Источники света. Распространение света. Тень и полутень

Настало время познакомиться с новым для вас разделом физики — оптикой.

Оптика — это раздел физики, изучающий свет и световые явления.

Свет исключительно важен как для человека, так и для большинства живых организмов на нашей планете. Благодаря ему мы хорошо ориентируемся в пространстве, различаем цвета. Он участвует во многих биологических процессах. Например, у человека свет регулирует выработку гормонов, ответственных за сон, активность и структуризацию настроения, а у растений под действием света происходит фотосинтез.

Изучение света дало гигантские плоды в различных исследованиях. В астрономии установлены законы движения планет и звёзд, их химический состав, в биологии — строение клетки живых организмов.

Свет кажется для нас абсолютно обыденной вещью. Но, если задуматься, появляется очень много вопросов. Что же такое свет? Какова его природа? Как он распространяется? На данном уроке вы узнаете ответы на эти вопросы.

Свет как физическое явление

Под действием света предметы, на которые он падает, нагреваются. Например, находясь на пляже в солнечный день, мы чувствуем тепло — наша кожа нагревается. Температура тел изменяется — изменяется и их внутренняя энергия. Это означает, что свет передает энергию этим телам.

Происходит изменение внутренней энергии с изменением температуры тела. Это уже известное нам определение теплопередачи. Она бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. Очевидно, что свет — это излучение, но лишь та его часть, которая заметна глазу. 

Свет — это видимое излучение.

{"questions":[{"content":"Свет относится к такому виду теплопередачи, как[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Излучение","Конвекция","Теплопроводность"],"answer":[0]}}}]}

Вспомним особенности излучения. Все они будут характерны и для света:

• Перенос энергии может осуществляться в вакууме
• Энергия частично поглощается телами, на которые падает свет. При этом они нагреваются.

Источники света

Источники света — это тела, от которых исходит свет.

Они могут быть естественными и искусственными.

К естественным источником света относятся те, присутствие в окружающем нас мире которых не связано с деятельностью человека, а только с природой. Солнце, звезды, атмосферные разряды — примеры естественных источников света. Также таковыми являются различные животные (рисунок 1). Например, светлячки, гнилушки, некоторые виды медуз и глубоководных рыб.

Искусственные источники света, в свою очередь, делятся на два вида (рисунок 2): тепловые и люминесцирующие. Они определяются тем процессом, который лежит в основе излучения.

Тепловыми искусственными источниками света являются электрические лампочки, пламя свечи, костра, газовой горелки и т. д. Люминесцирующие — это люминесцентные и газосветовые лампы.

Согласитесь, что мы видим не только источники света, но и огромное количество других предметов вокруг нас. Дело в том, что видим мы их только тогда, когда на них попадает свет.

При изучении световых явлений для нас будет важен размер источника света.

Точечный источник света — это светящиеся тело, размеры которого намного меньше расстояния, на котором мы оцениваем его действие.

К примеру, гигантские звезды, чей размер во много раз превосходит размер Солнца, для нас будут точечными источниками света. Определяет этот факт огромное расстояние от них до Земли.

Распространение света

Говоря о распространении света, мы будем использовать понятие светового луча.

Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется энергия от источника света.

О том, как распространяется свет, известно с древних времён. Об этом писал основатель геометрии Евклид (300 лет до н. э.).

Свет распространяется прямолинейно в однородной среде.

Это легко проверить на практике. Если мы поместим между своими глазами и источником света непрозрачный предмет, то мы не можем увидеть источник света.

{"questions":[{"content":"Свет распространяется [[fill_choice-1]] в [[fill_choice-5]] среде.","widgets":{"fill_choice-1":{"type":"fill_choice","options":["прямолинейно","неравномерно","криволинейно"],"answer":0},"fill_choice-5":{"type":"fill_choice","options":["однородной","ограниченной","любой"],"answer":0}}}]}

В древние времена прямолинейность распространения света часто использовалась при строительстве. Например, древние египтяне таким образом устанавливали колонны на одной линии. Смысл в том, чтобы из-за ближайшей к глазу колонны не были видны остальные.

Тень и полутень

В солнечные дни мы наблюдаем тени, отбрасываемые различными предметами, людьми, зданиями, растениями. В физике дополнительно используется понятие полутени. Образование тени и полутени объясняется прямолинейностью распространения света в однородной среде.

Рассмотрим получение тени (рисунок 3). Используя точечный источник света S (карманный фонарик), мы освещаем непрозрачный шар. Само слово «непрозрачный» говорит нам о том, что шар не пропускает свет, который на него падает. В затемненной комнате на экране образуется тень.

Тень — это та область пространства, в которую не попадает свет от источника.

Возьмем точку A на краю шара. Проведем прямую через точки S и A. Продолжим ее до экрана с тенью. Точка B окажется тоже на этой прямой. Таким образом, прямая SB — это луч света, который касается шара в точке A.

Проделав те же действия с другой стороны шара, мы получим луч света SC, который касается шара в точке B. 

Если бы свет распространялся не прямолинейно, то мы могли и не получить тень. Мы же получили четкую тень. Такая тень называется полной. Это получилось, потому что расстояние между нашим источником света и экраном намного меньше размеров используемой лампочки в фонарике.

Теперь возьмем большую лампу, размеры которой будут сравнимы с расстоянием от нее до экрана (рисунок 4).

На экране мы увидим небольшую тень в центре и частично освещенное пространство вокруг нее — полутень.

Полутень — это та область, в которую попадает свет от части источника света.

Давайте рассмотрим, как этот опыт подтверждает прямолинейное распространение света. В данном случае наш источник света — это множество точек. Каждая из них испускает лучи. В итоге, на экране мы видим области, в которые попадает свет от одних точек, а от других не попадает. В таких областях и образуется полутень (области A и B). При этом в центре все же будет полностью неосвещенная область — полная тень.

{"questions":[{"content":"Источник света является точечным, если его размеры[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["намного меньше расстояния, на котором мы оцениваем его действие","Намного больше расстояния, на котором мы оцениваем его действие","Соизмеримы с расстоянием, на котором мы оцениваем его действие"],"answer":[0]}}}]}

Солнечное и лунное затмения

Такие явления, как затмения Солнца или Луны, объясняются образованием тени при попадании света на непрозрачный объект.

Луна непрерывно движется вокруг нашей планеты. Иногда Земля оказывается в положении между Солнцем и Луной. Происходит лунное затмение (рисунок 5, а). А порой Луна находится между Землей и Солнцем. Тогда наблюдается солнечное затмение (рисунок 5, б).

Во время лунного затмения Луна попадает в тень, которую отбрасывает Земля. При солнечном затмении на некоторые участки Земли падает тень — происходит полное затмение (область A на рисунке 5, б). Также есть области, в которых только часть Солнца закрыта Луной. В них образуется полутень (область B на рисунке 5, б). Это явление называется частным затмением. В других областях Земли затмение наблюдаться не будет.

{"questions":[{"content":"При солнечном затмении на поверхности Земли образуются области[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Тени","Полутени","Видимого излучения","Повышенной солнечной радиации"],"answer":[0,1]}}}]}

Солнечные и лунные затмения представляют большой интерес для ученых. Так как движения Луны и Земли хорошо изучены, существует их календарь на многие годы вперед. 

При полном солнечном затмении ученые получают  возможность наблюдать внешнюю часть атмосферы Солнца — солнечную корону. В обычных условиях ее просто не видно из-за яркого блеска поверхности Солнца.