Геометрическая оптика. Закон прямолинейного распространения света объясняет образование тени Прямолинейность распространения света

Пособие по физике. Прямолинейное распространение света

Геометрическая оптика. Закон прямолинейного распространения света объясняет образование тени Прямолинейность распространения света

Прямолинейность распространения света.

Если между глазом и каким-нибудь источником света поместить непрозрачный предмет, то источник света мы не увидим. Объясняется это тем, что в однородной среде свет распространяется по прямым линиям.

Прямолинейное распространение света — факт, установленный ещё в глубокой древности. Об этом писал основатель геометрии Евклид (300 лет до нашей эры).

Прямолинейностью распространения света в однородной среде объясняется образование тени.

Тени людей, деревьев, зданий и других предметов хорошо наблюдаются на земле в солнечный день.

Предметы, освещаемые точечными источниками света, например солнцем, отбрасывают четко очерченные тени. Карманный фонарик даёт узкий пучек света.

Фактически о положении окружающих нас предметов в пространстве мы судим, подразумевая, что свет от обьекта попадает в наш глаз по прямолинейным траекториям.

Наша ориентация во внешнем мире целиком основана на предположении о прямолинейном распространении света.

Именно это допущение привело к представлению о световых лучах.

Световой луч – это прямая, вдоль которой распространяется свет. Условно лучом называют узкий пучок света. Если мы видим предмет, то это означает, что нам в глаз попадает свет от каждой точки предмета.

Хотя световые лучи выходят из каждой точки по всем направлениям, лишь узкий пучек этих лучей попадает в глаз наблюдателя.

Если наблюдатель сдвинет голову чуть в сторону, то в его глаз от каждой точки предмета будет попадать уже другой пучек лучей.

На рисунке показана тень, полученная на экране при освещении точечным источником света S непрозрачного шара М. Так как шар непрозрачен, то он не пропускает свет, падающий на него; в результате на экране образуется тень.

Такую тень можно получить в тёмной комнате, освещая шар карманным фонарём.

Если шар осветить двумя фонарями, то можно получить две тени и менее тёмные, чем тень от одного фонаря, так как тень освещена одним фонарём, а другая тень— вторым фонарем .

Частично освещенные  участки  экрана    и  называются полутенями.

Можно так расположить два источника света, что обе полутени будут частично перекрывать друг друга и часть поверхности экрана окажется совершенно неосвещённой. Это полная тень.

Закон прямолинейного распространения света : в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

Доказательством этого закона является образование тени и полутени.

В домашних условиях можно выполнить несколько опытов – доказательств этого закона.

Если мы хотим, чтобы свет от лампы не попадал в глаза, мы можем поместить между лампой и глазами лист бумаги, руку или надеть на лампу абажур. Если бы свет распространялся не по прямым линиям, то он мог бы обогнуть препятствие и попасть к нам в глаза. Например от звука нельзя “загородиться” рукой, он обогнёт это препятствие и мы будем его слышать.

Таким образом, описанный пример показывает, что свет не огибает препятствие, а распространяется прямолинейно.

Теперь возьмём маленький источник света, например карманный фонарик S. Расположим на некотором расстоянии от неё экран, то есть в каждую его точку попадает свет.

Если между точечным источником света S и экраном разместить непрозрачное тело, например мячик, то на экране увидим темное изображение очертаний этого тела – тёмный круг, поскольку за ним образовалась тень – пространство, куда не попадается свет от источника S.

Если бы свет распространялся не прямолинейно и луч не был бы прямой линией, то тень могла бы не образоваться или имела бы другую форму и размеры.

Но чётко ограниченную тень, которая получена в описанном опыте, мы видим в жизни не всегда. Такая тень образовалась, потому что в качестве источника света мы использовали лампочку, размеры спирали которой намного меньше, чем расстояние от неё до экрана.

Если в качестве источника света взять большую, сравнительно с препятствием, лампу, размеры спирали которой сравнимы с расстоянием от неё до экрана, то вокруг тени на экране образуется еще и частично освещенное пространство – полутень.

Образование полутени не противоречит закону прямолинейного распространения света, а, наоборот, подтверждает его. Ведь в данном случае источник света нельзя считать точечным. Он состоит из множества точек и каждая из них испускает лучи.

Поэтому на экране имеются области, в которые свет от одних точек источника попадает, а от других не попадает. Таким образом эти области экрана освещены лишь частично, там и образуется полутень.

В центральную область экрана не попадает свет ни от одной точки лампы, там наблюдается полная тень.

Очевидно, что если наш глаз находился бы в области тени, то мы не увидели бы источник света. Из области полутени мы видели бы часть лампы. Это мы и наблюдаем при солнечном или лунном затмении.

И последний опыт. Положите на стол кусок картона и воткните в него две булавки в нескольких сантиметрах друг от друга.

Между этими булавками воткните ещё две-три булавки так, чтобы, глядя на одну из крайних, вы увидели только её, а остальные булавки были бы закрыты от нашего взгляда ею.

Выньте булавки, приложите линейку к следам в картоне от двух крайних булавок и проведите прямую. Как расположены следы от других булавок по отношению к этой прямой?

Прямолинейностью распространения света пользуются при провешивании прямых линий на поверхности земли и под землей в метро, при определении расстояний на земле, на море и в воздухе.

Когда контролируют прямолинейность изделий по лучу зрения, то опять-таки используют прямолинейность распространения света.

Весьма вероятно, что и само понятие о прямой линии возникло из представления о прямолинейном распространении света.

Источник: //optika8.narod.ru/2.Pryamolineinoe_rasprostranenie.htm

Презентация+ конспект урока по физике на тему

Геометрическая оптика. Закон прямолинейного распространения света объясняет образование тени Прямолинейность распространения света

Сценарий урока

«Природа света. Закон прямолинейного распространения света»

(Вводный урок)

Цели урока

Воспитательные:

содействовать формированию понятия двойственности природы объектов микромира;

– способствовать эстетическому восприятию окружающего мира.

Развития:

– продолжить формирование умения выделить главное (работа с текстом, таблицей), обобщать, делать вывод;

– обеспечить развитие коммуникативных умений;

– поддержать познавательный интерес к предмету.

Обучения:

обеспечить усвоение понятия двойственности природы света;

– опираясь на знания, полученные ранее, сформулировать законы геометрической оптики;

-применить закон прямолинейного распространения света для объяснения образования тени и полутени, солнечных и лунных затмений, определения высоты светила над горизонтом, истинного полдня.

1. Оргмомент. Приветственное слово учителя.

(на доске слайд №1- свеча на фоне темного леса)

2. Этап мотивации.

Учитель. Скажите, человек любопытен? Наблюдателен? Любая вещь, окружающего нас мира, что-то значит для нас? Как, вы думаете, какую роль в нашей сегодняшней встрече играет эта свеча?

(Принимаются ответы учащихся)

Все мы бывали в комнате ночью, все тела, окружающие нас не видны, если в комнату не попадает свет. Мы видим окружающий мир благодаря свету, отраженному от предметов или свету, который излучают сами тела (источники света).

Значит свет, световые явления играют огромную роль в жизни человека.

Чем важен свет для человека?

(Учащиеся отвечают на вопрос)

Благодаря ему мы ориентируемся в пространстве и видим окружающий нас мир, создаем произведения искусства, познаем и изучаем окружающий мир, делаем открытия…

90% информации о мире мы получаем при помощи света.

Обратимся к слайдам (демонстрация слайдов (№2-15) с различными световыми явлениями)

Слова учителя (в это время):

Световые явления – одна из самых увлекательных страниц естествознания.

Чудный дар природы вечнойДар бесценный и святой.В нем источник бесконечныйНаслажденья красотой.Солнце, небо, звезд сиянье,…Море в блеске голубом.Всю природу и создания

Мы лишь в свете познаем.

Невозможно переоценить значение света для познания окружающего нас мира. Ведь наибольшую часть информации о нем мы получаем благодаря именно свету. Исследование света, идущего к нам от небесных тел, позволяет очень многое узнать о них. Здесь особенно важную роль играют спектры небесных тел.

Это своего рода их «паспорта», расшифровывая которые астрономы добывают информацию о температуре, химическом составе небесных тел, скоростях, с которыми они движутся, приближаясь к нам или удаляясь от нас, и о многом другом. В повседневной жизни мы встречаемся с разными оптическими приборами — от очков до телескопов.

Их, конечно, не смогли бы создать без исследования световых явлений.

Какие световые явления вы увидели и можете назвать?

(Учащиеся отвечают на поставленный вопрос)

Радуга; тень, отбрасываемая предметом; голубое небо; многоцветье окружающего нас мира — вот лишь несколько примеров световых явлений. Эти явления изучаются в разделе физики, который называется «оптика» (от греч. optike — наука о зрительных восприятиях).

Начиная с этого урока, мы будем изучать раздел физики, который называется оптика.

(слайд №16):

Оптика – раздел физики, в котором изучаются процессы и явления, связанные с излучением, распространением света, взаимодействием света с веществом.)

3. Постановка цели урока.

Для объяснения световых или оптических явлений необходимо ответить на вопросы ЧТО ТАКОЕ СВЕТ? КАКОВА ПРИРОДА СВЕТА?

(Учитель подводит учеников к формулировании темы урока)

(слайд №17)

Цель (тема) урока: Природа света.

4. Первичное восприятие и усвоение новых знаний.

Первые представления древних ученых были весьма примитивны и наивны, но разнообразны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальца и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов.

Или, что от тел исходит поток вещества и попадая в глаз вызывает зрительные ощущения. Мы не будем останавливаться на этих воззрениях подробно. Рассмотрим развитие научных представлений о том, что такое свет.

Для этого подумаем над таким вопросом – Оказывает ли свет воздействие на тела, человека?

(учащиеся отвечают на вопрос и приходят к выводу о воздействии света)

Воздействие – зрительные ощущения, нагрев тел, химическое, эмоциональное…

В природе действие одного тела на другое осуществляется двумя способами:

  1. Перенос вещества от источника воздействия до приемника воздействия.

  2. Изменение состояния среды между приемником и источником (без переноса массы), посредством волн.

Например, если я хочу подействовать на (имя), то могу подойти и положить руку ему на плечо (перенос массы), а могу окликнуть по имени (распространение звуковой волны – меняется состояние среды)

В соответствии с двумя способами передачи действия от источника к приемнику, возникли и начали развиваться две совершенно разные теории о том, что такое свет и какова его природа.

Согласно одной теории свет это поток частиц, согласно другой – волна.

Обратимся к тексту учебника и заполним таблицу (см. слайд № 18)

(Учащиеся работают с текстом учебника и заполняют самостоятельно таблицу)

Основоположник

Суть теории.

Доказательства

Противоречия (какие явления невозможно объяснить с помощью этой теории)

ИТОГИ

(слайд №19)

И. Ньютон

Свет поток частиц – корпускул.

Образование резких теней, отражение, преломление, прямолинейное распространение света…

Независимость световых пучков, огибание светом препятствий.

Х. Гюйгенс

Свет – волна.

Огибание светом препятствий, независимость световых пучков, усиление или ослабление света при наложении световых пучков друг на друга

Световое давление (изменение формы хвоста кометы), взаимодействие с веществом (выбивание электронов с поверхности металла), фотохимические реакции.

(Просмотр слайда №20 с различными явлениями, связанными с природой света.)

Какой вывод можно сделать?

Вывод:свет обладает двойственной природой – корпускулярно-волновым дуализмом. При распространении свет ведет себя как волна, при излучении и поглощении (взаимодействии с веществом) как поток частиц.

(слайд № 21)

В дальнейшем было обнаружено, что такой двойственностью обладают и другие виды излучения – ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма –излучение. Но и частицы, движущиеся со скоростями близкими к скорости света, обладают волновыми свойствами. Например, поведение электрона, движущего вокруг атомного ядра описывается волновой функцией.

На основе выводов о природе света ОПТИКА делится на:

  1. Геометрическую (в которой исследуется только направление распространения световой энергии)

  2. Волновую (физическую)

  3. Физиологическую

(слайд №22)

5. Актуализация и применение знаний.

И продолжим наше знакомство с миром света с законов геометрической оптики.

Геометрическая оптика строится на понятии луча. Луч – линия, указывающая направление распространения световой энергии. И основных законах – прямолинейного распространения света, отражения, преломления.

(эти законы вы изучали в 8 классе, поэтому вспомним эти законы; учащиеся перечисляют законы геометрической оптики)

Сегодня мы с вами обсудим один закон – закон прямолинейного распространения света:

В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

А в неоднородной? Обратимся к опыту

(Демонстрация: распространение света в чистой воде и мутной.

Оборудование и материалы: лазерная указка, 2 колбы, чистая вода, пачка «Смекты», для создания мутной среды)

(Учащиеся по результатам наблюдения делают вывод)

Вы видели, как свет распространяется в мутной среде. А как это может сказаться на жизни и деятельности человека? Как может повлиять на природу?

(слайд № 23)

Закон прямолинейного распространения света объясняет образование ТЕНИ И ПОЛУТЕНИ.

(Учитель напоминает учащимся образование тени, а затем учащиеся самостоятельно выполняют рисунок, объясняющий образование полутени; по результатам работы формулируют определения – тени и полутени)

Тень – область пространства, куда не попадает световая энергия.

Полутень – область пространства, куда не попадает световая энергия от одного источника, но попадает от другого.

От чего зависит размер тени и полутени? Всегда ли есть тень от тела?

(принимаются ответы учащихся)

С помощью этого закона можно объяснить солнечные и лунные затмения.

Поясните, где должны находиться Луна и Солнце во время лунного затмения; во время солнечного затмения?

Ответ – Во время солнечного затмения Луна находится между Землей и Солнцем, во время лунного затмения Земля находится между Солнцем и Луной.

(слайд №24)

Закон прямолинейного распространения света применяют для определения ВЫСОТЫ СВЕТИЛА НАД ГОРИЗОНТОМ.

(Обсуждение вопроса, что такое светило и что такое высота светила над горизонтом)

Высота светила над горизонтом – угол, под которым видим источник света.

А как можно определить этот угол?

(обсуждение возможных версий)

Ответ.

( рисунок на доске)

Необходимо взять шест (тело) известной высоты и измерить длину отбрасываемой тени. Затем рассчитать тангенс угла как отношение высоты тела к длине его тени.

Для закрепления знаний, решим несколько задач:

  1. Определите длину тени от дерева высотой 2 м, если высота Солнца над горизонтом 600.

  2. Тонкий непрозрачный диск радиусом 0,1 м находится между светящейся точкой и экраном. Расстояние от диска до светящейся точки 1 м, а до экрана-2 м. Тень от диска имеет форму круга. Определите радиус тени. Определите площадь тени.

  3. Ученик заметил, что палка длиной 1,2 м, поставленная вертикально, отбрасывает тень длиной 0,8 м. Длина тени от дерева в то же время оказалась в 12 раз больше длины палки. Какова высота дерева?

  4. Уличный фонарь висит на высоте 4 м. Какой длины тень отбросит палка высотой 1 м, если ее установить вертикально на расстоянии 3 м от основания столба, на котором укреплен фонарь?

6. Заключительный этап.

Слово учителя

По длине тени можно определить истинный полдень в данной местности. Мы знаем, что по мере приближения Солнца к зениту, тень укорачивается. И если последовательно отмечать длину тени от палки и отмечать время, то можно определить в какой момент времени тень самая короткая. Это время и будет истинным полднем.

Тень в этот момент указывает направление на север.

(слайд 25)

Подведем итоги урока:

Какова тема нашего урока? Изменялась ли тема во время урока? Какой материал был знаком? Что нового узнали?

Домашнее задание (слайд 26)

Заключительное слово учителя.

Литература

  1. В.П. Демкович, Л.П.Демкович, Сборник задач по физике.-М: «Просвещение», 1981.

  2. Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев. Физика 11 класс (учебник для общеобразовательных школ). -М: «Просвещение», 2001.

  3. Н.И.Верлан, А.Г.Заводовский, Б.В.Федоров, Г.Н.Федюкина. Сборник заданий для подготовки к Единому государственному экзамену и Централизованному тестированию. -Тюмень, 2006.

  4. Бабаев В.С. Физика: сборник задач: для выпускников и абитуриентов. -М: Эксмо, 2007.

Источник: //infourok.ru/prezentaciya-konspekt-uroka-po-fizike-na-temu-priroda-sveta-zakon-pryamolineynogo-rasprostraneniya-sveta-1517670.html

Закон прямолинейного распространения света. урок. Физика 11 Класс

Геометрическая оптика. Закон прямолинейного распространения света объясняет образование тени Прямолинейность распространения света

Геометрическая оптика описывает распространение света в прозрачных средах.

Прозрачная среда – это среда, в которой световая волна проходит расстояние, существенно превосходящее длину световой волны, без существенного уменьшения энергии.

Геометрическая оптика – это предельный случай волновой оптики, когда размеры объектов в данной физической ситуации, значительно больше длинны световой волны.

Понятно, что именно законы геометрической оптики были открыты значительно раньше, чем законы волновой оптики. Так как размеры предметов, которые нас окружают, значительно больше, чем длина световой волны.

Именно законы геометрической оптики мы и изучаем, впервые они появились в трудах Евклида, которые носили название «Катоптрика».

Вспомним основные понятия.

Световой луч – линия, вдоль которой распространяется поток световой энергии.

А теперь усовершенствуем его, учитывая принципы волновой оптики, с которыми мы уже ознакомились, и свойства распространения волн.

Световой луч – линия, вектор касательной к которой перпендикулярен фронту световой волны и направлен в сторону переноса энергии световой волны в данной точке.

Волны, в зависимости от фронта, делятся на разные виды. Мы будем работать с волами двух типов, а именно плоскими и сферическими.

Плоская волна – это волна, фронт которой представляет собой плоскость. Например, волна от длинной светящейся лампы (Рис. 1).

Рис. 1. Пример плоской волны

Сферическая волна – это волна, фронт которой представляет собой сферу (Рис. 2).

Рис. 2. Пример сферической волны

Отметим, что понятие светового луча – чисто геометрическое, реальных световых лучей в природе мы не встретим. Это понятие используют для схематического изображения световых пучков. Именно со световыми пучками мы имеем дело в реальной жизни.

Первый закон геометрической оптики говорит об этом: вклад каждого светового луча в суммарное освещение не зависит от влияния других лучей. Формулировка: если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.

Этот закон справедлив для световых пучков сравнительно небольшой интенсивности. Если же мы имеем дело со световыми пучками большой интенсивности, будут наблюдаться отклонения от выполнения этого закона.

В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями (свет распространяется прямолинейно).

Принцип Ферма

Следует отметить, что обобщением всех законом геометрической оптики является всего лишь один принцип, так называемый принцип наименьшего времени или иначе – принцип Ферма.

Принцип был назван в честь французского математика, который впервые его сформулировал.

Определение: распространение света из одной точки к другой происходит по такому пути, прохождение которого требует минимального времени по сравнению с любыми другими путями между этими точками.

Даже закон прямолинейного распространения света был выведен на основе данного принципа. И в самом деле, какая линия является кратчайшим путем между двумя точками? Конечно же, прямая, а это значит, что луч света, который распространяется по прямой, затратит наименьшее время при распространении в прозрачной, оптически однородной среде.

Точно так же принципом Ферма можно пользоваться и для доказательства закона отражения и закона преломления света.

Существует оптико-механическая аналогия. Как нам известно, в механике для того чтобы максимально быстро добраться из пункта А в пункт Б, если среда однородна, нужно двигаться именно по прямой, и в таком случае затраченное время будет минимальным.

Однородная среда – это такая среда, свойства которой не меняются при переходе от точки к точке.

Закон прямолинейного распространения света означает, что в прозрачной, оптически однородной, среде луч света ведет себя подобно геометрическому лучу. Отсюда и название – геометрическая оптика.

Вам неоднократно доводилось видеть прямолинейные солнечные лучи, пронизывающие облака, или тонкий прямой луч, пробивающийся в запыленной комнате через щель в окне. Находясь под водой, тоже можно наблюдать прямые солнечные лучи, идущие сквозь воду. Все это – проявления закона прямолинейного распространения.

При нарушении однородности среды и сам закон будет нарушаться, возможно преломление лучей на границе сред. Если оптические свойства среды меняются от точки к точке, то ход световых лучей искривляется, в этом состоит причина миражей (Рис. 3).

Рис. 3. Мираж

Еще одно применение закона распространения света – изобретение первого примитивного фотоаппарата – камеры-обскура.

Камера-обскура

Давайте разберемся, с чего начинался современный фотоаппарат, его прадедушкой была простая и скромная камера-обскура. В ее работе использовался закон прямолинейного распространения света.

С латинского camera – «комната», а obscura – «темная». Данная камера является самым простым примером оптического прибора, с помощью которого можно получить изображение объекта.

Ее делали в виде светонепроницаемого ящика с маленьким отверстием ( мм) в одной из стенок и экраном на противоположной.

Лучи света, проходя сквозь отверстие, в итоге создавали на экране перевернутое изображение (Рис. 4).

Рис. 4. Камера-обскура

Китайские философы еще в V веке до нашей эры говорили, что такое устройство способно давать изображение достаточно удаленных предметов.

Еще одним ученым, который анализировал принцип работы камеры, был Аристотель. Он отмечал, что свет, проникающий в комнату через небольшое отверстие в ставне, образует на противоположной стене изображение предметов, находящихся на улице перед окном.

В Х веке арабский ученый Альгазен использовал принцип работы камеры-обскура для наблюдений за Солнцем. Зная, что наблюдать за Солнцем невооруженным взглядом вредно, он наблюдал за изображением солнца, которые получал, делая отверстие в палатке, что в результате давало изображение на противоположной стенке палатки.

Все, что мы обсуждали выше, – это всего лишь принцип работы камеры-обскура. А вот конструкцию и ее название предложил Леонардо да Винчи. Именно он впервые применил эту камеру для зарисовки пейзажей.

В 1544 году голландский физик и математик Фризиус Реньер Гемма наблюдал солнечное затмение с помощью все той же камеры-обскура. Благодаря этому ученому появилось первое изображение камеры в научных трудах (Рис. 5).

Рис. 5. Изображение камеры-обскура

Таким образом, простой закон прямолинейного распространения света позволил нам разобраться в устройстве первого примитивного фотоаппарата.

Еще одно фундаментальное следствие из закона прямолинейного распространения света – образование теней и полутеней.

На рисунке изображен точечный источник света  и предмет, например треугольник, на экране мы видим тень этого предмета также в виде треугольника, но только другого цвета (Рис. 6).

Рис. 6. Тень от предмета

Тень появляется, если на пути световых лучей оказывается непрозрачный предмет, происходит следующее:

1. луч, который идет мимо предмета, продолжает распространяться в прежнем направлении (движется прямолинейно);

2. луч, попадающий на предмет, не проникает внутрь предмета, дальнейший ход такого луча пресекается, и в результате на экране такой луч не будет виден.

Так возникает геометрическая тень, края которой четко очерчены. Важно понимать, что в реальности, вследствие явления дифракции, края у тени на самом деле несколько расплывчатые.

В случае если источник света является не точечным, а протяженным, на экране, помимо тени, будет наблюдаться еще и полутень (область частичной освещенности) (Рис. 7).

Рис. 7. Пример образования полутени

Отличным примером образования полутеней и теней являются хорошо вам известные солнечное и лунное затмения (Рис. 8).

Рис. 8. Лунное затмение

Итак, на этом уроке мы вспомнили основные понятия геометрической оптики, а также вспомнили некоторые понятия из волновой оптики и сформулировали два первых закона геометрической оптики.

Список литературы

1. Жилко В.В., Маркович Я.Г. Физика. 11 класс. – 2011.

2. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика. 11 класс. Учебник.

3. Касьянов В.А. Физика, 11 класс. – 2004.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет портал «FizMat.by» (Источник)

2. Интернет портал «Большая Энциклопедия Нефти и Газа» (Источник)

3. Интернет портал «Энциклопедия по машиностроению XXL» (Источник)

Домашнее задание

1. Опыт. Положите на стол кусок картона и воткните в него две булавки в нескольких сантиметрах друг от друга.

Между этими булавками воткните еще две-три булавки так, чтобы, глядя на одну из крайних, вы увидели только ее, а остальные булавки были бы закрыты от нашего взгляда ею.

Выньте булавки, приложите линейку к следам в картоне от двух крайних булавок и проведите прямую. Как расположены следы от других булавок по отношению к этой прямой?

2. Ученик заметил, что палка длиной 1,2 м, поставленная вертикально, отбрасывает тень длиной 0,8 м. Длина тени от дерева в то же время оказалась ровно в 12 раз больше длины палки. Какова высота дерева?

Источник: //interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/boptikab/zakon-pryamolineynogo-rasprostraneniya-sveta

Закон прямолинейного распространения света. Закон отражения света. Плоское зеркало. Преломление света – FIZI4KA

Геометрическая оптика. Закон прямолинейного распространения света объясняет образование тени Прямолинейность распространения света

ОГЭ 2018 по физике ›

1. В основе явления распространения света лежат три закона: закон прямолинейного распространения света, закон отражения света и закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Однородная среда — это среда, состоящая из одного и того же вещества, например, воздух, вода, стекло, масло и пр. Наблюдать прямолинейное распространение света можно в затемненной комнате, в которую через небольшое отверстие проникает луч света.

Следствием прямолинейного распространения света является то, что свет не проникает за экраны, ширмы и другие преграды. Однако если преграда очень мала, например, если это волос, тонкая нить и т.п., то за неё свет будет проникать, т.е. свет в определённых условиях
свет отклоняется от прямолинейного распространения.

Прямолинейное распространение света объясняет образование тени от предметов. На рисунке 97 показано распространение света от точечного источника.

Точечный источник — это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя. На рисунке видно, что на экране образуется чёткая
тень предмета.

На рисунке 98 показано распространение света от протяжённого источника.

В этом случае на экране образуются область тени и область полутени. Тень — область, в которую свет не попадает, в область полутени свет попадает от одной части источника света.

Зная, как образуется тень, можно объяснить солнечные и лунные затмения.

2. Если среда, в которой распространяется свет неоднородная, т.е. свет падает на границу раздела двух сред, то свет изменяет направление распространения. На границе раздела двух сред происходят три явления: отражение света от границы раздела сред, преломление и поглощение веществом (рис. 99).

На рисунке 99 АО — падающий луч, ОВ — отражённый луч, ОС — преломлённый луч; угол (​\( \alpha \)​ между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела сред — угол падения луча, угол ​\( \beta \)​ между отражённым лучом и перпендикуляром к границе раздела сред — угол отражения, угол ​\( \gamma \)​ между преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела сред — угол преломления.

При изменении угла падения изменяется угол отражения, но при этом отражение света подчиняется закону отражения:

  • угол отражения света равен углу падения ​\( (\beta=\alpha) \)​,
  • лучи падающий и отражённый, а также перпендикуляр, восставленный к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

Из закона отражения света следует, что падающий и отражённый лучи обратимы.

Если свет отражается от гладкой поверхности, то отражение называется зеркальным. В этом случае, если на поверхность падают параллельные лучи, то отражённые лучи тоже будут параллельными (рис. 100).

Если параллельные лучи падают на шероховатую поверхность, то отражённые лучи будут направлены в разные стороны. Это отражение называют рассеянным или диффузным.

3. На рисунке 101 приведено построение изображения в плоском зеркале. Как показывают опыт и построение изображения предмета в плоском зеркале на основе закона отражения:

  • плоское зеркало дает прямое изображение предмета;
  • изображение имеет те же размеры, что и предмет;
  • расстояние от предмета до зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения.

Иными словами предмет и его изображение симметричны относительно зеркала.

Изображение предмета в плоском зеркале является мнимым. Мнимое изображение — это такое изображение, которое формируется глазом. В точке ​\( S’ \)​ собираются не сами лучи, а их продолжение, энергия в эту точку не поступает.

4.Изменение направления распространения света при переходе в другую среду называют преломлением света.

Эксперименты свидетельствуют о том, что при увеличении угла падения увеличивается угол преломления. Из опытов также следует, что соотношение углов падения и преломления зависит от оптической плотности среды.

Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Так, оптическая плотность воздуха меньше, чем стекла, масла и пр., поскольку скорость света в этих средах меньше, чем в воздухе.

Явление преломления света подчиняется следующим закономерностям:

  • если свет переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения ​\( (\gamma\alpha) \);
  • лучи падающий и преломлённый, а также перпендикуляр, восставленный к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

При переходе света из одной среды в другую его интенсивность несколько уменьшается. Это связано с тем, что свет частично поглощается средой.

  • Примеры заданий
  • Ответы

Часть 1

1. На рисунке изображены точечный источник света ​\( L \)​, предмет ​\( K \)​ и экран, на котором получают тень от предмета. При мере удаления предмета от источника света и приближения его к экрану (см. рисунок)

1) размеры тени будут уменьшаться 2) размеры тени будут увеличиваться 3) границы тени будут размываться

4) границы тени будут становиться более чёткими

2. Размеры изображения предмета в плоском зеркале

1) больше размеров предмета 2) равны размерам предмета 3) меньше размеров предмета

4) больше, равны или меньше размеров предмета в зависимости от расстояния между предметом и зеркалом

3. Луч света падает на плоское зеркало. Угол между падающим лучом и отражённым увеличили на 30°. Угол между зеркалом и отражённым лучом

1) увеличился на 30° 2) увеличился на 15° 3) уменьшился на 30°

4) уменьшился на 15°

4. Какое из изображений — А, Б, В или Г — соответствует предмету MN, находящемуся перед зеркалом?

1) А 2) Б 3) В

4) Г

5. Предмет, расположенный перед плоским зеркалом, приблизили к нему на 5 см. Как изменилось расстояние между предметом и его изображением?

1) увеличилось на 5 см 2) уменьшилось на 5 см 3) увеличилось на 10 см

4) уменьшилось на 10 см

6. Предмет, расположенный перед плоским зеркалом, удалили от него так, что расстояние между предметом и его изображением увеличилось в 2 раза. Во сколько раз увеличилось расстояние между предметом и зеркалом?

1) в 0,5 раза 2) в 2 раза 3) в 4 раза

4) в 8 раз

7. Чему равен угол падения луча на границе вода — воздух, если известно, что угол преломления равен углу падения?

1) 90° 2) 60° 3) 45°

4) 0°

8. Луч света переходит из стекла в воздух, преломляясь на границе раздела двух сред. Какое из направлений 1-4 соответствует преломлённому лучу?

1) 1 2) 2 3) 3

4) 4

9. Свет распространяется из масла в воздух, преломляясь на границе раздела этих сред. Па каком рисунке правильно представлены падающий и преломлённый лучи?

10. Световой луч падает на границу раздела двух сред. Скорость света во второй среде

1) равна скорости света в первой среде 2) больше скорости света в первой среде 3) меньше скорости света в первой среде

4) используя один луч, нельзя дать точный

11. Для каждого примера из первого столбца подберите соответствующее физическое явление из второго столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ A) изображение стоящих на берегу деревьев в «зеркале» воды Б) видимое изменение положения камня на дне озера

B) эхо в горах

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ 1) отражение света 2) преломление света 3) дисперсия света 4) отражение звуковых волн

5) преломление звуковых волн

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу

1) угол преломления равен углу падения, если оптическая плотность двух граничащих сред одинакова 2) чем больше показатель преломления среды, тем больше скорость света в ней 3) полное внутреннее отражение происходит при переходе света из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную 4) угол преломления всегда меньше угла падения

5) угол преломления всегда равен углу падения

Ответы

Источник: //fizi4ka.ru/ogje-2018-po-fizike/zakon-prjamolinejnogo-rasprostranenija-sveta-zakon-otrazhenija-sveta-ploskoe-zerkalo-prelomlenie-sveta.html

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика. Закон прямолинейного распространения света объясняет образование тени Прямолинейность распространения света

      Основные законы геометрической оптики известны ещё с древних времен. Так, Платон (430 г. до н.э.) установил закон прямолинейного распространения света.

В трактатах Евклида формулируется закон прямолинейного распространения света и закон равенства углов падения и отражения. Аристотель и Птолемей изучали преломление света.

Но точных формулировок этих законов геометрической оптики греческим философам найти не удалось.

      Геометрическая оптика является предельным случаем волновой оптики, когда длина световой волны стремится к нулю.

      Простейшие оптические явления, например возникновение теней и получение изображений в оптических приборах, могут быть поняты в рамках геометрической оптики.

      В основу формального построения геометрической оптики положено четыре закона,установленных опытным путем:

       ·     закон прямолинейного распространения света;

       ·     закон независимости световых лучей;

       ·     закон отражения;

       ·     закон преломления света.

      Для анализа этих законов Х. Гюйгенс предложил простой и наглядный метод, названный впоследствии принципом Гюйгенса.

      Каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, является, в свою очередь, центром вторичных волн; поверхность, огибающая в некоторый момент времени эти вторичные волны, указывает положение к этому моменту  фронта действительно распространяющейся волны.

Гюйгенс Христиан (1629–1695), нидерландский ученый. В 1665–1681 гг. работал в Париже. Изобрел (1657) маятниковые часы со спусковым механизмом, дал их теорию, установил законы колебаний физического маятника. Опубликовал в 1690 г. созданную им в 1678 г. волновую теорию света, объяснил двойное лучепреломление. Усовершенствовал телескоп; сконструировал окуляр, названный его именем. Открыл кольцо у Сатурна и его спутник Титан. Автор одного из первых трудов по  теории  вероятностей  (1657 г.).

      Основываясь на своем методе, Гюйгенс объяснил прямолинейность распространения светаивывелзаконы отражения и преломления.

      Закон прямолинейного распространения света:

       ·     свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

      Доказательством этого закона является наличие тени с резкими границами от непрозрачных предметов при освещении их источниками малых размеров.

      Тщательные эксперименты показали, однако, что этот закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейности распространения тем больше, чем меньше отверстия.

Тень, отбрасываемая предметом, обусловлена прямолинейностью распространения световых лучей в оптически однородных средах.

Рис 7.1

      Астрономической иллюстрацией прямолинейного распространения света и, в частности, образования тени и полутени может служить затенение одних планет другими, например затмение Луны, когда Луна попадает в тень Земли (рис. 7.1). Вследствие взаимного движения Луны и Земли тень Земли перемещается по поверхности Луны, и лунное затмение проходит через несколько частных фаз (рис. 7.2).

Рис. 7.2

      Закон независимости световых пучков:

       ·     эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.

      Разбивая световой поток на отдельные световые пучки (например, с помощью диафрагм), можно показать, что действие выделенных световых пучков независимо.

      Закон отражения (рис. 7.3):

       ·        отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения;

       ·        угол падения  α  равен углу отражения  γ:  α = γ

Рис. 7.3                                                     Рис. 7.4

      Для вывода закона отражения воспользуемся принципом Гюйгенса. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления Iсо скоростью с, падает на границу раздела двух сред(рис. 7.4). Когда фронт волны АВ достигнет отражающей поверхности в точке А,эта точка начнет излучать вторичную волну.

       ·       Для прохождения волной расстояния ВС требуется время             Δt= BC/υ. За это же время фронт вторичной волны достигнет точек полусферы, радиус ADкоторой равен:  υΔt = ВС.

Положение фронта отраженной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC, а направление распространения этой волны – лучом II.

Из равенства треугольников ABCи ADCвытекает закон отражения: угол падения  α равен углу отражения  γ.

      Закон преломления (закон Снелиуса) (рис. 7.5):

       ·     луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости;

       ·     отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред.

Рис. 7.5                                           Рис. 7.6

      Вывод закона преломления. Предположим, что плоская волна (фронт волны АВ), распространяющаяся в вакууме вдоль направления Iсо скоростью  с, падает на границу раздела со средой, в которой скорость ее распространения равна u  (рис. 7.6).

      Пусть время, затрачиваемое волной для прохождения пути ВС, равно Dt. Тогда ВС = сDt.

За это же время фронт волны, возбуждаемой точкой А в среде со скоростью u, достигнет точек полусферы, радиус которой AD = uDt.

Положение фронта преломленной волны в этот момент времени в соответствии с принципом Гюйгенса задается плоскостью DC, а направление ее распространения – лучом III. Из рис. 7.6 видно, что

       ,       т.е.       .

      Отсюда следует закон Снелиуса:

.

      Несколько иная формулировка закона распространения света была дана французским математиком и физиком П. Ферма.

Ферма Пьер (1601–1665) – французский математик и физик. Родился в Бомон-де-Ломань. Получил юридическое образование. С 1631 г. был советником парламента в Тулузе.

      Физические исследования относятся большей частью к оптике, где он установил в 1662 г. основной принцип геометрической оптики (принцип Ферма). Аналогия между принципом Ферма и вариационными принципами механики сыграла значительную роль в развитии современной динамики и теории оптических инструментов.

      Согласно принципу Ферма, свет распространяется между двумя точками по пути, для прохождения которого необходимо наименьшее время.

      Покажем применение этого принципа к решению той же задачи о преломлении света.

      Луч от источника света S, расположенного в вакууме идет до точки В, расположенной в некоторой среде за границей раздела (рис. 7.7).

Рис. 7.7

      В каждой среде кратчайшим путем будут прямые SA и AB. ТочкуA охарактеризуем расстоянием x от перпендикуляра, опущенного из источника на границу раздела. Определим время, затраченное на прохождение пути SAB:

.

      Для нахождения минимума найдем первую производную от τ по х и приравняем ее к нулю:

,

      отсюда приходим к тому же выражению, что получено исходя из принципа Гюйгенса:   .

      Принцип Ферма сохранил свое значение до наших дней и послужил основой для общей формулировки законов механики (в том числе теории относительности и квантовой механики).

      Из принципа Ферма вытекает несколько следствий.

      Обратимость световых лучей: если обратить луч III(рис. 7.7), заставив его падать на границу раздела под углом β, то преломленный луч в первой среде будет распространяться под углом α, т. е. пойдет в обратном направлении вдоль луча I.

      Другой пример – мираж, который часто наблюдают путешественники на раскаленных солнцем дорогах. Они видят впереди оазис, но когда приходят туда, кругом оказывается песок. Сущность в том, что мы видим в этом случае свет, прошедший над песком.

Воздух сильно раскален над самой дорогой, а в верхних слоях холоднее. Горячий воздух, расширяясь, становится более разреженным и скорость света в нем больше, чем в холодном.

Поэтому свет проходит не по прямой, а по траектории с наименьшим временем, заворачивая в теплые слои воздуха.

      Если свет распространяется изсреды с большим показателем преломления  (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления  (оптически менее плотной)(  > ), например из стекла в воздух, то, согласно закону преломления, преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления β больше, чем угол падения α (рис. 7.8 а).

Рис.7.8

      С увеличением угла падения увеличивается угол преломления  (рис. 7.8 б, в), до тех пор, пока при некотором угле падения ( ) угол преломления не окажется равным  π/2.

      Угол  называется предельным углом. При углах падения α >  весь падающий свет полностью отражается (рис. 7.8 г).

       ·       По мере приближения угла падения к предельному, интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного – растет.

       ·     Если , то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего (рис. 7.8 г).

       ·     Таким образом, при углах падения в пределах от  до π/2, луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы.  Это явление называется полным отражением.

      Предельный угол  определим из формулы:

;

.

      Явление полного отражения используется в призмах полного отражения (Рис. 7.9).

Рис. 7.9

      Показатель преломления стекла равен n » 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло – воздух    = arcsin (1/1,5) = 42°.

      При падении света на границу стекло – воздух при α >42° всегда будет иметь место полное отражение.

      На рис. 7.9показаны призмы полного отражения, позволяющие:

      а) повернуть луч на 90°;

      б) повернуть изображение;

      в) обернуть лучи.

      Призмы полного отражения применяются в оптических приборах (например, в биноклях, перископах), а также в рефрактометрах, позволяющих определять показатели преломления тел (по закону преломления, измеряя  , определяем относительный показатель преломления двух сред, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления второй среды известен).

Явление полного отражения используется также в световодах, представляющих собой тонкие, произвольным образом изогнутые нити (волокна) из оптически прозрачного материала.

Рис. 7.10

      В волоконных деталях применяют стеклянное волокно, световедущая жила (сердцевина) которого окружается стеклом – оболочкой из другого стекла с меньшим показателем преломления.

Свет, падающий на торец световода под углам больше предельного, претерпевает на поверхности раздела сердцевины и оболочки полное отражение и распространяется только по световедущей жиле.

      Световоды используются при создании телеграфно-телефонных кабелей большой емкости. Кабель состоит из сотен и тысяч оптических волокон тонких, как человеческий волос. По такому кабелю, толщиной в обычный карандаш, можно одновременно передавать до восьмидесяти тысяч телефонных разговоров.

      Кроме того, световоды используются в оптоволоконных электронно-лучевых трубках, в электронно-счетных машинах, для кодирования информации, в медицине (например, диагностика желудка), для целей интегральной оптики.

Источник: //ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B1%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F%20%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B.%20%D0%B3%D0%B5%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D0%B8%20%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F%20%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0/07-2.htm

WikiMedForum.Ru
Добавить комментарий