Как распространяется свет в вакууме и в однородной среде кратко

Обновлено: 07.07.2024

Отдельные законы оптики были сформулированы задолго до того, как была определена сущность света. Одним из таких законов будет закон прямолинейного распространения света. Согласно ему в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Он был определен в еще III в. до н. э. древнегреческим ученым Евклидом.

Если среда не прозрачная, то свет не будет распространяться.

Прямолинейностью распространения света в однородной среде объясняет формирование тени. Тенью именуют фрагмент пространства за непрозрачным объектом, куда не проходит свет. Форма резкой тени на экране идентична форме некоторого сечения предмета, параллельного плоскости экрана; размеры же тени обусловлены взаимным размещением источника, объекта и экрана.

В случае источников конечных размеров на экране образуется резкая тень, обрамленная полутенью — частично освещенной областью пространства.

Закон прямолинейного света можно получить, применив принцип Ферма. Эту концепцию, выразил в 1660 г. П. Ферма, она является обобщением законов геометрической оптики. Согласно ей: в пространстве между двумя точками свет пойдет по тому пути, вдоль которого время его прохождения минимально. В однородной среде скорость света величина неизменная. Следовательно, наименьшее время прохождения светом дистанции между двумя точками совпадает с движением по самому короткому расстоянию, значит по прямой линии.

Закон о прямолинейном распространении света применяют для объяснения таких явлений, как затмение.

Практически местоположении окружающих нас объектов мы определяем, подразумевая, что свет от объекта попадает в наш глаз по прямолинейным траекториям. Наша ориентация во внешнем мире полностью опирается на закон о прямолинейном распространении света.

1. В основе явления распространения света лежат три закона: закон прямолинейного распространения света, закон отражения света и закон преломления света.

Закон прямолинейного распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Однородная среда — это среда, состоящая из одного и того же вещества, например, воздух, вода, стекло, масло и пр. Наблюдать прямолинейное распространение света можно в затемненной комнате, в которую через небольшое отверстие проникает луч света.

Следствием прямолинейного распространения света является то, что свет не проникает за экраны, ширмы и другие преграды. Однако если преграда очень мала, например, если это волос, тонкая нить и т.п., то за неё свет будет проникать, т.е. свет в определённых условиях
свет отклоняется от прямолинейного распространения.

Прямолинейное распространение света объясняет образование тени от предметов. На рисунке 97 показано распространение света от точечного источника.

Точечный источник — это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя. На рисунке видно, что на экране образуется чёткая
тень предмета.

На рисунке 98 показано распространение света от протяжённого источника.

В этом случае на экране образуются область тени и область полутени. Тень — область, в которую свет не попадает, в область полутени свет попадает от одной части источника света.

Зная, как образуется тень, можно объяснить солнечные и лунные затмения.

2. Если среда, в которой распространяется свет неоднородная, т.е. свет падает на границу раздела двух сред, то свет изменяет направление распространения. На границе раздела двух сред происходят три явления: отражение света от границы раздела сред, преломление и поглощение веществом (рис. 99).

На рисунке 99 АО — падающий луч, ОВ — отражённый луч, ОС — преломлённый луч; угол ( \( \alpha \) между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела сред — угол падения луча, угол \( \beta \) между отражённым лучом и перпендикуляром к границе раздела сред — угол отражения, угол \( \gamma \) между преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела сред — угол преломления.

При изменении угла падения изменяется угол отражения, но при этом отражение света подчиняется закону отражения:

угол отражения света равен углу падения \( (\beta=\alpha) \) ,
лучи падающий и отражённый, а также перпендикуляр, восставленный к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

Из закона отражения света следует, что падающий и отражённый лучи обратимы.

Если свет отражается от гладкой поверхности, то отражение называется зеркальным. В этом случае, если на поверхность падают параллельные лучи, то отражённые лучи тоже будут параллельными (рис. 100).

Если параллельные лучи падают на шероховатую поверхность, то отражённые лучи будут направлены в разные стороны. Это отражение называют рассеянным или диффузным.

3. На рисунке 101 приведено построение изображения в плоском зеркале. Как показывают опыт и построение изображения предмета в плоском зеркале на основе закона отражения:

плоское зеркало дает прямое изображение предмета;
изображение имеет те же размеры, что и предмет;
расстояние от предмета до зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения.

Иными словами предмет и его изображение симметричны относительно зеркала.

Изображение предмета в плоском зеркале является мнимым. Мнимое изображение — это такое изображение, которое формируется глазом. В точке \( S’ \) собираются не сами лучи, а их продолжение, энергия в эту точку не поступает.

4. Изменение направления распространения света при переходе в другую среду называют преломлением света.

Эксперименты свидетельствуют о том, что при увеличении угла падения увеличивается угол преломления. Из опытов также следует, что соотношение углов падения и преломления зависит от оптической плотности среды.

Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Так, оптическая плотность воздуха меньше, чем стекла, масла и пр., поскольку скорость света в этих средах меньше, чем в воздухе.

Явление преломления света подчиняется следующим закономерностям:

если свет переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то угол преломления меньше угла падения \( (\gamma ;
если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения \( (\gamma>\alpha) \) ;
лучи падающий и преломлённый, а также перпендикуляр, восставленный к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

При переходе света из одной среды в другую его интенсивность несколько уменьшается. Это связано с тем, что свет частично поглощается средой.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. На рисунке изображены точечный источник света \( L \) , предмет \( K \) и экран, на котором получают тень от предмета. При мере удаления предмета от источника света и приближения его к экрану (см. рисунок)

1) размеры тени будут уменьшаться
2) размеры тени будут увеличиваться
3) границы тени будут размываться
4) границы тени будут становиться более чёткими

2. Размеры изображения предмета в плоском зеркале

1) больше размеров предмета
2) равны размерам предмета
3) меньше размеров предмета
4) больше, равны или меньше размеров предмета в зависимости от расстояния между предметом и зеркалом

3. Луч света падает на плоское зеркало. Угол между падающим лучом и отражённым увеличили на 30°. Угол между зеркалом и отражённым лучом

1) увеличился на 30°
2) увеличился на 15°
3) уменьшился на 30°
4) уменьшился на 15°

4. Какое из изображений — А, Б, В или Г — соответствует предмету MN, находящемуся перед зеркалом?

5. Предмет, расположенный перед плоским зеркалом, приблизили к нему на 5 см. Как изменилось расстояние между предметом и его изображением?

1) увеличилось на 5 см
2) уменьшилось на 5 см
3) увеличилось на 10 см
4) уменьшилось на 10 см

6. Предмет, расположенный перед плоским зеркалом, удалили от него так, что расстояние между предметом и его изображением увеличилось в 2 раза. Во сколько раз увеличилось расстояние между предметом и зеркалом?

1) в 0,5 раза
2) в 2 раза
3) в 4 раза
4) в 8 раз

7. Чему равен угол падения луча на границе вода — воздух, если известно, что угол преломления равен углу падения?

8. Луч света переходит из стекла в воздух, преломляясь на границе раздела двух сред. Какое из направлений 1-4 соответствует преломлённому лучу?

9. Свет распространяется из масла в воздух, преломляясь на границе раздела этих сред. Па каком рисунке правильно представлены падающий и преломлённый лучи?

10. Световой луч падает на границу раздела двух сред. Скорость света во второй среде

1) равна скорости света в первой среде
2) больше скорости света в первой среде
3) меньше скорости света в первой среде
4) используя один луч, нельзя дать точный

11. Для каждого примера из первого столбца подберите соответствующее физическое явление из второго столбца. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
1) отражение света
2) преломление света
3) дисперсия света
4) отражение звуковых волн
5) преломление звуковых волн

12. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу

1) угол преломления равен углу падения, если оптическая плотность двух граничащих сред одинакова
2) чем больше показатель преломления среды, тем больше скорость света в ней
3) полное внутреннее отражение происходит при переходе света из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную
4) угол преломления всегда меньше угла падения
5) угол преломления всегда равен углу падения

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.

Природа света – электромагнитная. Одним из доказательств этого является совпадение величин скоростей электромагнитных волн и света в вакууме.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Это утверждение называется законом прямолинейного распространения света. Опытным доказательством этого закона служат резкие тени, даваемые точечными источниками света.

Геометрическую линию, указывающую направление распространения света, называют световым лучом. В изотропной среде световые лучи направлены перпендикулярно волновому фронту.

Геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковой фазе, называют волновой поверхностью, а множество точек, до которых дошло колебание к данному моменту времени, – фронтом волны. В зависимости от вида фронта волны различают плоские и сферические волны.

Для объяснения процесса распространения света используют общий принцип волновой теории о перемещении фронта волны в пространстве, предложенный голландским физиком Х. Гюйгенсом. Согласно принципу Гюйгенса каждая точка среды, до которой доходит световое возбуждение, является центром сферических вторичных волн, распространяющихся также со скоростью света. Поверхность, огибающая фронты этих вторичных волн, дает положение фронта действительно распространяющейся волны в этот момент времени.

Необходимо различать световые пучки и световые лучи. Световой пучок – это часть световой волны, переносящей световую энергию в заданном направлении. При замене светового пучка описывающим его световым лучом последний нужно брать совпадающим с осью достаточно узкого, но имеющего при этом конечную ширину (размеры поперечного сечения значительно больше длины волны) , светового пучка.

Различают расходящиеся, сходящиеся и квазипараллельные световые пучки. Часто употребляют термины пучок световых лучей или просто световые лучи, понимая под этим совокупность световых лучей, описывающих реальный световой пучок.

Скорость света в вакууме c = 3 • 10 в 8 степени м/с является универсальной константой и не зависит от частоты. Впервые экспериментально скорость света была определена астрономическим методом датским ученым О. Рёмером. Более точно скорость света измерил А. Майкельсон.

В веществе скорость света меньше, чем в вакууме. Отношение скорости света в вакууме к его скорости в данной среде называют абсолютным показателем преломления среды:

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Образовательная

показать роль наблюдения и эксперимента в познании.

продолжить формирование умений выделять оптические явления и описывать их.

Ввести новые понятия: луч, тень, полутень, зеркальное и диффузное отражение, преломление, явление полного отражения, показатель преломления.

Развивающая

Изучить содержание законов прямолинейного распространения света, отражения и преломления.

Рассмотреть принцип Гюйгенса, как прием для объяснения законов отражения и преломления света.

Воспитательная

Продолжить формирование умений работать с учебником, выделять главное.

продолжить формирование умений обобщать изученный материал и предъявлять его при повторении.

Ход урока

Актуализация новых знаний.

1. Природа света

2. Что такое интерференция?

3. Закон отражения света

Объяснение нового материала.

Геометрическая оптика-раздел оптики, в котором законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах.

Световой луч- линия, вдоль которой распространяется световая энергия . Геометрическая оптика базируется на трех законах:

закон прямолинейного распространения света

закон отражения света

закон преломления света

1.Закон прямолинейного распространения света:

В вакууме и в однородной среде луч распространяется прямолинейно.

Оптически однородная среда - это среда, в которой свет распространяется с постоянной скоростью.

Прямолинейность распространения света подтверждается образованием тени и полутени.

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

полутень- область пространства, в которую световая энергия от источника света попадает частично.

источник- точечный(размеры много меньше размеров освещаемого тела и расстояния до него)

источник протяженный (размеры больше размеров освещаемого тела и расстояния до него)

2. Закон отражения света.

Закон отражения света был открыт экспериментально древнегреческим ученым Евклидом

а)луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к отражающей поверхности в точке падения;

б)угол отражения равен углу падения:

Падающий и отраженный лучи могут меняться местами. Это свойство лучей называется обратимостью световых лучей:

Если точечный объект и его изображение поменять местами, то лучевая картина отражения не изменится; изменится при этом лишь направление лучей.

Различают диффузное и зеркальное отражение.

диффузное (рассеянное)отражение

зеркальное отражение

Если размеры неровностей отражающей поверхности намного больше длины волны света, то отражение диффузное.

Диффузное отражение света происходит от

всех шероховатых поверхностей, например

от стен комнаты.

Если размеры неровностей отражающей поверхности соизмеримы с длиной волны то отражение зеркальное.(зеркало)

3.закон преломления света

Изменение направления распространения света при его прохождении через границу раздела двух сред называется преломлением света.

Угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред в точке падения луча называется углом преломления. — угол падения,

Закон преломления света был открыт экспериментально Снеллиусом :

а) падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный
в точке падения, лежат в одной плоскости.

б) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред:

n _2,1 -относительный показатель преломления второй среды относительно первой физический смысл :

относительный показатель преломления равен отношению скоростей света в средах, на границе между которыми происходит преломление: (1)

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления этой среды.

Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду. Пользуясь формулой (1), можно выразить относительный

показатель преломления через абсолютные показатели преломления n ₁ и n ₂ первой и второй сред.

Действительно, так как и где с — скорость света в вакууме,

Абсолютный показатель преломления определяется скоростью распространения света в данной среде, которая зависит от физического состояния среды, т. е. от температуры вещества, его плотности, наличия в нем упругих напряжений. Показатель преломления зависит также и от характеристик самого света. Для красного света он меньше, чем для зеленого, а для зеленого меньше, чем для фиолетового.

Т.о. преломление света объясняется изменением скорости распространения света при его переходе из одной среды в другую.

Из двух сред та, в которой скорость света меньше, называется оптически более плотной, а та, в которой скорость света больше, — оптически менее плотной. Например, вода является оптически более плотной средой, чем воздух, а стекло — оптически более плотной средой, чем вода.

Отражение света

Поместим в центр диска зеркало 2 и направим на него световой пучок (падающий луч) АО. Свет отразится от зеркала, и на поверхности диска появится отраженный
луч О В . Его появление свидетельствует о том, что он лежит в той же плоскости, что и луч АО с перпендикуляром ОС (эту плоскость называют плоскостью падения луча).

Преломление света

Поместим в центр оптического диска стеклянную пластину и направим на нее луч света. Мы увидим, что на границе воздуха со стеклом свет не только отразится, но и проникнет внутрь стекла, изменив направление своего распространения

Заметим, что если бы мы направили луч по направлению ЕО, то в силу обратимости световых лучей он вышел бы из стекла по направлению О А.

Преломление света на границе двух оптических сред

В прозрачную прямоугольную ванну или аквариум вставляют белый экран и наливают воду. На дно ванны помещают плоское зеркало. Пучок света от лазера плоским зеркалом направляют в ванну вдоль белого экрана. На границе раздела сред воздух — вода свет преломляется и, отразившись от зеркала на дне ванны, выходит из воды, вновь преломившись на границе раздел сред вода — воз дух .

Световой пучок лазерного излучения расширяют в горизонтальной плоскости цилиндрической линзой. Для показа этого опыта может быть использован и иной источник света, например оптическая скамья ФОС. Однако поглощение и рассеивание света водой настолько ослабляют световой пучок, что демонстрацию необходимо проводить в затемненном помещении. При использовании лазера в этом опыте нет необходимости затемнять кабинет.

Полное внутреннее отражение

Увеличить угол падения луча до тех пор, пока угол преломления не приблизится к прямому. Отметить, что одновременно с преломленным лучом появляется отраженный луч, который будет тем ярче, чем больше угол преломления приближается к 90˚. Преломленный луч ослабевает по яркости, пока не будет получено полное внутреннее отражение.
Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называется предельным углом полного внутреннего отражения. При переходе света из стекла в воздух этот угол приблизительно равен 40˚. При дальнейшем увеличении угла падения явление полного внутреннего отражения сохраняется.

Полное внутреннее отражение.

Если падающий луч направлен из оптически более плотной среды в оптически
менее плотную (например, из воды в воздух), n _2,1

При увеличении угла падения интенсивность отраженного луча увеличивается, а интенсивность преломленного луча уменьшается. При некотором угле падения преломленный луч скользит вдоль поверхности раздела двух сред, (угол преломления максимален = 90°) При > преломление света невозможно, значит луч полностью отразится.

угол падения называется предельным углом полного отражения

Полное внутреннее отражение- явление отражения света от оптически менее плотной среды, при котором преломление отсутствует, а интенсивность отраженного света практически равна интенсивности падающего.

Волоконно-оптические устройства используются в медицине в качестве эндоскопов — зондов, вводимых в различные внутренние органы для непосредственного визуального наблюдения.

В технике световоды применяются для освещения недоступных мест, а также для передачи сигналов на большие расстояния. Модулируя световой пучок, идущий по световоду, можно по нему на значительные расстояния передавать информацию - речь, музыку, изображения, информацию от ЭВМ и т. п.

Достоинство оптических каналов связи - возможность пере дачи по одному световоду в сотни и тысячи раз большего объема

информации, чем по металлическим проводам. Кроме того, оптический канал связи помехоустойчив, он не реагирует ни на какие внешние воздействия.

Наконец, замена металлических проводов световодами дает огромную экономию дорогостоящих цветных металлов.

Полное внутреннее отражение используется в призматических биноклях, перископах, зеркальных фотоаппаратах, а также в световращателях (катафотах), обеспечивающих безопасную стоянку и движение автомобилей

Закрепление

С помощью какого закона геометрической оптики можно объяснить образование тени и полутени?

Приведите примеры диффузного и зеркального отражений.

Что произойдет если точечный объект и его изображение поменять местами?

Из-за чего происходит преломление света на границе двух сред (например воздух-вода)?

Почему вода является более плотной средой , чем воздух?

На рисунке изображен луч, падающий на границу раздела двух сред. Нарисовать дальнейший ход луча.

Читайте также: