Что такое точечный источник света в физике 8 класс
Перейти к содержимому

Что такое точечный источник света в физике 8 класс

  • автор:

Основные сведения об источниках света — что нужно знать

Освещение создается источником света — это объект, излучающий энергию, которая воспринимается зрительной системой человека.

Виды и классификации источников света

По природе излучения

Естественные Искусственные
Самопроизвольно излучают свет Созданы руками человека
Солнце, огонь, полярные сияния, некоторые животные и растения, фосфор Зажигалки, спички, лампы, монитор телевизора и т. д

По виду излучения

Тепловые Люминесцентные
Излучение получается в результате нагрева источника. Источник света остается холодным.
Огонь, Солнце, лампы накаливания. Лампы дневного света; рекламные трубки с инертными газами; светлячки, некоторые виды грибов, планктона и рыб.

Также источники света могут быть:

Точечные Протяженные
Источники света, размеры которых малы по сравнению с расстоянием до наблюдателя и ими в данных условиях можно пренебречь. Источник света, который нельзя назвать точечным, каждая его точка излучает свет во всех направлениях.
Для наблюдателя с Земли — звезды. Солнце, лампы дневного света, рекламные вывески.

Один и тот же источник света в разных условиях можно назвать точечным или протяженным.

Пример: если лампа находится достаточно близко к объекту, то она будет протяженным источником света. Если же она находится далеко, то точечным.

Также можно сказать, что от протяженного источника видимое излучение попадает не в одну точку объекта, а на относительно большую его поверхность.

Виды искусственных электрических световых излучателей, исходя из классификации по принципам работы:

1. Тепловые источники света.

Классические лампы накаливания, а также галогенные лампы, угольные дуги, инфракрасные излучатели.

Принцип действия основан на нагревании рабочего элемента (чаще всего — проволоки из вольфрама) до температуры, при которой он начинает испускать инфракрасное излучение и видимый свет.

  • обладают хорошей цветопередачей;
  • на работу не оказывает влияния внешняя среда;
  • не требуют дополнительных устройств для запуска;
  • экологичные.
  • КПД менее 3 %. Энергия расходуется на разогрев и поддержание нужной температуры вольфрамовой проволоки;
  • срок службы не превышает 2000 часов.

Особенность галогенных ламп — более длительный ресурс эксплуатации, около 5000 часов. В колбу устройства вводят специальные галогеновые газы, замедляющие разрушение вольфрамовой нити. Среди плюсов таких ламп — яркий свет, высокое качество цветопередачи.

2. Люминесцентные.

Газоразрядные лампы, лампы с тлеющим разрядом, ртутные лампы с дуговым разрядом низкого и высокого давления.

Электрический импульс создает ультрафиолетовое излучение, при котором наблюдается свечение люминофора в парах ртути.

  • энергопотребление ниже и срок службы дольше, чем у ламп накаливания;
  • колбе можно придать любую форму: есть трубчатые, кольцевые и компактные спиралевидные модели;
  • хороший уровень световой отдачи.
  • требуется дополнительный пускорегулирующий аппарат;
  • из-за содержания ртути требуют специальных условий утилизации;
  • плохой уровень цветопередачи и мерцание.

3. Смешанного типа.

Специализированные излучатели для прожекторных установок (например, авиационных и корабельных), которые способны функционировать в особых условиях.

В основу работы положен нагрев электрической дуги высокой интенсивности. Не встречаются в свободной продаже. Для запуска требуется сложная схема, обеспечивающая нагрев и поддержание разряда, поэтому энергопотребление высокое.

4. Светодиодные или LED (англ. light-emitting diode, LED)

Источники света на основе свето- или фотодиодов.

Светодиоды — полупроводниковые приборы, излучающие свет при пропускании электрического тока постоянной частоты.

Фотодиоды — под действием лучей света накапливают электроны, создавая электрический потенциал. При пропускании электрического тока в прямом направлении электроны перемещаются с одного энергетического уровня на другой и излучают фотоны.

Современные материалы позволяют дать хорошую яркость и охватить почти весь цветовой спектр, поэтому светодиоды широко применяются в качестве осветительных приборов. Бывают в виде сменных ламп или отдельно выполненных светильников — самостоятельных устройств, состоящих из корпуса, светодиода и электрического драйвера (преобразователя питания).

  • низкая потребляемая мощность,
  • длительный срок службы;
  • надежны в использовании;
  • не требуют специальных условий утилизации.
  • высокая цена;
  • при выходе из строя одного из элементов, светильник, сделанный в виде самостоятельного устройства, подлежит замене на аналогичный.

Эти недостатки чаще всего компенсируются экономией на электроэнергии и обслуживании (редкая замена ламп), что особенно актуально для уличного освещения.

Сравнительная таблица источников света приведена на рисунке 1.

Основные параметры источников света

Изучает раздел физики фотометрия.

1. Световой поток Ф, измеряется в лм — люмен. Характеризует мощность излучения, оценивается по световому ощущению глазом человека. Рассчитывается по формуле:

Ф= ε/t, где ε — количество световой энергии (кДж), t — время (измеряется в секундах, минутах или часах).

2. Световая отдача — отношение светового потока лампы к ее мощности, лм/Вт. Эту характеристику используют для оценки экономичности искусственного источника света. Проще говоря, можно узнать, сколько электрической мощности преобразуется в свет.

3. Яркость L, измеряется в кд/м2 (кандела на квадратный метр). Это главный фактор светоощущения.

4. Освещенность E, измеряется в лк (люкс). 1лк равен потоку излучения Ф=1 лм, равномерно распределенному по площади S=1м2.

5. Сила света I, измеряется в кд (кандела). Является показателем интенсивности светового потока в определенном направлении. Рассчитывается по формуле:

I = Ф/Ω, где Ω — телесный угол, измеряется в стерадианах.

Сила света некоторых источников:

  1. Солнце ≈ 3∙1027 кд.
  2. Маяк ≈ 1∙105 кд.
  3. Свеча ≈ 0,5–2 кд.
  4. Прожектор ≈ 8 ∙ 108 кд.
  5. Фара автомобиля (дальний свет) ≈ 12 000 кд.
  6. Светлячок ≈ 0,01–0,001 кд.

Для искусственных источников света также имеют значение:

  • номинальное напряжение питающей сети U, B;
  • электрическая мощность W, Вт;
  • срок службы t, ч;
  • цветовая температура Tc, К;
  • цветопередача.

Цвета предметов, изображения будут различаться лучше, если они освещены сплошным равномерным спектром. Чем ближе излучение лампы к солнечному свету, тем она лучше и дороже. При индексе цветопередачи более 90 цвета предметов будут казаться чрезвычайно насыщенными.

При низком индексе трудно определить цвет предмета, однако контуры будут видны. От яркости это практически не зависит.

Какие источники света используют в помещениях и на улице

Уличное освещение — средства искусственного увеличения оптической видимости на улице в темное время суток.

Как правило, осуществляется лампами, закрепленными на мачтах, столбах, путепроводах и других опорах. Для наружного освещения используют газоразрядные лампы высокого давления и светодиодные светильники, поскольку и те, и другие хорошо переносят перепады температур, имеют широкий диапазон мощности и длительный срок эксплуатации.

Для освещения помещений используют:

  • естественное освещение от прямых солнечных лучей и рассеянного света небосвода;
  • освещение, создаваемое искусственными источниками света (лампа накаливания, газоразрядные и светодиодные);
  • совмещение 1 и 2 — при недостатке естественного освещения подключаются искусственные излучатели.

При строительстве и эксплуатации жилых и промышленных зданий учитывают естественное освещение, так как оно необходимо для:

  • сохранения зрения человека;
  • повышения работоспособности и жизненного тонуса;
  • поддержания помещений в надлежащем санитарно-гигиеническом состоянии.

Интенсивность естественного освещения интерьера зависит от следующих факторов:

  • время суток и сезон года, ориентация зданий по сторонам света;
  • степень затенения света расположенными рядом зданиями, деревьями и т. п.;
  • облачность, присутствие в воздухе пыли и газов, которые поглощают солнечные лучи;

количество и расположение окон — на одной или двух наружных стенах, верхних перекрытиях или комбинация этих вариантов.

Современные источники искусственного освещения преобразуют электрическую энергию в световой поток.

Выбор необходимого уровня освещенности в производственных помещениях зависит от:

  • точности работы;
  • коэффициента отражения рабочей поверхности;
  • контраста между деталью и фоном;
  • времени, в течение которого требуется напряжение зрения;
  • наличия предметов, опасных для прикосновения.

Виды искусственного освещения:

общее — светильники размещаются в верхней зоне помещения равномерно или рядом с оборудованием;

местное — дополнительно к общему освещению подключаются светильники непосредственно на рабочих местах.

Чаще всего применяют и общее, и местное освещение.

Искусственное освещение в помещении приблизительно можно рассчитать следующим образом:

ГДЗ по физике 8 класс Перышкин | Страница 198

Физика 8 класс Перышкин Просвещение

2. Физическую модель источника света, размерами которого в данных условиях можно пренебречь, называют точечным источником света. Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света.

3. Направление распространения пучка света задаётся световым лучом. Узкий пучок практически совпадает со световым лучом. Чтобы увидеть луч света, на его пути нужно создать неоднородную среду, например, поставить аквариум с подкрашенной водой или потрясти меловую тряпку («подкрасить» воздух мелом). Мы увидим, что свет распространяется вдоль прямой линии до тех пор, пока не попадёт на стену, потолок или какой-либо другой предмет.

4. Примеры, доказывающие прямолинейное распространение света: пучок света от фонарика, тень отбрасываемого тела

5. Тень — это та область пространства, в которую не попадает свет от источника. Те лучи, что на своём пути встретят тело AD, будут отражаться им, попадут нам в глаза, и поэтому мы шар увидим. Остальные лучи, продолжая распространяться прямолинейно, упадут на экран и осветят его. Но часть экрана BC останется неосвещённой, на нём образуется тень. (рис. 130)C:\Users\User\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\27.png

6. Осветим теперь предмет большой лампой, размеры которой и расстояние от неё до экрана будут сравнимы. Мы увидим, что тень на экране (рис. 131) уже не повторяет форму шара, как в предыдущем опыте. Часть экрана (А) окажется полностью затемнённой, а часть (В) — частично освещённой. Эту частично освещённую область называют полутенью.C:\Users\User\AppData\Local\Microsoft\Windows\INetCache\Content.Word\28.png

7. Во время солнечного затмения тень от Луны падает на Землю. Поскольку Луна во много раз меньше Земли, то в области А полной лунной тени может находиться лишь малая часть земной поверхности (диаметром около 270 км) и наблюдается явление, называемое полным солнечным затмением, очень недолго (примерно 2,5 мин). В тех местах Земли, которые находятся в области полутени В, наблюдается частное солнечное затмение. Оно охватывает значительно большую часть Земли и поэтому длится дольше. Во время лунного затмения Луна попадает в тень, отбрасываемую Землёй.

Стр. 198

Обсуди с товарищем

1. Отличие излучений : Солнце – естественное тепловое излучение, Луна- естественное люминесцирующее излучение, нагретый элемент электрической плиты – искусственное тепловое излучение

2. Если на предмет направлено несколько источников света, то от предмета получается только полутень

3. Чтобы во время хирургических операций тень от рук хирурга не закрывала операционное поле, надо направить источник света напротив процесса, так чтобы тень была сзади руки и падала на хирурга, а не на процесс

Оптика

Оптика – это раздел физики, в котором изучаются закономерности световых явлений, природа света и его взаимодействие с веществом.

Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется свет.

Закон независимости световых лучей:
при пересечении световых лучей каждый из них продолжает распространяться в прежнем направлении.

Источник света – это тело, которое излучает свет.

При излучении света источник теряет энергию, при поглощении его внутренняя энергия увеличивается, т. е. распространение света сопровождается переносом энергии.

Виды источников света:

  • тепловые – это источники, в которых излучение света происходит в результате нагревания тела до высокой температуры;
  • люминисцентные – это тела, излучающие свет при облучении их светом, рентгеновскими лучами, радиоактивным излучением и т. д.

Точечный источник света – это источник, представляющий собой светящуюся материальную точку, т. е. источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до освещаемого предмета.

Если источник света находится в бесконечности, то его лучи падают на поверхность параллельным пучком.

Свет – это электромагнитная волна с частотой от 1,5·10 11 Гц до 3·10 16 Гц.

Скорость света в вакууме: ​ \( c \) ​ = 3·10 8 м/с.

Прямолинейное распространение света

Закон распространения света:
свет в прозрачной однородной среде распространяется прямолинейно.

Экспериментальным доказательством прямолинейности распространения света является образование тени.

Тень – это область пространства, куда не попадает свет от источника.

Полутень – это область пространства, куда частично попадает свет от источника.

Если источник света точечный, то на экране образуется четкая тень предмета.

Если источник неточечный, то на экране образуется размытая тень (области тени и полутени).

Образованием тени при падении света на непрозрачный предмет объясняются такие явления, как солнечное и лунное затмения.

Закон отражения света

Отражение – это явление, при котором при падении световых лучей на непрозрачную гладкую поверхность они меняют направление распространения, возвращаясь в прежнюю среду.

АО – падающий луч, ОВ – отраженный луч, СО – перпендикуляр

Угол падения – это угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности.

Угол отражения – это угол между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности.

Законы отражения света

  • Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к отражающей поверхности.
  • Угол отражения равен углу падения. ​ \( \angle\beta=\angle\alpha \) ​, где ​ \( \alpha \) ​ – угол падения, ​ \( \beta \) ​ – угол отражения.

Виды отражения

  • Зеркальное – это отражение, при котором лучи, падающие на поверхность параллельным пучком, после отражения остаются параллельны.

  • Рассеянное – это отражение, при котором лучи, падающие на поверхность параллельным пучком, после отражения отклоняются в различных направлениях.

Если луч падает перпендикулярно отражающей поверхности, то угол падения равен нулю, и угол отражения тоже равен нулю. Поэтому луч отражается в обратном направлении.

Важно!
В оптике все углы отсчитываются от перпендикуляра к отражающей поверхности или к границе раздела сред.

Построение изображений в плоском зеркале

Построение изображения в плоском зеркале основано на законах отражения света.

Алгоритм построения изображения в плоском зеркале

  1. Проведите из данной точки на поверхность луч под произвольным углом. В точке падения луча на границу раздела сред проведите перпендикуляр.
  2. Отметьте угол падения ​ \( \alpha \) ​.
  3. Постройте равный ему угол отражения ​ \( \beta \) ​.
  4. Проведите из данной точки перпендикуляр к поверхности зеркала ​ \( (\alpha=0) \) ​.
  5. Постройте равный ему угол отражения ​ \( (\beta=0) \) ​ (эти лучи совпадают).
  6. Проведите пунктирной линией продолжения отраженных лучей за зеркало.
  7. Найдите точку пересечения продолжений отраженных лучей (эта точка является изображением данной точки в плоском зеркале).
  8. Аналогично постройте изображение второй точки.
  9. Соедините полученные изображения точек пунктирной линией.

Изображение предмета в плоском зеркале мнимое, прямое, по размерам равное предмету, находящееся за зеркалом на таком же расстоянии, на каком предмет находится перед зеркалом.

Важно!
Если на поверхность плоского зеркала падает сходящийся пучок лучей, то изображение получается действительным.

Если поверхность двух плоских зеркал образует угол ​ \( \varphi \) ​, то количество изображений в такой системе зеркал можно определить по формуле:

где ​ \( N \) ​ – количество изображений.

Закон преломления света

Преломление света – это изменение направления распространения светового луча на границе раздела двух сред.

Угол преломления – это угол между преломленным лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред.

​ \( \gamma \) ​ – угол преломления

Законы преломления света

  • Лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точку падения луча к преломляющей поверхности.
  • Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и равная относительному показателю преломления двух сред:

где ​ \( n_ <21>\) ​ – относительный показатель преломления.

Первой является среда, в которой распространяется падающий луч, второй является среда, в которой распространяется преломленный луч.

Относительный показатель преломления равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды:

где ​ \( n_1 \) ​ – абсолютный показатель преломления первой среды; ​ \( n_2 \) ​ – абсолютный показатель преломления второй среды.

Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде:

где ​ \( c \) ​ – скорость света в вакууме, ​ \( v \) ​ – скорость распространения света в данной среде.

Относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в первой среде больше, чем во второй:

Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, является оптически более плотной средой.

Среда, у которой абсолютный показатель преломления меньше, является оптически менее плотной средой.

Следствия закона преломления света

  • Если свет падает из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то угол падения больше угла преломления:

  • Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол падения меньше угла преломления:

Если луч падает на плоско параллельную пластину, изготовленную из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч не изменяет своего направления, а лишь смещается на некоторое расстояние.

​ \( x \) ​ – смещение луча от первоначального направления:

где ​ \( d \) ​ – толщина пластины.

Важно!
Если в условии задачи говорится, что «кажется, что луч падает под углом ​ \( \varphi_1 \) ​ к поверхности воды», то имеют в виду не кажущийся угол падения ​ \( \alpha_1 \) ​, а угол между кажущимся падающим лучом и поверхностью воды \( \varphi_1 \) .

Полное внутреннее отражение

Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то с увеличением угла падения увеличивается угол преломления. При некотором значении угла падения угол преломления становится равным 90°. Преломленный луч будет скользить по поверхности раздела двух сред.

Предельный угол полного отражения – это угол падения, при котором угол преломления становится равным 90°:

Если вторая среда – воздух, ​ \( n_2 \) ​ = 1, то ​ \( \sin\alpha_<пр.>=\frac<1>. \) ​.

При дальнейшем увеличении угла падения угол преломления тоже увеличивается и наблюдается только отражение света. Это явление называется полным отражением света.

Применение явления полного внутреннего отражения

Треугольная призма – прозрачное тело, ограниченное с трех сторон плоскими поверхностями так, что линии их пересечения взаимно параллельны.

Если призма изготовлена из оптически более плотного вещества, чем окружающая среда, то луч, дважды преломляясь, отклоняется к основанию призмы, а мнимое изображение источника света смещается к вершине призмы.

Преломляющий угол призмы – это угол, лежащий против основания.

Угол отклонения луча призмой – это угол между направлениями падающего на призму и вышедшего из призмы лучей.

​ \( \varphi \) ​ – преломляющий угол,

​ \( \theta \) ​ – угол отклонения луча призмой.

Важно!
С помощью треугольной равнобедренной призмы с преломляющим углом 90° можно:

  • повернуть луч на 90° (поворотная призма, используется в перископах);

  • изменить направление луча на 180° (оборотная призма, используется в биноклях);

  • изменить относительное расположение лучей.

Линзы. Оптическая сила линзы

Линза – это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими или криволинейными поверхностями, одна из которых может быть плоской.

Тонкая линза – физическая модель линзы, в которой ее толщиной можно пренебречь по сравнению с диаметром линзы.

Классификация линз

  • выпуклые – это линзы, у которых средняя часть толще, чем края;
  • вогнутые – это линзы, у которых края толще, чем средняя часть.

2. По оптическим свойствам:

  • собирающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей собирается в одной точке;

  • рассеивающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей рассеивается.

Величины, характеризующие линзу

Главная оптическая ось – это прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы.

Оптический центр линзы – это точка пересечения главной оптической оси с линзой, проходя через которую луч не изменяет своего направления.

Побочная оптическая ось – это любая прямая, проходящая через оптический центр линзы под произвольным углом к главной оптической оси.

Фокус линзы – это точка, в которой пересекаются после преломления лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра линзы до ее фокуса. Обозначение – \( F \) , единица измерения – м.

Фокальная плоскость – это плоскость, проходящая через фокус линзы перпендикулярно ее главной оптической оси.

Побочный фокус – это точка пересечения побочной оптической оси с фокальной плоскостью.

Оптическая сила линзы – это величина, обратная фокусному расстоянию.

Обозначение – ​ \( D \) ​, единица измерения – диоптрия (дптр):

1 дптр – это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Важно!
Оптическая сила линзы зависит от показателя преломления линзы и от радиусов кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линзу:

где ​ \( n_л \) ​ – показатель преломления линзы, ​ \( n_ <ср>\) ​ – показатель преломления среды, ​ \( R_1 \) ​ и \( R_2 \) – радиусы сферических поверхностей.

Если поверхности выпуклые, то ​ \( R_1 \) ​ > 0 и \( R_2 \) > 0, если поверхности вогнутые, то \( R_1 \) < 0 и \( R_2 \) < 0.

Если одна из поверхностей линзы плоская, например первая, то ​ \( R_1\to\infty \) ​, а вторая поверхность выпуклая: \( R_2 \) > 0, то

Формула тонкой линзы

где ​ \( F \) ​ – фокусное расстояние линзы, ​ \( d \) ​ – расстояние от предмета до линзы, ​ \( f \) ​ – расстояние от линзы до изображения.

Правило знаков:

  • ​ \( F \) ​ > 0, если линза собирающая; \( F \) < 0, если линза рассеивающая;
  • ​ \( d \) ​ > 0, если предмет действительный; \( d \) < 0, если предмет мнимый (если на линзу падает сходящийся пучок лучей);
  • ​ \( f \) ​ > 0, если изображение действительное; ​ \( f \) ​ < 0, если изображение мнимое.

Линза собирающая, предмет действительный, изображение действительное:

Линза собирающая, предмет действительный, изображение мнимо:

Линза собирающая, предмет мнимый, изображение действительное:

Линза рассеивающая, предмет действительный, изображение мнимое:

Линза рассеивающая, предмет мнимый, изображение мнимое:

Увеличение линзы – это величина, равная отношению линейных размеров изображения к линейным размерам предмета.

Обозначение – ​ \( \mathit <\Gamma>\) ​, единицы измерения – нет.

где ​ \( H \) ​ – линейный размер изображения, ​ \( h \) ​ – линейный размер предмета.

где ​ \( f \) ​ – расстояние от линзы до изображения, ​ \( d \) ​ – расстояние от предмета до линзы.

Важно!
При расчете увеличения линзы знаки ​ \( f \) ​ и ​ \( d \) ​ не учитываются.

Построение изображений в линзах

Для построения изображения в линзах следует помнить:

  1. луч, идущий вдоль главной оптической оси линзы, не преломляется;
  2. луч, проходящий через оптический центр линзы, не преломляется;
  3. луч, падающий на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления пройдет через фокус линзы;
  4. луч, падающий на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через фокус линзы, а сам луч – противоположно мнимому продолжению;
  5. луч, падающий на собирающую линзу через фокус, после преломления пройдет параллельно главной оптической оси линзы;
  6. произвольный луч после преломления в собирающей линзе пойдет через побочный фокус (точку фокальной плоскости, в которой ее пересечет параллельная произвольному лучу побочная оптическая ось);
  7. произвольный луч, падающий на рассеивающую линзу, преломится так, что его мнимое продолжение пройдет через точку, в которой пересечет фокальную плоскость линзы побочная оптическая ось, параллельная произвольному лучу.

Изображение, даваемое тонкой линзой, может быть действительным или мнимым.

Действительное изображение получается в результате пересечения преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Мнимое изображение получается в результате пересечения продолжений преломленных в линзе лучей, исходящих из данной точки.

Построение изображений точки, даваемых собирающей линзой

  • Если точка находится за двойным фокусом линзы, то ее действительное изображение получается между фокусом и двойным фокусом по другую сторону от линзы.

  • Если точка находится в двойном фокусе линзы, то его действительное изображение получается в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

  • Если точка находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его действительное изображение получается за двойным фокусом по другую сторону от линзы.

  • Если точка находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

  • Если точка находится между линзой и фокусом, то его мнимое изображение получается по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых собирающей линзой

  • Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, уменьшенным, по другую сторону от линзы.

  • Если предмет находится в двойном фокусе линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, равным по размерам предмету, в двойном фокусе по другую сторону от линзы.

  • Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то его изображение получается действительным, перевернутым, увеличенным, по другую сторону от линзы.

  • Если предмет находится в фокусе линзы, то его изображение находится в бесконечности.

  • Если предмет находится между линзой и фокусом, то его изображение получается мнимым, прямым, увеличенным, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений точки, даваемых рассеивающей линзой

В рассеивающей линзе изображение точки всегда получается мнимым, по ту же сторону от линзы.

Построение изображений предмета, даваемых рассеивающей линзой

Изображение предмета в рассеивающей линзе всегда получается мнимым, прямым, уменьшенным, по ту же сторону от линзы.

Важно!
При решении задач на прохождение световых лучей сквозь линзы и получение изображений в них прежде всего выясните, о какой линзе идет речь: собирающей или рассеивающей. Обязательно сделайте чертеж, на котором соответствующими буквами укажите все основные расстояния: расстояние от предмета до линзы, расстояние от линзы до изображения, фокусное расстояние. Также обязательно укажите оптический центр линзы и оба фокуса по разные стороны от линзы.

При построении изображения следует заранее выучить, каким оно должно быть при соответствующем расположении предмета относительно линзы и где находиться (действительным или мнимым, увеличенным или уменьшенным, прямым или обратным). В противном случае при неверном построении, когда вы чуть-чуть искривите луч или он пойдет неточно через фокус или центр, изображение может оказаться не там, где надо, или вместо увеличенного уменьшенным, и тогда в решении появится ошибка.

Оптические приборы. Глаз как оптическая система

Оптические приборы – это устройства, предназначенные для получения на экране, светочувствительных пленках, фотопленках и в глазу изображений различных предметов.

Лупа – это короткофокусная двояковыпуклая линза, предназначенная для относительно небольшого увеличения изображения.

Увеличение лупы рассчитывается по формуле:

где ​ \( d_0 \) ​ – расстояние наилучшего зрения, ​ \( d_0 \) ​ = 0,25 м.

Для получения увеличенного изображения предмет помещают перед линзой на расстоянии немного меньше фокусного. Изображение получается мнимым.

Микроскоп – это оптический прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов под большим углом зрения.

Микроскоп состоит из двух собирающих линз – короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, расстояние между которыми может изменяться:

где ​ \( F_1 \) ​ – фокусное расстояние объектива; ​ \( F_2 \) ​ – фокусное расстояние окуляра.

Фотоаппарат – прибор, предназначенный для получения действительных, уменьшенных, перевернутых изображений предметов на фотопленке.

Предметы могут находиться на разных расстояниях.

Мультимедийный проектор – оптическое устройство, с помощью которого на экране получают действительное, увеличенное изображение, снятое с источника видеосигнала.

Человеческий глаз – оптическая система, подобная фотоаппарату.

Зрачок регулирует доступ света в глаз. Диаметр зрачка уменьшается при ярком освещении и увеличивается при слабом.

Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы с показателем преломления 1,41. Он может изменять свою форму, в результате чего меняется его фокусное расстояние. При рассмотрении близких предметов хрусталик становится более выпуклым, при рассмотрении удаленных предметов – более плоским.

На сетчатке глаза образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение предмета. Благодаря большому количеству нервных окончаний, находящихся на сетчатке, их раздражение передается в мозг и вызывает зрительные ощущения.

Зрение двумя глазами позволяет видеть предмет с разных сторон, т. е. осуществлять объемное зрение.

Если смотреть на предмет одним глазом, то, начиная с 10 м, он будет казаться плоским, если смотреть на предмет двумя глазами, то это расстояние увеличивается до 500 м.

Угол зрения – это угол, образованный лучами, идущими от краев предмета в оптический центр глаза.

​ \( \varphi \) ​ – угол зрения.

Аккомодация глаза – это свойство глаза, обеспечивающее четкое восприятие равноудаленных предметов путем изменения фокусного расстояния оптической системы.

Предел аккомодации – от ​ \( \infty \) ​ до 10 см.

Расстояние наилучшего зрения – это наименьшее расстояние, с которого глаз может без особого напряжения рассматривать предметы:

Дефекты зрения

  • Близорукость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится перед сетчаткой. Близорукий глаз плохо видит отдаленные предметы.
  • Дальнозоркость – это дефект оптической системы глаза, при котором ее фокус находится за сетчаткой. Дальнозоркий глаз плохо видит близкие предметы.

Очки – это простейший прибор для коррекции оптических недостатков зрения.

Близорукость исправляют с помощью рассеивающих линз.

Дальнозоркость исправляют с помощью собирающих линз.

Интерференция света

Интерференция света – это явление перераспределения энергии в пространстве, происходящее в результате сложения когерентных волн, вследствие чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы.

Когерентные волны – это волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени разность фаз.

Когерентные волны можно получить от одного источника в результате отражения, преломления или дифракции.

Два независимых источника света не могут быть когерентными, поэтому в опытах с интерференцией света световые пучки от одного источника разделяют на два пучка, заставляют их проходить разные расстояния, а потом соединяют.

Когерентными могут быть:

  • волны, одна из которых падает на экран непосредственно от источника света, а другая создается его отражением в зеркале (зеркало Ллойда);

  • волны, образованные отражением одной и той же волны от двух сдвинутых относительно друг друга поверхностей (тонкие пленки);

  • волны, падающие от точечного источника на непрозрачную преграду с двумя узкими щелями, которые разделяют исходный пучок света на два когерентных пучка (опыт Юнга).

Интерференционная картина представляет собой чередование светлых (цветных) и темных полос.

Источником когерентных волн является лазер.

Геометрическая разность хода волн – это разность путей волн от двух когерентных источников ​ \( S_1 \) ​ и \( S_2 \) до точки пространства ​ \( M \) ​, в которой наблюдается интерференция.

Обозначение – ​ \( \Delta r \) ​, единица измерения в СИ – м.

Условие максимума интерференции

Если геометрическая разность хода содержит целое число длин волн или четное число длин полуволн, то в месте их наложения друг на друга наблюдается усиление света – максимум:

где ​ \( k \) ​ = 0; 1; 2; 3… – порядок интерференционного максимума.

Условие минимума интерференции

Если геометрическая разность хода содержит нечетное число длин полуволн, то в месте их наложения друг на друга наблюдается ослабление света – минимум:

где \( k \) = 0; 1; 2; 3… – порядок интерференционного минимума.

Если свет распространяется в прозрачной среде с показателем преломления ​ \( n \) ​, то применяют понятие оптической разности хода.

Оптическая разность хода – это величина, равная произведению показателя преломления и геометрической разности хода волн.

Обозначение – ​ \( \Delta \) ​, единица измерения в СИ – м.

Интерференция в тонких пленках

Наблюдаемое в природе радужное окрашивание тонких пленок (масляные пленки на воде, мыльные пузыри, оксидные пленки на металлах) объясняется интерференцией света, возникающей в результате отражения света от передней и задней поверхностей пленки. На тонкую прозрачную пленку толщиной ​ \( h \) ​ падает световая волна, ограниченная лучами 1 и 2. В точке О свет частично отразится от верхней поверхности пленки (волна 1′), а частично преломится и отразится от задней ее поверхности в точке С, преломившись в точке В, выйдет в воздух параллельно волне 1′. Волны 1′ и 1″ когерентны. (То же самое справедливо и для луча 2.)

Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу, то они будут накладываться в ее фокальной плоскости и давать интерференционную картину. ( То же самое справедливо и для луча 2.)

Максимум освещенности поверхности тонкой пленки в отраженном свете:

где ​ \( \Delta=2k\frac<\lambda> <2>\) ​ – оптическая разность хода световых волн при отражении от верхней и нижней поверхности, ​ \( k \) ​ = 1; 2; 3… – целое число длин полуволн, укладывающихся в этой разности хода, ​ \( \beta \) ​ – угол преломления.

Минимум освещенности поверхности тонкой пленки в отраженном свете:

Максимум освещенности поверхности тонкой пленки в проходящем свете:

Минимум освещенности поверхности тонкой пленки в проходящем свете:

Примером интерференции являются кольца Ньютона, которые наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны. Воздушная прослойка постепенно утолщается от точки соприкосновения линзы к краям. Отраженные от верхней и нижней границ воздушной прослойки световые волны интерферируют между собой. При этом получается следующая картина: в точке соприкосновения наблюдается черное пятно, окруженное рядом концентрических светлых и темных колец убывающей ширины.

Радиус светлого кольца Ньютона в отраженном свете:

где ​ \( R \) ​ – радиус кривизны линзы, ​ \( k \) ​ – номер кольца, считая от центра интерференционной картины.

Радиус темного кольца Ньютона в отраженном свете:

Радиус светлого кольца Ньютона в проходящем свете:

Радиус темного кольца Ньютона в проходящем свете:

Важно!
При решении задач следует учитывать, в каком свете наблюдается интерференция: в отраженном или проходящем.

Использование интерференции света

  • Интерферометры – это приборы, которые контролируют качество обработки поверхностей зеркал, точность изготовления деталей оптических инструментов и измерительных приборов.
  • Просветление оптики – на поверхность линз наносят тонкую пленку с показателем преломления меньше, чем показатель преломления стекла. Подбирая толщину пленки и величину показателя преломления, добиваются «гашения отраженных волн», вследствие чего возрастает интенсивность света, пропускаемого линзой.

Дифракция света

Дифракция света – это явление отклонения волны от прямолинейного распространения при прохождении через малые отверстия и огибании волной малых препятствий.

Наилучшее условие для наблюдения дифракции создается, когда размеры отверстий или препятствий – порядка длины волны. Чтобы определить распределение интенсивности световой волны, распространяющейся в среде с неоднородностями, используют принцип Гюйгенса–Френеля.

Принцип Гюйгенса–Френеля

Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, которые интерферируют между собой. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам, представляет новое положение фронта волны в следующий момент времени.

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой, поэтому амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка – это оптический прибор, предназначенный для наблюдения дифракции света.

Дифракционная решетка представляет собой систему параллельных щелей равной ширины, лежащих в одной плоскости и разделенных равными по ширине непрозрачными промежутками.

Дифракционную решетку применяют для разложения света в спектр и измерения длин световых волн.

Период решетки – это величина, равная сумме ширины прозрачной и непрозрачной полос решетки.

Обозначение – ​ \( d \) ​, единица измерения в СИ – м.

где ​ \( a \) ​ – ширина прозрачной полосы; ​ \( b \) ​ – ширина непрозрачной полосы.

Если решетка регулярна, т. е. ее прозрачные и непрозрачные полосы имеют одинаковую ширину, то период решетки можно рассчитать, разделив ее длину на число штрихов:

где ​ \( l \) ​ – длина решетки, ​ \( N \) ​ – число штрихов.

Формула дифракционной решетки

где ​ \( d \) ​ – период решетки; ​ \( \varphi \) ​ – угол дифракции; ​ \( k \) ​ = 0; 1; 2… – порядок максимума, считая от центрального ​ \( k \) ​ = 0 и расположенного напротив центра решетки; ​ \( \lambda \) ​ – длина волны, падающей на решетку нормально к ней.

Если дифракционная решетка освещается белым светом, то при ​ \( k \) ​ ≠ 0 разным длинам волн будут соответствовать разные дифракционные углы. Поэтому положение главных максимумов ненулевого порядка будет различным. Центральный максимум (​ \( k \) ​ = 0) остается белым, т. к. при ​ \( k \) ​ = 0 для всех длин волн ​ \( \varphi \) ​ = 0, т. е. положение главного максимума для всех длин волн одинаково. Все остальные максимумы имеют вид радужных полос, называемых дифракционными спектрами первого порядка (​ \( k \) ​ = 1), второго порядка (​ \( k \) ​ = 2) и т. д. Ближе к центральному максимуму находится фиолетовый край спектра, дальше всего – красный, т. к. ​ \( \lambda_<фиол><\lambda_ <кр>\) ​, то и ​ \( \varphi_<фиол><\varphi_ <кр>\) ​.

Важно!
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы первого и второго порядка, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы.

Дисперсия света

Дисперсия света – это зависимость показателя преломления среды от длины волны (частоты) падающего на вещество света.

Опыт Ньютона (1672)

Из-за дисперсии световые волны с различной длиной волны поразному преломляются веществом, что приводит к разложению белого света на цветные монохроматические лучи – спектр.

Для лучей света различной цветности показатели преломления данного вещества различны, т. к. различны скорости распространения электромагнитных волн, у которых разная длина волны. Луч красного света преломляется меньше из-за того, что красный свет имеет в веществе наибольшую скорость, а луч фиолетового цвета преломляется больше, так как скорость для фиолетового цвета наименьшая. Это объясняется особенностями взаимодействия этих волн с электронами, входящими в состав атомов и молекул вещества среды, где они движутся.

Источники света. Распространение света

Све­то­вые яв­ле­ния изу­ча­ет такой раз­дел фи­зи­ки, как оп­ти­ка.

Что такое оп­ти­ка?

Оп­ти­ка – это наука, ко­то­рая изу­ча­ет све­то­вые яв­ле­ния. Само слово «оп­ти­ка» пе­ре­во­дит­ся на рус­ский язык, как «зри­мый», «зри­тель­ный». Раз­дел, с ко­то­ро­го мы нач­нем изу­че­ние, – это гео­мет­ри­че­ская оп­ти­ка.

В ее ос­но­ве лежат при­мер­но те же за­ко­ны, ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся в гео­мет­рии.

2. Определение света

Свет – это элек­тро­маг­нит­ное из­лу­че­ние, ко­то­рое вы­зы­ва­ет зри­тель­ные ощу­ще­ния.

При­ро­да света до­ста­точ­но слож­на. Изу­чать об­ра­зо­ва­ние света мы будем в стар­ших клас­сах. А сей­час можно ска­зать сле­ду­ю­щее: свет об­ра­зу­ет­ся в ре­зуль­та­те про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих внут­ри ато­мов.

3. Источники света

Ис­кус­ствен­ные ис­точ­ни­ки света раз­де­ля­ют на теп­ло­вые и лю­ми­нес­ци­ру­ю­щие.

Теп­ло­вые – лампа на­ка­ли­ва­ния, за­жжен­ная свеча. Лю­ми­нес­ци­ру­ю­щие – лампа днев­но­го света.

Как пра­ви­ло, мы го­во­рим о про­тя­жен­ных ис­точ­ни­ках света. То есть само тело, непо­сред­ствен­но из­лу­ча­ю­щее свет, имеет до­ста­точ­но боль­шие раз­ме­ры.

Чтобы изу­чать све­то­вые яв­ле­ния, тре­бу­ет­ся неболь­шой ис­точ­ник света.

То­чеч­ный ис­точ­ник света – такой ис­точ­ник света, раз­ме­ра­ми ко­то­ро­го можно пре­не­бречь по срав­не­нию с рас­сто­я­ни­ем, на ко­то­рое рас­про­стра­ня­ет­ся свет от него.

4. Определение светового луча

Еще одно важ­ное по­ня­тие – это све­то­вой луч.

Све­то­вым лучом на­зы­ва­ют линию, вдоль ко­то­рой рас­про­стра­ня­ет­ся све­то­вая энер­гия.

Гео­мет­ри­че­ской оп­ти­кой мы будем на­зы­вать раз­дел оп­ти­ки, ос­но­ван­ный на по­ня­тии луча.

5. Закон о прямолинейном распространении света

Пер­вый закон, о ко­то­ром се­год­ня мы будем го­во­рить, – это закон о пря­мо­ли­ней­ном рас­про­стра­не­нии света.

В од­но­род­ной про­зрач­ной среде свет рас­про­стра­ня­ет­ся пря­мо­ли­ней­но.

Если среда не про­зрач­ная, то свет не будет рас­про­стра­нять­ся.

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

6. Солнечное затмение

Что такое за­тме­ние?

За­тме­ния бы­ва­ют двух видов: сол­неч­ное (рис. 1) и лун­ное.

Сол­неч­ное за­тме­ние

Рис. 1. Сол­неч­ное за­тме­ние

Сол­неч­ным за­тме­ни­ем на­зы­ва­ют такое яв­ле­ние, когда Луна вста­ет между Солн­цем и Зем­лей и на Землю па­да­ет тень от Луны.

Что такое частич­ное и пол­ное за­тме­ние?

Да­вай­те об­ра­тим­ся к ри­сун­ку (рис. 2).

Пол­ное сол­неч­ное за­тме­ние

Рис. 2. Пол­ное сол­неч­ное за­тме­ние

На ри­сун­ке изоб­ра­же­ны Солн­це, Луна и Земля.

Если мы про­ве­дем луч от края Солн­ца к Луне и к Земле, то об­ласть, ко­то­рая за­штри­хо­ва­на, будет об­ла­стью лун­ной тени, ко­то­рая рас­по­ла­га­ет­ся на Земле. В тех ме­стах, куда упала тень, будет на­блю­дать­ся пол­ное за­тме­ние.

Ча­стич­ное сол­неч­ное за­тме­ние

Рис. 3. Ча­стич­ное сол­неч­ное за­тме­ние

В ме­стах по­лу­те­ни толь­ко часть Солн­ца будет за­кры­та Луной, то есть про­изой­дет ча­стич­ное за­тме­ние Солн­ца (рис. 3).

7. Определение тени и полутени

Тенью мы на­зы­ва­ем ту часть про­стран­ства, куда свет от ис­точ­ни­ка света не по­па­да­ет.

По­лу­тень – это та часть про­стран­ства, ко­то­рая осве­ща­ет­ся ча­стич­но или толь­ко ча­стью ис­точ­ни­ка света.

8. Лунное затмение

Что такое лун­ное за­тме­ние (рис. 4)?

Лун­ное за­тме­ние

Рис. 4. Лун­ное за­тме­ние

Лун­ным за­тме­ни­ем на­зы­ва­ют такое яв­ле­ние, когда Луна по­па­да­ет в тень от Земли. Лун­ные за­тме­ния про­ис­хо­дят чаще, чем сол­неч­ные.

9. Завершение

Здесь вы по­зна­ко­ми­лись с раз­де­лом фи­зи­ки «Оп­ти­ка», изу­ча­ю­щим све­то­вые яв­ле­ния. Узна­ли об ис­точ­ни­ках света, о пря­мо­ли­ней­ном рас­про­стра­не­нии света в од­но­род­ной про­зрач­ной среде и све­то­вых яв­ле­ни­ях.

Вопросы к конспектам

Какие ис­точ­ни­ки света изоб­ра­же­ны на ри­сун­ке 5?
Какие ис­точ­ни­ки света изоб­ра­же­ны на ри­сун­ке 5?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *