Для школьников (по материалам учебной литературы).
В ОДНОРОДНОЙ среде свет распространяется ПРЯМОЛИНЕЙНО, что подтверждается, например, следующим опытом.
Здесь перед плоскостью с круглым отверстием на расстоянии l помещён точечный источник света S. За плоскостью, ПАРАЛЛЕЛЬНО ей, размещён экран. Правильный светлый круг на экране (изображение отверстия на плоскости) доказывает ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬ распространения света.
Прямолинейное распространение света может использоваться для получения ИЗОБРАЖЕНИЙ предметов.
На рисунке показано ИЗОБРАЖЕНИЕ раскалённой НИТИ ЛАМПЫ на потолке. Для этого сверху в абажуре лампы проделано небольшое отверстие. Поясним, как получается это изображение.
Мысленно разобъём нить лампы на малые участки, которые можно считать точечными источниками света.
Участки нити 1, 2, 3 и т. д. дадут на потолке ПЯТНЫШКИ 1, 2, 3 и т. д. (со штрихами), из которых образуется изображение всей нити накала.
Таким же образом получали изображения объектов в камере-обскуре, рассмотренной в предыдущей статье.
Камера-обскура представляла собой тёмный ящик, с маленьким отверстием, размером порядка 2 мм. С помощью этой камеры в 16 веке и позднее получали изображения любых объектов, ИСПУСКАЮЩИХ или ОТРАЖАЮЩИХ свет.
Отражённый от каждой точки хорошо освещённого объекта световой луч, проходя через малое отверстие камеры, давал в точке экрана светлое пятно. Система таких пятен давала изображение объекта на экране камеры.
Образование тени и полутени предметов
Если непрозрачный предмет освещается ТОЧЕЧНЫМ источником света, то на экране, расположенном параллельно предмету, наблюдается ТЕНЬ, форма которой повторяет форму предмета.
Границы тени при этом достаточно чёткие. Появление тени объясняется ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬЮ распространения света.
Если предмет освещается ПРОТЯЖЁННЫМ источником света SS (имеющим конечные размеры), то на экране наблюдается НЕ ТОЛЬКО ТЕНЬ от предмета, но и ПОЛУТЕНЬ.
В область ПОЛУТЕНИ (на рисунке это область О с двумя штрихами) свет доходит не от всех точек протяжённого источника.
В этом можно убедиться, проведя лучи из верхней и нижней точек протяжённого источника света, касающиеся непрозрачного предмета.
В область верхней части полутени не доходит свет от верхней точки источника, а в область нижней части полутени не доходит свет от нижней точки источника.
Существование за предметом тени и полутени объясняется ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬЮ распространения света.
Решим задачу, к которой последний рисунок имеет прямое отношение. Для этого мысленно повернём этот рисунок на 90 градусов по часовой стрелке.
ЗАДАЧА 1. Электрическую лампочку, помещённую в стеклянный матовый шар радиусом 20 см, повесили на высоте 5 м над полом. Под этим светящимся шаром на высоте 1 м держат мяч радиусом 10 см. Определить радиус тени и радиус тени вместе с полутенью, даваемые мячом на полу.
Покажем схематически систему, состоящую из светящегося шара и мяча.
Здесь
СС1 - радиус светящегося шара, равный 20 см;
ВВ1 - радиус мяча, равный 10 см;
АС - расстояние от пола до источника света (светящегося шара), равное 5 м;
АВ - расстояние от пола до мяча, равное 1 м.
Пунктирными линиями показаны лучи, исходящие из крайних точек С1 и С2, расположенных на поверхности светящегося шара, касающиеся поверхности мяча в точке В1.
АА1 - радиус тени от мяча на полу,
АА2 - радиус тени вместе с полутенью от мяча на полу.
Эти радиусы нам и надо найти.
Радиус тени вместе с полутенью АА2 можно узнать, рассмотрев подобные треугольники СС2D, ВВ1D и АА2D.
Радиус тени АА1 от мяча можно найти, рассмотрев подобные треугольники ОА1А, ОВВ1 и ОСС1.
Проделав это, получим следующие значения: АА1 = 7,5 см; АА2 = 17,5 см.
Если мяч поднимать, приближая его к источнику света, то размер ТЕНИ будет уменьшаться, ПОЛУТЕНЬ же будет становиться шире и размытее.
Из построения можно также найти, при какой высоте поднятия мяча тень от мяча исчезнет. Это произойдёт на высоте 2,5 м.
Задача 2. Опыты показывают, что солнечный зайчик, пущенный с помощью прямоугольного зеркала, даёт на близком к зеркалу экране светлое пятно четырёхугольной формы, а на дальней стене комнаты это пятно принимает форму круга. Почему?
Солнечный зайчик - это отражённый от зеркала солнечный свет, попавший на экран.
На близко расположенном экране солнечный зайчик будет иметь форму зеркала, так как на экран приходят отражённые от каждой точки зеркала световые лучи.
Почему на далеко расположенном от зеркала экране солнечный зайчик имеет вид круга? Потому что на ДАЛЬНЕМ экране получается ИЗОБРАЖЕНИЕ СОЛНЦА. Поясним это утверждение.
На зеркало падают световые лучи, исходящие из всех точек поверхности Солнца. Зеркало, отражая эти лучи, просто меняет их направление.
Если вместо зеркала взять плоскость с отверстием точно такой же формы и размеров, как зеркало, то все световые лучи просто пройдут через это отверстие, не изменяя своего направления, и попадут на далеко расположенный экран.
Световой луч от каждой точки поверхности Солнца, проходя через отверстие, даёт на экране светлое пятно. Система этих пятен даёт на экране светлый круг - это и есть изображение Солнца.
Слева на рисунке показано Солнце конечных размеров, справа - далеко расположенный экран.
Если посмотреть на Солнце с Земли, то солнечный диск будет виден под углом "альфа". Этот угол называется угловым размером Солнца. Он равен примерно половине градуса (или 0,01 радиан).
Диаметр светлого пятна на экране можно найти из треуголика, взяв произведение угла "альфа" в радианах на расстояние L .
Всё происходит аналогично получению изображения объекта в камере-обскуре. Сравните эти рисунки.
Приведём ещё один рисунок, показывающий формирование световых пучков отверстиями в кроне дерева.
При любой ФОРМЕ отверстия в кроне дерева, в тени дерева ВСЕГДА СВЕТЛЫЕ ПЯТНА (на плоскости перпендикулярной лучу) ИМЕЮТ ФОРМУ КРУГА.
Это и есть изображения Солнца.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Оптика. Скорость света. Законы геометрической оптики, их практическое применение.
Следующая запись: Наблюдения изображений предметов в плоском зеркале. Рассеянное отражение света.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70
Ссылки на статьи, начиная с оптики, даны в конце статьи "Оптика. Скорость света ...