7. Оптические явления

Определения и обозначения

Оптическое явление — изменение состояния или направления распространения света, доступное наблюдению. Например, тень, отражение в зеркале и изменение вида предмета в воде связаны со светом. Это понятие помогает объединить разные наблюдаемые эффекты в одну группу.

Источник света — тело или устройство, излучающее свет. Солнце, пламя свечи и лампа сами испускают свет, а Луна обычно лишь отражает солнечные лучи. Различие нужно, чтобы не путать собственное излучение с освещением.

Световой луч — условная линия, показывающая направление распространения света. Сам луч не является тонкой материальной трубкой: это удобная модель для построения хода света. С её помощью объясняют образование тени, отражение и преломление.

Тень — область пространства, куда свет от источника не попадает. Она появляется, когда непрозрачное тело закрывает путь лучам. По форме и размеру тени можно судить о положении источника, предмета и поверхности, на которой тень видна.

Как это устроено

Свет относят к особому виду излучения, потому что он переносит энергию и способен вызывать зрительное ощущение. Глаз воспринимает свет, попавший непосредственно от источника или отражённый от другого тела. Поэтому предмет становится видимым не сам по себе, а благодаря свету, который от него приходит к наблюдателю.

В однородной прозрачной среде свойства вещества не меняются от точки к точке, поэтому световой луч сохраняет прямое направление. Если на его пути поставить непрозрачное тело, лучи не смогут пройти сквозь него. За телом возникнет область без освещения — тень, что служит наглядным подтверждением прямолинейного распространения света.

Размер источника влияет на вид тени. Если источник точечный или очень маленький, за непрозрачным предметом образуется преимущественно полная тень. У протяжённого источника крайние лучи проходят по разным направлениям: часть области получает свет от одного участка источника и становится полутенью, а область, закрытая от всего источника, остаётся полной тенью.

При падении света на границу двух сред часть энергии может вернуться в первую среду — это отражение. Другая часть проходит во вторую среду, но при наклонном падении обычно меняет направление, потому что скорость распространения света в веществах различна. Такое изменение направления называют преломлением.

Наблюдаемое явление определяется сразу несколькими условиями: есть ли источник света, пропускает ли среда свет и где находится наблюдатель. Один и тот же предмет может быть невидимым в темноте, видимым при освещении и выглядеть иначе через воду или стекло. Поэтому при объяснении явления нужно мысленно проследить путь света от источника к глазу.

Основные оптические явления

Таблица помогает сначала назвать явление, затем описать изменение света и найти необходимое условие. При разборе наблюдения полезно проверить, какой объект является источником, через какую среду идёт свет и куда направлен взгляд наблюдателя.

Если ситуация содержит несколько эффектов, их можно рассматривать последовательно. Например, предмет может освещаться, отражать свет, а затем его отражённые лучи преломляться при выходе из воды.

Разбор задач

Источники света

Условие. Определить, какие тела являются источниками света: Солнце, Луна, горящая свеча, лист бумаги. Нужно отличить собственное излучение от отражения падающего света.

1. Проверяем, испускает ли тело видимый свет самостоятельно.
2. Солнце является источником, потому что излучает свет. Пламя свечи также излучает свет, поэтому свеча в данном примере считается источником.
3. Луна видна благодаря отражению солнечного света, а лист бумаги отражает свет лампы или Солнца. Они не являются самостоятельными источниками.

Ответ: источники света — Солнце и горящая свеча; Луна и лист бумаги — освещённые тела.

Тень от предмета

Условие. Объяснить образование тени от непрозрачного предмета и определить, как изменится её размер при приближении предмета к источнику. Рассматриваем источник и поверхность, на которой видна тень.

1. Проводим мысленно крайние лучи от источника к краям предмета.
2. Непрозрачное тело не пропускает лучи, поэтому за ним возникает область, куда свет не приходит.
3. Если предмет приблизить к источнику, угловой размер предмета для источника увеличится, а область перекрытия лучей на удалённой поверхности обычно станет больше. При протяжённом источнике также заметнее граница полутени.

Ответ: тень возникает из-за прямолинейного распространения света и непрозрачности предмета; при приближении предмета к источнику её размер увеличивается.

Карандаш в воде

Условие. Объяснить, почему карандаш в стакане с водой кажется «сломленным», и назвать явление. Видимая часть карандаша находится в воздухе, а погружённая — в воде.

1. Свет от подводной части выходит из воды в воздух и пересекает границу двух сред.
2. При таком переходе направление лучей изменяется, то есть происходит преломление.
3. Глаз продолжает мысленно считать лучи прямыми и видит подводную часть не там, где она находится на самом деле. Поэтому карандаш кажется изломанным, хотя его форма не меняется.

Ответ: кажущийся излом объясняется преломлением света на границе воды и воздуха.

Типичные ошибки

Называть любое освещённое тело источником света — ошибка. Её допускают, потому что тело действительно видно и кажется «светящимся». Проверка простая: убрать внешний источник и спросить, продолжит ли тело само излучать свет.

Считать, что свет всегда идёт по прямой независимо от условий, тоже неверно. В однородной среде луч прямолинеен, но на границе сред он может преломиться, а при отражении изменить направление. Проверяйте, не встретил ли свет границу веществ с разными свойствами.

Путать тень и полутень — значит не учитывать размеры источника. В полной тени закрыт весь источник, а в полутень свет приходит от его части. Чтобы проверить себя, представьте лучи от разных точек протяжённого источника.

Нельзя объяснять преломление тем, что предмет действительно меняет форму. Меняется направление световых лучей, поступающих в глаз, а сам предмет остаётся прежним. Проверьте объяснение: если убрать границу воды и воздуха, «излом» исчезнет.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно различать излучение и отражение, знать свойства прозрачных и непрозрачных тел, а также уметь строить прямые линии и углы. Эти знания позволяют изображать ход лучей и находить область тени.

Дальше оптические явления станут основой для законов отражения и преломления, изучения зеркал, линз, оптических приборов и зрения. Понимание лучей поможет объяснить работу очков, фотоаппарата и перископа.

С астрономией тема связана через солнечные и лунные затмения, возникающие из-за взаимного расположения источника, препятствия и наблюдателя. В быту те же закономерности проявляются в зеркалах, очках, камерах и тенях от предметов.

Что запомнить

• Оптические явления связаны с распространением и взаимодействием света с веществом.
• Источники света излучают свет, а освещённые тела в основном отражают его.
• В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.
• Тень образуется там, куда не попадает свет от источника.
• При падении на границу сред свет может отражаться и преломляться.
• Наблюдаемое явление зависит от свойств среды и взаимного расположения источника, препятствия и наблюдателя.