Световой луч и световой пучок в физике - определение с примерами

Содержание:

Световые явления:

Мы живем в мире разнообразных световых явлений. Многие из них, например вид звезд на вечернем небосклоне (рис. 78), радуга (рис. 79) полярные сияния (рис. 80) в полярных широтах, а также подобные сияния в средних широтах, живописны и красивы.

Солнце освещает Землю, электрическая лампа - комнату. Чайная ложка, если поместить ее в стакан с водой, кажется сломанной, на поверхности озера мы видим тучи, плывущие в небе. Почему?

При освещении предметов солнечным светом или светом от лампы мы видим их разноцветными, а с наступлением ночи - темными, серыми. Что такое цвет, почему в различных условиях наблюдений цвета предметов изменяются?

Чтобы ответить на эти и другие вопросы, необходимо изучить разные источники света и законы его распространения, действие света на физические тела.

Учение о свете и световых явлениях называют оптикой.

Благодаря изобретению и использованию линз были созданы оптические приборы, без которых сегодня сложно представить себе повседневную жизнь: очки, лупы, микроскопы, бинокли, фотоаппараты, телескопы и т. п.

Темной ночью или в затемненной комнате мы практически ничего не видим. Зажегши свечу, сразу увидим ее пламя. Одновременно мы увидим саму свечу, другие предметы, находящиеся в комнате (рис. 81).

Что необходимо для того, чтобы видеть предметы

1.    Источник света. Пламя свечи

излучает свет, распространяющийся во всех направлениях. Свеча -    Рис. 81

источник света. Предметы, находящиеся в комнате, при отсутствии света невидимы. Если эти предметы освещаются свечой, мы их видим, потому что свет отражается от них.

2.    Глаза. Глаз человека, воспринимая свет, распространяющийся от какого-либо источника света, дает возможность нам видеть этот источник. Так мы видим пламя свечи и другие освещенные предметы.
Источники света — это тела, излучающие свет.

По характеру излучения различают тепловые и люминесцентные (лат. lumen - «свет, холодное свечение») источники света. В тепловых источниках света свечение достигается за счет нагревания тел до высоких температур. Например, тела при температуре 800 °С начинают излучать свет.

Тепловыми источниками света является Солнце, звезды, лампы накаливания (рис. 82, а), дуговая лампа (рис. 82, б), керосиновая лампа (рис. 82, в), вулканическая лава и т. д.

Но свет могут излучать и тела, имеющие температуру окружающей среды. Такие тела называют люминесцентными источниками света. Люминесценция возникает в веществах при разных химических реакциях. Тихой летней ночью на лесной поляне можно увидеть гнилой светящийся пенек. Это светятся бактерии, вызывающие процесс гниения. Светятся также грибы, растущие возле пенька.

Интересно наблюдать светлячков (рис. 83) - маленьких жучков, в верхней части брюха которых есть особенное светящееся вещество.

В морях и океанах светится вода, причина этого - многочисленные мелкие светящиеся организмы. Светятся медузы (рис. 84), глубоководные рыбы.
 

Кстати:

Ученые хорошо изучили свечение жуков-светлячков. Их органы свечения состоят из клеток, которые содержат два белковых вещества - люциферин и фермент люцифераза (лат. lucifer - «носитель света»). Люциферин при присутствии люциферазы окисляется, и при этом освобождает энергию, большая часть которой (до 92 %) превращается в свет.

Среди животных, живущих на суше, светящихся очень мало, а вот среди жителей морей и океанов свечение широко распространено. Много животных живет на глубине, куда не доходит солнечный свет. Существуют рыбы, у которых светящиеся органы расположены по всему телу, словно гирлянды электрических ламп.

У некоторых животных световые органы состоят из клеток, которые отражают и преломляют свет. Другие животные могут светиться за счет живущих в них микроорганизмов.

Существуют естественные и искусственные источники света. К естественным источникам относятся, например, Солнце, звезды, молнии, светящиеся насекомые, растения, рыбы, бактерии. К искусственным - пламя свечи, костры, экран компьютера, электрические лампы, газосветные и люминесцентные лампы:    неоновые, дневного света, ртутные, галогенные (рис. 85).

Что такое приемники света

Приемники света — это тела, чувствительные к свету.

Это, например, наши глаза. Свет, падающий на зрительный нерв, раздражает его. Это раздражение передается в головной мозг, формируя зрительное Рис. 85    изображение.

Если на кино-, фотопленку (в настоящее время - еще и на светочувствительную матрицу цифрового фотоаппарата или видеокамеры) или фотобумагу попадает отраженный от окружающих предметов свет, на них образуются изображения этих предметов (рис. 86, 87).

Если на солнечные батареи, установленные на самолете (рис. 88), космическом корабле, спутнике или на крыше дома, падает свет, они производят электрический ток, который используют для питания разных электроприборов. Небольшие солнечные батареи применяют для питания карманных фонариков, микрокалькуляторов и мобильных телефонов (рис. 89).

Практически всем живым существам на Земле необходим свет, и они являются его приемниками. Свет необходим для нормального роста и развития растений. На рисунке 90 - две головки капусты, одна выросла при недостаточном освещении, а вторая - в обычных условиях. В первом случае капуста небольшая и светлая, а во втором - она больше и ярко-зеленая.

На разных этапах развития физики использовали различные способы измерения скорости распространения света. Первым ее попробовал рассчитать Галилей, но ему это не удалось. В XVII в. ее впервые измерил датский астроном Олаф (Оле)

Ремер, изучая движения спутника Юпитера - Ио.

Фиксируя его появление из-за планеты, он получил приблизительные данные скорости распространения света - 215 000 км/с. Американский физик Альберт Майкельсон разработал совершенный метод измерения скорости распространения света с применением вращающихся зеркал. Была определена скорость в разных прозрачных веществах. В 1862 г. французский физик Жан Фуко применил для измерения скорости света в воздухе и воде метод вращающегося зеркала, идея которого принадлежит Доминику Араго. Определяя скорость распространения света в воде, ученый выяснил, что она меньше, чем скорость распространения света в воздухе. Точное сравнение скорости света в воде и в воздухе, которое сделал Майкельсон, показало, что скорость в воде в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. По современным данным скорость распространения света в вакууме равна 299 792 458 ± 1,2 м/с.

Световой луч и световой пучок. Закон прямолинейного распространения света

Если между глазом и каким-либо источником света разместить непрозрачный предмет, мы не увидим источника света. Это объясняется тем, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Среду называют однородной, если плотность вещества, из которого она состоит, во всех точках одинакова.

О прямолинейном распространении света еще за 300 лет до новой эры писал основатель геометрии Евклид. Вполне возможно, что понятие прямой линии возникло из представлений о прямолинейном распространении света в однородной среде.

Свет от любого источника, например электрической лампы, распространяется во всех направлениях. Если от источника света провести прямую линию, мы получим луч света.

Луч света — это мнимая линия, вдоль которой распространяется свет.

Если световые лучи ограничить определенной поверхностью в пространстве, то мы получим световой пучок.

Световые пучки можно наблюдать в воздухе, содержащем достаточное количество пылинок, которые отражают свет. Можно видеть световые пучки от карманного фонарика, прожектора (рис. 91), кинопроектора. В природе наблюдаются большие световые пучки, которые образуются во время прохождения солнечных лучей через разрывы в тучах, просветах в кронах деревьев (рис. 92). В чистом воздухе световые пучки не видны.

Вследствие того, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно, мы можем наблюдать тени и полутени, фазы Луны, солнечные и лунные затмения.
Тень — часть пространства за непрозрачным предметом, куда свет не поступает.

В солнечный день четко видно тени людей, зданий, деревьев и других предметов (рис. 93).

Разместим небольшой непрозрачный шар в световой пучок, падающий на экран от источника света небольших размеров. За шаром в пространстве образуется конусовидная тень, а на экране появляется тень, имеющая форму круга (рис. 94).

Если размеры источника света намного меньше расстояния от источника света до экрана, то такой источник называют точечным источником света.

Возьмем источник света, размеры которого больше по сравнению с расстоянием от него к экрану, и повторим опыт. Вокруг тени на экране образуется частично освещенное пространство - полутень (рис. 95).

• Заказать решение задач по физике

Образование полутени также подтверждает закон прямолинейного распространения света. В данном случае источник света состоит из многих точечных источников, каждый из которых излучает свет. На экране есть

участки, в которые свет от одних точечных источников поступает, а от других - нет, там и образуется полутень. В центральную часть экрана не попадает свет ни от одного точечного источника, там наблюдается полная тень.

Теневыми проекциями пользуются в театре теней (рис. 96), для демонстрации опытов, например для демонстрации броуновского движения (рис. 97) и т. д.

Луна - естественный спутник Земли. В течение месяца мы можем наблюдать, как изменяется форма видимой из Земли части Луны.

Разные формы видимой из Земли части Луны называют фазами Луны.

Еще в глубокой древности люди могли объяснить явление изменения лунных фаз (рис. 98).

Фазы Луны объясняются взаимным расположением Солнца, Луны и Земли, а также тем, что Луна собственного света не излучает, а отражает солнечный. Солнце находится на большом расстоянии от Луны, поэтому поступающий на Луну пучок солнечных лучей можно считать параллельным. Вследствие этого освещается только половина Луны, а другая ее половина остается в тени. Движение Земли и Луны приводит к тому, что к Земле могут быть одновременно обращены светлая и темная части Луны, и тогда она кажется нам неполной фазы Луны изображены на рисунках 99 и 100.

Когда Луна проходит между Солнцем и Землей, к нам обращена ее темная сторона. Тогда Луны вовсе не видно. Эту фазу называют молодая Луна (новолуние). Через 2 дня, когда Луна переместится на восток от Солнца, к нам будет обращена небольшая часть освещенного полушария Луны - будет виден узкий серп. Еще через 5 дней мы увидим правую половину светлого полушария Луны - первую четверть. Через 2 недели после новой Луны наступает следующая лунная фаза - полная Луна (полнолуние). После нее освещенная часть Луны начинает уменьшаться - наступает последняя четверть, и мы видим левую половину полушария Луны. В следующие дни Луна приобретает форму серпа, и, наконец, ее не видно - опять наступает молодая Луна (новолуние).

В космических масштабах тень и полутень можно наблюдать во время солнечных и лунных затмений. Планеты и их спутники, освещаемые Солнцем, образуют тени и полутени. На рисунке 101 изображены тени и полутени, образованные Землей и Луной.

Если Луна в ходе своего движения вокруг Земли в какой-то момент оказывается между Землей и Солнцем, она образует на земной поверхности тень, и тогда на этих территориях наблюдается солнечное затмение.

Солнечные затмения бывают только при молодой Луне. Их можно наблюдать лишь на тех участках поверхности Земли, на которые падает тень или полутень Луны (рис. 102). Если участок находится в тени Луны, то наблюдается полное затмение Солнца; для участков, находящихся в полутени, солнечное затмение будет частичным.

В связи с тем, что Луна движется с запада на восток, затмение начинается на западном (правом) краю Солнца. В начале затмения на диске Солнца появляется постепенно увеличивающаяся «зазубрина» и Солнце приобретает форму узкого серпа (рис. 103). Когда диск Луны полностью закроет Солнце, мы увидим вокруг него удивительное сияние - корону Солнца - часть раскаленной солнечной атмосферы (рис. 104)

Во время полного солнечного затмения быстро темнеет. На небе становятся видны звезды и планеты. Снижается температура воздуха, иногда выпадает роса. В небе виден черный диск с пылающей вокруг него солнечной короной. В древние времена считали, что это огромный дракон пожирает Солнце.

Дальнейшее перемещение Луны приводит к тому, что спустя некоторое время опять становится виден узкий солнечный серп, а солнечная корона уже не видна. Диск Луны перемещается все дальше в восточном направлении, и вскоре на небе опять ярко светит Солнце.

Полное затмение может длиться не более 8 минут, обычно 2-3 минуты. В разных точках поверхности Земли солнечное затмение не только наблюдается по-разному, но и наступает в разное время. Это объясняют тем, что в результате движения Луны вокруг Земли тень Луны (область полного затмения) движется по поверхности Земли с запада на восток со скоростью 1 км/с. Полное затмение можно наблюдать в пределах полосы длиной в несколько тысяч километров и 270 км в ширину. На остальной части поверхности Земли это затмение наблюдается как частичное или вовсе не наблюдается.

Полное солнечное затмение на Земле можно наблюдать один раз в полтора года, а вот в одном и том же месте земной поверхности - редко, лишь один раз в 300 лет.

Когда Луна попадает в тень Земли, наступает лунное затмение (рис. 105).

Лунные затмения происходят только при полной Луне. Луна движется с запада на восток, и когда она начинает заходить в тень Земли, на лунном диске появляется «зазубрина», постепенно увеличивающаяся в размерах. Луна приобретает форму серпа, на вид резко отличающегося от обычных лунных фаз (рис. 106).

Рис. 106
Затмение Луны будет полным, если она полностью войдет в тень Земли. Если же она перемещается лишь по части области земной тени, затмение будет частичным.

Диаметр земной тени значительно больше диаметра диска Луны, поэтому полное лунное затмение длится сравнительно долго, около 2 часов.

Картина лунного затмения выглядит одинаково во время наблюдения с любой точки поверхности Земли, повернутой в это время к Луне, и во всех этих точках оно начинается и заканчивается одновременно.

При полном затмении диск Луны становится темно-красным. Космонавт, находящийся в это время на Луне, мог бы наблюдать черный диск Земли с красным кольцом вокруг него.
Каждые 18 лет происходит 29 лунных затмений, но интервалы между ними разные. На протяжении года может не наблюдаться ни одного лунного затмения, а в следующем году их может быть 2 или 3.

Пример №1

Является ли Луна источником света?

Ответ: нет; следует также обратить внимание - в литературе используется утверждение, что Луна является мощным источником света, - это неправильно.

Пример №2

На рисунке 88 (см. с. 49) изображен самолет «Гелиос», который питается от солнечных батарей. В 2001 году он установил рекорд высоты, поднявшись на 29 413 м. Солнечные батареи являются источниками или приемниками света?

Ответ: солнечные батареи являются приемниками света - источниками электрического тока.

Пример №3

Почему в первом случае на столе есть тень (рис. 107), а во втором - нет?

Ответ: это зависит от размещения нити накаливания электролампы.