Для ШКОЛЬНИКОВ (по материалам учебной литературы).
ОПТИКА - это учение о свете.
Людям всегда хотелось узнать, что собою представляет свет, с какой скоростью он распространяется.
Определение скорости света
Первая попытка нахождения скорости света была предпринята Галилеем в 1607 году. Для этого использовались два холма с известным расстоянием между ними, составляющим несколько километров.
На холмах располагались наблюдатели с фонарями, имеющими затворы, и часами. Получить скорость света не удалось, так как расстояние между источниками света было малым. Но стало ясно, что скорость света очень большая, даже стали предполагать, что свет распространяется мгновенно.
Впервые скорость света удалось определить датскому астроному Рёмеру в 1676 году, использующему астрономические расстояния между планетами Солнечной системы.
Рёмер наблюдал за движением ближайшего спутника Юпитера Ио, наблюдал как этот спутник входил в область тени Юпитера и выходил из неё, регистрируя момент выхода Ио из тени.
Моменты выхода Ио из тени регистрировались, когда Земля находилась на ближайшем расстоянии от Юпитера и когда Земля находилась на дальнем расстоянии от Юпитера. Оказалось, что во втором случае Ио выходил из тени на 22 минуты позднее.
Это запаздывание Рёмер объяснил тем, что свет проходит дополнительное расстояние, равное поперечнику земной орбиты. Зная запаздывание и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость света, разделив расстояние на время запаздывания.
Рёмер получил скорость света, равную 215 000 км/с. Но если учесть современное точное значение радиуса орбиты Земли, то скорость света оказывается близкой к 300 000 км/с.
Скорость света определяли и другими способами, получив такое же значение.
Итак, сейчас мы знаем, что скорость света в воздухе (вакууме) приближённо равна с= 300 000 км/с.
Скорость света была найдена, но что представляет собою свет?
Люди наблюдали, что свет от Солнца в воздухе распространяется в виде пучков света ПРЯМОЛИНЕЙНО.
На рисунках световые пучки изображаются в виде световых лучей.
СВЕТОВОЙ ЛУЧ - это геометрическая линия, показывающая направление распространения светового пучка (направление, в котором распространяется световая энергия).
ЧЕМ УЖЕ СВЕТОВОЙ ПУЧОК (чем меньше размер отверстия через которое проходит свет), тем правильнее световой луч покажет направление светового пучка.
Приведём результаты ОПЫТОВ, доказывающих прямолинейное распространение света в воздухе (в однородной изотропной среде):
1. Освещение объекта точечным источником света
При освещении объекта О точечным источником света S, на экране, расположенном параллельно объекту, наблюдается резкая тень от этого объекта. Такая картина получается благодаря прямолинейному распространению света в воздухе.
2. Освещение объекта протяжённым источником света
Здесь на экране появляется тень объекта, окаймлённая полутенью. При этом существование полутени на экране объясняется НЕ ОТКЛОНЕНИЕМ света от прямолинейного направления, а КОНЕЧНЫМИ РАЗМЕРАМИ источника света SS.
В давние времена (в 16 веке и позднее) ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬ распространения света применялась для получения ИЗОБРАЖЕНИЙ объекта в "камере - обскуре" (тёмной комнате), для получения старинных фотографий.
Камера обскура
КАМЕРА - ОБСКУРА представляет собой ящик, одна из стенок которого имеет МАЛОЕ отверстие а. На противоположной стороне ящика расположен экран или светочувствительная пластинка.
Луч света, исходящий из точки А объекта, распространяясь прямолинейно, даёт на задней стенке камеры (на экране) светлое пятно в точке А (со штрихом).
То же самое можно сказать про другие точки объекта. В результате на задней стенке камеры получается перевёрнутое изображение объекта.
Если вместо экрана на задней стенке камеры поместить светочувствительную пластинку, то на ней получится фотоснимок.
При некотором ОЧЕНЬ МАЛОМ размере отверстия ИЗОБРАЖЕНИЕ ярко освещённого объекта на экране получается ДОСТАТОЧНО чётким, так как в этом случае от каждой точки объекта до экрана доходит прямолинейный УЗКИЙ световой пучок, дающий на экране светлое пятнышко МАЛОГО размера,
Если теперь размер отверстия НЕМНОГО УВЕЛИЧИТЬ, то размер светлых пятнышек на экране тоже увеличится, так как от каждой точки объекта до экрана будет доходить БОЛЕЕ ШИРОКИЙ прямолинейный световой пучок, в результате изображение объекта на экране окажется менее чётким (будет размытым).
Если размер отверстия сделать СЛИШКОМ МАЛЫМ, то казалось бы, чёткость изображения должна увеличиться, так как прошедший через отверстие световой пучок становится уже, но изображение в этом случае становилось размытым - нарушалась ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬ распространения света (наблюдалось явление дифракции света).
Явление ДИФРАКЦИИ было хорошо изучено только в 19 веке, оно указывало на ВОЛНОВУЮ природу света.
Наблюдались также явления (например, явление фотоэффекта), из которых следовало, что свет можно представить в виде потока СВЕТОВЫХ ЧАСТИЦ (квантов света). Сейчас эти световые частицы называют фотонами.
О ВОЛНОВЫХ свойствах света и КВАНТОВЫХ свойствах света будем говорить позднее.
Сейчас же, не учитывая природу света, пользуясь только понятием СВЕТОВОГО ЛУЧА, наблюдениями за поведением световых лучей, ПОСМОТРИМ, как можно получать изображения предметов в зеркалах, собирающих и рассеивающих линзах, и на основании этих исследований получать нужные на практике устройства.
Итак, ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА это раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах, используя понятие СВЕТОВОГО ЛУЧА.
Надо отметить, что законы геометрической оптики являются приближёнными, но часто достаточными для решения многих конкретных задач.
Законы геометрической оптики, полученные опытным путём
Назовём эти законы:
1. Закон прямолинейного распространения света.
2. Закон независимости световых лучей. Пересекаясь, световые лучи не влияют друг на друга.
3. Законы отражения света.
4. Законы преломления света.
Приведём рисунок, который пояснит законы отражения и законы преломления света.
На рисунке показано как световой луч 1 падает на границу раздела двух сред (пусть это будет воздух и стекло) под углом "альфа" к перпендикуляру, восстановленному в точке падения луча.
Под цифрой 2 показан луч отражённый от поверхности стекла под углом "бета". Под цифрой 3 показан преломлённый луч, прошедший в стекло под углом преломоения "гамма".
Законы отражения света:
1. Луч, падающий на границу раздела двух сред, луч, отражённый от неё, и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения: угол "альфа" равен углу "бета".
Законы преломления света:
1. Луч, падающий на границу раздела двух сред, луч преломлённый и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух сред есть величина постоянная, равная отношению абсолютных показателей преломления второй среды по отношению к первой среде.
Применение законов отражения света для получения изображения объектов в плоских и сферических зеркалах
1. Изображение точечного источника света в плоском зеркале
Чтобы получить изображение точечного светового источника S в плоском зеркале, достаточно проследить поведение двух произвольных лучей SА и SВ, падающих на зеркальную поверхность.
Для этого в точках падения А и В лучей надо восстановить перпендикуляры к поверхности зеркала и показать отражённые лучи, учитывая, что угол падения луча равен углу его отражения от зеркала.
Наблюдатель, помещённый на пути отражённых лучей, увидит в зеркале их пересечение в точке S (со штрихом). Эта точка будет мнимым изображением точки S. Изображение будет мнимым, так как никаких лучей за зеркалом нет.
2. Изображение протяжённого объекта в плоском зеркале
Пусть перед плоским зеркалом находится светящийся отрезок АВ.
Как и в предыдущем случае, найдём изображения точек А и В отрезка в плоском зеркале, выбрав произвольные лучи, исходящие из этих точек отрезка. Наблюдатель, помещённый на пути отражённых лучей, увидит мнимое изображение отрезка в зеркале.
ЗАДАЧА 1
Какой наименьшей высоты должно быть плоское зеркало, укреплённое вертикально на стене, чтобы человек мог видеть своё отражение в нём во весь рост, не изменив положения головы? На каком расстоянии от пола должен быть нижний край зеркала?
Решение
Показанный на рисунке ход лучей позволяет сделать вывод, что высота зеркала должна быть равна половине роста человека. Расстояние нижнего края зеркала от пола должно быть равно половине расстояния от глаз человека до его ступней.
ЗАДАЧА 2
Два плоских зеркала образуют двугранный угол "альфа". На одно из зеркал падает луч, лежащий в плоскости, перпендикулярной ребру угла. Определить угол отклонения луча "бета" от первоначального направления после отражения от обоих зеркал. Ход лучей показан на рисунке.
Решение. Рисунок соответствует случаю, когда ребро двугранного угла лежит в плоскости перпендикулярной рисунку, а лучи, падающие на зеркала и отражённые от них, лежат в плоскости чертежа.
Угол падения луча на горизонтально расположенное зеркало обозначен через "гамма". Под таким же углом луч отражается от ПЕРВОГО зеркала и падает на ВТОРОЕ зеркало под углом "дельта", и отражается от него тоже под углом "дельта".
Угол между падающим на первое зеркало лучом и лучом, отражённым от второго зеркала обозначен через "бета". Тогда угол "бета" равен
как ВНЕШНИЙ УГОЛ треугольника, составленного лучами, падающими на первое и второе зеркала, и лучом, отражённым от второго зеркала.
С другой стороны
потому что как угол "альфа", так и "гамма плюс дельта" дополняют угол "омега" до "пи". Поэтому получается что
то есть получается, что угол "бета" НЕ ЗАВИСИТ ОТ УГЛА ПАДЕНИЯ ЛУЧА "гамма" на первое зеркало.
Это свойство используется в навигационном приборе СЕКСТАНТ, который позволяет мореплавателям определять нахождение судна по Солнцу и звёздам. СЕКСТАНТ был изобретёп в 1730 году. Он позволял измерять высоту Солнца (звёзд) относительно горизонта.
(Пояснение. Под высотой Солнца над горизонтом понимается угол между направлением на Солнце и горизонтом).
На рисунке ниже показана ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СЕКСТАНТА.
Секстант измеряет угол "бета" между направлениями на горизонт и на звезду.
В приборе одно из зеркал делается полупрозрачным. Наблюдатель сквозь него видит линию горизонта и изменением угла "альфа" совмещает с ней видимое в этом зеркале изображение светила. Затем значение угла "альфа" считывают со шкалы прибора.
Этот прибор даёт точное показание и во время качки корабля. Нужно лишь точно зафиксировать угол "альфа".
В продолжении решения задачи можно сказать следующее.
Если два плоских зеркала расположить под ПРЯМЫМ углом друг к другу, то падающий на систему зеркал луч в результате двух отражений пойдёт в обратном направлении (угол "бета" станет равным 180 градусам). Так можно изменять направление светового луча на обратное.
3. Построение изображений объекта в сферических зеркалах
На рисунке показано сечение сферической поверхности с центром в точке О.
ВЫДЕЛЕННАЯ часть сферической поверхности представляет собой ВОГНУТОЕ сферическое зеркало.
Точка Р называется ПОЛЮСОМ этого сферического зеркала.
Расстояние РО = R есть РАДИУС сферического зеркала.
Нормаль к зеркалу, проходящая через точки Р и О, называется ГЛАВНОЙ оптической осью зеркала.
Другие нормали, проведённые к зеркалу через точку О, называются ПОБОЧНЫМИ оптическими осями зеркала.
Точка F называется ФОКУСОМ зеркала.
Если на ВОГНУТОЕ сферическое зеркало направить лучи ПАРАЛЛЕЛЬНО его оптической оси (параллельность лучей указывает на то, что источник света находится очень далеко от зеркала), то все лучи, отразившись от зеркала, пройдут через точку F, делящую расстояние РО пополам.
Ниже даны построения для нахождения изображений предмета АВ в ВОГНУТОМ сферическом зеркале.
Чтобы найти изображение точки А объекта в зеркале, достаточно проделать следующее:
1. Провести через точку А луч параллельный главной оптической оси, который, отражаясь от зеркала, пройдёт через его фокус.
2. Провести через точку А луч, проходящий через оптический центр зеркала. Падая на поверхность зеркала под прямым углом, этот луч отразится от зеркала, проходя опять через его оптический центр. На пересечении лучей получим изображение точки А объекта.
Аналогичные действия проводим для точки В, получая таким образом изображение объекта АВ.
Если объект расположен между фокусом и оптическим центром зеркала, то его изображение получается действительным, увеличенным и перевёрнутым..
Если предмет находится от ВОГНУТОГО зеркала на расстоянии ближе фокусного, то его изображение получается прямым, мнимым и увеличенным.
На следующем рисунке приведены аналогичные построения для ВЫПУКЛОГО сферического зеркала.
Изображение объекта в ВЫПУКЛОМ СФЕРИЧЕСКОМ ЗЕРКАЛЕ получается мнимым, прямым и уменьшенным.
ВОПРОС: Выпуклые зеркала сильно искажают форму предметов.Почему же рядом с кабинами водителей транспорта устанавливают именно выпуклые зеркала?
ОТВЕТ:Потому что выпуклые зеркала имеют широкую область обзора.
(Продолжение темы "Геометрическая оптика" см. в следующих статьях).
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Физические основы телевидения. Как передаётся движущееся изображение на расстояние.
Следующая запись: Прямолинейность распространения света. Образование тени и полутени. Солнечный зайчик.
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 занятия, начиная с оптики даны в конце статьи "Оптика. Скорость света. Законы геометрической оптики"
Ниже даны ссылки на статьи, начиная с оптики
Прямолинейное распространение света. Образование тени и полутени. Солнечный зайчик.
Наблюдаемые изображения предметов в плоских зеркалах. Рассеянное отражение.
Развитие взглядов на природу света. Принцип Гюйгенса. Физический смысл показателя преломления.
Преломление света. Обратимость световых лучей. Как возникают миражи?
Явление полного внутреннего отражения света. Световоды. Понятие о волоконных световодах.
Оптические системы. Построение изображений в линзах. Глаз как оптическая система.
Оптические https://dzen.ru/a/aCcmtOmF4h-FckTX (телескопы). Зарождение и развитие астрономии. Кратко о законах гравитации Ньютона и Эйнштейна.