Свет и тень

Определения и обозначения

Источник света — тело, которое само испускает свет. К естественным источникам относятся Солнце и звёзды, а к искусственным — лампа и фонарик. Это понятие помогает отличить то, что производит свет, от предметов, которые лишь становятся видимыми благодаря освещению.

Прозрачное тело — тело, через которое свет проходит почти полностью. Поэтому предметы за чистым стеклом или водой обычно видны ясно. Это свойство помогает понять, почему одни материалы подходят для окон и очков, а другие закрывают обзор.

Непрозрачное тело — тело, которое не пропускает свет. К таким телам относятся, например, картон и деревянная доска. Понимание этого свойства позволяет определить, какой предмет сможет загораживать источник света.

Тень — область за непрозрачным телом, куда свет от источника не попадает. Её можно увидеть на стене, полу или экране. Это понятие объясняет тёмную область, которая появляется, когда предмет закрывает свет.

Как это устроено

Свет испускают источники, но не всякий видимый предмет сам светится. Солнце и включённая лампа производят свет, а освещённая стена направляет к нашим глазам часть падающего на неё света. Луна тоже отражает солнечный свет, поэтому не становится источником только потому, что ярко видна ночью. Чтобы проверить, светится ли предмет сам, нужно выяснить, виден ли он как источник света, а не только при освещении.

В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Однородной называют среду, свойства которой в разных местах одинаковы; пример — чистый воздух в комнате. Поэтому путь света можно представить прямой линией, или лучом. Когда на этом пути оказывается непрозрачное тело, свет не проходит сквозь него и не огибает его, так что за предметом остаётся область без прямого света.

Если непрозрачное тело поместить между источником света и поверхностью, оно задержит лучи, направленные к части этой поверхности. Участок, до которого лучи не дошли, выглядит темнее освещённых мест и называется тенью. Источник должен светить в сторону предмета, а предмет — закрывать путь свету к поверхности. Поэтому одного непрозрачного предмета недостаточно, чтобы увидеть тень на конкретном месте.

Положение и размер тени связаны с тем, где находятся источник, предмет и поверхность. При перемещении фонарика меняется направление света, а при перемещении предмета меняется участок, который он закрывает. Если приблизить предмет к небольшому источнику, тень на экране обычно увеличивается; если отодвинуть его, она может стать меньше. В опыте стоит передвигать только один объект за раз и наблюдать, как меняется тень.

Тела по-разному пропускают свет: прозрачные — почти полностью, полупрозрачные — лишь частично или рассеивая его, а непрозрачные — не пропускают. Поэтому через чистое стекло детали предметов различимы, а через матовое стекло видны расплывчато. Полупрозрачный материал пропускает свет, но не позволяет ясно рассмотреть то, что находится за ним. Такое сравнение помогает выбрать материал для окна, занавески или светильника.

Как тела взаимодействуют со светом

Сравнивай тела по тому, сколько света они пропускают и насколько ясно через них видны предметы. Для проверки можно поставить предмет за материалом и посмотреть на него при хорошем освещении. Таблица помогает отличить прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные тела по общим признакам, хотя свойства могут зависеть от толщины и состояния материала.

Разбор задач

Задача 1. Назови источник света среди лампы, Луны и освещённой стены. Объясни свой выбор.

1. Проверим, какое тело само испускает свет, а какое только отражает его.
2. Включённая лампа испускает свет, поэтому она является источником. Луна отражает свет Солнца, а стена отражает свет лампы или другого источника.
3. Ответ: источник света — лампа. Луна и освещённая стена видны благодаря отражённому свету.

Задача 2. Между фонариком и стеной поставили картон. Где появится тень и почему?

1. Найдём путь света: он идёт от фонарика к стене и распространяется прямолинейно.
2. Картон непрозрачен, поэтому задерживает лучи, которые должны были попасть на часть стены.
3. Ответ: на стене за картоном, со стороны, куда направлен свет, появится тёмная область — тень. Она возникает там, куда лучи фонарика не попали.

Задача 3. Фонарик, игрушку и экран расположили на одной линии. Предскажи, как изменится тень на экране, если придвинуть игрушку к фонарику, и проверь опыт.

1. Сначала запомним исходное положение фонарика, игрушки и экрана и посмотрим на размер тени.
2. Придвинем игрушку к фонарику, не передвигая экран. Игрушка будет загораживать свет на более широком участке, поэтому тень на экране обычно увеличится.
3. Проверим предположение, включив фонарик и сравнив тени до и после перемещения. Ответ: тень, как правило, станет больше; небольшое изменение расположения предметов может повлиять на результат.

Типичные ошибки

• Считать Луну источником света. Так думают, потому что Луна ярко видна ночью. Но видимость не означает, что тело само светится: Луна отражает солнечный свет. Проверь себя вопросом: испускает ли она свет сама или освещена другим источником?
• Думать, что тень — отдельный предмет. Тёмную область легко принять за вещь, но у неё нет поверхности и её нельзя отделить от места, где она возникла. Тень появляется там, куда не попадает свет. Проверь себя: если убрать источник или переставить предмет, тень изменится или исчезнет.
• Ожидать тень при любом положении предмета. Непрозрачное тело создаёт наблюдаемую тень, только когда загораживает путь свету к поверхности. Ошибку допускают, забывая о расположении источника и экрана. Проверь себя: проследи, может ли свет пройти от источника к выбранному участку поверхности.
• Путать прозрачное и полупрозрачное тело. Оба материала пропускают свет, поэтому их легко смешать. Но сквозь прозрачный материал предметы видны ясно, а сквозь полупрозрачный — нечётко. Проверь себя, посмотрев на один и тот же предмет через оба материала.

Связь с другими темами

Перед изучением света полезно научиться различать тела, которые сами излучают свет, и те, что становятся видимыми благодаря освещению. Это различие помогает правильно объяснять, почему мы видим Луну или освещённую стену. Позже знания о прямом распространении света и отражении пригодятся при изучении освещения и оптических явлений. Они помогают понять работу зеркал и простых световых приборов.

Что запомнить

• Источник света сам испускает свет.
• Свет в однородной прозрачной среде распространяется прямолинейно.
• Непрозрачное тело не пропускает свет.
• Тень возникает за непрозрачным телом, которое загораживает источник света.
• Размер и положение тени зависят от взаимного расположения источника, предмета и поверхности.
• Прозрачные и полупрозрачные тела пропускают свет по-разному.