"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Свет в однородной прозрачной среде распространяется по прямым линиям, которые изображают световыми лучами. Этот закон помогает понять, как возникают тень и полутень, почему происходят солнечные и лунные затмения и как работает камера-обскура. По крайним лучам можно определить границы освещённой области и рассчитать размеры тени на экране.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Световой луч — идеализированная линия, показывающая направление распространения света. В реальности световой пучок имеет ширину, но для построений его удобно заменять линиями. Луч помогает определить, куда направляется свет и какие области он может осветить.
Закон прямолинейного распространения света утверждает: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Однородная среда имеет одинаковые свойства во всех точках, а прозрачная пропускает свет. Благодаря этому можно заранее построить путь луча.
Тень — область пространства, куда свет от источника не попадает из-за непрозрачного тела. Тело закрывает часть пространства от источника, поэтому за ним возникает неосвещённая область. По тени можно судить о взаимном положении источника, тела и экрана.
Полутень — область, куда попадает свет только от части протяжённого источника. Поэтому полутень освещена слабее полностью освещённой области, но не является абсолютно тёмной. Её появление объясняет нечёткие границы многих теней.
Направление распространения света изображают лучом, потому что для многих задач важен не весь пучок, а его геометрический путь. Если смотреть прямо на включённый фонарь, глаз воспринимает направление, откуда приходит свет. Продолжив это направление назад по прямой, можно указать положение источника или части светящегося тела.
В однородной прозрачной среде свойства вещества не меняются от точки к точке, поэтому свет не получает причины отклоняться в сторону. Он идёт по прямой, пока среда остаётся такой же. На границе двух сред свойства меняются, и направление луча может измениться: это явление называют преломлением.
Непрозрачное тело не пропускает свет через себя. Лучи, которые встретились с телом, прекращают дальнейшее распространение за ним, а свободное пространство позади тела остаётся без прямого света. Так возникает область тени, форма и размер которой зависят от расстояния между источником, телом и экраном.
Точечный источник можно считать находящимся в одной точке, поэтому от него к краям тела идут определённые крайние лучи. За телом они ограничивают резкую тень. У протяжённого источника крайняя точка тела видит разные его части: одни лучи перекрыты, а другие проходят, поэтому появляются тень и окружающая её полутень.
При затмении одно небесное тело закрывает источник света для наблюдателя на другом теле. Прямолинейные лучи Солнца образуют за Луной область тени и полутени, что объясняет полное и частичное солнечное затмение. Камера-обскура работает так же: лучи от разных точек предмета проходят через малое отверстие и пересекаются на противоположной стенке, создавая перевёрнутое изображение.
| Ситуация | Ход световых лучей | Наблюдаемое следствие | Граница освещённой области |
|---|---|---|---|
| Точечный источник и непрозрачное тело | Крайние лучи идут от одной точки через края тела. | За телом возникает полностью тёмная тень. | Граница резкая, определяется крайними лучами. |
| Протяжённый источник и непрозрачное тело | Лучи от разных частей источника частично перекрываются телом. | Возникают тень и полутень. | Граница тени может быть нечёткой, переход к свету постепенный. |
| Источник, тело и экран на одной прямой | Крайние лучи проходят через края тела до экрана. | На экране появляется тёмное изображение формы тела. | Размер находят по пересечению крайних лучей с экраном. |
| Солнечное или лунное затмение | Лучи Солнца перекрываются Луной или Землёй. | Наблюдаются полная или частичная затмённость. | Тень даёт полную затмённость, полутень — частичную. |
| Камера-обскура | Лучи от предмета проходят через маленькое отверстие прямолинейно. | На экране возникает перевёрнутое изображение. | Размер изображения зависит от расстояний до отверстия и экрана. |
Для работы с таблицей сначала определите источник, непрозрачное тело и поверхность, на которой наблюдается результат. Затем мысленно или на чертеже проведите крайние лучи через края источника и тела. Их пересечение с экраном показывает границы тени, полутени или изображения.
Между точечным источником света и экраном находится непрозрачный шар. Нужно определить освещённые участки экрана и участок тени. Источник можно считать точкой, поэтому от него достаточно провести лучи, касающиеся шара.
Ответ: экран разделится на центральную область тени и освещённые области по обе стороны от неё. Граница тени будет резкой, поскольку источник точечный.
Источник высотой 20 см и предмет высотой 5 см расположены на одной линии с экраном. Расстояние от источника до предмета равно 40 см, от предмета до экрана — 80 см; высоты отсчитываются от общей оси. Требуется найти высоту тени, поэтому используем подобие треугольников, образованных крайними лучами.
Ответ: высота тени на экране равна 15 см. Высота источника в этой пропорции задаёт направление крайних лучей, а размер тени определяется подобием построенных треугольников.
При солнечном затмении нужно объяснить появление полной и частичной затмённости на Земле. Солнце имеет заметные размеры, поэтому его рассматривают как протяжённый источник. Луна перекрывает лучи лишь для части земной поверхности.
Ответ: в тени наблюдается полное солнечное затмение, а в полутени — частичное. Перемещение этих областей по Земле объясняет, почему разные наблюдатели видят разные фазы затмения.
Считают, что свет всегда идёт по прямой, не учитывая однородность и прозрачность среды. Ошибка возникает из-за запоминания закона без условий его применения. Проверьте себя: если луч переходит в другую среду, нужно рассмотреть возможность преломления.
Проводят лучи от предмета, а не от источника. Тень создаётся именно перекрытыми лучами источника, поэтому неправильное начало лучей искажает её границы. Для проверки сначала отметьте источник, затем проведите от него крайние лучи через края тела.
Изображают полутень полностью тёмной. В неё всё же попадает свет от части протяжённого источника, поэтому освещённость там меньше, но не равна нулю. Спросите себя, видна ли из выбранной точки хотя бы часть источника.
Путают направление лучей с размером тени и не проводят крайние лучи через края источника и тела. Из-за этого получают случайную границу или неверную пропорцию. Проверьте построение по двум признакам: лучи начинаются у источника и проходят через край тела.
До изучения темы нужно знать, что свет распространяется от источника, а непрозрачные тела его не пропускают. Эти представления позволяют понять появление тени без дополнительных предположений.
При построении тени используются прямые и углы, а при расчётах — подобные треугольники. Поэтому геометрические знания помогают переводить рисунок с лучами в математическую пропорцию.
Закон понадобится при изучении отражения и преломления света, оптических приборов, затмений и геометрической оптики. Он задаёт исходную модель, по которой строят дальнейший путь световых лучей.
Почему свет иногда распространяется не по прямой?
Прямолинейность относится к однородной прозрачной среде. При переходе в другую среду свет может изменить направление, например при преломлении на границе воздуха и воды.
Чем световой луч отличается от узкого пучка света?
Луч — это идеализированная линия, задающая направление распространения света. Узкий пучок имеет конечную ширину и состоит из множества близких лучей.
Почему у тени от Солнца граница бывает нечёткой?
Солнце является протяжённым источником, а не точкой. Поэтому некоторые участки пространства получают свет только от части солнечного диска и образуют полутень.
Как определить размеры тени на экране?
Нужно провести крайние лучи от источника через края непрозрачного тела до экрана. Если фигуры образуют подобные треугольники, размер тени находят с помощью пропорции.
Почему во время затмения одни наблюдатели видят полное затмение, а другие — частичное?
Тень Луны или Земли перемещается по поверхности и занимает ограниченную область. Наблюдатель в тени видит полное затмение, а наблюдатель в полутени — только частичное.
З Закон прямолинейного распространения света
