Что такое световой луч кратко
Обновлено: 02.07.2024
Световым лучом в геометрической оптике называется линия, вдоль которой переносится световая энергия. Менее чётко, но более наглядно, можно назвать световым лучом пучок света с малого поперечного размера.
Понятие светового луча является краеугольным приближением геометрической оптики. В этом определении подразумевается, что направление потока лучистой энергии (ход светового луча) не зависит от поперечных размеров пучка света. В силу того, что свет представляет собой волновое явление, имеет место дифракция, и в результате узкий пучок света распространяется не в каком-то одном направлении, а имеет конечное угловое распределение. Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.
Если не распыляться на квантовую механику и волновую природу света - это просто поток фотонов.
Темы кодификатора ЕГЭ: прямолинейное распространение света.
Мы приступаем к изучению оптики - науки о распространении света. Нас ждут два раздела оптики: сравнительно простая геометрическая оптика и более общая волновая оптика.
Говоря о свете, мы всегда подразумеваем видимый свет, то есть электромагнитные волны в узком частотном диапазоне, непосредственно воспринимаемые человеческим глазом. Как вы помните, длины волн видимого света находятся в промежутке от 380 до 780 нм.
С точки зрения электродинамики Максвелла распространение света ничем не отличается от распространения других электромагнитных излучений - радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. В этом смысле оптика оказывается просто частью электродинамики.
Но ввиду той колоссальной роли, которую свет играет в жизни человека, оптические явления начали изучаться давным-давно. Все основные законы оптики были установлены задолго до создания электродинамики и открытия электромагнитных волн. И потому с тех давних пор оптика оформилась в самостоятельный раздел физики - со своими специфическими задачами, методами, экспериментами и приборами.
Главным природным источником света служит Солнце, и люди ставили много опытов с солнечными лучами. Отсюда в оптику вошло понятие светового луча. Впоследствии оно получило строгое определение.
Световой луч - это геометрическая линия, которая в каждой своей точке перпендикулярна волновому фронту, проходящему через эту точку. Направление светового луча совпадает с направлением распространения света.
Если данное определение осталось для вас не совсем понятным - ничего страшного: на первых порах вы можете представлять себе просто узкие пучки света наподобие солнечных лучей. Этого вполне хватит, чтобы уяснить все основные вещи и научиться решать задачи. Ну а время строгого определения придёт несколько позже - когда начнётся волновая оптика.
Законы геометрической оптики.
Геометрическая оптика изучает распространение световых лучей. Это исторически первый и наиболее простой раздел оптики. В основе геометрической оптики лежат четыре основных
закона.
1. Закон независимости световых лучей.
2. Закон прямолинейного распространения света.
3. Закон отражения света.
4. Закон преломления света.
Данные законы были установлены в результате наблюдений за световыми лучами и послужили обобщениями многочисленных опытных фактов. Они являются утверждениями, сформулированными на языке геометрии. Волновая природа света в них не затрагивается.
Законы геометрической оптики первоначально являлись постулатами. Они лишь констатировали: таким вот образом ведёт себя природа. Однако впоследствии оказалось, что законы геометрической оптики могут быть выведены из более фундаментальных законов волновой оптики.
Геометрическая оптика отлично работает, когда длина световой волны много меньше размеров объектов, присутствующих в данной физической ситуации. Можно сказать, что геометрическая оптика есть предельный случай волновой оптики при . Неудивительно поэтому, что сначала были открыты законы именно геометрической оптики: ведь размеры предметов, встречающихся нам в повседневной жизни, намного превышают длины волн видимого света.
Первый закон геометрической оптики совсем простой. Он говорит о том, что вклад каждого светового луча в суммарное освещение не зависит от наличия других лучей.
Закон независимости световых лучей. Если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.
Закон прямолинейного распространения света также очень прост, и мы его сейчас обсудим. Законам отражения и преломления будут посвящены следующие разделы.
Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями.
Что такое "прозрачная однородная среда"? Среда называется прозрачной, если в ней может распространяться свет. Среда называется однородной, если её свойства не меняются от точки
к точке. Равномерно прогретый воздух, чистая вода, стекло без примесей - всё это примеры прозрачных и оптически однородных сред.
Таким образом, закон прямолинейного распространения света означает, что в прозрачной однородной среде понятие светового луча совпадает с понятием луча в геометрии.
Данный закон не требует каких-либо дополнительных пояснений - он хорошо вам известен. Вам неоднократно доводилось видеть прямолинейные солнечные лучи, пронизывающие облака, или тонкий прямой луч, пробивающийся в запылённой комнате через щель в окне. Находясь под водой, можно наблюдать прямые солнечные лучи, идущие сквозь воду.
При нарушении однородности среды нарушается и закон прямолинейного распространения света. Например, на границе раздела двух прозрачных сред световой луч может разделиться на два луча: отражённый и преломлённый. Если оптические свойства среды меняются от точки к точке, то ход световых лучей искривляется. В этом состоит причина миражей: слой воздуха вблизи раскалённой земной поверхности нагрет больше, чем вышележащие слои; он имеет иные оптические свойства, и его действие оказывается подобным зеркалу. Обо всём этом мы поговорим позднее.
Геометрическая тень.
Вам хорошо известно, что различные предметы отбрасывают тень. На рис. 1 изображён точечный источник света и непрозрачный предмет - красный треугольник. На экране мы видим тень этого предмета в виде серого треугольника.
Откуда берётся тень? Дело в том, что если на пути световых лучей оказывается непрозрачный предмет, то происходит следующее.
1.Луч, идущий мимо предмета, продолжает распространяться в прежнем направлении - как если бы данного предмета вообще не было.
2. Луч, попадающий на предмет, не проникает внутрь предмета. Дальнейший ход такого луча в прежнем направлении пресекается.
Так возникает геометрическая тень, края которой чётко очерчены. Поскольку свет распространяется прямолинейно, форма геометрической тени оказывается подобной контуру предмета. Так, на рис. 1 серый треугольник подобен красному.
Граница реальной тени имеет более сложный вид: вмешивается дифракция света на краях предмета. Дифракция - это отклонение света от первоначального направления; данное явление обусловлено волновой природой света и не описывается в рамках геометрической оптики.
Окружающий мир устроен таким образом, что всё увиденное нами есть свет. Сложно представить, что зрение работает именно так. По сути дела, видимые нами объекты – это некоторые тела, с которыми взаимодействуют световые лучи . Лучи отражаются, преломляются или участвуют в других более сложных физических процессах.
В первую очередь нужно понимать, что такое свет, откуда берутся световые лучи и как физика представляет себе эти явления.
Оказывается, этому вопросу посвящен целый раздел физики, который называется оптика .
Свет в оптике – это электромагнитное излучение. Его способен воспринимать человеческий глаз.
Вы удивитесь, но принцип восприятия света глазом абсолютно такой же, как и у цифровой фотокамеры.
Есть матрица, которая способна принимать свет и выдавать импульс и есть процессор или мозг, способный на этот импульс реагировать и его дешифрировать.
Логично предположить, что световой поток является чем-то типа радиации и представляет собой поток некоторых частиц , но при этом он видим нашим глазом, что не всегда характерно для других видов излучений.
В самом простом случае свет появляется от солнца (правда может генерироваться и лампочкой, и светлячком, и любым другим источником света).
Солнце – это звезда, в которой постоянно протекают сложные термоядерные реакции с высвобождением света. Высвобождаются фотоны или кванты света . Солнце как будто стреляет этими частичками во все стороны. Они вылетают на огромной скорости и обладают запасом энергии.
Именно их мы и можем наблюдать. Запаса энергии хватает, чтобы долететь до нас с вами.
Было обнаружено, что свет распространяется равномерно и прямолинейно в прозрачной и однородной среде. Этот постулат был зафиксирован, как закон прямолинейного распространения света . Именно в следствие этого обстоятельства мы рисуем световые лучи на схемах к задачам из оптики в виде направленных лучей.
Отрезки со стрелочками или вектора, которые потом проходят через линзы или другие субстанции.
Свет распространяется с определенной скоростью. Это скорость света.
Все мы помним, что в вакууме она равна 3 * 10^9 м/с . Заметьте, что именно в вакууме. В воде эта скорость уже другая и она меньше, чем скорость света в вакууме. Это объясняет, почему свет от солнца до нас доходит, а свет, скажем, от фонаря в соседней деревне - нет. Во всём виновата окружающая среда и её проницаемость для света . И именно благодаря вакууму, первоначальной энергии частицы от солнца хватает, чтобы долететь до нас по той самой прямой линии.
Тут возникает и ещё один интересный вопрос. Насколько далеко может распространяться свет ? Ответ прост. Пока ему ничего не мешает - практически бесконечно. Образно можно представить себе частицу, летящую в вакууме, как свинцовую гирю, падающую в пропасть. Только дна тут нет :). Так, мы видим свет звезд, расположенных за десятки световых лет от нас. Правда доходит он не сразу, а за пару лет.
Возможен такой вариант, что звезды уже не существует, а свет только долетел до нас .
Было обнаружено, что свет обладает как свойствами волны, так и свойствами, характерными для частиц. Это тот самый корпускулярно-волновой дуализм , о котором вы наверняка уже слышали. Процессу открытия этого явления и его пояснению можно посвятить отдельную статью.
Световой луч может отражаться, преломляться, дифрагировать, может происходить интерференция и многие другие интересные процессы. Многие явления природы, включая и наше восприятие окружающих объектов, построено на этих базовых законах.
Про базовые законы оптики и их проявление в природе мы расскажем дополнительно, а пока упомянем основные из них.
Например, объекты мы видим благодаря отражению света . Световой луч падает на объект, отражается от него буквально нам в глаз и создает изображение.
Цвет света (а следовательно и предмета) определяет его длина волны . Именно поэтому одни объекты красные, а другие синие. Белый свет можно легко разложить на спектр благодаря дисперсии света.
Тень образуется в следствие работы закона прямолинейного распространения света . Свет не может пройти сквозь плотный объект и формирует темную неосвещенную зону тени.
Ещё подтверждение прямолинейного распространения света можно увидеть в тумане, если светить прямо перед собой фонариком. Вы увидите луч, который имеет форму и направлен по прямой линии от вас.
Свет может рассеиваться . Именно поэтому, через мутную среду, например через воду с частицами песка, световой луч не проходит полностью.
Это лишь малое количество примеров световых законов, которые мы встречаем в реальной жизни.
Характерной особенностью светового луча, как и луча геометрического, является его прямолинейность. Однако, между ними есть и принципиальное различие: геометрический луч прямолинеен всегда, а луч света — только в прозрачной однородной среде.
Направим теперь внутрь аквариума луч света от маленького лазера. Мы обнаружим, что пока луч распространяется в воздухе, то есть однородной среде, он прямолинеен. На границе раздела двух однородных сред (воздуха и стенки аквариума) луч преломляется. В неоднородной же среде (жидкость в аквариуме) луч распространяется криволинейно. Однако после выхода в однородную среду – воздух – луч света опять становится прямолинейным.
Итак, закон прямолинейного распространения света утверждает, что лучи света, распространяющегося в прозрачной однородной среде, являются прямыми линиями.
Читайте также: