Основы оптики: Физика 8 класс

Введение в оптику: Что такое свет?

Мы живем в мире, наполненном светом и красками. Но задумывались ли вы когда-нибудь, почему мы видим окружающие нас предметы? Почему днем светло, а ночью темно? Почему в солнечный день от деревьев падают тени, и почему эти тени меняют свою длину?

Ответы на эти вопросы дает раздел физики, который называется оптика. Оптика — это наука о световых явлениях. Она изучает природу света, законы его распространения и взаимодействия с веществом.

Самое первое и важное, что нужно понять: мы видим предметы только в двух случаях:

Они сами излучают свет.

Они отражают свет, падающий на них от других источников.

Если вы зайдете в абсолютно темную комнату без окон, вы ничего не увидите, даже если ваши глаза открыты. Глаз — это приемник света, но чтобы он сработал, свет должен попасть в него.

Источники света

Тела, которые способны излучать свет, называют источниками света. Внутри таких тел происходят различные превращения энергии (электрической, химической, тепловой) в световую энергию.

Источники света принято делить на группы по разным признакам. Самое простое деление — по происхождению.

Естественные и искусственные источники

Естественные источники — это те, которые созданы природой. Человек не прикладывал руку к их созданию.

Примеры естественных источников: * Солнце (самый главный источник света для Земли). * Звезды. * Полярное сияние. * Молния. * Светлячки и некоторые глубоководные рыбы.

Искусственные источники — это те, которые создал человек для освещения.

Примеры искусственных источников: * Костер или пламя свечи. * Электрическая лампочка. * Экран вашего смартфона или монитора. * Лазерная указка.

Тепловые и люминесцентные источники

Источники света также различаются по способу излучения.

Тепловые источники. Они светят потому, что сильно нагреты. Чем выше температура, тем ярче свет. Например, Солнце (температура поверхности около 6000 °C), лампа накаливания (нить нагревается током), пламя свечи.

Люминесцентные (холодные) источники. Они светят не из-за нагрева, а благодаря другим процессам. Такие источники могут быть холодными на ощупь. Примеры: экран телефона, светодиодные лампы (LED), лампы дневного света, светящиеся жуки-светлячки.

!Сравнение различных типов источников света: естественные, искусственные, тепловые и холодные

Точечные и протяженные источники

В физике очень важно понятие модели. Иногда размеры самого источника света важны, а иногда ими можно пренебречь. В зависимости от условий задачи источники делят на точечные и протяженные.

Точечный источник света — это светящееся тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Когда источник можно считать точечным? * Когда он очень мал сам по себе (светящаяся точка). * Когда расстояние от источника до освещаемого предмета во много раз больше размеров самого источника.

Пример: Звезды на небе — это гигантские шары, во много раз больше Земли. Но так как они находятся невероятно далеко, для нас они являются точечными источниками света.

Протяженный источник света — это источник, размеры которого сопоставимы с расстоянием до освещаемого объекта. Мы не можем считать его просто точкой.

Пример: Лампа дневного света (длинная трубка) в комнате — это протяженный источник.

Распространение света

Как свет путешествует от источника к нашему глазу или к предмету? Чтобы описать это движение, физики используют геометрическую модель — световой луч.

Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света.

Важно понимать: в реальности бесконечно тонкого луча не существует. То, что мы видим в жизни (например, луч прожектора в ночном небе или солнечный луч, пробивающийся сквозь тучи), — это на самом деле световой пучок, состоящий из множества лучей.

!Графическое изображение световых лучей, исходящих из точечного источника

Закон прямолинейного распространения света

Это первый и самый фундаментальный закон геометрической оптики. Он был известен еще в глубокой древности.

> В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Давайте разберем это определение: * Прозрачная среда — среда, через которую проходит свет (воздух, вода, стекло, вакуум). * Однородная среда — среда, свойства которой одинаковы во всех точках (нет перепадов плотности, температуры или состава).

Если среда неоднородна (например, горячий воздух над костром поднимается вверх и смешивается с холодным), свет может искривляться. Именно поэтому предметы, на которые мы смотрим сквозь пламя костра, кажутся дрожащими и искаженными.

Но если воздух спокойный и чистый, свет летит строго по прямой линии, как натянутая струна.

Доказательством этого закона служат резкие тени, которые отбрасывают предметы при освещении точечным источником.

Тень и полутень

Образование тени — это прямое следствие закона прямолинейного распространения света. Если на пути лучей поставить непрозрачный предмет, свет не сможет его обогнуть, и за предметом образуется темная область.

Тень (полная тень)

Если источник света точечный, то за непрозрачным предметом образуется четкая тень. В эту область свет от источника не попадает совсем.

!Образование полной тени от точечного источника света

Полутень

Ситуация меняется, если источник света протяженный (большой). В этом случае на экране мы увидим две области:

Полная тень — центральная темная часть, куда свет не попадает ни от одной точки источника.

Полутень — частично освещенная область вокруг полной тени. Сюда попадает свет от одной части источника, но не попадает от другой.

Именно из-за явления полутени тени от больших ламп или от Солнца часто имеют размытые края.

!Образование тени и полутени от протяженного источника света

Солнечные и лунные затмения

Самые грандиозные примеры образования теней в природе — это затмения. Они происходят благодаря прямолинейному распространению света в космическом вакууме.

Солнечное затмение

Солнечное затмение происходит, когда Луна оказывается точно между Солнцем и Землей. Луна отбрасывает тень на Землю.

* Те люди, которые находятся в области полной тени Луны, видят полное солнечное затмение (Солнце полностью скрыто диском Луны). * Те, кто находится в области полутени, видят частичное солнечное затмение (Луна закрывает лишь край Солнца).

Так как Луна меньше Земли, пятно тени на поверхности нашей планеты небольшое, и полное затмение видно лишь в узкой полосе.

Лунное затмение

Лунное затмение происходит, когда Земля оказывается между Солнцем и Луной. Земля отбрасывает огромную тень, и Луна попадает в нее.

Когда Луна входит в конус тени Земли, мы видим лунное затмение. Оно может быть полным (Луна вся в тени) или частичным.

!Геометрия солнечного и лунного затмений

Камера-обскура

Еще одно интересное доказательство прямолинейности света — камера-обскура (в переводе с латыни «темная комната»). Это простейший предок современного фотоаппарата.

Если взять закрытую коробку и проделать в одной стенке крошечное отверстие, то на противоположной стенке (внутри коробки) появится изображение предметов, находящихся снаружи. Это изображение будет перевернутым.

Почему так происходит? Свет от верхней части дерева летит по прямой линии через отверстие вниз. Свет от корней дерева летит по прямой через отверстие вверх. Лучи перекрещиваются в отверстии, и изображение переворачивается.

Скорость света

Свет распространяется не мгновенно, хотя нам так и кажется. У него есть конечная скорость, но она огромна. В вакууме скорость света является самой большой скоростью в природе, которую невозможно превысить.

Скорость света обозначается латинской буквой .

или более точно в метрах в секунду:

Для школьных задач мы обычно используем округленное значение: км/с или м/с.

Чтобы представить эту скорость: за одну секунду луч света может облететь вокруг Земли по экватору более 7 раз!

Расстояние от Солнца до Земли составляет примерно 150 миллионов километров. Давайте посчитаем, сколько времени свет идет от Солнца до нас. Используем формулу времени:

где — время, — расстояние, — скорость (в данном случае ).

500 секунд — это 8 минут и 20 секунд. То есть, когда мы смотрим на Солнце, мы видим его таким, каким оно было 8 минут назад.

Итоги

Источники света бывают естественными (Солнце, звезды) и искусственными (лампы, свечи), а также тепловыми (нагретыми) и люминесцентными (холодными).

Точечный источник — это источник, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием до объекта.

Закон прямолинейного распространения света: в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям.

Тень и полутень: Точечный источник создает четкую тень. Протяженный источник создает тень и полутень. Затмения — это результат падения тени от Луны на Землю или от Земли на Луну.

Скорость света в вакууме огромна и составляет приблизительно км/с.

Закон отражения света и свойства плоских зеркал

В предыдущей статье мы выяснили, что видим окружающие предметы по двум причинам: либо они сами излучают свет, либо они отражают свет, падающий на них от других источников. Если с источниками света (как Солнце или лампа) всё более-менее понятно, то как именно происходит процесс отражения? Почему в зеркале мы видим своё точное отражение, а в белом листе бумаги — нет, хотя он тоже отлично отражает свет?

Сегодня мы изучим один из древнейших законов физики — закон отражения света, и разберемся, как работают зеркала.

Что происходит, когда свет падает на предмет?

Представьте, что луч света падает на границу раздела двух сред (например, из воздуха на поверхность воды или на зеркало). Световая энергия при этом разделяется на три части:

Отражение: часть света «отскакивает» от поверхности обратно в первую среду.

Поглощение: часть света поглощается телом и превращается в тепловую энергию (поэтому черные предметы нагреваются на солнце сильнее).

Преломление (пропускание): если тело прозрачное, часть света проходит сквозь него.

В этой статье нас интересует именно первое явление — отражение.

Геометрия отражения

Чтобы сформулировать физический закон, нам нужно ввести строгие геометрические понятия. Физики не говорят «свет упал как-то так и отскочил туда». Они используют точные термины.

Рассмотрим схему падения луча на плоскую поверхность.

!Схема отражения света: падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр

Основные определения:

* Падающий луч — луч, идущий от источника света к поверхности. * Отраженный луч — луч, идущий от поверхности после отражения. * Точка падения — точка, в которую попал падающий луч. * Перпендикуляр (нормаль) — воображаемая линия, проведенная к поверхности зеркала в точке падения под углом .

Теперь самое важное, где часто допускают ошибки. Как измерять углы?

> В оптике углы всегда отсчитываются от перпендикуляра, а не от самой поверхности!

Угол падения (обозначается буквой или ) — это угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точке падения.

Угол отражения (обозначается буквой или ) — это угол между отраженным лучом и этим же перпендикуляром.

Закон отражения света

Этот закон был установлен экспериментально еще в Древней Греции. Он состоит из двух утверждений.

Первое утверждение (геометрическое): > Падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

Это значит, что если вы светите лазерной указкой на стол сбоку, отраженный луч не пойдет в сторону или винтом. Он останется в той же вертикальной плоскости, что и падающий луч.

Второе утверждение (количественное): > Угол отражения равен углу падения.

Математически это записывается очень просто:

где — угол падения света, а — угол отражения света.

Пример расчета

Допустим, луч света падает на зеркало под углом к поверхности зеркала. Чему равен угол отражения?

Решение: Многие сразу хотят ответить «30 градусов», но это ошибка. Вспомним определение: угол падения — это угол между лучом и перпендикуляром.

Перпендикуляр составляет с поверхностью угол . Если угол между лучом и поверхностью равен , то угол падения:

Согласно закону отражения, угол отражения равен углу падения . Значит, .

Зеркальное и диффузное отражение

Почему в зеркале мы видим свое лицо, а в белой стене или листе бумаги — нет? Ведь белая стена тоже отражает свет (иначе она была бы черной).

Разница заключается в качестве поверхности.

1. Зеркальное отражение

Возникает, когда поверхность очень гладкая. Неровности поверхности меньше длины световой волны. В этом случае параллельный пучок лучей, падающий на поверхность, остается параллельным и после отражения.

Примеры: зеркало, спокойная гладь воды, полированный металл, стекло витрины.

2. Диффузное (рассеянное) отражение

Возникает, когда поверхность шероховатая. Даже если она кажется гладкой на ощупь (как бумага), под микроскопом она состоит из множества микроскопических гор и впадин.

Когда параллельный пучок света падает на такую поверхность, каждый отдельный луч падает на свой микро-участок под своим углом. Закон отражения () выполняется для каждого луча честно, но так как сами микро-участки наклонены по-разному, отраженные лучи летят в разные стороны.

!Зеркальное отражение (слева) и диффузное отражение (справа)

Именно благодаря диффузному отражению мы видим окружающие нас предметы (мебель, деревья, дома) с любой стороны. Если бы все предметы отражали свет зеркально, мы бы видели не сами предметы, а только отражения источников света (ламп и Солнца) в них.

Плоское зеркало

Плоское зеркало — это плоская поверхность, зеркально отражающая свет.

Это самый простой и привычный оптический прибор. Но как именно в нем появляется изображение? Давайте построим ход лучей.

Представьте светящуюся точку перед зеркалом. Из нее во все стороны выходят лучи. Возьмем два произвольных луча, падающих на зеркало. Отразим их по закону . Отраженные лучи пойдут расходящимся пучком.

Если эти отраженные лучи попадут нам в глаз, наш мозг (который привык считать, что свет распространяется прямолинейно) «продлит» эти лучи назад, за зеркало. Там, где эти воображаемые продолжения пересекутся, мы и увидим светящуюся точку .

!Образование мнимого изображения в плоском зеркале

Свойства изображения в плоском зеркале

Изображение предмета в плоском зеркале обладает четырьмя ключевыми свойствами:

Мнимое. Это самый сложный для понимания термин. Изображение называется мнимым, потому что оно образуется не пересечением реальных световых лучей, а пересечением их воображаемых продолжений. В точке за зеркалом нет никакой световой энергии. Если вы поставите туда лист бумаги или фотопленку, на них ничего не появится. Изображение существует только в нашем сознании, когда мы смотрим на отраженные лучи.

Прямое. Изображение не перевернуто вверх ногами (в отличие от камеры-обскуры, которую мы обсуждали в прошлой статье).

Равное по размеру. Предмет в зеркале кажется ровно таким же, как в реальности. Он не увеличен и не уменьшен.

Симметричное. Изображение находится за зеркалом на таком же расстоянии, на каком предмет находится перед зеркалом.

Зеркальная симметрия

Хотя изображение прямое (голова вверху, ноги внизу), оно имеет одну особенность: право и лево меняются местами. Если вы поднимете перед зеркалом правую руку, ваше отражение поднимет левую руку.

Это свойство используется, например, на машинах скорой помощи. Надпись «РЕАНИМАЦИЯ» или «AMBULANCE» на капоте часто пишут в зеркальном отражении. Зачем? Чтобы водитель впереди идущей машины, посмотрев в зеркало заднего вида, увидел надпись в нормальном, читаемом виде и уступил дорогу.

Практическое применение: Перископ

Закон отражения позволяет управлять ходом световых лучей. Простейший прибор для наблюдения из укрытия — перископ.

Он состоит из трубы и двух плоских зеркал, установленных параллельно друг другу под углом к оси трубы.

Свет от предмета попадает на верхнее зеркало.

Отражается вниз под углом .

Попадает на нижнее зеркало.

Снова отражается под углом и попадает в глаз наблюдателю.

Таким образом, можно смотреть поверх толпы, из-за угла или из подводной лодки, не высовываясь самому.

Итоги

Закон отражения света: падающий луч, отраженный луч и перпендикуляр лежат в одной плоскости; угол отражения равен углу падения ().

Углы в оптике всегда отсчитываются от перпендикуляра (нормали) к поверхности, а не от самой поверхности.

Зеркальное отражение сохраняет параллельность пучка лучей (гладкие поверхности), а диффузное отражение рассеивает свет во все стороны (шероховатые поверхности). Мы видим предметы благодаря диффузному отражению.

Плоское зеркало дает мнимое, прямое изображение, равное по размеру предмету и расположенное на том же расстоянии за зеркалом.