"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Тень появляется, когда непрозрачное тело преграждает путь свету. Её вид зависит от размеров источника: маленькая лампа даёт резкую тень, а протяжённый источник — тень с полутенью. Несколько ламп или рассеянный свет направляют лучи с разных сторон и делают затемнение слабее. Поэтому для освещения почти без заметных теней используют большие источники, рассеиватели и светильники, расположенные по разным направлениям.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тень — область пространства, куда не попадает свет от источника из-за непрозрачного тела. Она возникает, если тело находится между источником и этой областью и полностью загораживает путь лучам. Понятие тени помогает определить, какие места за предметом освещены, а какие нет.
Полутень — область, куда попадает свет только от части протяжённого источника. Поэтому освещённость здесь неполная: она меньше, чем на открытом месте, но больше нуля. Полутень объясняет, почему край затемнения часто получается не резким, а постепенным.
Точечный источник света — источник, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями до предметов. От него удобно мысленно проводить лучи из одной точки, поэтому за непрозрачным телом образуется тень с чёткой границей. Такая модель помогает понять основные правила образования тени.
Протяжённый источник света имеет заметные размеры, например это длинная светящаяся трубка или окно. Разные его участки посылают лучи по разным направлениям, поэтому за телом появляются полная тень и полутень. Такое понятие нужно для объяснения мягких границ затемнения в быту.
В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. Если на пути лучей оказывается непрозрачное тело, они не проходят сквозь него и не достигают пространства за телом. Участок, до которого лучи от источника не дошли, и становится тенью.
Размер источника определяет, насколько чёткой будет граница затемнения. Для точечного источника все лучи мысленно выходят из одного места, поэтому край тени задаётся небольшим числом прямых линий и получается резким. У протяжённого источника лучи выходят из разных точек, и границы, построенные для этих точек, располагаются неодинаково.
Рассмотрим отдельную область за непрозрачным предметом. Если предмет закрывает её от каждого участка протяжённого источника, там образуется полная тень. Если же одни участки источника закрыты, а лучи от других доходят до области, возникает полутень. Именно различие в видимости частей источника создаёт неполное освещение.
Несколько источников меняют картину затемнения, потому что каждый образует собственную тень. Область, закрытая от одной лампы, может получать свет от другой, поэтому общий уровень освещения возрастает. При рассеянном освещении свет приходит со множества направлений, и резкие границы почти исчезают; для почти полного устранения тени свет должен попадать к предмету с максимально возможного числа сторон.
В таблице сравнивайте не только саму тень, но и причины её появления. Особенно полезно сопоставить ход лучей с наличием полутени: эти признаки связаны с размерами и количеством источников.
| Характеристика | Точечный источник | Протяжённый источник | Несколько источников или рассеянное освещение |
|---|---|---|---|
| Ход световых лучей | Лучами можно считать линии, выходящие из одной точки. | Лучи выходят из разных участков источника и идут по разным направлениям. | Лучи приходят с нескольких направлений или рассеиваются во множество сторон. |
| Границы тени | Чёткие и резкие. | Переход от света к затемнению постепенный. | Обычно мягкие, размытые или почти незаметные. |
| Наличие полутени | В идеальной модели отсутствует. | Есть между освещённой областью и полной тенью. | Может возникать от каждого источника, но перекрывается светом других. |
| Освещённость области за непрозрачным телом | В тени свет от источника отсутствует. | В полной тени света нет, в полутени он ослаблен. | Затенённая одним источником область освещается остальными. |
| Видимость тени на экране | Тень хорошо заметна. | Видны тёмная середина и более светлый размытый край. | Затемнение слабое и часто не имеет резкой границы. |
| Условие получения освещения без резких теней | Одного источника недостаточно. | Нужен крупный источник или рассеиватель. | Свет должен поступать с максимально возможного числа направлений. |
Условие. Перед непрозрачным предметом расположили маленькую лампу, а за предметом — экран. Нужно определить, какая область возникнет на экране и почему. Размер лампы по сравнению с расстояниями до предмета мал, поэтому источник можно считать точечным.
Ответ: на экране возникнет резкая тень. Её границы задаются лучами, касающимися краёв предмета, а внутри этой области свет от маленькой лампы полностью закрыт.
Условие. Предмет освещают длинной светящейся трубкой, а за ним находится экран. Требуется объяснить размытую границу затемнения и назвать возникающие области. Трубка является протяжённым источником, поскольку её длина заметна по сравнению с расстояниями в опыте.
Ответ: на экране будут полная тень и окружающая её полутень. Граница получится размытой, потому что лучи от разных участков трубки очерчивают разные границы.
Условие. Нужно расположить лампы так, чтобы при фотографировании предмета не было заметных теней. Следует использовать не одну маленькую лампу, а несколько достаточно больших источников. Для смягчения света можно добавить рассеивающие материалы.
Ответ: несколько больших ламп с рассеивателями дадут освещение без резких теней. Полностью убрать затенение трудно, но перекрытие света от разных направлений сделает его слабым и малозаметным.
Ошибка: считать, что любой источник образует одинаково резкую тень. Так думают, если не учитывают размеры источника и представляют каждый светильник точкой. Проверка простая: сравните размеры источника с расстоянием до предмета.
Ошибка: называть полутень полной тенью. Её принимают за полную, потому что участок выглядит тёмным. Проверьте, доходит ли туда свет хотя бы от части протяжённого источника: если доходит, это полутень.
Ошибка: утверждать, что несколько ламп полностью уничтожают тень. Лампы действительно освещают области, затенённые друг другом, но при перекрытии их лучей затемнение может сохраниться. Чтобы проверить вывод, мысленно выключайте источники по одному.
Ошибка: считать отсутствие видимой границы полным отсутствием затенения. Рассеянный свет обычно только ослабляет тень и делает её незаметной для глаза. Проверить это можно, сравнив освещённость разных сторон предмета.
До изучения темы нужны представления о прямолинейном распространении света, источниках света, прозрачных и непрозрачных телах. Эти знания позволяют понять, почему лучи не проходят через предмет и где возникает затемнение.
Тема связана с геометрической оптикой: границы тени находят построением световых лучей. Продолжая лучи от краёв источника через края предмета, можно определить области полной тени и полутени.
Знание о тенях используют в сценическом и бытовом освещении, фотографии и киносъёмке. Оно помогает выбирать светильники, рассеиватели и их расположение, чтобы предметы выглядели равномерно освещёнными.
Почему от маленькой лампы тень получается резкой?
Размер маленькой лампы по сравнению с расстоянием до предмета можно считать пренебрежимо малым. Поэтому её считают точечным источником: каждый участок тени не получает света, и граница затемнения выходит чёткой.
Чем полутень отличается от полной тени?
В полной тени свет от источника полностью закрыт непрозрачным телом. В полутень попадает свет от части протяжённого источника, поэтому она освещена слабее и её граница выглядит размытой.
Почему протяжённый источник образует полутень?
Разные участки протяжённого источника посылают лучи по разным направлениям. Предмет закрывает одни участки источника, но оставляет видимыми другие, поэтому за ним возникает область неполного освещения.
Можно ли полностью устранить тень с помощью нескольких ламп?
Полностью устранить затенение обычно нельзя, но его можно сильно уменьшить. Каждая лампа освещает область, оказавшуюся в тени от другой, однако при недостаточном числе направлений некоторые участки всё равно остаются затемнёнными.
Как рассеиватель делает освещение более равномерным?
Рассеиватель пропускает свет во многих направлениях, а не узким пучком. Поэтому предмет получает свет с разных сторон, а границы тени становятся мягкими и менее заметными.
6. При каком освещении нет теней?
