Физика. 9 класс. Барьяхтар

§ 10. Световой луч и световой пучок. Закон прямолинейного распространения света. Солнечное и лунное затмения

Оказывается, когда вы играете в прятки или пускаете «солнечных зайчиков», то пользуетесь законом прямолинейного распространения света. Выясним, в чем заключается этот закон и какие явления он объясняет.

1. Учимся различать пучок света и световой луч

Для наблюдения световых пучков нам не нужно никакого специального оборудования (рис. 10.1). Достаточно, например, или открыть дверь в темный коридор из освещенной комнаты, или включить в темноте фонарик, или в ясный солнечный день неплотно сдвинуть в комнате шторы. Пучки света в первом случае падают на пол через дверной проем; во втором случае свет направляется рефлектором фонарика; в последнем случае пучки света попадают в комнату через щель между шторами.

Рис. 10.1. Пучки солнечного света, пробивающиеся сквозь тучи

В реальной жизни мы имеем дело только с пучками света. При этом для нас привычно, когда говорят: луч солнца, луч прожектора, зеленый луч и т. и. На самом деле, с точки зрения геометрической оптики, которую вы будете изучать в этом учебном году, правильно было бы говорить: пучок солнечных лучей, пучок зеленых лучей и т. д. А вот для схематического изображения световых пучков используют световые лучи (см. рис. 10.2).

Рис. 10.2. Световой пучок — это совокупность световых лучей. Световые пучки: а — сходящийся; б — расходящийся; в — параллельный

Световой луч — это линия, указывающая направление распространения энергии света.

Таким образом, если далее в тексте будут встречаться фразы, словосочетания типа «луч света падает», «преломление луча» и т. и., следует иметь в виду, что речь идет о пучке света, направление которого задано данным лучом.

• Рассмотрите рис. 10.1 и 10.2. К какому виду световых пучков относится пучок солнечных лучей? Подсказка: вспомните, как выглядят железнодорожные рельсы для наблюдателя, стоящего на железнодорожном полотне и смотрящего на рельсы в даль.

2. Убеждаемся в прямолинейности распространения света

Проведем простой опыт. Расположим источник света, несколько листов картона с отверстиями (диаметром примерно 5 мм) и экран так, чтобы на экране появилось пятно света (рис. 10.3). Если теперь взять, например, спицу, она легко пройдет сквозь все отверстия, то есть окажется, что отверстия расположены на одной прямой.

Рис. 10.3. Опыт, демонстрирующий прямолинейное распространение света

Данный опыт демонстрирует закон прямолинейного распространения света:

B прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Об этом законе еще более 2500 лет назад писал древнегреческий ученый Евклид. В геометрии понятия луча и прямой линии возникли на основе представления о световых лучах.

3. Узнаём о полной тени и полутени

Прямолинейностью распространения света можно объяснить тот факт, что любое непрозрачное тело, освещенное источником света, отбрасывает тень.

Если источник света точечный, тень от предмета будет четкой. В данном случае образуется только полная тень (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Образование полной тени O₁ от предмета О, освещенного точечным источником света S

Полная тень — это область пространства, в которую не попадает свет от источника. Если тело освещено протяженным источником света, образуется тень с нечеткими контурами, то есть образуется не только полная тень, а еще и полутень (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Образование полной тени O₁ и полутени О₂ от предмета О, освещенного протяженным источником света S

Полутень — это область пространства, освещенная некоторыми из имеющихся точечных источников света или частью протяженного источника.

• Видим ли мы свет от источника, находясь в области полной тени? полутени? Каким будет контур полутени (четким или размытым), если предмет освещен двумя точечными источниками света (см. рис. 10.6)?

Рис. 10.6. К заданию в § 10

Образование полной тени и полутени в космических масштабах мы наблюдаем во время солнечных и лунных затмений.

Дело в том, что из-за вращения Луны вокруг Земли бывает так, что Луна, Солнце и Земля оказываются на одной прямой. Если при этом Луна расположена между Солнцем и Землей, то тень от Луны падает на Землю, — на Земле наблюдается солнечное затмение (рис. 10.7). В тех местах Земли, на которые упала полная тень Луны, наблюдается полное солнечное затмение, а в местах полутени — частичное солнечное затмение. За год на Земле наблюдается 2-5 солнечных затмений.

Рис. 10.7. Солнечное затмение: а — полное (в области полной тени), б — частичное (в области полутени)

Когда Луна, вращаясь вокруг Земли, попадает в зону тени, которую отбрасывает Земля, наступает лунное затмение (рис. 10.8). За год на Земле наблюдается 2-4 лунных затмения.

Рис. 10.8. Лунное затмение: а — полное (Луна в положении 1); б — частичное (Луна в положении 2)

4. Учимся решать задачи

Задача. В солнечный день длина тени от вертикально поставленной метровой линейки равна 24 см, а длина тени от дерева — 3,6 м. Определите высоту дерева.

Анализ физической проблемы. Для решения задачи воспользуемся законом прямолинейного распространения света. Выполним пояснительный рисунок; отметим, что пучок света, идущий от Солнца, является параллельным.

Подводим итоги

В прозрачной однородной среде свет распространяется прямолинейно. Линию, указывающую направление распространения энергии света, называют световым лучом.

Из-за того что свет распространяется прямолинейно, непрозрачные тела отбрасывают тень (полную тень, полутень).

Полная тень — область пространства, в которую не попадает свет от источника (источников) света. Полутень — область пространства, освещенная некоторыми из имеющихся точечных источников света или частью протяженного источника.

Во время солнечных и лунных затмений наблюдается образование тени и полутени в космических масштабах.

Первыми приборами для измерения времени были солнечные часы. Действие солнечных часов основано на том, что длина и расположение тени от освещаемого солнцем предмета изменяются в течение дня.

Любые солнечные часы состоят из кадрана (плоская поверхность с нанесенным на нее циферблатом) и гномона (небольшой стержень из металла, пластика или дерева, закрепленный на кадране).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение светового луча. 2. Сформулируйте закон прямолинейного распространения света. 3. Какие опыты и явления подтверждают прямолинейность распространения света? 4. При каких условиях будет наблюдаться только полная тень от предмета, а при каких — полная тень и полутень? 5. Когда на Земле наблюдается полное солнечное затмение? частичное солнечное затмение? 6. Когда на Земле наблюдается полное лунное затмение? частичное лунное затмение?

Упражнение № 10

1. Глаз наблюдателя расположен в точке А перед щелью (рис. 1). Перенесите рисунок в тетрадь и найдите построением, какую часть дерева видит наблюдатель. В какой точке он будет видеть дерево полностью?

Рис. 1

2. Мяч освещен двумя точечными источниками света S₁ и S₂ (рис. 2). Перенесите рисунок в тетрадь, изобразите тень и полутень, которые отбрасывает мяч на экран.

Рис. 2

3. Во время солнечного затмения на поверхности Земли образуются тень и полутень Луны (рис. 3, а). На рис. 3, б-г приведены фотографии этого затмения, сделанные в разных точках Земли. Какая фотография сделана в точке 1? в точке 2? в точке 3?

Рис. 3

4. Электрическая лампа, имеющая форму шара диаметром 6 см, расположена на расстоянии 1 м от экрана. На каком наименьшем расстоянии от экрана следует разместить теннисный шарик диаметром 40 мм, чтобы он не отбрасывал тень на экран, а давал только полутень?

5. Почему самолет, летящий на большой высоте, не образует тени даже в солнечный день? Поясните свой ответ, выполнив соответствующий рисунок.

6. Космонавт, находясь на Луне, наблюдает Землю. Что увидит космонавт в тот момент, когда на Земле будет полное лунное затмение? частичное затмение Луны?

7. Почему лунное затмение мы наблюдаем чаще, чем солнечное, ведь их количество за год почти одинаково?

8. Прямую аллею парка освещает электрический фонарь. Предложите способ оценить высоту, на которой расположен фонарь, без приборов для измерения длины. Подсказка: вы сами находитесь на этой аллее и знаете свой рост.

9. На рис. 4 изображен прямоугольный треугольник. Катет а равен 5 см, угол α — 30°. Определите длины гипотенузы и второго катета. Решите задачу двумя способами.

Рис. 4

Экспериментальные задания

1. Расположите свечу или настольную лампу на расстоянии 30-40 см от стены. Между стеной и свечой поместите ладонь. Изменяя расстояние от свечи до ладони, наблюдайте изменения, происходящие на стене. Опишите и поясните свои наблюдения.

2. Предложите способ, как, используя булавки, можно проверить, является ли прямой линия, проведенная на картоне.

3. Изготовьте камеру-обскуру (от лат. camera — комната, obscura — темная), или, как ее еще называют, пинхол-камеру (от англ. pinhole camera — камера с отверстием). Схема действия этого устройства найдена в трудах Аристотеля (IV в. до н. э.) и китайского философа Mo Ти (V в. до н. э.). Камеру-обскуру считают «предшественницей» современного фотоаппарата. Для изготовления камеры:

• 1) возьмите картонную коробку и сделайте экран: вырежьте в одной из стенок коробки небольшое окошко (рис. 5, а) и заклейте его калькой (рис. 5, б);
• 2) на противоположной стороне коробки сделайте отверстие диаметром примерно 1 мм (рис. 5, в).

Рис. 5

В затемненном помещении наведите отверстие в камере на зажженную свечу и получите изображение пламени на экране. Какое это изображение — прямое или перевернутое, увеличенное или уменьшенное, четкое или размытое? Вспомните закон прямолинейного распространения света и объясните, как образуется это изображение.