Фізика. 9 клас. Бар’яхтар
Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.
§ 10. Світловий промінь і світловий пучок. Закон прямолінійного поширення світла. Сонячне та місячне затемнення
Коли ви граєте в хованки або запускаєте «сонячних зайчиків», то, не підозрюючи того, користуєтеся законом прямолінійного поширення світла. З'ясуємо, в чому полягає цей закон і які явища він пояснює.
1. Учимося розрізняти пучок світла і світловий промінь
Для спостереження світлових пучків нам не потрібне жодне спеціальне обладнання (рис. 10.1). Достатньо, наприклад, або відчинити двері в темний коридор із освітленої кімнати, або ввімкнути в темряві ліхтарик, або ясного сонячного дня нещільно зсунути в кімнаті штори. Пучки світла в першому випадку падають на підлогу через дверний просвіт; у другому випадку світло в певному напрямку спрямовується рефлектором ліхтарика; в останньому випадку пучки світла проходять до кімнати крізь щілину між шторами.
Рис. 10.1. Пучки сонячного світла, що пробиваються крізь хмари
У реальному житті ми маємо справу тільки з пучками світла. Хоча, погодьтеся, для нас є звичним, коли говорять: промінь сонця, промінь прожектора, зелений промінь тощо. Насправді з погляду геометричної оптики, яку ми вивчатимемо цього року, правильно було б казати: пучок сонячних променів, пучок зелених променів тощо. А от для схематичного зображення світлових пучків використовують світлові промені (див. рис. 10.2).
Рис. 10.2. Світловий пучок — це сукупність світлових променів. Світлові пучки: а — збіжний; б — розбіжний; в — паралельний
Світловий промінь — це лінія, що вказує напрямок поширення енергії світла.
Отже, якщо далі в тексті зустрічатимуться фрази, словосполучення на зразок «промінь світла падає», «заломлення променя» тощо, слід мати на увазі, що йдеться про пучок світла, напрямок якого заданий цим променем.
• Розгляньте рис. 10.1, 10.2 і визначте, до якого типу світлових пучків належить пучок сонячних променів. Підказка: уявіть, як виглядають залізничні рейки для спостерігача, який стоїть на колії і дивиться на рейки вдалину.
2. Переконуємося в прямолінійності поширення світла
Проведемо дослід (див. рис. 10.3). Розташуємо послідовно джерело світла, кілька аркушів картону з отворами діаметром приблизно 5 мм, екран. Розмістимо аркуші таким чином, щоб на екрані з’явилася світлова пляма. Якщо тепер узяти, наприклад, спицю, вона легко пройде крізь усі отвори, тобто виявиться, що отвори розташовані на одній прямій.
Рис. 10.3. Дослід, який демонструє прямолінійне поширення світла
Цей дослід демонструє закон прямолінійного поширення світла:
У прозорому однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.
Про цей закон ще понад 2500 років тому писав давньогрецький учений Евклід. У геометрії поняття променя та прямої лінії виникли на основі уявлення про світлові промені.
3. Дізнаємося про повну тінь і півтінь
Прямолінійністю поширення світла можна пояснити те, що будь-яке непрозоре тіло, освітлене джерелом світла, відкидає тінь.
Якщо джерело світла є точковим, тінь від предмета буде чіткою. У цьому випадку утворюється тільки повна тінь (рис. 10.4).
Рис. 10.4. Утворення повної тіні О1 від предмета О, освітленого точковим джерелом світла S
Повна тінь — це область простору, в яку не потрапляє світло від джерела.
Якщо тіло освітлене протяжним джерелом світла, то утворюється тінь із нечіткими контурами, тобто утворюється не тільки повна тінь, а ще й півтінь (рис. 10.5).
Рис. 10.5. Утворення повної тіні О1 і півтіні О2 від предмета О, освітленого протяжним джерелом світла S
Півтінь — це область простору, освітлена деякими з наявних точкових джерел світла або частиною протяжного джерела.
Рис. 10.6. До завдання в § 10
• Чи бачимо ми світло від джерела, перебуваючи в області повної тіні? півтіні? Яким, на вашу думку, буде контур півтіні (чітким чи розмитим), якщо предмет освітлювати двома точковими джерелами світла (див. рис. 10.6)?
Утворення повної тіні й півтіні в космічних масштабах ми спостерігаємо під час сонячного та місячного затемнень. Унаслідок обертання Місяця навколо Землі іноді стається так, що Місяць, Сонце і Земля опиняються на одній прямій. Якщо при цьому Місяць розташований між Сонцем і Землею, то тінь від Місяця падає на Землю, — на Землі спостерігається сонячне затемнення (рис. 10.7). У тих місцях Землі, на які впала повна тінь Місяця, спостерігається повне сонячне затемнення, а в місцях півтіні — часткове сонячне затемнення. За рік на Землі спостерігається 2-5 сонячних затемнень.
Рис. 10.7. Сонячне затемнення: а — повне (в області повної тіні); б — часткове (в області півтіні)
Коли Місяць, обертаючись навколо Землі, потрапляє в зону тіні, яку відкидає Земля, настає місячне затемнення (рис. 10.8). За рік на Землі спостерігається 2-4 місячних затемнення.
Рис. 10.8. Місячне затемнення: а — повне (Місяць у положенні 1); б — часткове (Місяць у положенні 2)
4. Учимося розв'язувати задачі
Задача. У сонячний день довжина тіні від вертикально поставленої метрової лінійки дорівнює 24 см, а довжина тіні від дерева — 3,6 м. Визначте висоту дерева.
Аналіз фізичної проблеми. Для розв’язання задачі скористаємося законом прямолінійного поширення світла. Виконаємо пояснювальний рисунок; зазначимо, що пучок світла, який іде від Сонця, є паралельним.
Підбиваємо підсумки
У прозорому однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно. Лінію, яка вказує напрямок поширення енергії світла, називають світловим променем.
Через те що світло поширюється прямолінійно, непрозорі тіла відкидають тінь (повну тінь, півтінь).
Повна тінь — область простору, в яку не потрапляє світло від джерела (джерел) світла. Півтінь — область простору, освітлена деякими з наявних точкових джерел світла або частиною протяжного джерела.
Під час сонячних і місячних затемнень спостерігається утворення тіні й півтіні в космічних масштабах.
Першими приладами для вимірювання часу були сонячні годинники. Дія сонячного годинника базується на тому, що довжина та розташування тіні від освітлюваного сонцем предмета змінюються протягом дня.
Будь-який сонячний годинник складається з кадрана (плоска поверхня з нанесеним на ній циферблатом) та гномона (невеликий стрижень із металу, пластику або дерева, закріплений на кадрані).
Контрольні запитання
1. Дайте означення світлового променя. 2. Сформулюйте закон прямолінійного поширення світла. 3. Які досліди та явища підтверджують прямолінійність поширення світла? 4. За яких умов предмет утворюватиме тільки повну тінь, а за яких — повну тінь і півтінь? 5. Коли на Землі спостерігається повне сонячне затемнення? часткове сонячне затемнення? 6. Коли на Землі спостерігається повне місячне затемнення? часткове місячне затемнення?
Вправа № 10
1. Око спостерігача розташоване перед щілиною в точці А (рис. 1). Знайдіть побудовою, яку частину дерева бачить спостерігач. У який точці він бачитиме дерево повністю?
Рис. 1
2. М’яч освітлюється двома точковими джерелами світла S1 і S2 (рис. 2) Виконайте рисунок у зошиті, зобразіть тінь і півтінь, які відкидає м’яч на екран.
Рис. 2
3. Під час сонячного затемнення на поверхні Землі утворюються тінь і півтінь Місяця (рис. 3, а). На рис. 3, б-г наведено фотографії цього затемнення, зроблені з різних точок Землі. Яку фотографію зроблено в точці 1? у точці 2? у точці 3?
Рис. 3
4. Електрична лампа, що має форму кулі діаметром 6 см, розташована на відстані 1 м від екрана. Визначте, на якій найменшій відстані від екрана слід розмістити тенісну кульку діаметром 40 мм, щоб вона не відкидала тінь на екран, а давала тільки півтінь.
5. Чому літак, що летить на великій висоті, не утворює тіні навіть сонячного дня? Поясніть свою відповідь, виконавши відповідний рисунок.
6. Космонавт, перебуваючи на Місяці, спостерігає Землю. Що побачить космонавт у той момент, коли на Землі буде повне місячне затемнення? часткове затемнення Місяця?
7. Поміркуйте, чому місячне затемнення ми спостерігаємо частіше, ніж сонячне, адже за рік їхня кількість майже однакова.
8. Пряму алею парку освітлює електричний ліхтар. Запропонуйте спосіб оцінити, на який висоті висить ліхтар, без приладів для вимірювання довжини. Підказка: ви самі перебуваєте на цій алеї та знаєте свій зріст.
9. На рис. 4 зображено прямокутний трикутник. Катет а дорівнює 5 см, кут α — 30°. Визначте довжини гіпотенузи та другого катета трикутника. Розв’яжіть задачу двома способами.
Рис. 4
Експериментальні завдання
1. Розташуйте свічку або настільну лампу на відстані 30-40 см від стіни. Між стіною та свічкою помістіть долоню. Змінюючи відстань від свічки до долоні, спостерігайте зміни, що відбуваються на стіні. Опишіть і поясніть свої спостереження.
2. Запропонуйте спосіб, як, використовуючи шпильки, можна перевірити, чи є прямою лінія, проведена на картоні.
3. Виготовте камеру-обскуру (від латин. camera — кімната, obscura — темна), або, як її ще називають, пінхол-камеру (від англ. pinhole camera — камера з отвором). Схему дії цього пристрою знайдено в роботах Арістотеля (IV ст. до н. е.) і китайського філософа Мо Ті (V ст. до н. е.). Камеру-обскуру вважають «попередницею» сучасного фотоапарата.
Для виготовлення камери:
- 1) візьміть картонну коробку та зробіть екран: виріжте в одній із стінок коробки невелике віконце (рис. 5, а) і заклейте віконце калькою (рис. 5, б);
- 2) на протилежному боці коробки зробіть отвір діаметром приблизно 1 мм (рис. 5, в).
Рис. 5
У затемненому приміщенні наведіть отвір у камері на запалену свічку й отримайте зображення полум’я на екрані. Яким є це зображення: прямим чи перевернутим, збільшеним чи зменшеним, чітким чи розмитим? Згадайте закон прямолінійного поширення світла та поясніть, як утворюється це зображення.
