поэтому выбирают несколько направлений и изображают их линиями со стрелками. Совокупность близких лучей называют световым пучком; он может быть расходящимся, сходящимся или параллельным.
Прямолинейность можно заметить с помощью нескольких узких отверстий. Если отверстия расположены на одной прямой, свет от источника проходит через них и достигает экрана; при смещении одного отверстия путь перекрывается. В запылённом воздухе или дыме луч становится видимым, потому что частицы рассеивают свет в сторону глаз.
Наблюдение тени также подтверждает закон. Если поставить непрозрачное тело между источником и экраном, прямые лучи не смогут обогнуть его и за телом останется неосвещённая область. Чем точнее построены лучи, касающиеся краёв тела, тем точнее определяются границы этой области.
При точечном источнике все лучи можно считать выходящими из одной точки, поэтому тень имеет резкую границу. Протяжённый источник состоит из множества светящихся точек: тело закрывает одни из них, но оставляет видимыми другие. Поэтому рядом с полной тенью появляется полутень, где освещённость уменьшается постепенно.
Затмение возникает, когда Солнце, тело и наблюдатель оказываются почти на одной прямой. При солнечном затмении Луна перекрывает солнечные лучи и отбрасывает тень на Землю. При лунном затмении Луна проходит через тень Земли, которая преграждает ей прямой свет Солнца.
| Условия | Ход световых лучей | Наблюдаемая область | Пример |
|---|---|---|---|
| Точечный источник и непрозрачное тело | Все лучи от источника, касательные к телу, ограничивают область за телом | Резкая тень | Тень от небольшого предмета при удалённом источнике |
| Протяжённый источник и непрозрачное тело | Часть лучей от источника перекрывается телом, а часть проходит | Тень и полутень | Тень от предмета при лампе |
| Источник, тело и экран на одной прямой | Прямолинейные лучи от источника к телу и экрану определяют границы освещённых областей | На экране появляется изображение тени | Демонстрация с лампой, шариком и экраном |
| Солнце, Луна и Земля выстроены почти на одной прямой | Луна или Земля частично либо полностью перекрывает солнечные лучи | Солнечное или лунное затмение | Наблюдение затмения |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите тип источника и расположение тел. Затем мысленно или на схеме проведите прямые лучи от источника к краям непрозрачного тела. По тому, какие лучи перекрыты, можно установить вид наблюдаемой области.
Условие: объяснить, почему за непрозрачным предметом, освещённым фонарём, на экране появляется тень.
Ответ: тень появляется потому, что непрозрачный предмет перекрывает прямолинейные лучи от фонаря к экрану.
Условие: построить границы тени от шарика на экране и определить, как изменится её размер при приближении шарика к экрану.
Ответ: границы задаются касательными лучами, а при приближении шарика к экрану размер его тени уменьшается.
Условие: объяснить образование полутени и определить, какая часть экрана будет полностью не освещена протяжённым источником.
Ответ: полностью не освещённой окажется область, закрытая телом от всех точек протяжённого источника; по обе стороны от неё расположится полутень.
Формулировка закона без условия однородности прозрачной среды неполна. Так ошибаются, потому что запоминают только слово «прямолинейно». Проверьте себя: добавьте условие и вспомните, что на границе сред направление может измениться.
Некоторые считают, что свет распространяется одним лучом. Причина ошибки — путаница между моделью и реальным источником, который испускает множество лучей. Проверьте схему: от источника должно выходить несколько направлений.
Тень и полутень иногда смешивают. Тень не получает свет от источника, а в полутень попадает свет от его части. Для проверки спросите себя, видит ли участок весь источник, часть источника или не видит его совсем.
Границы тени нельзя проводить произвольно. Их задают лучи, касающиеся краёв источника и непрозрачного тела; иначе форма и размер области окажутся неверными. Проверьте, проходят ли построенные линии через нужные крайние точки.
До изучения темы нужны понятия источника света, прозрачного и непрозрачного тела, направления и отрезка прямой. Закон станет основой для изучения отражения и преломления, оптических приборов и построения изображений. В астрономии он объясняет затмения, а в технике — работу камеры-обскуры, перископа и теневых измерений.
Почему закон прямолинейного распространения света действует не во всех средах?
Закон относится к однородной прозрачной среде, свойства которой не меняются от точки к точке. На границе двух сред свет может изменить направление, а в неоднородной среде его путь может искривляться.
Можно ли увидеть один световой луч?
Сам луч увидеть нельзя: это геометрическая модель направления распространения света. Видимым становится световой пучок, если его лучи рассеиваются на пылинках, капельках воды или дыме и попадают в глаза.
Почему тень иногда имеет размытые границы?
Размытые границы появляются при протяжённом источнике света. Одни участки экрана получают свет от части источника и образуют полутень, поэтому переход от света к тени получается постепенным.
Как изменится размер тени, если передвинуть источник, предмет или экран?
Размер тени определяется расстояниями между источником, предметом и экраном. При приближении предмета к точечному источнику тень обычно увеличивается, а при приближении предмета к экрану уменьшается.
Чем солнечное затмение отличается от лунного?
При солнечном затмении Луна находится между Солнцем и Землёй и закрывает Солнце для наблюдателей на части Земли. При лунном затмении Земля оказывается между Солнцем и Луной, и Луна попадает в земную тень.
3. Закон прямолинеийного распространения света
