Законы распространения света

На этой странице вы узнаете

• Может ли вода спрятать лучи?
• Как происходят солнечные и лунные затмения?
• Как работает перископ (подзорная труба)?

Оптика, как и механика, встречается в нашей жизни постоянно, поэтому ее очень важно и интересно изучать. Так, появление радуги — это следствие преломления света через капельки воды в воздухе после дождя, а отражение в зеркале появляется из-за посеребренной поверхности. Осторожно! После прочтения этой статьи пропадает ощущение магии от наблюдения природных явлений. 

Закон прямолинейного распространения света

В однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Наблюдать такое явление можно в затемненной комнате, в которую через отверстие проникает луч света.

Экспериментальным подтверждением этого закона является образование тени и полутени.

Тень образуется из-за того, что на пути лучей попадается непроницаемый предмет и свет не доходит до другого объекта. Если источник очень маленький (точечный), то образуется только тень (правое изображение). А если он соизмерим с размерами тела, то помимо тени мы сможем увидеть еще и полутень (левое изображение).

Как происходят солнечные и лунные затмения?

Солнечное затмение можно наблюдать, когда Луна находится между Землей и Солнцем. Видимые размеры Луны и Солнца почти одинаковы, поэтому Луна может закрыть собой Солнце.

Расстояния от Солнца до Земли и от Луны до Земли всегда разные, потому что орбитами нашей планеты и ее спутника являются не окружности, а эллипсы. Поэтому если в момент солнечного затмения Луна находится на наименьшем расстоянии от Земли, то Луна целиком закроет Солнце, то есть затмение будет полным. Если во время затмения расстояние от Земли до Луны наибольшее, то Луна имеет меньшие видимые размеры и не закрывает Солнце целиком, такое затмение называют кольцеобразным.

Лунное затмение происходит во время полнолуния, когда Земля находится между Солнцем и Луной. Радиус Земли в четыре раза больше радиуса Луны, поэтому тень от Земли больше размеров Луны, а это значит, что Луна может целиком погрузиться в тень Земли.

Когда свет попадает на какую-нибудь поверхность, он отражается от нее и распространяется дальше. Каждый материал поглощает одни спектры лучей, а другие отражает, из-за этого мы и видим разные цвета тел. Однако, законы отражения для всех поверхностей работают одинаково.

Закон отражения света

Луч, падающий и отраженный, и перпендикуляр, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости, а угол падения α равен углу отражения 𝜷.

Важно: в оптике все углы отсчитываются от перпендикуляра к отражающей поверхности или к границе раздела сред.

Виды отражения:

• Зеркальное — это отражение, при котором параллельный пучок падающих лучей после отражения остается параллельным.

• Рассеянное — это отражение, при котором параллельный пучок падающих лучей после отражения расходится в разные стороны и лучи перестают быть параллельными. Такие отклонения возникают из-за неровности поверхности.

Интересным применением этого закона может служить перископ.

Как работает перископ (подзорная труба)? Этот прибор используют для наблюдения из укрытий, подводных лодок и других мест со сложным обзором. Самый простой перископ состоит из изогнутой трубы, на обеих сторонах которой расположены зеркала под углом 45°. Лучи попадают на зеркало 2, отражаются от него под углом 45°, опускаются вниз на высоту Н, отражаются от зеркала 1 также под углом 45° и попадают в глаз наблюдателя.

Когда мы смотрим в зеркало, мы видим изображения предметов на разных расстояниях, давайте разберемся, как их правильно строить.

Построение изображения точки/предмета в зеркале

Чтобы построить изображение в зеркале, выделим главные точки, из каждой проведем перпендикуляр к зеркалу, отмерим такой же по длине перпендикуляр за зеркало. На концах перпендикуляров будут изображения точек. То есть, нужно просто симметрично отобразить точки за зеркало и все. Далее соединим изображения точек и получим зеркальное изображение предмета. 

Зона видимости зеркала 

У каждого зеркала есть зона видимости — пространство, которое мы видим в зеркале. Она зависит от положения наблюдателя. Всё, что находится вне этой зоны, мы не видим.

Чтобы ее найти, рассмотрим два луча, идущие от края глаза к краям зеркала. Всё, что между этими отраженными лучами, в зоне видимости. Тогда мы видим точку А (она в зоне еще перед зеркалом), точку В (в зоне после зеркала). Мы не видим точку С (она за зеркалом, ее просто невозможно увидеть) и не видим точку D (она вне зоны видимости).

Преломление света

В статье про «Электромагнитные колебания» мы разобрали, что свет является электромагнитной волной. В статье также рассказано про влияние среды на скорость распространения волн.

Характеризуют явление распространения световых волн частота, длина волны и скорость ее распространения.

\(\lambda=\frac{v}{\nu}\), \(\lambda\) — длина волны; \(v\) —  скорость распространения волны; \(\nu\) — частота волны.

При переходе из одной среды в другую меняется скорость распространения лучей, из-за этого они движутся под другим углом к нормали. За изменение направления лучей отвечают показатели преломления.

При этом изменение скорости приводит к пропорциональному изменению длины волны и сохранению частоты. Это можно объяснить сохранением энергии волны при переходе из одной среды в другую и свойствами источника колебаний.

Частота колебаний связана с колебаниями источника волны. В любой среде эта частота остается постоянной. Представьте, что вы создаете колебания шнура при помощи рук. Быстрота движения рук зависит только от ваших усилий и не меняется в зависимости от плотности среды. 

Абсолютный показатель преломления (n) — величина, показывающая оптическую “плотность” среды, насколько свет замедляется в среде.

Относительный показатель преломления (n₂₁) равен отношению абсолютных показателей преломления сред.

Здесь: 
с — скорость света в вакууме 3∙10⁸ м/с,
v₁, v₂— скорости света в изучаемых средах.

Закон преломления света

Луч, падающий и преломленный, и перпендикуляр, проведенный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, причем угол падения связан с углом преломления по закону Снеллиуса.

Для вакуума и воздуха (приблизительно) скорость света одна и та же и составляет с = 3 ∙ 10^⁸ м/с, поэтому для них n = с / с = 1. 

Есть оптически более “плотные” среды — вода (1,33), стекло (1,5—1,7) и т.д. Самым большим абсолютным показателем преломления обладает алмаз n = 2,42, свету сложнее всего распространяться в нем. При сравнении сред можно использовать относительный показатель преломления n₂₁ = n₂ / n₁ — определить, как сильно отличаются среды по отношению друг к другу.

Если свет переходит из одной среды в другую, он меняет свое направление согласно закону Снеллиуса:

n₁sinα = n₂sin𝜷, где n1 — показатель среды, из которой шел луч, n2 — показатель среды, куда пришел луч, α  — угол падения,   𝜷 — угол преломления.

Если свет идет из менее плотной среды в более плотную n₁ < n₂, то равенство сохраняется при условии sinα > sin𝜷, то есть α > 𝜷. 

Примером может послужить переход лучей из воздуха в воду.

Из-за того, что вода (n = 1,33) является оптически более плотной средой, чем воздух (n = 1), лучи преломляются и угол преломления 𝜷 становится меньше угла падения α при переходе лучей из воздуха в воду.

Полное внутреннее отражение

Может ли вода спрятать лучи? Если идти из более плотной среды в менее плотную n1 > n2, то α < 𝜷, угол преломления будет больше угла падения. На этот случай есть ограничение —  при угле α = α0 угол 𝜷 становится 90 0 , то есть луч не выходит за границу раздела, а идет по ней, поэтому мы его не видим.

При углах α > α₀ лучи не выходят из более плотной среды и отражаются от границы раздела как от зеркала.

Самое главное условие здесь — переход света из более плотной среды в менее плотную (n₁ > n₂, например, из воды в воздух). Если свет, наоборот, идет из менее плотной в более плотную (из воздуха в воду), то полное внутреннее отражение не может наблюдаться ни при каких углах. Это просто доказать — в этом случае sinα = n₂ / n₁ больше 1, а это невозможно.

Термины

Однородная среда — среда, состоящая из одного и того же вещества, например, вода, воздух, стекло и т.д.

Тень — неосвещенная область пространства за предметом, в которую свет не попадает. Контур тени в той или иной степени повторяет контур предмета.

Полутень — слабо освещенное пространство между областями полной тени и полного света.

Видимый размер — величина тела с точки зрения наблюдателя с Земли.

Нормаль — перпендикуляр к плоскости или разделу сред.

Фактчек

• Свет в однородной среде распространяется прямолинейно.
• Из-за непроницаемого объекта образуется тень и полутень.
• Солнечное затмение происходит, когда Луна находится между Землей и Солнцем. Лунное затмение можно наблюдать во время полнолуния, когда Земля находится между Солнцем и Луной.
• Угол падения равен углу отражения.
• Свет является электромагнитной волной.
• При переходе из одной среды в другую луч преломляется по закону Снеллиуса. 

Проверь себя

Задача 1.
Как распространяется свет в однородной среде?

1. криволинейно
2. прямолинейно
3. синусоидально
4. свет не распространяется

Задача 2.
При падении луча на стекло угол падения равен:

1. углу отражения
2. углу преломления
3. 90 градусов
4. 0 градусов

Задача 3.
Абсолютный показатель преломления равен:

1. n₂ / n₁ 
2. с / v
3. 1
4. 5

Задача 4.
При переходе из менее плотной среды в более плотную угол преломления:

1. больше угла падения
2. меньше угла падения
3. равен углу падения
4. равен 90 градусов

Задача 5.
При достижении предельного угла луч не выходит из среды:

1. При переходе из менее плотной среды в более плотную. 
2. При переходе в средах с одинаковым показателем преломления.
3. При переходе из более плотной среды в менее плотную.
4. При переходе из воздуха в стекло.

Ответы: 1. — 2; 2. — 1; 3. — 2; 4. — 2; 5. — 3.