§ 14. Світловий промінь і світловий пучок. Закон прямолінійного поширення світла. Сонячне та місячне затемнення

Ви дізнаєтесь

Чому утворюється тінь

Пригадайте

Якими бувають джерела світла

Точкове джерело світла і світловий промінь. Дослідженню світлових явищ присвячено розділ фізики, який називається оптика (від грец. optike — наука про зорові відчуття).

Для встановлення та перевірки законів оптики застосовують фізичні моделі. Так, для встановлення деяких залежностей нехтують розмірами джерела світла, порівняно з відстанню, на якій воно перебуває. У такому випадку його називають точковим.

¹ Позасистемна одиниця довжини, що дорівнює відстані, яку світло долає за один рік.

Точкове джерело світла — це джерело світла, розмірами якого за конкретних умов можна знехтувати. Якщо розмірами джерела світла знехтувати не можна, його називають протяжним.

Мал. 97. Світловий пучок і світлові промені

Прикладом точкового джерела світла є зорі, далекі ліхтарі тощо. Зрозуміло, що одне й те саме джерело за різних умов можна вважати точковим, а можна й протяжним.

Наступним модельним поняттям, яким оперуватимемо, розглядаючи світлові явища, є світловий промінь. У реальному житті маємо справу з пучками світла, а от для схематичного зображення світлових пучків використовують світлові промені (мал. 97).

Світловий промінь — це лінія, вздовж якої поширюється світло (світловий пучок).

Закон прямолінійного поширення світла. Вам, можливо, приходилося «затулятися» від сонячних променів рукою. Сонячне світло не огинає руку й не потрапляє вам в очі. Переконатись у прямолінійному поширенні світла можна за допомогою нескладного досліду, який легко виконати самостійно (мал. 98, а). Світло проходить крізь усі отвори в листах картону.

Що будемо спостерігати, якщо аркуші картону зсунути з місця? Світло в око не потрапить. Це доводить, що світло поширюється прямолінійно.

У цьому досліді світло поширювалося в повітрі. А як поширюватиметься світло, наприклад, у воді? Проведемо такий дослід. Візьмемо посудину з водою й додаймо у воду трохи молока. Розмішаємо до однорідного стану. У такому середовищі хід променя світла можна спостерігати безпосередньо за рахунок відбивання світла від часток молока (говорять, що світло розсіюється). Спостереження доводять, що світло поширюється прямолінійно (мал. 98, б).

Мал. 98. Досліди з перевірки прямолінійності поширення світла

Ці досліди підтверджують перший закон геометричної оптики — закон прямолінійного поширення світла: у прозорому однорідному середовищі світло поширюється від джерела прямолінійно.

Однорідним називається середовище, у якому в усіх його точках густина речовини, з якої воно складається, є однаковою.

Якщо світловий промінь проходить крізь кілька однорідних середовищ, то на межі переходу з одного середовища в інше він може змінювати свій напрямок (мал. 99, а). Лише за умови, що промінь падає перпендикулярно до межі поділу середовищ, він не змінює напрямок (мал. 99, б). Чому так відбувається, з’ясуємо в наступних параграфах.

Тінь і півтінь. Прямолінійним поширенням світла пояснюється утворення тіні від непрозорих тіл при їх освітленні. Якщо джерело світла відносно предмета є точковим, то тінь від предмета буде чіткою. У цьому разі говорять про повну тінь (мал. 100).

Мал. 99. Поширення світлового променя в неоднорідному середовищі

Повна тінь — це та область простору, в яку не потрапляє світло від джерела.

Мал. 100. Утворення повної тіні

Якщо предмет освітлювати двома точковими джерелами світла (мал. 101, а) або протяжним джерелом світла (мал. 101, б), то на екрані утворюється тінь з нечіткими контурами. У такому випадку створюється не тільки повна тінь, а ще й півтінь (на мал. 101, а в області 1' і 2' потрапляє світло тільки від одного джерела).

Мал. 101. Утворення тіні та півтіні: а — від двох точкових джерел; б — від протяжного джерела

Прослідкуйте за ходом світлових променів на малюнку 101, б, с. 65. Тінь утворюється в тих місцях екрана, на які не потрапляє світло від жодної точки джерела світла. Півтінь утворюється там, куди падає світло хоча б від однієї точки джерела.

Сонячне та місячне затемнення. Утворення повної тіні й півтіні в космічних масштабах ви можете спостерігати під час місячного та сонячного затемнень.

Якщо Місяць розташовується між Землею та Сонцем, то в тих місцях Землі, на які впала повна тінь Місяця, спостерігається повне сонячне затемнення, у місцях півтіні — часткове затемнення Сонця (мал. 102).

Мал. 102. Схема Сонячного затемнення (примітка: масштаб відстаней і розмірів на малюнку не дотримано)

Взаємне розташування Сонця, Землі та Місяця при місячному затемнені показано на малюнку 103.

Мал. 103. Схема місячного затемнення (примітка: масштаб відстаней і розмірів на малюнку не дотримано)

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. Які моделі використовують для опису світлових явищ? Чому виникає необхідність у їх введенні?
2. У чому полягає закон прямолінійного поширення світла? Які явища підтверджують прямолінійність поширення світла?
3. За яких умов предмет створюватиме повну тінь, а за яких — повну тінь і півтінь?
4. За яких умов виникають сонячні та місячні затемнення? Що триває довше — повне затемнення Сонця чи повне затемнення Місяця?

Я вмію досліджувати й експериментувати

1. Як отримати від олівця тінь різної довжини? Поекспериментуйте й зробіть відповідні малюнки.

2. Як довести, що три стовпи, які розташовані далеко один від одного, стоять уздовж однієї прямої?

3. У першому розділі ми дослідили спосіб визначення сторін горизонту за компасом. У цьому розділі розглянемо спосіб визначення сторін горизонту за допомогою циферблата годинника. Для цього годинну стрілку спрямовують на Сонце (мал. 104, а). Положення хвилинної стрілки в цьому способі не враховується. Кут між годинною стрілкою та напрямком на цифру 2 (а взимку — на цифру 1) на циферблаті годинника ділять навпіл — це й буде напрямок на південь. До полудня ділять навпіл ту дугу (кут), яку годинна стрілка має пройти до 14(13) години (мал. 104, а), а після полудня — ту дугу (кут), яку вона пройшла після 14(13) години (мал. 104, б).

Застосуйте цей спосіб на практиці. Перевірте визначені в такий спосіб сторони горизонту за компасом. Які б додаткові дії ви вчинили, щоб визначити сторони горизонту за годинником, якщо ваш годинник електронний і не має стрілок?

Мал. 104. Визначення сторін горизонту за Сонцем і годинником: а — до полудня; б — після полудня

Вчимося розв'язувати задачі

Задача. Як у сонячну погоду виміряти висоту дерева за допомогою метрової палиці?

Мал. 105.

Розв’язання

Розгляньте уважно малюнок 105 до задачі. Позначимо висоту дерева h₂, висоту палиці h₁. Палицю слід розташувати відносно дерева так, щоб кінці тіней від дерева l₂ та від палиц l₁ збіглися. При такому їх розташуванні маємо подібні трикутники, для яких виконується співвідношення: h₂/h₁ = l₂/l₁.

Довжини тіней можна виміряти. Висота палиці нам відома:h₁ = 1 м

Отже, висота дерева h₂ = h₁l₂/l₁.

Перевірте цей метод на практиці.