Какие примеры доказывают прямолинейное распространение света

IV. Оптика

Свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Доказательством закона служит образование тени и полутени.

Закон независимости световых лучей

Распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга.

Закон отражения света

Луч падающий, отраженный и перпендикуляр в точке падения лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения.

Закон преломления света

Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром в точке падения к границе. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления постоянная величина для двух данных сред.

При переходе света из оптически более плотной среды (с большим показателем преломления) в оптически менее плотную, начиная с некоторого угла падения преломленного луча не станет. Явление называется полным отражением. Наименьший угол, с которого начинается полное отражение, называется предельным углом полного отражения. При всех больших углах падения преломленная волна отсутствует.

a) преломленный луч существует; б) предельный угол отражения; в) преломленный луч отсутствует;

Дисперсия

При прохождении лучей различных длин волн через призму, они отклоняются на разные углы. Явление дисперсии связано с зависимостью показателя преломления среды от частоты распространяющегося излучения.

Явление дисперсии приводит к образованию радуги вследствие преломления солнечных лучей на мельчайших водяных капельках во время дождя.

Какие примеры доказывают прямолинейное распространение света

Пособие по физике «Геометрическая оптика».

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.

Закон прямолинейного распространения света. Скорость света и методы ее измерения.

Луч – часть прямой, указывающей направление распространения света. Понятие луча ввел Евклид (геометрическая или лучевая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света, основанные на понятии луча, без учета природы света).

Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени и полутени.

При малых размерах источника (источник, находится на расстоянии, по сравнению с которым размерами источника можно пренебречь) получается только тень (область пространства, в которую свет не попадает).

При больших размерах источника света (или, если источник находится близко к предмету) создаются нерезкие тени (тень и полутень).

В астрономии – объяснение затмений.

Световые пучки распространяются независимо друг от друга. Например, проходя один через другой, они не влияют на взаимное распространение.

Световые пучки обратимы, т.е., если поменять местами источник света и изображение, полученное с помощью оптической системы, то ход лучей от этого не изменится.

Скорость света и методы ее измерения.

Первые предложения выдвинуты Галилеем: фонарь и зеркало устанавливаются на вершинах двух гор; зная расстояние между горами и, измеряя время распространения, можно рассчитать скорость света.

Астрономический метод измерения скорости света

Впервые осуществлен датчанином Олафом Ремером в 1676 г. Когда Земля очень близко подошла к Юпитеру (на расстояние L₁), промежуток времени между двумя появлениями спутника Ио оказался 42 ч 28 мин; когда же Земля удалилась от Юпитера на расстояние L₂, спутник стал выходить из тени Юпитера на 22 мин. позднее. Объяснение Ремера: это запаздывание происходит за счет того, что свет проходит дополнительное расстояние Δ l= l ₂ – l ₁.

Лабораторный метод измерения скорости света

Метод Физо (1849). Свет падает на полупрозрачную пластину и отражается, проходя через вращающееся зубчатое колесо. Пучок, отраженный от зеркала, может попасть к наблюдателю, только пройдя между зубьями. Если знать скорость вращения зубчатого колеса, расстояние между зубьями и расстояние между колесом и зеркалом, то можно рассчитать скорость света.

Метод Фуко – вместо зубчатого колеса вращающаяся зеркальная восьмигранная призма.

с=313 000 км/с.

В настоящее время вместо механических делителей светового потока применяются оптоэлектронные (ячейка Керра – кристалл, оптическая прозрачность которого меняется в зависимости от величины электрического напряжения).

Можно измерить частоту колебаний волны и независимо – длину волны (особенно удобно в радиодиапазоне), а затем рассчитать скорость света по формуле .

По современным данным, в вакууме с=(299792456,2 ± 0,8) м/с.

Прямолинейное распространение света

Видимый свет – это электромагнитное излучение определенного, довольно узкого диапазона длин волн, 0.4 – 0.8мкм. Такое излучение обладает рядом важных особенностей. Рассмотрим одну из этих особенностей – прямолинейное распространение света.

Закон распространения света

Еще в древности людям было известно, что свет распространяется мгновенно и прямолинейно. Луч света всегда являлся эталоном прямой линии во многих бытовых случаях. Какие же существуют доказательства прямолинейности распространения света ?

Наиболее важное доказательство – образование теней и полутеней за освещенным объектом.

Тень

Тень можно получить, если взять точечный источник света в темной комнате, поместить предмет между источником и стеной и поглядеть на стену. В качестве точечного источника можно взять любую маленькую лампу, размер которой во много раз меньше освещаемого предмета. За предметом будет видна четкая тень, повторяющая границы освещенного объекта.

Тени, точно повторяющие формы границ освещенного объекта возможны только в случае, если свет распространяется прямолинейно. Если бы свет распространялся по кривым – границы тени искажали бы формы освещенных предметов.

Полутень

Если присмотреться к границе тени в приведенном опыте, можно обнаружить, что эта граница все-таки имеет некоторую «ширину». Освещенность на границе падает не сразу, а на протяжении некоторого небольшого расстояния. Зона, в которой освещенность имеет промежуточное значение, называется полутенью.

Можно подумать, что в случае полутени закон прямолинейного распространения света не действует. Однако, это не так.

Все дело в том, что реальные источники света имеют конечный, и нередко, довольно большой размер. Они содержат не одну, а множество точек, излучающих свет. В результате существует три вида областей:

• неосвещенные;
• освещенные всеми излучающими точками;
• освещенные частью излучающих точек.

Последняя область и есть полутень. Построив ход лучей, можно видеть, что закон прямолинейного распространения хорошо объясняет существование полутени.

Свойство прямолинейного распространения света было использовано в качестве доказательства шарообразности Земли еще в античности. При лунных затмениях тень Земли, надвигающаяся на Луну, имеет очертания круга. Это возможно только при шарообразности Земли.

Роль среды распространения

Распространение света зависит от свойств среды, в которой это происходит. Во-первых, разные среды по-разному проводят свет. Наиболее прозрачным является вакуум, менее прозрачны газы и жидкости, твердые вещества, как правило, непрозрачны.

Во-вторых, и это гораздо важнее, среда может искривлять лучи света, если она будет неоднородной. Например, когда воздух у поверхности земли перегрет, а вверху прохладен – появляются миражи выше или ниже горизонта. Примеры нижних миражей можно легко наблюдать даже в средней полосе, летом на горячем асфальте видны «лужи» – это лучи неба, искаженные в неоднородной воздушной среде.

Что мы узнали?

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. Доказательством прямолинейности распространения света является существование теней и полутеней. В неоднородной среде лучи света могут искривляться.