Источники света. Прямолинейное распространение свет

ГЛАВА V. СВЕТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Урок № Тема: Источники света. Прямолинейное распространение свет

Цель урока:

Познакомить учащихся с естественными и искусственными источника­ми света. Разъяснить закон прямолинейного распространения света. Объяс­нить природу солнечных и лунных затмений.

Демонстрации:

1. Излучение света различными источниками.

2. Прямолинейное распространение света.

3. Получение тени и полутени.

Ход урока

План изложения нового материала:

1. Свет как видимое излучение.

2. Естественные и искусственные источники света.

3. Пучок и луч.

4. Закон прямолинейного распространения света.

5. Тень и полутень.

6. Затмение Солнце и Луны

Изучение нового материала

В краткой вступительной беседе учитель должен рассказать учащимся о значении света в познании человеком окружающего мира. Благодаря органу зрения, человек видит окружающий мир, осуществляет связь с окружающей средой, может работать и отдыхать. От того, как освещаются предметы, зави­сит продуктивность труда. Без достаточного освещения растения не могут нормально развиваться. Знание закономерностей световых явлений позволя­ет конструировать различные оптические приборы, которые находят широкое применение в практической деятельности человека.

Лучшая иллюстрация значению световых явлений в жизни человека - «минутный» эксперимент: предложите учащимся на одну минутку закрыть глаза и представить себе «жизнь во тьме»!!!

Что же такое свет? Все тела состоят из атомов (или молекул). Но как в гитарной струне нет звука, так в атоме нет света. Состояние атома, когда его энергия минимальна, называют нормальным (или невозбужденным). В таком состоянии атом не излучает энергии. Всякое другое состояние атома с энерги­ей, отличной от минимальной, называют возбужденным. В возбужденном состоянии атом может находиться в течение с. Переход атома из возбуж­денного состояния в нормальное сопровождается излучением электромаг­нитных волн. Таким образом:

Опр. Свет - это электромагнитное изучение, воспринимаемое глазом по зрительному ощущению.

Вопрос классу:

- Чем отличается излучение утюга или кипятильника от излучения элект­рической лампы накаливания?

Опр. Источником света называют тела, способные излучать свет.

Всякое светящееся тело состоит из огромного числа «элементарных» излучателей. Таким образом, оптическое излучение источников света представляет собой набор излучений отдельных атомов и молекул.

Демонстрируя учащимся различные источники света (горящую спичку, свечку, светящуюся лампочку), учитель сообщает, что существуют есте­ственные и искусственные источники света.

Естественные источники света - это Солнце, звезды, атмосферные заря­ды, а также светящиеся объекты животного и растительного мира (светлячки, гнилушки и пр.)

Искусственные источники света, в зависимости от того, какой процесс лежит в основе получения излучения, разделяют на тепловые и люминесцирующие.

- Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

(к тепловым относят электрические лампочки, пламя газовой горелки, свечи и т.д.; люминесцирующими источниками являются люминесцентные и газовые лампы)

Опр. Источник све­та, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до экрана, называют точечным источником света.

Геометрическая оптика

Поскольку свет - электромагнитное излучение и ему присущи все свой­ства электромагнитных волн, то все задачи оптики можно решить на основе волновых представлений. Но это требует применения весьма громоздкого ма­тематического аппарата. Однако при решении задач на построение изображе­ний в зеркалах и линзах и при расчете оптических приборов ученые поль­зуются геометрическими методами. Эти методы составляют содержание гео­метрической оптики, которую иначе называют лучевой оптикой.

Основными понятиями геометрической оптики являются световой пучок и световой луч. Причем эти понятия нельзя отождествлять. Пучок света можно наблюдать, а луч только чертить на бумаге:

• цилиндрические или конические каналы, внутри которых рас­пространяется свет, называются световыми пучками;

• лучом называется геометрическая линия, указывающая на прав­ление переноса световой энергии.

Опр. Световой луч - это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света.

Теперь очевидны различия данных физических понятий с такими их об­разно-литературными «аналогами», как «лучи Солнца», «луч света упал на стол», «Катерина - луч света в темном царстве» и т.д.

Не существует бесконечно узких световых пучков; пучок света всегда имеет конечную ширину. Луч - это как бы ось пучка, а не сам пучок.

Пример: Источники излучают свет во всех направлениях в пространстве. Если включить карманный фонарь, то его корпус будет ограничивать световой поток и свет будет распространяться в виде светового пучка, расширяющегося по мере удаления от источника. Линии, вдоль которых распространяется свет, называют световыми лучами.

Независимость распространения света

Если два источника света расположить так, чтобы световые пучки, создаваемые ими пересекались, то видно, что после пересечения какого-либо искажения изображений на экране не происходит. Следовательно, световые пучки, пересекаясь, не влияют друг на друга. Однако такая независимость распространения света справедлива только для световых пучков небольшой интенсивности.

Геометрическая оптика базируется на трех законах:

а) закон прямолинейного распространения света;

б) закон отражения света;

в) закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света - свет в однородной среде распространяется прямолинейно.

Закон прямолинейного распространения света был впервые сформулирован Евклидом в III в. до н.э.

Древние греки и египтяне использовали закон прямолинейного распространения света для установления колонн по одной прямой. Колонны располагались так, чтобы из-за ближайшей к глазу колонны не были видны все остальные.

- Какие примеры вы можете привести для подтверждения прямолиней­ного распространения света?

Оптически однородной считается такая среда, в которой свет распрост­раняется с постоянной скоростью. Если имеются две среды, в которых свет распространяется с различными скоростями, то среду, где свет распространя­ется с меньшей скоростью называют оптически более плотной, а среду, где свет распространяется с большей скоростью - оптически менее плотной.

Тень и полутень.

П рямолинейность распространения света подтвержда­ется образованием тени. Если взять небольшой источник света, экран и меж­ду ними поместить непрозрачный предмет, то на экране появится темное изображение его очертаний - тень.

Опр. Тень - область пространства, в которую не попадает световая энергия от источника света.

- Почему образование тени служит доказательством прямолинейности распространения света?

Проводя опыт, мы не учитывали размеры источника света.

Если же мы возьмем больший источник све­та, то на экране вокруг тени образуется еще и полутень.

О пр. Полутень - область пространства, в которую световая энергия от источни­ка света попадает частично.

Солнечные и лунные затмения (см. стендовую лекцию)

В заключение урока можно рассказать о практическом использовании за­кона прямолинейного распространения света (строительство, прокладка до­рог, определение высоты предметов и т.д.)

Применение закона прямолинейного распространения света

• прокладка дорог

• определение высоты предметов

• строительство зданий

• и еще: от проверки прямолинейности «по лучу зрения» до медицины и лазерного шоу

Театр теней

Е сли тень падает на не очень плотный экран (материя, бумага), то тень видна и с обратной стороны экрана. Это используют в так называемом театре теней. Ну, а маленький театр теней на стене вы наверняка показывали сами.

Решение задач

Задача № 1

Непрозрачный шар Ш освещается точечным источником S, который расположен на прямой, проходящей через центр шара, перпендикулярно плоскости экрана Э. Постройте изображение тени от шара на экране. Вычислите радиус R тени, если расстояние от источника до экрана L = 1 м, а от центра шара до экрана Н = 0,5 м. Радиус шара r = 20 см.

Решение:

Задача № 2

Уличный фонарь висит на столбе высотой Н = 6 м. Определите длину тени от метровой палки, которая воткнута в землю вертикально на расстоянии L = 3 м от столба. Считать фонарь точечным источником света. Сделать чертеж к задаче.

Если учащиеся хорошо подготовлены и могут решать сложные задачи:

Задача № 3

Шар освещен двумя лампами, мощности которых 100 Вт и 25 Вт. На рис. показаны тени, отбрасываемые шаром. Какая лампа расположена бли­же к шару? Из каких точек (А, В, С, D) можно увидеть 100-ваттную лампу?

Решение: Очевидно, в точку D попадает свет от обеих ламп, а в точку А свет от обеих ламп не попадает. В точки В и С попадает свет только от одной из ламп. Судя по размерам «теневых» кру­гов, в точку В попадает свет от более далекой лампы, а в точку С - от более близкой. Посколь­ку, несмотря на это, точка В освещена сильнее, чем точка С, более далекая лампа ярче. Свет от нее попадает в точки В и D. Следовательно, ближе к шару расположена лампа мощностью 25 Вт, 100-ваттную лампу можно увидеть из точек В и D.

Задача № 4

В ы стоите на берегу реки, а на противоположном берегу находится де­рево, высота которого вам известна. Опишите способ, с помощью которого можно измерить ширину реки, если в вашем распоряжении есть линейка с делениями.

Решение: С помощью линейки надо изме­рить длину вытянутой руки (обозначим эту длину l). Затем, держа линейку на вытя­нутой руке, надо «измерить» видимую «высоту» дерева (обозначим ее h). Тогда ширина реки L находится из пропорции = , где Н - высота дерева. При расчетах можно пренебречь длиной руки по сравнению с шириной реки.

Доклад «Солнечные и лунные затмения»

Образованием тени и полутени объясняются солнечные и лунные затме­ния. При солнечном затмении полная тень от Луны падает на Землю. Из этого места Земли Солнца не видно. Когда Луна, вращаясь вокруг Земли, попадает в ее тень, то наблюдается лунное затмение.

Еще с древних времен люди наблюдали солнечные и лунные за­тмения. Обычно они считались плохим знамением, и люди боялись их. Со временем древние ученые обнаружили их некоторую перио­дичность и задумались над причиной этих явлений.

Лунное затмение может происходить только во время полнолу­ния, т.е. когда Солнцем освещен весь обращенный к Земле лунный диск. Оно возникает тогда, когда Луна, Земля и Солнце располага­ются на одной прямой. Длится до 1 часа 40 мин. (смотрите рисунок 1).

В этом случае Луна попадает в конус земной тени. Во время лунного затмения Луна проходит несколько фаз. В первой фазе в конус земной тени попа­дает часть лунного диска, во второй фазе лунный диск попадает в тень Земли полно­стью и, наконец, в третьей фазе снова в конус земной тени попадает часть лунно­го диска.

При лунном затмении мы наблю­даем, что тень, отбрасываемая Землей на Луну, окрашена в красный цвет. Объясняется это тем, что земная атмосфера рассеивает и поглощает в меньшей степени оранжевые и красные лучи по сравнению с другими. Скорее всего, такой красной тенью и был вызван страх у древних людей. Им казалось, что Луна залита кровью.

Солнечное затмение наблюдается тогда, когда Луна располагает­ся между Солнцем и Землей (рисунок 2). Различают полные и час­тичные солнечные затмения.

Длится максимум до 8 мин.

В первом случае диск Луны полностью закрывает диск Солнца для наблюдателя на Земле, во втором — закрывается только часть. Солнечное затмение аналогично лунному делится на фазы. Полное солнечное затмение — очень редкое явле­ние. Полная фаза затмения длится не очень долго, но в этот момент можно увидеть солнечную корону во всей ее красе. Солнечное за­тмение не стоит наблюдать невооруженным глазом, лучше для этой цели использовать, например, закопченное стекло.

Лунные и солнечные затмения — очень красивые явления, и по­этому их стоит посмотреть. О том, когда их можно будет наблюдать, мы можем уз­нать из календаря. Для науки солнеч­ные и лунные затме­ния представляют огромный интерес. Например, во время наблюдения полного лунного затмения учеными было обнаружено, что цвет и яркость земной тени на Луне изменяется, что позволяет им изучать оптические свойства верхних слоев атмосферы Земли.

Взаимным расположением Земли, Луны и Солнца вызвано наличие фаз Луны

Затмение или новолуние?

З атмение Луны происходит, если она попадает в тень Земли, это показано на левой схеме. Если же свет солнца не падает на ту сторону Луны, которая в данный момент обращена к Земле (схема справа), говорят о фазах Луны.

Закрепление изученного материала

1. Как проверить, что три далеко расположенных друг от друга столба стоят вдоль одной прямой? На чем основан предложенный вами способ?

2. Как просто и надежно проверить прямолинейность линейки? Начер­ченной на бумаге линии?

3. На горизонтальной площадке стоят два вертикальных столба. Высота первого столба 2 м, длина его тени 1 м. Какова высота второго столба, если длина его тени равна 70 см? Источником света является солнце.

Домашнее задание: §62 учебника; вопросы и задания к параграфу; упр. 29 (учебник, с. 151).

Кратковременная лабораторная работа по теме

«Условие образование тени и полутени»

Оборудование: две одинаковые парафиновые свечи, экран, линейка, карандаш, спички.

1. Поставьте две одинаковые свечи на расстоянии 50-60 см от экрана. Посредине между экраном и свечами вертикально поместите линейку. Зажги­те свечи. Что получилось на экране? Зарисуйте в тетради, что у вас получи­лось в результате эксперимента. Укажите на рисунке область тени и полутени.

2. Произвольно перемещайте экран и линейку. Зафиксируйте изменения очертаний теней и полутеней. Запишите результат наблюдений.

3. Погасите одну свечу. Изменилось ли при этом изображение на экране? Если изменилось, то как?

4. Поместите экран на расстоянии 50-60 см от зажженных свечей. Между экраном и свечами поместите карандаш: сначала вертикально, а затем на эк­ран. Какова разница в формах теней и полутеней? Почему?

5. Сделайте вывод об условиях образования тени и полутени. Запишите вывод в тетрадь.

Приложение к уроку

Развитие взглядов на природу света и первые открытия в области физической оптики

В древности представления о природе света были весьма примитивными, фантастическими и к тому же весьма разнообразными. Однако, несмотря на разнообразие взглядов древних на природу света, уже в то время наметились три основных подхода к решению вопроса о природе света. Эти три подхода в последующем оформились в две конкурирующие теории - корпускулярную и волновую теории света.

Подавляющее большинство древних философов и ученых рассматривало свет как некие лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. При этом одни из них полагали, что лучи исходят из глаз человека, они как бы ощупывают рассматриваемый предмет. Эта точка зрения имела сначала боль­шое число последователей. Даже такой крупнейший ученый, как Евклид, придерживался ее. Формулируя первый закон геометрической оптики, закон прямолинейного распространения света, Евклид писал: «Испускаемые глаза­ми лучи распространяются по прямому пути». Такого же взгляда придержи­вался Птолемей и многие другие ученые и философы.

Однако позже, уже в средние века, такое представление о природе света теряет свое значение. Все меньше становится ученых, следующих этим взгля­дам. И к началу XVII века эту точку зрения можно считать уже забытой.

Другие, наоборот, считали, что лучи испускаются светящимся телом и, достигая человеческого глаза, несут на себе отпечаток светящегося предмета. Такой точки зрения придерживались атомисты Демокрит, Эпикур, Лукреций.

Эта точка зрения уже позже, в XVII веке, оформилась в корпускулярную теорию света, согласно которой свет есть поток частиц, испускаемых телом.

Третья точка зрения на природу света была высказана Аристотелем. Он рассматривал свет не как истечение чего-то от светящегося предмета в глаз и тем более не как некие лучи, исходящие из глаза и ощупывающие предмет, а как распространяющееся в пространстве (в среде) действие или движение.

Мнение Аристотеля в его время мало кто разделял. Но в дальнейшем, опять же в XVII веке, его точка зрения получила развитие и положила начало волновой теории света.

В XVII веке в связи с развитием оптики вопрос о природе света вызывает все больший и больший интерес. При этом формируются две противополож­ные теории света: корпускулярная и волновая.

Для развития корпускулярной теории света была более благоприятная почва. Действительно, для геометрической оптики представление о том, что свет есть поток особых частиц, было вполне естественным. Прямолинейное распространение света хорошо объяснялось с точки зрения этой теории. Так­же хорошо объяснялся и закон отражения света. Да и закон преломления не противоречил этой теории. Общее представление о строении вещества также не вступало в противоречие с корпускулярной теорией света. В основе быв­ших тогда представлений о строение вещества лежала атомистика. Все тела состоят из атомов. Между атомами существует пустое пространство. В част­ности тогда считали, что межпланетное пространство является пустым. В нем и распространяется свет от небесных тел в виде потоков световых частиц. Поэтому вполне естественно, что в XVII веке было много физиков, кото­рые придерживались корпускулярной теории света.

В XVII веке, как уже было сказано, начинает развиваться и представление о волновой природе света. Родоначальником волновой теории света можно считать Декарта. Декарт был противником существования пустого простран­ства. В связи с этим он не мог считать свет потоком световых частиц. Свет, по Декарту, это нечто вроде давления, передающегося через тонкую среду от светящегося тела во все стороны. Если тело нагрето и светится, это значит, что его частицы находятся в движении и оказывают давление на частицы той среды, которая заполняет все пространство. Эта среда получила название эфира. Давление распространяется во все стороны и, доходя до глаза, вызыва­ет в нем ощущение света.

Такова точка зрения Декарта на природу света. Нужно только отметить, что в своем сочинении, посвященном специально оптике, Декарт пользуется и корпускулярной гипотезой. Но это, как он сам говорит, сделано для того, чтобы его рассуждения были более понятны. Поэтому неправы те, кто на ос­нове только этого сочинения зачисляют Декарта в сторонники корпускуляр­ной теории света. Ученые XVII и XVIII века это хорошо понимали и считали Декарта родоначальником волновой теории света.

Конечно, у Декарта нет еще представления о световых волнах. Он пред­ставлял себе свет как распространяющееся движение, или импульс в эфире. Но важнее то, что Декарт рассматривает свет уже не как поток частиц, а как распространение давления, или движение импульса и т.п. Декарт пришел к отказу от корпускулярной теории света чисто умозрительным путем. Никаких опытных данных, которые говорили бы за волновую теорию света, тогда еще не было. Первое открытие, свидетельствующее о волновой природе света, было сделано итальянским ученым Франческо Гримальди (1618-1663). Оно было опубликовано в 1665 г. после смерти ученого.

Гримальди заметил, что если на пути узкого пучка световых лучей поста­вить предмет, то на экране, поставленном сзади, не получится резкой тени. Края тени размыты, кроме того, вдоль тени появляются цветные полосы. От­крытое явление Гримальди назвал дифракцией, но объяснить его правильно не сумел. Он понимал, что наблюдаемое им явление находится в противоре­чии с законом прямолинейного распространения света, а вместе с тем и с корпускулярной теорией. Однако он не решился полностью отказаться от этой теории. Свет, по Гримальди, распространяющийся световой флюид (тонкая неощутимая жидкость). Когда свет встречается с препятствием, то оно вызывает волны этого флюида. Гримальди привел аналогию с волнами, распространяющимися по поверхности воды. Подобно тому, как вокруг кам­ня, брошенного в воду, образуется волна, так и препятствие, помещенное на пути света, вызывает в световом флюиде волны, которые распространяются за границы геометрической тени.

Следующий шаг в развитии волновой теории света был сделан Гюйген­сом. Гюйгенс работал над волновой теорией света в 70-х годах XVII века. В это время он написал «Трактат о свете», содержание которого доложил Парижс­кой академии наук. Однако опубликовал он это сочинение позже, в 1690 г., уже после того, как стали известны работы Ньютона по оптике.

Гюйгенс полагал, что все мировое пространство заполнено тонкой неощу­тимой средой - эфиром, который состоит их очень маленьких упругих шари­ков. Эфир также заполняет пространство между атомами, образующими обычные тела.

Распространение света, по Гюйгенсу, есть процесс передачи движения от шарика к шарику, подобно тому, как распространяется импульс вдоль сталь­ных шаров, соприкасающихся друг с другом и вытянутых в одну линию.