Iii. световые явления. Примеры световых явлений. Световые явления в живой природе Зеркальное и рассеянное изображение

Реферат

На тему: Световые явления

Выполнил: Храпатов Д. А.

Проверил(а):

1. Свет. Источники света

2. Распространение света

3. Отражение света

4. Плоское зеркало

5. Зеркальное и рассеянное изображение

6. Преломление света

8. Изображения, даваемые линзой

Свет. Источники света

Свет… его значение в нашей жизни очень велико. Трудно представить себе жизнь без света. Ведь все живое зарождается и развивается под влиянием света и тепла.

Деятельность человека в начальные периоды его существования – добывание пищи, защита от врагов, охота – была зависима от дневного света. Потом человек научился добывать и поддерживать огонь, стал освещать свое жилище, охотиться с факелами. Но во всех случаях его деятельность не могла протекать без освещения.

Свет, посылаемый небесными телами, позволил определить расположение и движение Солнца, звезд, планет, Луны и других спутников. Исследования световых явлений помогло создать приборы, при помощи которых узнали о строении и даже составе небесных тел, находящихся от Земли на расстоянии многих миллиардов километров. По наблюдениям в телескоп и фотографиям планет изучили их облачный покров, особенности поверхностей, скорости вращения. Можно сказать, что наука астрономия возникла и развивалась благодаря свету и зрению.

На изучении света основано создание искусственного освещения, так необходимого человеку. Свет нужен везде: безопасность движения транспорта связана с применением фар, освещением дорог; в военной технике применяются осветительные ракеты, прожекторы; нормальное освещение рабочего места способствует повышению производительности труда; солнечный свет повышает сопротивляемость организма болезням, улучшает настроение человека.

Что же такое свет? Почему и как мы его воспринимаем?

Раздел науки, посвященный изучению света, называют также оптикой (от греческого optos – видимый, зримый).

Световое (оптическое) излучение создается источниками света.

Существуют естественные и искусственные источники света. К естественным источникам света относятся такие, как Солнце, звезды, полярное сияние, молнии; к искусственным – лампы, свечи, телевизор и другие.

Источник света мы видим потому, что создаваемое имя излучение попадает к нам в глаза. Но мы видим также и тела, не являющиеся источниками света, - деревья, дома, стены комнаты, Луну, планеты и т.п. Однако мы их видим только тогда, когда они освещены источниками света. Излучение, идущее от источников света, упав на поверхность предметов, меняет свое направление и попадает в глаза.

2. Распространение света

Оптика – одна из древнейших наук.

Еще задолго до того, как узнали, что представляет собой свет, некоторые его свойства были обнаружены и использованы в практике.

На основе наблюдений и опытов были установлены законы распространения света, при этом использовалось понятие луча света.

ЛУЧ – эта линия, вдоль которой распространяется свет.

Закон прямолинейного распространения света.

Свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям.

Для данного закона можно рассмотреть пример – образования тени:

Если мы хотим, чтобы свет от лампы не попадал нам в глаза, мы можем загородиться от него рукой или надеть на лампу абажур. Если бы свет распространялся не по прямым линиям, то он бы мог обогнуть края препятствия и попасть нам в глаза. Например, от звука нельзя «загородиться» рукой, он обогнет это препятствие и мы будем его слышать.

Рассмотрим это явление на опыте.

Возьмем лампочку от карманного фонаря. Расположим на некотором расстоянии от нее экран. Лампа освещает экран полностью. Поместим между лампочкой и экраном непрозрачное тело (например металлический шар). Теперь на экране появится темный круг, так как за шаром образовалась тень – пространство, в которое не попадает свет от источника.

Но четко описанную тень, которая получена в описанном опыте, мы видим в жизни не всегда. Если размеры источника света будут гораздо больше, то вокруг тени образуется полутень. Если бы наш глаз находился в области тени, то мы не увидели бы источник света, а из области полутени – видели бы один из его краев. Закон распространения света использовали еще древние египтяне для того, чтобы установить по прямой линии колоны, столбы, стены. Они располагали колоны таким образом, чтобы из-за ближайшей к глазу колоны не были видны все остальные.

3. Отражение света

Направим от источника света на экран пучок света. Экран будет освещен, но между источником и экраном мы ничего не увидим. Если же между источником и экраном поместить листок бумаги, то он будет виден. Происходит это потому, что излучение, достигнув поверхности листка, отражается, изменяет свое направление и попадает в наши глаза. Весь пучок света становится видимым, если запылить воздух между экраном и источником света. В этом случае пылинки отражают свет и направляют его в глаза наблюдателя.

Закон отражения света:

Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности, восставленным в точке падения луча.

Пусть прямая MN – поверхность зеркала, АО – падающий и ОВ – отраженный лучи, ОС – перпендикуляр к поверхности зеркала в точке падения луча.

Угол, образованный падающим лучом АО и перпендикуляром ОС (тюею угол АОС), называют углом падения. Обозначают его буквой α(«альфа»). Угол, образованный отраженным лучом ОВ и те же перпендикуляром ОС (т.е. угол СОВ), называют углом отражения, его обозначают буквой β («бета»).

Передвигая источник света по краю диска, мы изменяем угол падения луча. Повторим опыт, но теперь будем каждый раз отмечать угол падения и соответствующий ему угол отражения.

Наблюдения и измерения показывают, что при всех значениях угла падения сохраняется равенство между ним и углом отражения.

Итак, второй закон отражения света гласит: угол отражения равен углу падения.

4. Плоское зеркало

Зеркало, поверхность которого представляет собой плоскость, называется плоским зеркалом.

Когда предмет находится перед зеркалом, то кажется, что за зеркалом находится такой же предмет, то что мы видим за зеркалом, называется изображением предмета.

Для начала, объясним, кК глаз воспринимает сам предмет, например, свечу. От каждой точки сечи во все стороны расходятся лучи света. Часть из них расходящимся пучком попадает в глаз. Глаз видит (воспринимает) точку в том месте, откуда исходят лучи, т.е. в месте их пересечения, где не самом деле находится точка.

Глядя в зеркало, мы видим мнимое изображение своего лица.

Расположим вертикально кусок плоского стекла – он будет служить зеркалом. Но так как стекло прозрачно, мы увидим и то, что находится за ним. Поставим перед стеклом зажженную свечу. В стекле мы увидим ее изображение. По другую сторону стекла (там, где мы видим изображение) поставим такую же, но незажженную свечу и будем передвигать ее до тех пор, пока она не покажется зажженной. Это будет означать, что изображение зажженной свечи находится там, где стоит незажженная свеча.

Измерим расстояние от свечи до стекла и от стекла до изображения свечи. Эти расстояния окажутся одинаковыми.

Опыт также показывает, что высота изображения свечи равна высоте самой свечи, т.е. размеры изображения в плоском зеркале равны размерам предмета.

Итак, опыт показывает, что изображение предмета в плоском зеркале имеет следующие особенности: это изображение мнимое, прямое, равное по размерам предмету, находится оно на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.

У изображения в плоском зеркале есть еще одна особенность. Посмотрите на изображение вашей правой руки в плоском зеркале, пальцы на изображении расположены так, как будто это левая рука.

5. Зеркальное и рассеянное изображение

В плоском зеркале мы видим изображение, мало отличающееся от самого предмета. Это объясняется тем, что поверхность зеркала плоская и гладкая, и тем, что зеркало отражает большую часть падающего на него света (от 70 до 90%).

Зеркальная поверхность отражает падающий на нее пучок света направленно. Пусть, например, на зеркало падает пучок параллельных лучей от Солнца. Лучи отражаются также параллельным пучком.

Всякая не зеркальная, т.е. шероховатая, негладкая поверхность рассеивает свет: отражает падающий на нее пучок параллельных лучей по всем направлениям. Объясняется это тем, что шероховатая поверхность состоит из большого числа очень маленьких плоских поверхностей, расположенных беспорядочно, под разными углами друг к другу. Каждая маленькая плоская поверхность отражает свет в определенном направлении. Но все вместе они направляют отраженные лучи в разные стороны, т.е. рассеивают свет по разным направлениям.

6. Преломление света

Ложка или карандаш, опущенная в стакан с водой, кажется переломленной на границе между водой и воздухом. Это можно объяснить только тем, что лучи света, идущие т ложки, имеют в воде другое направление, чем в воздухе.

Изменение направления распространения света при его прохождении через границу двух сред называется преломлением света.

При переходе луча из стекла (воды) в воздух угол преломления больше угла падения.

Способность преломлять лучи у разных сред различна. Например, алмаз преломляет лучи света сильнее, чем вода или стекло.

Если на поверхность алмаза луч света падает под углом 60*, то угол преломления луча равен примерно 21*. При таком же угле падения луча на поверхность воды угол преломления составляет около 30*.

При переходе луча из одной среды в другую происходит преломление света по следующим положениям:

1. лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред.

2. в зависимости от того, из какой среды в какую переходит луч, угол преломления может быть меньше или больше угла падения.

7. Линзы

Отражение и преломление света используется для того, чтобы изменять направление лучей или, как говорят, управлять световыми пучками. На этом основано создание специальных оптическх приборов, таких как прожектор, лупа, микроскоп, фотоаппарат и другие. Главная часть большинства из них – линза.

В оптике чаще всего используются сферические линзы. Такие линзы представляют собой тела, изготовленные из оптического или органического стекла, ограниченные двумя сферическими поверхностями.

Линзы бывают различные, ограниченные с одной стороны сферической, а с другой плоской поверхностью, или вогнуто-выпуклые но наиболее часто применяемые это выпуклые и вогнутые.

Выпуклая линза преобразует пучок параллельных лучей в сходящийся, собирает его в одну точку. Поэтому выпуклую линзу называют собирающей линзой.

Вогнутая линза преобразует пучок параллельных лучей в расходящийся. Поэтому вогнутую линзу называют рассеивающей линзой.

Мы рассмотрели линзы, ограниченные сферическими поверхностями с двух сторон. Но изготавливают и применяют также линзы, ограниченные с одной стороны сферической, а с другой плоской поверхностью, или вогнуто-выпуклые линзы. Однако, несмотря на это, линзы бывают либо собирающими, либо рассеивающими. Если средняя часть линзы толще, чем ее края, то она собирает лучи, а если тоньше, то рассеивает.

8. Изображения, даваемые линзой

При помощи линзы можно управлять световыми лучами. Однако при помощи линзы можно не только собирать и рассеивать лучи света, но и получать разнообразные изображения предметов. Именно благодаря этой способности линз они широко используются в практике. Так линза в кинокамере дает увеличение в сотни раз, а в фотоаппарате также линза дает уменьшенное изображение фотографируемого предмета.

1. Если предмет находится между линзой и ее фокусом, то его изображение – увеличенное, мнимое, прямое, и расположено оно от линзы дальше чем предмет.

Такое изображение получают, когда пользуются лупой при сборке часов, чтении мелкого текста и др.

2. Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то линза дает его увеличенное, перевернутое, действительное изображение; оно расположено по другую сторону от линзы по отношению к предмету, за двойным фокусным расстоянием.

Такое изображение используется в проекционном аппарате, в киноаппарате.

3. Предмет находится за двойным расстоянием линзы.

В этом случае линза дает уменьшенное, перевернутое, действительное изображение предмета, лежащее по другую сторону линзы между ее Фоксом и двойным фокусом.

Такое изображение используют в фотоаппаратуре.

Линза с более выпуклыми поверхностями преломляет лучи сильнее, чем линза с меньшей кривизной. Поэтому фокусное расстояние более выпуклой линзы меньше чем у менее выпуклой линзы. Линза, у которой короче фокусное расстояние, создает большее увеличение, чем длиннофокусная линза.

Увеличение предмета будет тем больше, чем ближе к фокусу находится предмет. Поэтому при помощи линз можно получать изображения с большим и очень большим увеличением. Точно также, можно получать изображения с разным уменьшением.

Литература

1. Свет. Источники света.

2. Близорукость и дальнозоркость. Очки.

3. Свет. Под редакцией Н.А. Родина

93. Что называют источниками света (§49)?

Все тела, от которых исходит свет, называют источниками света . Различают тепловые и люминесцирующие источники света, источники отраженного света:

- тепловые источники света излучают свет потому, что имеют высокую температуру (Солнце, звезды, пламя, нить электрической лампы); тела начинают излучать свет при температуре около 800 °С; электрическую лампу изобрёл Александр Николаевич Лодыгин (1847-1923, Россия), современный вид лампе передал Томас Эдисон (1847-1931, США);

- люминесцирующие источники света – это холодные источники света, излучение которых не зависит от температуры (люминесцентные и газосветные лампы, экран телевизора, монитор компьютера, дисплей электронных устройств, светодиоды, гнилушки, светлячки, некоторые морские животные);

- источники отраженного света сами не излучают; они светятся только тогда, когда на них падает свет от некоторого источника. Например, Луна, планеты и их спутники, искусственные спутники Земли отражают свет Солнца; ночью предметы видим потому, что они отражают лунный свет или свет от тепловых и люминесцентных источников.

94. Как распространяется свет в однородной среде (§50)?

В однородной среде, состоящей из одного и того же вещества (например, воздуха, стекла, воды) свет распространяется прямолинейно .

Прямолинейное распространение света установил основатель геометрии Евклид (325-265 до н. э., Др. Греция).

95. Что такое световой пучок и световой луч (§51)?

- Световой пучок представляет собой узкий ограниченный световой поток; световые пучки можно выделить с помощью малых отверстий в непрозрачных пластинах, называемых диафрагмами .

Пучок света может быть параллельным (а), расходящимся (б), сходящимся (в).

Световые пучки от разных источников не зависят друг от друга и не влияют на распространение друг друга. Это свойство называют независимостью световых пучков .

- Световой луч – это линия, указывающая направление распространения света и используется для изображения световых пучков.

96. Что такое точечный источник света (§52)?

Точечный источник света – это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя.

97. Что такое тень и полутень (§52).

- Тень – это область пространства за предметом, в которую не попадает свет от источника. Тень от предметов образуется при освещении их точечными источниками света.

- Полутень – это область, в которую попадает свет только от части источника света.

При освещении предметов протяженными источниками света образуется область тени и полутени. Например, когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, от Луны на Землю падает область тени (полное солнечное затмение) и полутени (частное солнечное затмение).

98. В чём заключается закон отражения света (§53)?

Закон отражения света заключается в том, что:

Угол отражения света равен углу падения:

Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

Падающий и отражённый лучи обратимы. Например, если световой пучок падает на зеркало в направлении АО, то отражаться он будет в направлении ОВ; если же свет будет падать на зеркало в направлении ВО, то отраженным будет луч ОА.

99. Что такое зеркальное и диффузное отражение света (§53)?

- Зеркальным называют такое отражение, когда гладкую (зеркальную) поверхность, остается параллельным и после отражения. Зеркально отражают гладкие полированные поверхности, зеркала, водная гладь.

- Диффузным называют такое отражение, когда параллельный пучок света, падающий на шероховатую поверхность, отражается рассеянно, т.е. лучи будут направлены в разные стороны. Благодаря диффузному (рассеянному) отражению мы видим окружающие предметы, окружающий мир.

100. По каким законам изображается предмет в плоском зеркале (§54)?

- Плоское зеркало даёт прямое и мнимое изображение предмета.

Изображение предмета в плоском зеркале имеет те же размеры, что и предмет.

Расстояние от предмета до плоского зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения, т.е. предмет и его изображение симметричны относительно зеркала.

Плоское зеркало даёт мнимое (недействительное, кажущееся) изображение предмета.

101. Какие сферические зеркала вы знаете и какими параметрами они характеризуются (§55)?

- Сферические зеркала являются частью поверхности полого шара. Сферические зеркала бывают вогнутые и выпуклые . У вогнутого зеркала зеркальной является внутренняя вогнутая поверхность полого шара. У выпуклого зеркала зеркальной является внешняя выпуклая поверхность полого шара.

Сферические зеркала характеризуются полюсом , оптическим центром, радиусом, главной оптической осью, главным фокусом и фокусным расстоянием.

На рисунке: т. С – полюс зеркала; т. О – оптический центр; СО – радиус зеркала; прямая СО – главная оптическая ось зеркала; т. F – главный фокус зеркала; расстояние FC – фокусное расстояние зеркала.

Вогнутые зеркала применяются:

Когда нужно создать параллельный пучок света. Для этого светящуюся лампу помещают в фокусе зеркала. Это используется в фонарях, фарах автомобилей, прожекторах:

Когда нужно собрать в фокусе падающий на зеркало пучок параллельных лучей. Это используется в телескопе-рефлекторе.

102. Что называют преломлением света (§57)?

Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.

103. Чем характеризуется оптическая плотность среды (§57)?

Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Например, оптическая плотность вакуума, где скорость света максимальная и составляет = 300 000 км/с, равна 1.

104. Как формулируется закон преломления света (§57)?

- Если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную (например, из воздуха в воду), то угол преломления меньше угла падения ( < ).

Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную (например, из воды в воздух), то угол преломления больше угла падения ( > ).

Лучи падающий и преломлённый, а также перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

- Синус угла падения так относится к синусу угла преломления, как скорость света в первой среде к скорости света во второй среде: .

105. Что называют предельным углом полного внутреннего отражения (§58)?

Явление полного внутреннего отражения наблюдается при переходе луча света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называют предельным углом полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения используется, например, в призмах для изменения направления световых лучей. Такие призмы применяются в биноклях, перископах.

106. Что называют световодом и волоконной оптикой (§59)?

Гибкие стеклянные стержни, в которых входящий с одного конца световой луч, многократно испытывая полное внутреннее отражение, полностью выйдет с другого конца, называется световодом. Новая отрасль оптики, основанная на использовании световодов для передачи информации, называется волоконной оптикой.

107. Что называют линзой? Какие бывают типы линз (§60)?

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линзы бывают выпуклые (собирающие) и вогнутые (рассеивающие).

108. Что называют оптическим центром, главным фокусом и фокусным расстоянием линзы (§60)?

- Главная оптическая ось – это линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу.

- Оптический центр линзы – это точка, через которую лучи света проходят без преломления. Через оптический центр линзы лучи проходят без преломления.

- Главный фокус линзы – это точка, в которой после преломления соберутся лучи света, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

109. Что называют оптической силой линзы (§60)?

Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы: . Оптическая сила измеряется в диоптриях (дптр). 1 дптр = 1/м.

110. Как читается формула линзы (§61)?

Сумма величин, обратных расстояниям от предмета до линзы и от линзы до изображения , равна величине, обратной фокусному расстоянию : .

111. Чему равно увеличение линзы (§61)?

Увеличение линзы равно отношению расстояния от линзы до изображения к расстоянию от предмета до линзы : .

112. Из каких частей состоит глаз (§63)?

Глаз человека имеет шарообразную форму диаметром 25 см. Снаружи покрыт прочной белой оболочкой, называемой склерой (1) . Передняя прозрачная часть склеры называется роговицей (2) . За роговицей расположена радужная оболочка (3), определяющая цвет глаза. В центре радужной оболочки находится зрачок , за которым расположен прозрачный хрусталик (4) , имеющий форму собирающей линзы. Оптическая система глаза даёт на его задней стенке, называемой сетчаткой (5) , действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение предмета.

113. Что называют (§63): аккомодацией глаза? углом зрения ? расстоянием наилучшего зрения?

- Аккомодацией глаза называется приспособление глаза к изменению расстояния до предмета за счёт регулирования кривизны хрусталика.

- Углом зрения называют угол, под которым виден предмет из оптического центра глаза.

- Расстояние наилучшего зрения у нормального глаза взрослого человека составляет 25 см, у детей – около 10 см.

114. Чем отличаются недостатки зрения близорукость и дальнозоркость (§64)?

Известны два основных недостатка зрения: близорукость и дальнозоркость .

Отчётливое изображение предмета у близоруких людей получается перед сетчаткой, у дальнозорких – за сетчаткой глаза.

Близорукость исправляется ношением очков с рассеивающими (вогнутыми) линзами, дальнозоркость – с собирающими (выпуклыми) линзами.

115. Назовите оптические приборы и их назначения (§64).

Оптическими приборами называются приборы, действие которых основано на использовании линз. Это:

- очки , применяемые для исправления близорукости и дальнозоркости;

- лупа – линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов;

- микроскоп , предназначенный для рассмотрения микроскопических тел;

- бинокль для наблюдения удалённых тел;

- телескоп для изучения небесных тел;

- перископ для наблюдения из-за укрытия;

- фотоаппарат для получения четких фотографических снимков предметов;

- проекционные аппараты – диапроектор, кинопроектор, графопроектор – предназначенные для получения увеличенного изображения предмета на экране.

116. Как вычисляют увеличение лупы (§64)?

Лупа – это линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов.

Увеличение лупы равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию лупы : .

117. Что называют спектром белого цвета (§65)?

Белый цвет сложный; он состоит из семи простых цветов.

Спектром белого цвета называется разноцветная полоса, полученная в результате разложения белого света и состоящая из семи простых цветов: красного, оранжевого, желтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).

Если параллельный пучок света направить на трехгранную призму, то на экране получается разноцветная полоса, называемая спектром белого света. Спектр возникает потому, что пучки разного цвета по-разному преломляются призмой. Лучи красного цвета преломляются слабее, а лучи фиолетового цвета – сильнее. Остальные цвета располагаются между ними.

Примером спектра солнечного света является радуга, образующаяся при разложении белого света на прозрачных каплях дождя.

118. Какие цвета называют (§66): дополнительными? основными?

- Дополнительными называют цвета, дающие при сложении белый цвет.

- Три спектральных цвета – красный, зелёный и синий – называют основными . Потому что ни один из них нельзя получить при сложении других цветов спектра; сложение этих трёх цветов может дать белый цвет; в зависимости о того, в какой пропорции складываются эти цвета, можно получить разные цвета и оттенки.

119. Объясните происхождение (§67): а) бесцветности тел, б) прозрачности тел, в) цвета поверхности тел.

На границе раздела двух сред происходят три явления: отражение (рассеивание), преломление, поглощение света. Цвет тела, освещаемого белым светом, зависит от того, свет какого цвета это тело рассеивает, пропускает или поглощает.

Прозрачные или бесцветные тела, (например, стекло, вода, воздух), слабо отражают и попускают насквозь все цвета белого света.

Красное стекло поглощает все цвета, кроме красного. Зеленое стекло поглощает все цвета, кроме зеленого.

Цвет тела, освещаемого белым светом, определяется тем цветом, который он отражает. Например, красное тело отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает.

Белое тело (бумага, снег, холст) отражает все цвета.

Сложно переоценить. От него зависит вся человеческая деятельность от начальных периодов до наших дней. Для световых потоков находящаяся в постоянном движении атмосфера Земли - это своеобразная оптическая система, в которой постоянно меняются параметры.

Примеры световых явлений в атмосфере

Слои газовой оболочки нашей планеты перемешиваются, меняя свою плотность, прозрачность, в них отражается часть света, освещая земную поверхность. В определенных случаях ход лучей искривляется, создавая самые удивительные и красочные явления в атмосфере. Некоторые из них встречаются очень часто, а другие недостаточно известны людям.

Нашему глазу доступны не все физические явления. Световые картины звездного шлейфа, например, можно обнаружить только при помощи камеры с большой выдержкой, которая запечатлевает, как звезды оставляют в небе уникальные следы при вращении земли вокруг оси. Поэтому часто применяются специальные оптические устройства.

Удивительными по красоте и доступными для наблюдения являются природные атмосферные явления, являющиеся взаимодействием игры света и газовой оболочки нашей планеты. Чаще всего они возникают из-за рассеивания лучей, их преломления и дифракции, когда они огибают границы непрозрачных тел. В статье рассмотрим уникальные примеры световых явлений, возникающих в атмосфере.

Радуга

В древности ее считали мостом, соединяющим землю и небо. Философ Декарт обосновал теорию возникновения радуги, основанную на преломлении световых лучей. Однако ни он, ни Ньютон, дополнивший знания, не смогли объяснить происхождение нескольких таких явлений, одновременно наблюдаемых в небе. И только в XIX веке астроном Эри смог дать объяснение этому феномену: завеса дождя им рассматривалась как структура, при которой возникала дифракция света. Его теория актуальна и до сегодняшнего дня. Радуга наблюдается при освещении солнечными лучами пелены дождя, находящейся на стороне неба, противоположной светилу. Часто взглядам восхищенного зрителя предстает не одна, а несколько радуг, но расположение цветов в них всегда одинаково.

Такие световые явления в живой природе наблюдаются не только при дымке дождя, но и на каплях воды фонтанов, а источником света служат луна, солнце и обыкновенный прожектор. Интересно, что ученые, задавшиеся целью воспроизвести явление в искусственных условиях, получали около девятнадцати изображений.

Обычную радугу видели, несомненно, все, а вот ночная считается редким природным явлением. В лунном свете она кажется белой, но как только капли дождя становятся крупнее, сразу превращается в цветную. Такой феномен еще часто наблюдается над падающими водопадами.

Огненная радуга

Ученые относят ее к редчайшему Она появляется при особом расположении солнца над линией горизонта на фоне состоящих из кристаллов льда, чьи грани находятся параллельно земле. Только при таких условиях свет проходит в вертикальную грань, преломляется и выходит в горизонтальную. И тогда нашим изумленным взорам предстают облачка, напоминающие разноцветный полыхающий огонь, небо словно покрывается радужной пленкой.

Световой столб

В древности часто принимали за мистические предзнаменования созданные солнцем световые явления. Физика же объясняет такие столбы игрой солнечных лучей с кристалликами льда, образованными в верхних У природного явления всегда будет цвет источника света, а им может оказаться солнце, луна или любой фонарь. Но если они образованы природными светилами, то такие колонны оказываются намного длиннее.

Звуковые и световые явления сопровождают появление полярного сияния, ведь к ярким вспышкам присоединяются шумы и трески, которые влияют на радиопередатчики, вследствие чего связь прерывается или полностью прекращается.

В заключение

Физическая природа световых явлений становилась предметом исследования людей с древних времен. Оптические эффекты, возникающие в атмосферных слоях земли, рассмотрены и обоснованы с научной точки зрения. Примеры световых явлений в физике, приведенные в обзоре, да и не только они, неоднократно становились настоящим потрясением для человека, однако, даже самые сложные и причудливые картины сейчас находят свое объяснение. А многие явления были повторены в искусственных условиях. Игра света издавна привлекала и еще долгое время будет предметом восхищения других поколений, наблюдающих, как солнечный луч или лунное сияние придают нашей планете неповторимый вид.

Природа света. Интерференция и дифракция света. Дифракционная решетка. Рентгеноструктурный анализ и его использование. Естественный и поляризованный свет. Оптически-активные вещества. Поляриметрия. Исследование биологических систем в поляризованном свете. Дисперсия света. Поглощение и рассеяние света. Рассеяние света в атмосфере.

Литература : ; ;

Оптика (от греческого слова оптикос – зрительный) – раздел физики, в котором изучаются вопрос о природе света, закономерности световых явлений и процессы взаимодействия света с веществом.

В течение последних трех столетий представление о природе света претерпело весьма существенное изменение. В конце XVII в. сформировались две принципиально различные теории о природе света: корпускулярная теория, разработанная Ньютоном, и волновая теория, разработанная Гюйгенсом. Согласно корпускулярной теории, свет есть поток материальных частиц (корпускул), летящих с большой скоростью от источника света.

Согласно волновой теории, свет представляет собой волну, исходящую от источника света и распространяющуюся с большой скоростью в «мировом эфире» – неподвижной упругой среде, непрерывно заполняющей всю Вселенную. Таким образом, волновая теория рассматривала свет как механические волны, распространяющиеся в особой среде (подобно звуковым волнам в воздухе).

До конца XVIII в. подавляющее большинство физиков отдавало предпочтение корпускулярной теории Ньютона. В начале XIX века благодаря исследованиям Юнга и Френеля волновая теория была в значительной мере развита и усовершенствована. Волновая теория успешно объяснила почти все известные в то время световые явления, в том числе интерференцию, дифракцию и поляризацию света, в связи, с чем эта теория получила всеобщее признание, а корпускулярная теория Ньютона была отвергнута.

Слабым местом волновой теории являлся гипотетический «мировой эфир», реальность существования которого оставалась весьма сомнительной (в 1881 г. американский физик Майкельсон экспериментально доказал, что мирового эфира не существует). В 60-х годах XIX в., когда Максвелл разработал теорию единого электромагнитного поля, необходимость в «мировом эфире» как особом носителе световых волн отпала: выяснилось, что свет представляет собой электромагнитные волны и, следовательно, их носителем является электромагнитное поле.

Видимому свету соответствуют электромагнитные волны длиной от 0,77 до 0,38 мкм, создаваемые колебаниями зарядов, входящих в состав атомов и молекул. Таким образом, волновая теория о природе света эволюционировала в электромагнит ную теорию света.

Представление о волновой (электромагнитной) природе света оставалось незыблемым вплоть до конца XIX в. Однако к этому времени накопился достаточно обширный материал, не согласующийся с этим представлением и даже противоречащий ему.

Изучение данных о спектрах свечения химических элементов, о распределении энергии в спектре теплового излучения черного тела, о фотоэлектрическом эффекте и некоторых других явлениях привело к необходимости предположить, что излучение и поглощение электромагнитной энергии носит дискретный (прерывистый) характер, т. е. свет испускается и поглощается не непрерывно (как это следовало из волновой теории), а порциями (квантами).

Исходя из этого предположения немецкий физик Планк в 1900 г. создал квантовую теорию электромагнитных процессов, а Эйнштейн в 1905 г. разработал квантовую теорию света, согласно которой свет представляет собой поток световых частиц - фотонов. Однако фотоны существенно (качественно) отличаются от обычных материальных частиц: все фотоны движутся со скоростью, равной скорости света, обладая при этом конечной массой («масса покоя» фотона равна нулю).

Важную роль в дальнейшем развитии квантовой теории света сыграли теоретические исследования, выполненные Бором , Шредингером , Дираком, Фейнманом , Фоком и др. По современным воззрениям, свет - сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойст вами.

В некоторых явлениях (интерференция, дифракция, поляризация света) обнаруживаются волновые свойства света; эти явления описываются волновой теорией. В других явлениях (фотоэффект, люминесценция, атомные и молекулярные спектры) обнаруживаются корпускулярные свойства света; такие явления описываются квантовой теорией.

Таким образом, волновая (электромагнитная) и корпускулярная (квантовая) теория не отвергают, а дополняют друг друга, отражая тем самым двойственный характер свойств света. Здесь мы встречаемся с наглядным примером диалектического единства противоположностей: свет является и волной и частицей. Уместно подчеркнуть, что подобный дуализм присущ не только свету, но и микрочастицам веществ.

Современная физика стремится создать единую теорию о природе света, отражающую двойственный корпускулярно-волновой характер света; разработка такой единой теории пока еще не завершена.

Интерференция света – это явление усиления или ослабления колебаний, которое происходит в результате сложения двух или нескольких волн сходящихся в некоторой точке пространства. Необходимым условием интерференции волн является их когерентность: равенство их частот и постоянная по времени разность фаз. Этому условию удовлетворяют монохроматические световые волны (от греческого (монос) – один, (хрома) – цвет, т.е. монохроматическому свету соответствует какая-либо одна длина волны). При соблюдении данного условия можно наблюдать и интерференцию других волн (например, звуковых).

Для световых волн, так же как и для любых других справедлив принцип суперпозиции. Так как свет имеет электромагнитную природу, то применение этого принципа означает, что результирующая напряженность электрического (магнитного) поля двух световых волн, проходящих через одну точку, равна векторной сумме напряженностей электрических (магнитных) полей каждой из волн в отдельности.

В частном случае, когда напряженности составляющих полей равны, но противоположно направлены, напряженность результирующего поля будет равна нулю (свет гасится светом). Если они направлены в одну сторону, происходит максимальное усиление света.

Результатом интерференции является интерференционная картина – устойчивое во времени распределение в пространстве интерференционных максимумов и минимумов (например, чередование темных и светлых полос на экране; в природе радужная окраска крыльев насекомых и птиц, мыльных пузырей, масляной пленки на воде и т.д.).

Частным случаем интерференционной картины являются так называемые кольца Ньютона (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1

Они наблюдаются в системе образованной плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны.

Результат интерференции двух световых волн (в одной и той же среде) зависит от разности хода Δl=l 1 -l 2 (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2

Если в разности хода лучей укладывается четное число полуволн, т.е. если

(4.1.1)

то в точке А на экране будет максимум света (λ – длина волны, S 1 и S 2 - монохроматические источники света, n=0,1,2,3,…). Если в разности хода лучей укладывается нечетное число полуволн, т.е. если

(4.1.2)

то в точке А будет минимум света. Интерференционная картина создаваемая двумя когерентными источниками света на экране представляет собой чередование темных и светлых полос.

Интерференционная картина очень чувствительна к величине разности хода интерферирующих волн. На этом основано устройство интерферометра прибора служащего для определения малых длин, углов, показателя преломления среды, длин световых волн.

Дифракцией называется отклонение света от прямолинейного распространения близи препятствия (огибание светом преграды). Так например если между источником света S и экраном А поставить другой экран В с отверстием, на экране А можно наблюдать дифракционную картину состоящую из чередующихся светлых и темных колец и захватывающих область геометрической тени (особенно заметно, когда размеры отверстия много меньше расстояния между экранами).

Рисунок 4.3

При использовании белого (немонохроматического света) дифракционная картина приобретает радужную окраску.

Явление дифракции объясняется при помощи принципа Гюйгенса – Френеля. Согласно данному принципу, каждая точка волновой поверхности достигающей отверстия становится вторичным источником света. Эти источники являются когерентными, поэтому исходящие от них световые лучи будут интерферировать между собой. В зависимости от величины разности хода на экране А возникнут максимумы и минимумы освещенности. В лабораторной практике дифракционную картину получают обычно от узких светящихся щелей. Совокупность большого числа параллельных узких прозрачных для света щелей, разделенных непрозрачными промежутками, называют дифракционной решеткой . Дифракционные решетки изготавливают путем нанесения тонких штрихов на поверхности стеклянной пластинки (прозрачная решетка) или металлического зеркала (отражательная). Сумму ширины щели а и промежутка b между щелями называют периодом или постоянной решетки: d = a + b. Дифракционные решетки дают четкую дифракционную картину и применяются для определения длины волны, а также в спектральном анализе для разложения света в спектр и заключения о химическом составе вещества. Дифракционные картины нередко возникают в природе. Так, например, цветные кольца, окружающие источник света, когда воздух насыщен каплями воды (туман) или пылью результат дифракции света на этих частицах. Дифракцией объясняется окраска перламутра и радужный цвет глаз многих насекомых, глаза которых являются своеобразными дифракционными решетками.

В химии широкое применение получил рентгеноструктурный анализ, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. В его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны порядка размеров атомов. Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Наиболее успешно его применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей.

Свет представляет суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Как известно электромагнитную волну, можно представить в виде колебаний двух взаимно перпендикулярных лекторов напряженностей электрического Е и магнитного Н. Так как электромагнитная волна является поперечной, то оба вектора колеблются в плоскостях, перпендикулярных к вектору скорости – направлению распространения луча. Элек­тромагнитная волна, в которой колеблется лишь один из этих векторов, невозможна. Электрическое поле, в котором изменяется Е, неизбежно порождает магнитное поле, в котором по такому же закону изменяется Н, я наоборот. Явления поляризации рассматривается относительно вектора напряженности Е, но при этом следует помнить об обязательном су­ществовании перпендикулярного ему вектора напряженности Н. Плоскость, в которой происходят колебания вектора напряженности электрического поля, называют плоскостью колебаний. Плоскость, в которой колеблется вектор напряженности магнитного поля, называется плоскостью поляризации.

Естественный свет с этой точки зрения можно схематично представить следующим образом (рисунок 4.4):

Рисунок 4.4

Равномерное расположение векторов Е обусловлено большим числом атомарных излучателей. Такой свет называется неполяризованным. В таких световых волнах векторы имеют различные ориентации колебаний, причем все ориентации равновероятны. Если влиянием внешних воздействий на свет или внутренних осо­бенностей источника света появляется предпочтительное, наиболее вероятное направление колебаний, то такой свет называется частично поляризованным (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5

С помощью специальных устройств из пучка естественного света можно выделить луч, в котором колебания вектора Е будут происходить в одной определенной плоскости (рисунок 4.6)

Рисунок 4.6

Такой свет будет полностью поляризованным. В отличие от естественного света поляризованный свет характеризуется кроме интенсивности и длины волны еще и положением плоскости поляризации. Человеческий глаз не отличает естественный и поляризованный свет. На практике поляризованный свет обычно получают, пропуская естественный свет через кристаллы, которые, как известно, характеризуются анизотропностью (физические свойства зависят от направления в кристалле). Поляризованный свет широко используют в химических и биологических исследованиях. Например, некоторые вещества, называемые оптически активными, поворачивают плоскость поляризации проходящего через них поляризованного света. Причем угол поворота зависит от толщины слоя вещества. Таким образом, можно определять концентрацию веществ в растворе, что лежит в основе метода исследования веществ – поляриметрии. С помощью оптических поляриметров определяют величину вращения плоскости поляризации света при прохождении его через оптически-активные среды (твёрдые вещества или растворы). Поляриметрия широко применяется в аналитической химии для быстрого измерения концентрации оптически-активных веществ для идентификации эфирных масел и в других исследованиях. Почти все биологически функциональные молекулы являются оптически активными.

Важной оптической характеристикой среды является абсолютный показатель преломления n (или просто показатель преломления). Он показывает во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости света в вакууме

(4.1.3)

Значение показателя преломления среды в основном определяется свойствами этой среды. Однако в некоторой степени он зависит еще и от длины волны (частоты) света. Поэтому одна и та же среда по-разному преломляет световые лучи разной длины волны. Зависимость показателя преломления среды от длины световой волны называется дисперсией света (от латинского dispersio – рассеяние).

Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрастает с уменьшением световой волны, в противном случае аномальной. Благодаря дисперсии, луч белого света, проходящий через преломляющую среду, оказывается разложенным на различные монохроматические лучи (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Попадая на экран, эти лучи образуют дисперсионный спектр - совокупность разноцветных полос. Наиболее четко дисперсионный спектр обнаруживается при преломлении света в призме (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7

Угол D между лучами, соответствующими крайним цветам дисперсионного спектра, называется углом дисперсии. От него зависит ширина спектра. По виду спектра можно судить о химическом составе преломляющей среды. На этом основан так называемый спектральный анализ.

При прохождении света через вещество происходит его частичное поглощение, обусловленное превращением электромагнитной энергии световой волны в другие виды энергии (например, тепловую энергию). Вещества слабо поглощающие свет называются прозрачными. Сильно поглощающие свет – непрозрачными. Такое разделение является относительным, так как прозрачность зависит не только от вида вещества, но и толщины его слоя. Кроме того, поглощение света веществом носит избирательный характер. Различные вещества по-разному поглощают свет разных длин волн. Именно этим определяется цвет тела. Из потока белого цвета данное тело поглощает только лучи определенной длины волны, остальные пропускаются, отражаются или рассеиваются и воспринимаются человеческим глазом. Так, например листья живых растений обладают значительным поглощением во всем видимом спектре, кроме зеленой и темно-красной его части.

При распространении света в однородной среде, как показали исследования Бугера и Ламберта, интенсивность света изменяется по следующему закону:

(4.1.4)

где I 0 – интенсивность света при входе в слой вещества, I – интенсивность света при выходе из него, x – толщина слоя вещества, k – коэффициент поглощения, зависящий от рода вещества и длины волны. Поглощением света обусловлены, в конечном счете, все виды воздействия света на вещество. Именно в результате действия света возникает фотосинтез (превращение неорганических веществ в органические сопровождающееся выделением кислорода).

Проходя через мутную среду (среда в которой взвешено множество частиц какого либо постороннего вещества), свет дифрагирует от ее беспорядочно расположенных микрооднородностей и распространяется во все стороны (рассеивается). При этом среда приобретает голубой оттенок. Данное явление объясняется законом Релея:

I~1/λ 4 (4.1.5)

т.е. интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Из формулы (4.1.4) видно, что лучи с более короткой длинной волны рассеиваются сильнее (самой маленькой длиной волны обладает голубой свет). Рассеяние света происходит и в средах очищенных от посторонних частиц (так называемое молекулярное рассеяние). В данном случае свет дифрагирует от случайных уплотнений среды обусловленных беспорядочным тепловым движением молекул. В данном случае интенсивность рассеянного света невелика и становится заметной при большой толщине среды. Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба и желтый цвет солнечного диска. Так как свет, проходящий через атмосферу, состоит преимущественно из длинных волн.

Первая задача посвящена прямолинейному распространению света в однородной прозрачной среде.

Первый закон геометрической оптики: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

Высота дерева - 21 метр. Высота человека - 1,75 метра. Тень, которую отбрасывает человек, составляет 3 метра. Определите длину тени, которую будет отбрасывать дерево.

Решение задачи (рис. 1)

Рис. 1. Иллюстрация к задаче

Решение задачи связано с подобием треугольников.

Ответ: 36 метров

Вторая задача связана с законом отражения.

Если расположить параллельно друг другу два плоских зеркала, между ними поставить зажженную свечу, какое количество изображений мы сможем наблюдать?

Решение задачи

Посмотрим, как создается изображение в плоских зеркалах (рис. 2).

Рис. 2. Иллюстрация к задаче

Рассмотрим левое зеркало. В нем мы получим мнимое изображение источника света, которое будет находиться на таком же расстоянии, как источник света. В правом зеркале мы получаем такое же отражение. Далее, в левом зеркале мы получим изображение отражения, а в правом зеркале мы видим то изображение, которое было изначально. Такое рассуждение можно продолжать до бесконечности.

Следующая задача относится к закону преломления.

Фокусное расстояние собирающей линзы - 20 см. Определите оптическую силу этой линзы.

Воспользуемся системой СИ:

F = 0,2 м

Оптическая сила - это отношение единицы к фокусному расстоянию линзы.

Ответ: 5 дптр

Если бы мы получили отрицательную оптическую силу, то мы говорили бы о рассеивающей линзе.

Следующая задача рассматривает ход лучей в линзе.

Рис. 3. Иллюстрация к задаче

На главной оптической оси представлены два изображения (рис. 3). Одно изображение - это предмет, который располагается перпендикулярно главной оптической оси. Второе - это перевернутое изображение предмета, которое тоже перпендикулярно главной оптической оси.

Необходимо определить, где располагается собирающая линза и где находится ее фокус.

Решение задачи

Рис. 4. Иллюстрация к задаче

Направим луч из вершины предмета к вершине изображения A₁ (рис. 4). В этом случае луч пройдет через оптический центр. То есть там, где луч будет пересекаться с главной оптической осью, будет находиться линза.

Чтобы получить фокус, из той же точки направляем луч, параллельный главной оптической оси. Он доходит до линзы, преломляется и проходит таким образом, что тоже попадает в точку . Там, где преломленный луч пересекается с главной оптической осью, находится фокус линзы.

Вы научились решать задачи по теме «Световые явления» и повторили главные законы геометрической оптики.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. /Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Домашнее задание

1. В солнечный день высота тени отвесно поставленной метровой линейки равна 50 см, а тени дерева - 6 метров. Какова высота дерева?
2. Фокусные расстояния трех линз соответственно равны 1,25 м, 0,5 м и 0,04 м. Какова оптическая сила каждой линзы?
3. При помощи линзы было получено увеличенное перевернутое изображение пламени свечи. Где находилась свеча относительно линзы?

1. Интернет-портал Tepka.ru ().
2. Интернет-портал Multiurok.ru ().
3. Интернет-портал Infourok.ru ().