Закон прямолинейного распространения света

Ключевые слова: солнечный свет, источники света, прямолинейное распространение света, затмения, тени.

На этом уроке вы научитесь:

• графически изображать образование теней, солнечных и лунных затмений.

Наверняка, каждый из вас наблюдал, как лучи света, пересекаясь друг с другом, продолжали свое распространение, не меняя направления, двигаясь дальше по прямой. Как объяснить этот факт?

Световые явления играют в нашей жизни очень важную роль. Свет освещает предметы, нагревает тела, оказывает химическое действие, свет может вырывать из вещества электроны, из-за чего возникает электрический ток. Световая энергия на Земле усваивается листьями растений, преобразуется в электрическую энергию солнечными батареями, обогревает дома, теплицы.

Это интересно! Всего за три дня Солнце отправляет столько энергии на Землю, сколько ее содержится во всех существующих запасах ископаемых топлива, а за одну секунду — 170 млрд. Дж. Основная часть данной энергии рассеивается и поглощается атмосферой, особенно облаками, и лишь ее треть достигает поверхности планеты. Вся энергия, которую Солнце испускает, превышает ту ее часть, которую Земля получает, в 5 млрд. раз. Но даже такая малая величина в 1600 раз превышает энергию, которую могут дать другие источники, взятые вместе.

Что же из себя представляет свет? Размышлять о природе света начали еще в древние времена. Первые гипотезы были достаточно просты. Так, Аристотель считал, что свет — это действие, исходящее из глаз. Оно как бы ощупывает предметы, доставляя наблюдателю информацию об их форме и качестве. Но он не мог объяснить, почему же в таком случае человек не видит в темноте. В школе Пифагора утверждали, что лучи Солнца «проникают через густой и холодный эфир», а глаз испускает особые «флюиды», идущие к предметам, и посредством их человек видит. Демокрит считал, что зрение обусловлено попаданием в глаз мелких частиц, исходящих из предмета, т. е. с каждого предмета непрерывно срываются оболочки, подобные предмету. Эти оболочки — «образы» предметов, попадая в глаз, вызывают ощущение формы и цвета предмета. До XVII века естествоиспытатели считали, что цвета являются результатом смешивания света с темнотой в разных пропорциях.

В 1672 году английский физик И. Ньютон создал корпускулярную теорию света. Согласно ей, свет — это поток мелких быстро летящих частиц (корпускул), испускаемых светящимися веществами. Эта теория хорошо объясняла отражение и преломление света, его прямолинейное распространение, но волновые свойства света не объясняла. В 1690 году голландский физик Г. Х. Гюйгенс создал волновую теорию света, согласно которой свет представлял собой распространение колебаний особой среды — эфира.

Теперь мы знаем, что свет — это электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью 300 000 км/с. Его создают источники света, которые излучают свет отдельными порциями — квантами (фотонами).

Источники света — это тела, испускающие видимое излучение. Различают тепловые, люминесцентные и светодиодные источники света.

Любое вещество, нагретое до определенной, характерной для него, температуры, начинает светиться. Таким образом, горячие тела являются источниками света. Их называют тепловыми источниками света. Примерами таких источников света являются Солнце, горящая древесина, лампа накаливания и др. (рис. 36.1).

Рис. 36.1

Однако бывают и холодные источники света. Они испускают видимое излучение (свет) при обычной для землян температуре окружающей среды. Т. е. холодные источники света — это тела, светящиеся при температуре, близкой к комнатной. Например, энергосберегающие лампы, экран телевизора, экран компьютера или мобильного телефона заметно светятся, хотя они и не нагретые (рис. 36.2). Эти источники преобразуют различные виды энергии в световую.

Холодными источниками света можно назвать также лампы дневного света. Есть даже светящиеся живые организмы! Все они, разумеется, также являются «холодными» источниками света. Так, летней ночью в лесу можно увидеть, как «перемигиваются» светлячки. К светящимся организмам также можно отнести некоторые глубоководные рыбы (рис. 36.3).

Рис. 36.2

Рис. 36.3

Светодиодные источники получают с помощью полупроводниковых кристаллов.

Различают естественные и искусственные источники света. Естественные источники света — это природные материальные объекты и явления, основным свойством которых является способность испускать видимый свет. В отличие от естественных, искусственные источники света являются продуктом производства человека. В таблице 36.1 приведены примеры естественных и искусственных источников света.

Таблица 36.1. Источники света

Естественные	Искусственные
Солнце и звезды	Костер, свечи, факелы
Полярное сияние	Электрические лампы
Светящиеся насекомые	Рекламные газосветные трубки
Глубоководные рыбы	Свечение экрана ТВ
Растения, гнилушки	Люминесцентные краски
Молния, фосфор

Многие тела светятся, но не потому, что являются источниками света, а потому, что отражают падающий на них свет, например, Луна, зеркала.

В физике часто используют понятие точечного источника света. Что это такое?

Точечный источник света — это светящееся тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь. Точечным источником света можно считать звезды, пламя свечи, фонарик и т. д. Понятие точечного источника необходимо для упрощения изучения световых явлений.

Это интересно! В XVIII в. англичане, подплыв к острову Куба, увидели ночью в лесу множество светящихся огоньков и повернули обратно. Они подумали, что на острове живет много людей. А на самом деле, это был свет, излучаемый светлячками. Известно, что американские ученые делали операции раненым во время испано-американской войны при свете светлячков.

Процессы распространения света изучаются в разделе физики, который называется геометрическая оптика. Этот раздел опирается на законы геометрии и не рассматривает саму природу света.

Одним из основных понятий геометрической оптики является понятие светового луча. Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется световая энергия. Световой луч берет начало на источнике света (рис. 36.4).

Рис. 36.4

Законы геометрической оптики были установлены экспериментально, в основном при наблюдениях за световыми лучами, и очень давно. В геометрической оптике существуют четыре основных закона, которые описывают распространение света. Это законы прямолинейного распространения света, закон независимого распространения света, законы отражения и законы преломления света.

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

Это вы знаете. Вода — прозрачная среда. Свет проходит через нее, поэтому мы видим предметы, находящиеся в ней. Окна домов также прозрачны. Они пропускают свет. Поэтому мы видим предметы через стекло. Стены домов не прозрачны. Через стены домов свет не проходит, поэтому мы не видим сквозь стены.

• Какое отношение имеет сказанное к тому, что мы видим на фото (рис. 36.5)? Как с помощью этой фотографии доказать прямолинейность распространения света?
• Есть ли на фото (рис. 36.5) среды, пропускающие и не пропускающие свет? Как вы это определили?
• Есть ли различие между темнотой и тенью?
• Что с помощью фотографии (рис. 36.6) можно доказать?

Рис. 36.5

Рис. 36.6

Прямолинейное распространение света позволяет объяснить образование теней и полутеней. Тень — это область пространства за непрозрачным предметом, куда не попадает световая энергия. В яркий солнечный день отчетливо видны тени людей, деревьев, зданий и т. д. Если взять точечный источник света и на пути светового пучка, идущего от него, поместить непрозрачный предмет, то за предметом на экране появится тень, повторяющая контур предмета (рис. 36.7). Если источник света будет протяженным, то за предметом образуются полутени. Если же непрозрачный предмет освещается двумя источниками света, то образуются полутени. Одна из них полная тень, т. е. область пространства, куда не попадает свет ни от одного источника. Две другие тени менее темные, потому что в их область проникает свет от одного из источников. Эти тени называются полутенями.

Рис. 36.7. Тень от точечного источника и от двух источников: $S$ — источник, $Э$ — экран

Это интересно! 300 лет назад до н. э. древнегреческий философ Евклид первым объяснил образование теней, считая, что свет распространяется прямолинейно. Если между источником света и глазом поместить непрозрачный предмет, то распространяющийся по прямой линии свет не может обогнуть предмет, встретившийся на его пути, и поэтому источник света не виден. В результате в пространстве образуется область, куда свет не попадает, т. е. образуется тень. Древние египтяне и греки при строительстве зданий с колоннами учитывали прямолинейность распространения света.

Солнечные и лунные затмения. Закон прямолинейного распространения света позволил объяснить образование солнечных и лунных затмений. Планеты и их спутники, освещаемые Солнцем, отбрасывают тени и полутени. Так, например, максимальная длина конуса лунной тени 384 000 км, а конус земной тени простирается в пространстве на 33 млн. км. Если Луна при своем движении вокруг Земли окажется между Землей и Солнцем, то она может закрыть собой Солнце, и наступит солнечное затмение, которое может быть полным или частичным (рис. 36.8). Его видно только в тех местах, куда падает тень (полное затмение) или полутень Луны (частичное затмение). Полное солнечное затмение может продолжаться разное время, но обычно длится около 2—3 мин. Солнечные затмения наблюдаются только во время новолуний.

Если бы Луна двигалась вокруг Земли по орбите, плоскость которой совпадала с плоскостью орбиты Земли при ее движении вокруг Солнца, то они встречались бы каждое новолуние. Но плоскость лунной орбиты составляет угол 5° по отношению к плоскости земной орбиты, из-за чего солнечное затмение может произойти только тогда, когда Луна окажется вблизи пересечения плоскостей орбит Земли и Луны. Полное солнечное затмение наблюдается на Земле один раз в полтора года, но в одном и том же месте Земли происходит очень редко. Лунное затмение происходит, когда тень от Земли падает на Луну (рис. 36.9). Так как движение Земли и Луны хорошо изучено, то время затмений легко рассчитать.

Рис. 36.8. Солнечное затмение: область полного затмения и область частичного затмения

Рис. 36.9. Лунное затмение

Закон независимого распространения лучей — второй закон геометрической оптики, который утверждает, что световые лучи распространяются независимо друг от друга и при встрече не оказывают влияние на дальнейшее распространение друг друга (рис. 36.10).

Рис. 36.10

1. Используя рисунок 36.11, а, объясните, как художники использовали закон прямолинейного распространения света? Как вы думаете, где расположен источник света?
2. Можно ли, используя закон прямолинейного распространения света, найти положение источника света на рисунке 36.11, б, в?

Рис. 36.11

Вопросы

1. Чем тепловые источники света отличаются от холодных?
2. Как возникают тени?
3. Что понимают под полутенью?
4. От чего зависит размер тени от предмета?
5. На лампы дневного света можно смотреть спокойно: они не «режут» глаза. Чем можно объяснить такое их свойство?
6. Как надо расположить источники света, чтобы во время операции тень от рук хирурга не закрывала место операции?
7. Почему парты в классе необходимо располагать так, чтобы свет падал слева?