1. Все рассмотренные ранее источники света (Солнце, пламя свечи, лампочка накаливания) имеют определённые размеры. Однако при изучении многих световых явлений размерами источника пренебрегают и принимают его за светящуюся точку. В этом случае говорят о точечном источнике света.
Точечный источник света — это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя.
Например, гигантские звёзды, размеры которых во много раз больше размеров Солнца, можно считать точечными источниками. Их размеры ничтожно малы по сравнению с расстояниями до них.
2. Вам неоднократно приходилось наблюдать в солнечный день тени от различных предметов. Выясним, как и почему образуется тень. Проделаем опыт. Поместим между источником света S и экраном Э какой-либо предмет, например мяч (рис. 146, а). Пусть расстояние между источником и мячом существенно больше размеров источника. В этом случае источник можно считать точечным. На экране мы увидим резкую тень от мяча.
Тень — это область пространства за предметом, в которую не попадает свет от источника.
3. Теперь возьмём протяжённый источник света, размерами которого уже нельзя пренебречь (рис. 146, б). Можно оставить тот же источник, но подвинуть мяч ближе к нему. Протяжённый источник имеет определённые размеры S1S2, и каждая его часть испускает пучок света. Эти пучки попадают на предмет, и на экране вокруг области тени (ВС) образуются и частично освещённые пространства — области полутени (АВ и CD).
Полутень — это область, в которую попадает свет от части источника света.
Итак, при освещении предмета светом от точечного источника образуется резкая тень. Если источник протяжённый, то образуются области тени и полутени.
Образование тени и полутени является следствием прямолинейного распространения света.
Источник
Образование тени и полутени
Рассмотрим еще одно экспериментальное подтверждение закона прямолинейного распространения света. Проделаем опыты.
В качестве источника света возьмем обычную электрическую лампочку. Правее нее подвесим на нити мяч. Проводя опыт в темной комнате, мы легко увидим на экране тень мяча. Кроме того, в пространстве правее мяча возникнет некоторая область, в которую световые лучи (световая энергия) не проникают. Это пространство называют областью тени.
Воспользуемся теперь лампочкой с баллоном из белого стекла. Мы увидим, что теперь тень мяча окружена полутенью. И в пространстве правее мяча существует как область тени, куда лучи света не проникают вообще, так и область полутени, куда проникают лишь некоторые лучи, испущенные лампой.
Почему же возникла полутень? В первом опыте источником света служила спираль лампы. Она имела небольшие (говорят: пренебрежимо малые) размеры по сравнению с расстоянием до мяча. Поэтому спираль мы можем считать точечным источником света. Во втором же опыте свет испускался белым баллоном лампы. Его размерами по сравнению с расстоянием до мяча уже нельзя пренебрегать. Поэтому баллон мы будем считать протяженным источником света. От каждой его точки исходят лучи, часть из которых попадает в область полутени.
Итак, оба физических явления – образование тени и образование полутени – являются экспериментальным подтверждением закона прямолинейного распространения света.
Источник
Образование тени от солнца это какое явление
Очень часто мы замечаем, что если на пути лучей света оказывается какой-то непрозрачный предмет, то за ним образуется тень (рис. 1, а). Это одно из многочисленных наблюдений, показывающих, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Поэтому при всевозможных геометрических, геодезических, астрономических и физических измерениях и построениях луч света в однородной среде принимают за прямую линию.
Если источник света не точечный, а протяженный, то наряду с полной тенью образуется полутень (рис. 1, б). Происхождение ее понятно из рисунка.
Однако даже в случае точечного источника света при внимательном рассмотрении границы тени можно заметить, что она несколько размыта: вблизи нее видны светлые и темные полосы. Это явление объясняется дифракцией света, о чем подробнее будет рассказано ниже.
ИЗОБРАЖЕНИЕ СОЛНЦА
В тени деревьев видны беспорядочно расположенные на земле светлые пятна различной величины, но одинаковой эллиптической формы. Их образуют солнечные лучи, проникающие через просветы в листьях деревьев (рис. 2). Эти светлые пятна и есть изображение Солнца.
Как же объяснить эллиптическую форму изображения Солнца?
Направим луч света на лист бумаги, располагая его перпендикулярно к падающему лучу; мы увидим круглое пятно. Поднимем лист выше — пятно становится меньше. Отсюда следует, что пучок лучей, образующих такое пятно, имеет форму конуса. Наклоним лист бумаги — пятно принимает форму эллипса.
Но почему же на земле получается изображение Солнца, а не отверстия?
Рассмотрим рисунок 3. На нем показаны ширма с маленьким отверстием CZ), предмет АВ и его изображение А1В1 на экране. Мы видим, что лучи, выходящие из какой-либо точки предмета (например, А) и проходящие через отверстие С, дают на экране изображение этой точки в виде пятна (А1), размеры которого тем меньше, чем меньше отверстие и чем дальше точка (А) от него. Такие пятна получаются от всех точек предмета. Они дают изображение предмета АВ, которое тем менее размыто по краям, чем меньше отверстие и дальше предмет. Форма изображения при этом очень мало зависит от формы отверстия С. Если же источник света находится близко от отверстия, на экране получается светлое очертание отверстия, тем более отчетливое, чем меньше размеры источника света.
В темной комнате или в темном ящике (камера обскура), в одной из стенок которых (в ставне окна) проделано малое отверстие, можно отчетливо видеть не только Солнце, но и освещенные Солнцем ландшафты с движущимися в них предметами (рис. 4). Для получения четких изображений необходимо только подобрать величину отверстия.
Получение изображений в темной камере, видимо, было известно уже давно. Польский писатель Б. Прус в своем произведении «Фараон», написанном на основании изучения большого количества древнеегипетских документов, рассказывает о том, как жрецы в темной палатке показывали фараону картину битвы, происходящей на освещенном солнцем плато. Повелитель египтян и не подозревал, что все виденное им не божественное знамение, а очень простое физическое явление.
Наряду со светлыми пятнами в тени полезно пронаблюдать форму тени от различных предметов в лучах Солнца, Луны и других источников света.
Обратите внимание на вашу собственную тень на земле. Тень ног резко очерчена, тень головы расплывчата.
Поместите руку близко перед листом бумаги, вы увидите отчетливую тень. Отодвиньте руку от бумаги. Полная тень каждого пальца становится все уже, в то время как полутени увеличиваются, пока не сольются друг с другом. Все это происходит потому, что Солнце и другие источники света не являются точечными источниками.
Посмотрите на тень бабочки. Она круглая. Это теневое изображение Солнца. Объясняет это явление рисунок 3.
Возьмите лист бумаги и поместите его горизонтально так, чтобы на нем образовалась тень от вертикальной проволочной сетки (например, от проволочного забора). Удаляйте бумагу от сетки. На некотором расстоянии вы увидите, что тени горизонтальных проволок исчезли, в то время как вертикальные тени остались.
Как же объяснить это явление?
Представим себе проволоку разделенной на большое количество участков. Каждый участок в лучах, падающих наклонно, дает на экране тень в виде эллипса. Вертикальная проволока дает эллипсы, расположенные так, как показано на рисунке 5, а. Они перекрывают друг друга и дают сплошную линию. Эллипсы же, образованные участками горизонтальной проволочки, располагаются так, как показано на рисунке 5, б, они расплываются.
Поздней осенью, когда деревья уже сбросили свою листву, можно часто видеть тени от двух параллельных ветвей наложенными одна на другую. Ветвь, расположенная ближе к нам, дает четкую тень, дальняя — более широкую, расплывчатую (полутень). Удивляет здесь то, что при наложении этих теней посредине более темной из них мы видим светлую полосу, так что тень выглядит двойной. Причиной является наложение полутеней. Для объяснения этого явления начертим сечения двух ветвей (рис. 6): одной—диаметром 1 см, другой—0,5 см, расположив их центры на расстоянии 3 см друг от друга. На расстоянии 5 см от центра сечения толстой ветви расположим изображение протяженного источника света шириной 2 см и проведем от краев источника света прямые (лучи). На экране, отстоящем от центра тонкой ветви на расстоянии 10 см, обнаружим области полной тени (ВС, В’С’), полутени (АВ, А’В’) и отсутствия ее (СС’).
Источник
Образование тени и полутени
4. Зная, как образуется тень, можно объяснить такие явления, как затмения Солнца и Луны. Выясним сначала причину солнечного затмения.
При движении вокруг Земли Луна может оказаться между Солнцем и Землёй (рис. 147, а). В этом случае тень и полутень Луны попадает на Землю, и наступает солнечное затмение. Размер лунной тени на поверхности Земли составляет 250 км в диаметре, а диаметр Земли равен 12 700 км. Следовательно, солнечное затмение видно не из всех точек земной поверхности, а только из тех мест, на которые попадает тень или полутень Луны.
На территориях Земли, находящихся в области тени Луны, наблюдается полное солнечное затмение, а в области полутени — частное солнечное затмение. В остальных точках поверхности Земли затмения не будет.
5. Рассмотрим, как происходит лунное затмение. Земля при своём движении вокруг Солнца может оказаться между Солнцем и Луной (рис. 147, б). В этом случае Луна попадает в область тени или полутени Земли, и наступает лунное затмение. Если Луна находится в конусе полной тени Земли, то наблюдается полное лунное затмение. Если Луна попадает в область полутени Земли, то затмение — частное.
Вопросы для самопроверки
1. Какой источник называют точечным? Поясните на примере.
2. В каком случае образуется резкая тень от предмета?
3. Что такое полутень?
4. В каком случае наблюдают тень и полутень от предмета?
5. Как происходит солнечное затмение?
6. Как происходит лунное затмение?
1. Докажите, что образование тени является следствием прямолинейного распространения света.
2*. Почему предметы, находящиеся в вестибюле станции метрополитена, не дают тени?
3*. Что нужно сделать, чтобы во время операции тень от рук хирурга не закрывала место операции?
4Э. Проведите дома эксперимент. Расположите включённую настольную лампу на расстоянии 1 м от стены. Поместите в световой пучок какой -либо предмет. Изменяя расстояние от предмета до лампы, наблюдайте даваемую предметом тень. Опишите свои наблюдения.
5Д. Подготовьте сообщение о Театре теней, используя различные источники информации, в том числе Интернет.
6Д. Подготовьте сообщение о солнечных часах, используя различные источники информации, в том числе Интернет.
Источник
§ 63. Источники света. Распространение света
Ещё в глубокой древности учёные интересовались природой света. Что такое свет? Почему одни предметы цветные, а другие белые или чёрные?
Опытным путём было установлено, что свет нагревает тела, на которые он падает. Следовательно, он передаёт этим телам энергию. Вам уже известно, что одним из видов теплопередачи является излучение. Свет — это излучение, но лишь та его часть, которая воспринимается глазом. В этой связи свет называют видимым излучением.
Поскольку свет — это излучение, то ему присущи все особенности этого вида теплопередачи. Это значит, что перенос энергии может осуществляться в вакууме, а энергия излучения частично поглощается телами, на которые оно падает. Вследствие этого тела нагреваются.
Тела, от которых исходит свет, являются источниками света. Источники света подразделяются на естественные и искусственные.
Естественные источники света — это Солнце, звёзды, атмосферные разряды, а также светящиеся объекты животного и растительного мира. Это могут быть светлячки, гнилушки и пр.
Естественные источники света: а — светлячок; б — медуза
Искусственные источники света, в зависимости от того, какой процесс лежит в основе получения излучения, разделяют на тепловые и люминесцирующие.
К тепловым относят электрические лампочки, пламя газовой горелки, свечи и др.
Искусственные источники света: а — свеча; б — люминесцентная лампа
Люминесцирующими источниками являются люминесцентные и газосветовые лампы.
Мы видим не только источники света, но и тела, которые не являются источниками света, — книгу, ручку, дома, деревья и др. Эти предметы мы видим только тогда, когда они освещены. Излучение, идущее от источника света, попав на предмет, меняет своё направление и попадает в глаз.
На практике все источники света имеют размеры. При изучении световых явлений мы будем пользоваться понятием точечный источник света.
Если размеры светящегося тела намного меньше расстояния, на котором мы оцениваем его действие, то светящееся тело можно считать точечным источником.
Громадные звёзды, во много раз превосходящие Солнце, воспринимаются нами как точечные источники света, так как находятся на колоссальном расстоянии от Земли.
Ещё одно понятие, которым мы будем пользоваться в этом разделе, — световой луч.
Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света.
Если между глазом и каким-нибудь источником света поместить непрозрачный предмет, то источник света мы не увидим. Объясняется это тем, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно.
Прямолинейное распространение света — факт, установленный в глубокой древности. Об этом писал ещё основатель геометрии Евклид (300 лет до нашей эры).
Древние египтяне использовали закон прямолинейного распространения света для установления колонн по прямой линии. Колонны располагались так, чтобы из-за ближайшей к глазу колонны не были видны все остальные (рис. 122).
Рис. 122. Применение закона прямолинейного распространения света
Прямолинейностью распространения света в однородной среде объясняется образование тени и полутени. Тени людей, деревьев, зданий и других предметов хорошо наблюдаются на Земле в солнечный день.
На рисунке 123 показана тень, полученная на экране при освещении точечным источником света S непрозрачного шара А. Поскольку шар непрозрачен, то он не пропускает свет, падающий на него. В результате на экране образуется тень.
Рис. 123. Получение тени
Тень — это та область пространства, в которую не попадает свет от источника.
Такую тень можно получить в тёмной комнате, освещая шар карманным фонарём. Если провести прямую через точки S и А (см. рис. 123), то на ней будет лежать и точка В. Прямая SB является лучом света, который касается шара в точке А. Если бы свет распространялся не прямолинейно, то тень могла бы не образоваться. Такую чёткую тень мы получили потому, что расстояние между источником света и экраном намного больше, чем размеры лампочки.
Теперь возьмём большую лампу, размеры которой будут сравнимы с расстоянием до экрана (рис. 124). Вокруг тени на экране образуется частично освещенное пространство — полутень.
Рис. 124. Получение полутени
Полутень — это та область, в которую попадает свет от части источника света.
Описанный выше опыт также подтверждает прямолинейное распространение света. Поскольку в данном случае источник света состоит из множества точек и каждая из них испускает лучи, то на экране имеются области, в которые свет от одних точек попадает, а от других нет. Там и образуется полутень. Это области А и Б.
Часть поверхности экрана окажется совершенно неосвещённой. Это центральная область экрана. Здесь наблюдается полная тень.
Образованием тени при падении света на непрозрачный предмет объясняются такие явления, как затмения Солнца и Луны.
При движении вокруг Земли Луна может оказаться между Землёй и Солнцем или Земля — между Луной и Солнцем. В этих случаях наблюдаются солнечные или лунные затмения.
Во время лунного затмения Луна попадает в тень, отбрасываемую Землёй (рис. 125).
Рис. 125. Лунное затмение
Во время солнечного затмения (рис. 126) тень от Луны падает на Землю.
Рис. 126. Солнечное затмение
В тех местах Земли, куда упала тень, будет наблюдаться полное затмение Солнца. В местах полутени только часть Солнца будет закрыта Луной, т. е. произойдёт частное затмение Солнца. В остальных местах на Земле затмение наблюдаться не будет.
Поскольку движения Земли и Луны хорошо изучены, то затмения предсказываются на много лет вперёд. Учёные пользуются каждым затмением для разнообразных научных наблюдений и измерений. Полное солнечное затмение даёт возможность наблюдать внешнюю часть атмосферы Солнца (солнечную корону, рис. 127). В обычных условиях солнечная корона не видна из-за ослепительного блеска поверхности Солнца.
Рис. 127. Солнечная корона
Вопросы
Что такое луч света?
В чём состоит закон прямолинейного распространения света?
Какое явление служит доказательством прямолинейного распространения света?
Пользуясь рисунком 123, объясните, как образуется тень.
При каких условиях наблюдается не только тень, но и полутень?
Пользуясь рисунком 124, объясните, почему в некоторых областях экрана получается полутень.
Упражнение 44
Какие источники света изображены на рисунке 128?
Рис. 128 На рисунке 129 изображена схема опыта по получению тени от двух источников света S1 и S2. Источник S1 — маленькая лампочка красного цвета, источник S2 — синего. Перечертите схему в тетрадь и раскрасьте рисунок. Объясните, почему опыт доказывает прямолинейность распространения света.
Рис. 129
При солнечном затмении на Землю падает тень и полутень от Луны (см. рис. 126). Видит ли Солнце человек, находящийся в области тени; полутени? Ответ обоснуйте.
