Световые явления, причины появления. Примеры световых явлений

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

• Участник:Максимова Анна Алексеевна
• Руководитель:Гусарова Ирина Викторовна

Цель работы – изучить световые явления и свойства света на опытах, рассмотреть три основных свойства света: прямолинейность распространения, отражение и преломление света в разных по плотности средах.

Задачи:

1. Подготовить оборудование.
2. Провести необходимые опыты.
3. Проанализировать и оформить результаты.
4. Сделать вывод.

Актуальность

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся со световыми явлениями и их различными свойствами, работа многих современных механизмов и приборов также связана со свойствами света. Световые явления стали неотъемлемой частью жизни людей, поэтому их изучение актуально.

Приведённые ниже опыты объясняют такие свойства света, как прямолинейность распространения, отражение и преломление света.

Для провидения и описания опытов использовано 13-е стереотипное издание учебника А. В. Перышкина «Физика. 8 класс.» (Дрофа, 2010)

Техника безопасности

Электрические приборы, задействованные в опыте, полностью исправны, напряжение на них не превышает 1.5 В.

Оборудование устойчиво размещено на столе, рабочий порядок соблюдён.

По окончанию проведения опытов электрические приборы выключены, оборудование убрано.

Опыт 1. Прямолинейное распространение света. (стр. 149, рис. 120), (стр.149, рис. 121)

Цель опыта – доказать прямолинейность распространения световых лучей в пространстве на наглядном примере.

Прямолинейное распространение света – его свойство, с которым мы встречаемся наиболее часто. При прямолинейном распространении энергия от источника света направляется к любому предмету по прямым линиям (световым лучам), не огибая его. Этим явлением можно объяснить существование теней. Но кроме теней существуют еще и полутени, частично освещённые области. Чтобы увидеть, при каких условиях образуются тени и полутени и как при этом распространяется свет, проведём опыт.

Оборудование: непрозрачная сфера (на нити), лист бумаги, точечный источник света (карманный фонарь), непрозрачная сфера (на нити) меньше размером, для которой источник света не будет являться точечным, лист бумаги, штатив для закрепления сфер.

Ход опыта

Образование тени

1. Расположим предметы в порядке карманный фонарь-первая сфера (закреплённая на штативе)-лист.
2. Получим тень, отображённую на листе.

Мы видим, что результатом эксперимента стала равномерная тень. Предположим, что свет распространялся прямолинейно, тогда образование тени можно легко объяснить: свет, идущий от точечного источника по световому лучу, касающийся крайних точек сферы продолжил идти по прямой линии и за сферой, из-за чего на листе пространство за сферой не освещено.

Предположим, что свет распространялся по кривым линиям. В этом случае лучи света, искривляясь, попали бы и за сферу. Тени бы мы не увидели, но в результате проведения опыта тень появилась.

Теперь рассмотрим случай, при котором образуется полутень.

Образование тени и полутени

1. Расположим предметы в порядке карманный фонарь-вторая сфера (закреплённая на штативе)-лист.
2. Осветим сферу карманным фонарём.
3. Получим тень, а также и полутень, отображённые на листе.

В этот раз результаты эксперимента – тень и полутень. Как образовалась тень уже известно из примера выше. Теперь, чтобы показать, что образование полутени не противоречит гипотезе о прямолинейном распространении света, необходимо пояснить это явление.
В этом опыте мы взяли источник света, не являющийся точечным, то есть состоящий из множества точек, по отношению к сфере, каждая из которых испускает свет во всех направлениях. Рассмотрим самую верхнюю точку источника света и световой луч, исходящий из неё к самой нижней точке сферы. Если пронаблюдать за движением луча за сферой до листа, то мы заметим, что он попадает на границу света и полутени. Лучи из подобных точек, идущие в таком направлении (от точки источника света к противоположной точке освещаемого предмета) и создают полутень. Но если рассматривать направление светового луча из выше обозначенной точки к верхней точке сферы, то будет отлично видно, как луч попадает в область полутени.

Из этого опыта мы видим, что образование полутени не противоречит прямолинейному распространению света.

Вывод

С помощью этого опыта я доказала, что свет распространяется прямолинейно, образование тени и полутени доказывает прямолинейность его распространения.

Явление в жизни

Прямолинейность распространения света широко применяется на практике. Самым простым примером является обыкновенный фонарь. Также это свойство света используется во всех устройствах, в составе которых есть лазеры: лазерные дальномеры, приспособления для резки металла, лазерные указки.

В природе свойство встречается повсеместно. Например, свет, проникающий через просветы в кроне дерева, образует хорошо различимую прямую линию, проходящую сквозь тень. Конечно, если говорить о больших масштабах, стоит упомянуть о солнечном затмении, когда луна отбрасывает тень на землю, из-за чего солнце с земли (естественно, речь идет о затененном ее участке) не видно. Если бы свет распространялся не прямолинейно, этого необычного явления не существовало бы.

Опыт 2. Закон отражения света. (с.154, рис. 129)

Цель опыта – доказать, что угол падения луча равен углу его отражения.

Отражение света также является важнейшим его свойством. Именно благодаря отражённому свету, который улавливается человеческим глазом, мы можем видеть какие-либо объекты.

По закону отражения света, лучи, падающий и отражённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым к границе раздела двух сред в точке падения луча; угол падения равен углу отражения. Проверим, равны ли данные углы, на опыте, где в качестве отражающей поверхности возьмём плоское зеркало.

Оборудование: специальный прибор, представляющий собой диск с нанесённой круговой шкалой, укреплённый на подставке, в центре диска находится небольшое плоское зеркало, расположенное горизонтально (такой прибор можно изготовить в домашних условиях, используя вместо диска с круговой шкалой транспортир.), источник света – осветитель, прикреплённый к краю диска или лазерная указка, лист для нанесения измерений.

Ход опыта

1. Расположим лист за прибором.
2. Включим осветитель, направляя его на центр зеркала.
3. Проведем перпендикуляр к зеркалу в точку падения луча на листе.
4. Измерим угол падения (ﮮα).
5. Измерим полученный угол отражения (ﮮβ).
6. Запишем результаты.
7. Изменим угол падения, передвигая осветитель, повторим пункты 4, 5 и 6.
8. Сравним результаты (величину угла падения с величиной угла отражения в каждом случае).

Результаты опыта в первом случае:

∠α = 50°

∠β = 50°

∠α = ∠β

Во втором случае:

∠α = 25°

∠β = 25°

∠α = ∠β

Из опыта видно, что угол падения светового луча равен углу его отражения. Свет, попадая на зеркальную поверхность, отражается от неё под тем же углом.

Вывод

С помощью опыта и проведённых измерений я доказала, что при отражении света угол его падения равен углу отражения.

Явление в жизни

С этим явлением мы встречаемся повсеместно, так как воспринимаем глазом отражённый от предметов свет. Ярким видимым примером в природе могут служить блики яркого отражённого света на воде и на других поверхностях с хорошей отражательной способностью (поверхность поглощает меньше света чем отражает). Также, следует вспомнить солнечные зайчики, которые может пускать с помощью зеркала каждый ребёнок. Они не что иное, как отражённый от зеркала луч света.

Человек использует закон отражения света в таких приборах, как перископ, зеркальный отражатель света (к примеру, отражатель на велосипедах).

Кстати, с помощью отражения света от зеркала фокусники создавали многие иллюзии, например, иллюзию «Летающая голова». Человек помещался в ящик среди декораций так, что из ящика была видна только его голова. Стенки ящика закрывали наклонённые к декорациям зеркала, отражение от которых не давало увидеть ящик и казалось, что под головой ничего нет и она висит в воздухе. Зрелище необычное и пугающее. Фокусы с отражением имели место и в театрах, когда на сцене нужно было показать призрака. Зеркала «затуманивали» и наклоняли так, чтобы отражённый свет из ниши за сценой был виден в зрительном зале. В нише уже появлялся актёр, играющий призрака.

Опыт 3. Преломление света. (стр. 159, рис. 139)

Цель опыта - доказать, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред; доказать, что угол падения светового луча (≠ 0°), идущего из менее плотной среды в более плотную, больше угла его преломления.

В жизни мы часто встречаемся с преломлением света. Например, кладя в прозрачный стакан с водой совершенно прямую ложку мы видим, что её изображение изгибается на границе двух сред (воздуха и воды), хотя на самом деле ложка остаётся прямой.

Чтобы получше рассмотреть это явление, понять, почему оно происходит и доказать закон преломления света (лучи, падающий и преломлённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым к границе раздела двух сред в точке падения луча; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух сред) на примере, проведём опыт.

Оборудование: две среды разной плотности (воздух, вода), прозрачная тара для воды, источник света (лазерная указка), лист бумаги.

Ход опыта

1. Нальём воду в тару, за ней на некотором расстоянии разместим лист.
2. Направим луч света в воду под углом, ≠ 0°, так как при 0° преломления не происходит, а луч переходит в другую среду без изменений.
3. Проведем перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча.
4. Измерим угол падения светового луча (∠α ).
5. Измерим угол преломления светового луча (∠β ).
6. Сравним углы, составим отношение их синусов (для нахождения синусов можно воспользоваться таблицей Брадиса).
7. Запишем результаты.
8. Изменим угол падения, передвигая источник света, повторим пункты 4-7.
9. Сравним значения отношений синусов в обоих случаях.

Предположим, что световые лучи, проходя через среды разной плотности, испытывали преломление. При этом углы падения и преломления не могут быть равны, а отношения синусов этих углов не равны одному. Если преломления не произошло, то есть свет перешёл из одной среды в другую, не меняя своё направление, то данные углы будут равными (отношение синусов равных углов равно одному). Чтобы подтвердить или опровергнуть предположение, рассмотрим результаты опыта.

Результаты опыта в первом случае:

∠α = 20

∠β = 15

∠α >∠β

sin∠α = 0,34 = 1,30

sin∠β 0,26

Результаты опыта во втором случае:

∠α ˈ= 50

∠β ˈ= 35

∠α ˈ > ∠β ˈ

sin∠α ˈ= 0,77 = 1,35

sin∠β ˈ 0,57

Сравнение отношений синусов:

1,30 ~1,35 (из-за погрешностей в измерениях)

sin∠α = sin∠α ˈ = 1,3

sin∠β sin∠β ˈ

По результатам опыта при преломлении света, идущего из менее плотной среды в более плотную, угол падения больше угла преломления. отношения синусов падающих и преломлённых углов равны (но не равны одному), то есть являются постоянной величиной для двух данных сред. Направление луча при попадании в среду другой плотности изменяется из-за изменения скорости света в среде. В более плотной среде (здесь - в воде) свет распространяется медленнее, поэтому и изменяется угол прохождения света сквозь пространство.

Вывод

С помощью проведённого опыта и измерений я доказала, что при преломлении света отношение синуса угла падения к синусу угла преломления – величина постоянная для обоих сред, при прохождении световых лучей из менее плотной среды в более плотную, угол падения меньше угла преломления.

Явление в жизни

С преломлением света мы также встречаемся довольно часто, можно привести множество примеров искажения видимого изображения при прохождении сквозь воду и другие среды. Наиболее интересный пример – возникновение миража в пустыне. Мираж происходит при преломлении световых лучей, проходящих из теплых слоёв воздуха (менее плотных) в холодные слои, что нередко можно наблюдать в пустынях.

Человеком преломление света используется в различных устройствах, содержащих линзы (свет преломляется при прохождении сквозь линзу). Например, в оптических приборах, таких как бинокль, микроскоп, телескоп, в фотоаппаратах. Также человек изменяет направление света с помощью его прохождения сквозь призму, где свет преломляется несколько раз, входя и выходя из неё.

Цели работы достигнуты.

Позволяет определять расположение и движение планет, Солнца, Луны и других светил. Световые явления в природе мы наблюдаем повсеместно. В этом нам помогают глаза, а также специальные приборы, которые дают возможность узнать о строении небесных тел, даже тех, что находятся на расстоянии миллиардов километров от Земли. Наблюдения в телескоп и фотографирование планет позволило изучить облачный покров, скорость вращения, особенности поверхностей.

Природа планеты Земля дарит нам неповторимые, редкие, красивые и невероятные явления природы.

Разновидности световых эффектов

Вот только некоторые из них:

Окологоризонтальная дуга. Ее еще называют "огненной радугой". Когда свет проходит сквозь кристаллы льда перистых облаков, небосвод покрывается цветными полосами, а небо как будто покрыто "радужной пленкой". Подобные световые явления встречаются очень редко, так как природный феномен возникает только тогда, когда кристаллы льда и солнечные лучи по отношению друг к другу оказываются под определенным углом.

Радужные облака. Такой эффект тоже зависит от того, как Солнце расположено к капелькам воды из облаков. Расцветку определяет различная длина световых волн.

"Призрак Броккена". Удивительные световые явления наблюдаются в некоторых районах нашей планеты: если за спиной человека, стоящего на холме или горе, заходит или восходит солнце, он может обнаружить, что его тень, которая падает на облака, увеличивается до неправдоподобных размеров. Это происходит из-за преломления солнечных лучей мельчайшими каплями тумана. Такой эффект регулярно наблюдается на вершине Броккен в Германии.

Гало. Иногда вокруг Луны и Солнца возникают белые окружности. Это происходит в результате отражения или преломления света кристаллами снега или льда. В морозную погоду гало, которые образуются кристаллами снега и льда на земле, отражают свет и рассеивают его в разных направлениях, в результате чего образуется эффект, называемый "бриллиантовой пылью".

Паргелий. Слово "паргелий" означает "ложное солнце". Является разновидностью гало: на небе наблюдается несколько дополнительных Солнц, расположенных на уровне с настоящим.

Всем известно такое атмосферное явление как радуга, которое возникает после дождя - самое прекрасное атмосферное явление.

Северное сияние. Подобные световые явления наблюдаются в полярных областях. Предполагается, что такой же феномен есть и в атмосфере других планет, Венеры, например. Ученые считают, что полярные сияния возникают в результате бомбардировки верхнего атмосферного слоя заряженными частицами, которые движутся к Земле параллельно силовым линиям геомагнитного поля из космического пространства, называемого плазменным слоем.

Поляризация - это ориентированность в пространстве электромагнитных колебаний световых волн. Это явление возникает тогда, когда свет падает на поверхность под определенным углом и, отражаясь, становится поляризованным. Такое небо можно увидеть при помощи фильтра фотокамеры.

Звездный след. Явление можно запечатлеть фотокамерой, а невооруженным глазом это сделать невозможно.

Корона вокруг Солнца - это небольшие цветные венцы вокруг данной планеты или ярких объектов. Они изредка наблюдаются в тех случаях, когда источники света скрыты за полупрозрачными облаками, и возникает при рассеивании лучей света водяными мелкими капельками, образующими облако.

Мираж - этот оптический эффект, который обусловлен преломлением лучей света при прохождении сквозь слои воздуха с разной плотностью. Он выражается возникновением обманного изображения. Миражи чаще всего наблюдаются в жарком климате, преимущественно в пустынях. Иногда они отображают целые объекты, которые находятся от наблюдателя на большом расстоянии.

Столбы света. Это такие световые явления, когда свет отражается от кристаллов льда, и образуются вертикальные светящиеся столбы, будто выходящие с поверхности земли. Источником в этом случае является Луна, Солнце или искусственные огни.

93. Что называют источниками света (§49)?

Все тела, от которых исходит свет, называют источниками света . Различают тепловые и люминесцирующие источники света, источники отраженного света:

- тепловые источники света излучают свет потому, что имеют высокую температуру (Солнце, звезды, пламя, нить электрической лампы); тела начинают излучать свет при температуре около 800 °С; электрическую лампу изобрёл Александр Николаевич Лодыгин (1847-1923, Россия), современный вид лампе передал Томас Эдисон (1847-1931, США);

- люминесцирующие источники света – это холодные источники света, излучение которых не зависит от температуры (люминесцентные и газосветные лампы, экран телевизора, монитор компьютера, дисплей электронных устройств, светодиоды, гнилушки, светлячки, некоторые морские животные);

- источники отраженного света сами не излучают; они светятся только тогда, когда на них падает свет от некоторого источника. Например, Луна, планеты и их спутники, искусственные спутники Земли отражают свет Солнца; ночью предметы видим потому, что они отражают лунный свет или свет от тепловых и люминесцентных источников.

94. Как распространяется свет в однородной среде (§50)?

В однородной среде, состоящей из одного и того же вещества (например, воздуха, стекла, воды) свет распространяется прямолинейно .

Прямолинейное распространение света установил основатель геометрии Евклид (325-265 до н. э., Др. Греция).

95. Что такое световой пучок и световой луч (§51)?

- Световой пучок представляет собой узкий ограниченный световой поток; световые пучки можно выделить с помощью малых отверстий в непрозрачных пластинах, называемых диафрагмами .

Пучок света может быть параллельным (а), расходящимся (б), сходящимся (в).

Световые пучки от разных источников не зависят друг от друга и не влияют на распространение друг друга. Это свойство называют независимостью световых пучков .

- Световой луч – это линия, указывающая направление распространения света и используется для изображения световых пучков.

96. Что такое точечный источник света (§52)?

Точечный источник света – это такой источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием от него до наблюдателя.

97. Что такое тень и полутень (§52).

- Тень – это область пространства за предметом, в которую не попадает свет от источника. Тень от предметов образуется при освещении их точечными источниками света.

- Полутень – это область, в которую попадает свет только от части источника света.

При освещении предметов протяженными источниками света образуется область тени и полутени. Например, когда Луна оказывается между Солнцем и Землей, от Луны на Землю падает область тени (полное солнечное затмение) и полутени (частное солнечное затмение).

98. В чём заключается закон отражения света (§53)?

Закон отражения света заключается в том, что:

Угол отражения света равен углу падения:

Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

Падающий и отражённый лучи обратимы. Например, если световой пучок падает на зеркало в направлении АО, то отражаться он будет в направлении ОВ; если же свет будет падать на зеркало в направлении ВО, то отраженным будет луч ОА.

99. Что такое зеркальное и диффузное отражение света (§53)?

- Зеркальным называют такое отражение, когда гладкую (зеркальную) поверхность, остается параллельным и после отражения. Зеркально отражают гладкие полированные поверхности, зеркала, водная гладь.

- Диффузным называют такое отражение, когда параллельный пучок света, падающий на шероховатую поверхность, отражается рассеянно, т.е. лучи будут направлены в разные стороны. Благодаря диффузному (рассеянному) отражению мы видим окружающие предметы, окружающий мир.

100. По каким законам изображается предмет в плоском зеркале (§54)?

- Плоское зеркало даёт прямое и мнимое изображение предмета.

Изображение предмета в плоском зеркале имеет те же размеры, что и предмет.

Расстояние от предмета до плоского зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения, т.е. предмет и его изображение симметричны относительно зеркала.

Плоское зеркало даёт мнимое (недействительное, кажущееся) изображение предмета.

101. Какие сферические зеркала вы знаете и какими параметрами они характеризуются (§55)?

- Сферические зеркала являются частью поверхности полого шара. Сферические зеркала бывают вогнутые и выпуклые . У вогнутого зеркала зеркальной является внутренняя вогнутая поверхность полого шара. У выпуклого зеркала зеркальной является внешняя выпуклая поверхность полого шара.

Сферические зеркала характеризуются полюсом , оптическим центром, радиусом, главной оптической осью, главным фокусом и фокусным расстоянием.

На рисунке: т. С – полюс зеркала; т. О – оптический центр; СО – радиус зеркала; прямая СО – главная оптическая ось зеркала; т. F – главный фокус зеркала; расстояние FC – фокусное расстояние зеркала.

Вогнутые зеркала применяются:

Когда нужно создать параллельный пучок света. Для этого светящуюся лампу помещают в фокусе зеркала. Это используется в фонарях, фарах автомобилей, прожекторах:

Когда нужно собрать в фокусе падающий на зеркало пучок параллельных лучей. Это используется в телескопе-рефлекторе.

102. Что называют преломлением света (§57)?

Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.

103. Чем характеризуется оптическая плотность среды (§57)?

Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней. Чем больше скорость распространения света, тем меньше оптическая плотность среды. Например, оптическая плотность вакуума, где скорость света максимальная и составляет = 300 000 км/с, равна 1.

104. Как формулируется закон преломления света (§57)?

- Если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную (например, из воздуха в воду), то угол преломления меньше угла падения ( < ).

Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную (например, из воды в воздух), то угол преломления больше угла падения ( > ).

Лучи падающий и преломлённый, а также перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.

- Синус угла падения так относится к синусу угла преломления, как скорость света в первой среде к скорости света во второй среде: .

105. Что называют предельным углом полного внутреннего отражения (§58)?

Явление полного внутреннего отражения наблюдается при переходе луча света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду. Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение, называют предельным углом полного внутреннего отражения.

Явление полного внутреннего отражения используется, например, в призмах для изменения направления световых лучей. Такие призмы применяются в биноклях, перископах.

106. Что называют световодом и волоконной оптикой (§59)?

Гибкие стеклянные стержни, в которых входящий с одного конца световой луч, многократно испытывая полное внутреннее отражение, полностью выйдет с другого конца, называется световодом. Новая отрасль оптики, основанная на использовании световодов для передачи информации, называется волоконной оптикой.

107. Что называют линзой? Какие бывают типы линз (§60)?

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линзы бывают выпуклые (собирающие) и вогнутые (рассеивающие).

108. Что называют оптическим центром, главным фокусом и фокусным расстоянием линзы (§60)?

- Главная оптическая ось – это линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу.

- Оптический центр линзы – это точка, через которую лучи света проходят без преломления. Через оптический центр линзы лучи проходят без преломления.

- Главный фокус линзы – это точка, в которой после преломления соберутся лучи света, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

109. Что называют оптической силой линзы (§60)?

Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы: . Оптическая сила измеряется в диоптриях (дптр). 1 дптр = 1/м.

110. Как читается формула линзы (§61)?

Сумма величин, обратных расстояниям от предмета до линзы и от линзы до изображения , равна величине, обратной фокусному расстоянию : .

111. Чему равно увеличение линзы (§61)?

Увеличение линзы равно отношению расстояния от линзы до изображения к расстоянию от предмета до линзы : .

112. Из каких частей состоит глаз (§63)?

Глаз человека имеет шарообразную форму диаметром 25 см. Снаружи покрыт прочной белой оболочкой, называемой склерой (1) . Передняя прозрачная часть склеры называется роговицей (2) . За роговицей расположена радужная оболочка (3), определяющая цвет глаза. В центре радужной оболочки находится зрачок , за которым расположен прозрачный хрусталик (4) , имеющий форму собирающей линзы. Оптическая система глаза даёт на его задней стенке, называемой сетчаткой (5) , действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение предмета.

113. Что называют (§63): аккомодацией глаза? углом зрения ? расстоянием наилучшего зрения?

- Аккомодацией глаза называется приспособление глаза к изменению расстояния до предмета за счёт регулирования кривизны хрусталика.

- Углом зрения называют угол, под которым виден предмет из оптического центра глаза.

- Расстояние наилучшего зрения у нормального глаза взрослого человека составляет 25 см, у детей – около 10 см.

114. Чем отличаются недостатки зрения близорукость и дальнозоркость (§64)?

Известны два основных недостатка зрения: близорукость и дальнозоркость .

Отчётливое изображение предмета у близоруких людей получается перед сетчаткой, у дальнозорких – за сетчаткой глаза.

Близорукость исправляется ношением очков с рассеивающими (вогнутыми) линзами, дальнозоркость – с собирающими (выпуклыми) линзами.

115. Назовите оптические приборы и их назначения (§64).

Оптическими приборами называются приборы, действие которых основано на использовании линз. Это:

- очки , применяемые для исправления близорукости и дальнозоркости;

- лупа – линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов;

- микроскоп , предназначенный для рассмотрения микроскопических тел;

- бинокль для наблюдения удалённых тел;

- телескоп для изучения небесных тел;

- перископ для наблюдения из-за укрытия;

- фотоаппарат для получения четких фотографических снимков предметов;

- проекционные аппараты – диапроектор, кинопроектор, графопроектор – предназначенные для получения увеличенного изображения предмета на экране.

116. Как вычисляют увеличение лупы (§64)?

Лупа – это линза с малым фокусным расстоянием (от 1 до 10 см), используемая для рассматривания мелких предметов.

Увеличение лупы равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию лупы : .

117. Что называют спектром белого цвета (§65)?

Белый цвет сложный; он состоит из семи простых цветов.

Спектром белого цвета называется разноцветная полоса, полученная в результате разложения белого света и состоящая из семи простых цветов: красного, оранжевого, желтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).

Если параллельный пучок света направить на трехгранную призму, то на экране получается разноцветная полоса, называемая спектром белого света. Спектр возникает потому, что пучки разного цвета по-разному преломляются призмой. Лучи красного цвета преломляются слабее, а лучи фиолетового цвета – сильнее. Остальные цвета располагаются между ними.

Примером спектра солнечного света является радуга, образующаяся при разложении белого света на прозрачных каплях дождя.

118. Какие цвета называют (§66): дополнительными? основными?

- Дополнительными называют цвета, дающие при сложении белый цвет.

- Три спектральных цвета – красный, зелёный и синий – называют основными . Потому что ни один из них нельзя получить при сложении других цветов спектра; сложение этих трёх цветов может дать белый цвет; в зависимости о того, в какой пропорции складываются эти цвета, можно получить разные цвета и оттенки.

119. Объясните происхождение (§67): а) бесцветности тел, б) прозрачности тел, в) цвета поверхности тел.

На границе раздела двух сред происходят три явления: отражение (рассеивание), преломление, поглощение света. Цвет тела, освещаемого белым светом, зависит от того, свет какого цвета это тело рассеивает, пропускает или поглощает.

Прозрачные или бесцветные тела, (например, стекло, вода, воздух), слабо отражают и попускают насквозь все цвета белого света.

Красное стекло поглощает все цвета, кроме красного. Зеленое стекло поглощает все цвета, кроме зеленого.

Цвет тела, освещаемого белым светом, определяется тем цветом, который он отражает. Например, красное тело отражает красный цвет, а остальные цвета поглощает.

Белое тело (бумага, снег, холст) отражает все цвета.

птические явления в природе.

Явления, связанные с отражением света. Предмет и его отражение.

То, что отражённый в воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут «вверх ногами», далеко не так. Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем «исчезнет», если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.

Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.

Радуга.

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека.

Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.

Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1- 2 км, а иногда её можно наблюдать на расстоянии 2- 3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой. Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяющимися цветами, малые – дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли.

Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно.

Полярные сияния.

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние. В большинстве случаев полярные сияния имеют зелёный или сине-зелёный оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета. Полярные сияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде пятен.

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на порядок. К 1-ому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же 4-ого класса освещают Землю так ярко, как полная Луна.

Световой луч в геометрической оптике - линия, вдоль которой переносится световая энергия. Менее четко, но более наглядно, можно назвать световым лучом пучок света 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.

Закон прямолинейного распространения света: в прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям.

В связи с законом прямолинейного распространения света появилось понятие световой луч, которое имеет геометрический смысл как линия, вдоль которой распространяется свет. Реальный физический смысл имеют световые пучки конечной ширины. Световой луч можно рассматривать как ось светового пучка. Поскольку свет, как и всякое излучение, переносит энергию, то можно говорить, что световой луч указывает направление переноса энергии световым пучком. Также закон прямолинейного распространения света позволяет объяснить, как возникают солнечные и лунные затмения (На рисунке изображено солнечное затмение. При лунном затмении Луна и Земля "меняются" местами).

Дисперсия света (разложение света) - это явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества от длины волны (или частоты) света (частотная дисперсия), или, что то же самое, зависимость фазовой скорости света в веществе от длины волны (или частоты). Экспериментально открыта Ньютоном около 1672 года, хотя теоретически достаточно хорошо объяснена значительно позднее.

Цвет - качественная субъективная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании возникающего физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов.

Ощущение цвета возникает в мозге при возбуждении и торможении цветочувствительных клеток - рецепторов глазной сетчатки человека или другого животного, колбочках. Считается (хотя на сегодняшний день так никем и не доказано), что у человека и приматов существует три вида колбочек различающихся по спектральной чувствительности - условно «красные», условно «зелёные» и условно «синие». Светочувствительность колбочек невысока, поэтому для хорошего восприятия цвета необходима достаточная освещённость или яркость. Наиболее богаты цветовыми рецепторами центральные части сетчатки.

Каждое цветовое ощущение у человека может быть представлено в виде суммы ощущений этих трёх цветов (т.н. «трёхкомпонентная теория цветового зрения»). Установлено, что рептилии, птицы и некоторые рыбы имеют более широкую область ощущаемого оптического излучения. Они воспринимают ближний ультрафиолет (300-380 нм), синюю, зелёную и красную часть спектра. При достижении необходимой для восприятия цвета яркости наиболее высокочувствительные рецепторы сумеречного зрения - палочки - автоматически отключаются.

Отражение - явление частичного или полного возвращения волн (электромагнитных), достигающих границы раздела двух сред (препятствия), в ту среду, из которой они подходят к этой границе.

Закон отражения света - устанавливает изменение направления хода светового луча в результате встречи с отражающей (зеркальной) поверхностью: падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части. Широко распространённая, но менее точная формулировка «угол отражения равен углу падения» не указывает точное направление отражения луча.

Универсальным в физике понятием является скорость света c . Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах скорость света v уменьшается: v = c / n , где n есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света n = n(v).

Преломление - изменение направления распространения волн электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Преломление света на границе двух сред даёт парадоксальный зрительный эффект: пересекающие границу раздела прямые предметы в более плотной среде выглядят образующими больший угол с нормалью к границе раздела (то есть преломлёнными «вверх»); в то время как луч, входящий в более плотную среду, распространяется в ней под меньшим углом к нормали (то есть преломляется «вниз»). Этот же оптический эффект приводит к ошибкам в визуальном определении глубины водоёма, которая всегда кажется меньше, чем есть на самом деле.

Преломление света в атмосфере Земли приводит к тому, что мы наблюдаем восход Солнца несколько раньше, а закат несколько дольше, чем это имело бы место при отсутствии атмосферы По той же причине вблизи горизонта диск Солнца выглядит заметно сплющенным вдоль вертикали.

Закон Снеллиуса преломления света описывает преломление света на границе двух сред. Также применим и для описания преломления волн другой природы, например звуковых.

Угол падения света на поверхность связан с углом преломления соотношением

Здесь:
n 1 - показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела;

A 1 - угол падения света - угол между падающим на поверхность лучом и нормалью к поверхности;

n 2 - показатель преломления среды, в которую свет попадает, пройдя границу раздела;

A 2 - угол преломления света - угол между прошедшим через поверхность лучом и нормалью к поверхности.

Линза - деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы.

В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих - линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно, только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например, пузырёк воздуха в воде - двояковыпуклая рассеивающая линза.

Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием.

Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным пучком, то при выходе из неё лучи преломятся под большим углом, и точка F, точка пересечения этих лучей, переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом F , а расстояние от центра линзы до фокуса - фокусным расстоянием .

Оптическая сила - величина, характеризующая преломляющую способность осесимметричных линз и центрированных оптических систем из таких линз. Измеряется оптическая сила в диоптриях (в системе СИ) и обратно пропорциональна фокусному расстоянию:

Построение изображений, что даёт тонкая линза.

Рассмотрим луч SA произвольного направления, падающий на линзу в точке A. Построим линию его распространения после преломления в линзе. Для этого построим луч OB, параллельный SA и проходящий через оптический центр O линзы. По первому свойству линзы луч OB не изменит своего направления и пересечёт фокальную плоскость в точке B. По второму свойству линзы параллельный ему луч SA после преломления должен пересечь фокальную плоскость в той же точке. Таким образом, после прохождения через линзу луч SA пойдёт по пути AB.

Аналогичным образом можно построить другие лучи, например луч SPQ.

Обозначим расстояние SO от линзы до источника света через u, расстояние OD от линзы до точки фокусировки лучей через v, фокусное расстояние OF через f. Выведем формулу, связывающую эти величины.

Рассмотрим две пары подобных треугольников: 1) SOA и OFB; 2) DOA и DFB. Запишем пропорции

Разделив первую пропорцию на вторую, получим

После деления обоих частей выражения на v и перегруппировки членов, приходим к окончательной формуле

Фотометрия. Сила света и освещённость.

Фотометрия - общая для всех разделов прикладной оптики научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения.

Сила света - это количественная величина потока излучения, приходящегося на единицу телесного угла предела его распространения. Иными словами это количество света (в люменах), приходящееся на 1 стерадиан.

Телесный угол нужно выбирать таким образом, чтобы ограничиваемый им поток можно было бы считать наиболее равномерным. Тогда единица телесного угла в этом направлении от источника будет содержать силу света численно равную световому потоку

Единица измерения СИ: кандела (кд) = люмен (лм) / стерадиан (ср)

Освещенность - физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности:

Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмен/кв.метр).

Световой поток - физическая величина, характеризующая «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения. Иными словами, это мощность такого излучения, которое доступно для восприятия нормальным человеческим глазом (Ф).

Глаз - сенсорный орган человека и животных, обладающий способностью воспринимать электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн и обеспечивающий функцию зрения. Через глаз поступает 90 процентов информации из окружающего мира.

Близоруким называется такой глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит внутри глаза. Близорукость может быть обусловлена большим удалением сетчатки от хрусталика по сравнению с нормальным глазом. Если предмет расположен на расстоянии 25 см от близорукого глаза, то изображение предмета получится не на сетчатке, а ближе к хрусталику, впереди сетчатки. Чтобы изображение оказалось на сетчатке, нужно приблизить предмет к глазу. Поэтому у близорукого глаза расстояние наилучшего видения меньше 25 см. Дальнозорким называется глаз, у которого фокус при спокойном состоянии глазной мышцы лежит за сетчаткой. Дальнозоркость также может быть обусловлена тем, что сетчатка расположена ближе к хрусталику по сравнению с нормальным глазом и изображение предмета получается за сетчаткой такого глаза. Если предмет удалить от глаза, то изображение попадёт на сетчатку, отсюда и название этого недостатка - дальнозоркость.

Близорукость и дальнозоркость устраняются применением линз. Изобретение очков явилось великим благом для людей, имеющих недостатки зрения.

У близорукого глаза изображение получается внутри глаза впереди сетчатки. Чтобы оно передвинулось на сетчатку, нужно уменьшить оптическую силу преломляющей системы глаза. Для этого применяют рассеивающую линзу.

Оптическую силу системы дальнозоркого глаза нужно, наоборот, усилить, чтобы изображение попало на сетчатку. Для этого используют собирающую линзу.

Оптические приборы.

Оптические приборы - устройства, в которых излучение какой-либо области спектра (ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной) преобразуется (пропускается, отражается, преломляется, поляризуется). Они могут увеличивать, уменьшать, улучшать (в редких случаях ухудшать) качество изображения, давать возможность увидеть искомый предмет косвенно.

Термин "Оптические приборы" является частным случаем более общего понятия оптических систем, которое также включает в себя биологические органы, способные преобразовывать световые волны.

Зрительная (подзорная) труба - оптический прибор для наблюдения удалённых объектов, состоит из объектива, создающего действительное изображение объектов, и окуляра для увеличения этого изображения.

Микроскоп - прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых невооружённым глазом. Представляет собой совокупность линз.

Лупа - оптическая система, состоящая из линзы или нескольких линз, предназначенная для увеличения и наблюдения мелких предметов, расположенных на конечном расстоянии.

Если Вам понравилась эта страница, и Вам захотелось, чтобы Ваши друзья тоже её увидели, то выберите внизу значок социальной сети, где вы имеете свою страницу, и выразите своё мнение о содержании.

Ваши друзья и случайные посетители благодаря этому добавят Вам и моему сайту рейтинг

Первая задача посвящена прямолинейному распространению света в однородной прозрачной среде.

Первый закон геометрической оптики: в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

Высота дерева - 21 метр. Высота человека - 1,75 метра. Тень, которую отбрасывает человек, составляет 3 метра. Определите длину тени, которую будет отбрасывать дерево.

Решение задачи (рис. 1)

Рис. 1. Иллюстрация к задаче

Решение задачи связано с подобием треугольников.

Ответ: 36 метров

Вторая задача связана с законом отражения.

Если расположить параллельно друг другу два плоских зеркала, между ними поставить зажженную свечу, какое количество изображений мы сможем наблюдать?

Решение задачи

Посмотрим, как создается изображение в плоских зеркалах (рис. 2).

Рис. 2. Иллюстрация к задаче

Рассмотрим левое зеркало. В нем мы получим мнимое изображение источника света, которое будет находиться на таком же расстоянии, как источник света. В правом зеркале мы получаем такое же отражение. Далее, в левом зеркале мы получим изображение отражения, а в правом зеркале мы видим то изображение, которое было изначально. Такое рассуждение можно продолжать до бесконечности.

Следующая задача относится к закону преломления.

Фокусное расстояние собирающей линзы - 20 см. Определите оптическую силу этой линзы.

Воспользуемся системой СИ:

F = 0,2 м

Оптическая сила - это отношение единицы к фокусному расстоянию линзы.

Ответ: 5 дптр

Если бы мы получили отрицательную оптическую силу, то мы говорили бы о рассеивающей линзе.

Следующая задача рассматривает ход лучей в линзе.

Рис. 3. Иллюстрация к задаче

На главной оптической оси представлены два изображения (рис. 3). Одно изображение - это предмет, который располагается перпендикулярно главной оптической оси. Второе - это перевернутое изображение предмета, которое тоже перпендикулярно главной оптической оси.

Необходимо определить, где располагается собирающая линза и где находится ее фокус.

Решение задачи

Рис. 4. Иллюстрация к задаче

Направим луч из вершины предмета к вершине изображения A₁ (рис. 4). В этом случае луч пройдет через оптический центр. То есть там, где луч будет пересекаться с главной оптической осью, будет находиться линза.

Чтобы получить фокус, из той же точки направляем луч, параллельный главной оптической оси. Он доходит до линзы, преломляется и проходит таким образом, что тоже попадает в точку . Там, где преломленный луч пересекается с главной оптической осью, находится фокус линзы.

Вы научились решать задачи по теме «Световые явления» и повторили главные законы геометрической оптики.

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. /Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Домашнее задание

1. В солнечный день высота тени отвесно поставленной метровой линейки равна 50 см, а тени дерева - 6 метров. Какова высота дерева?
2. Фокусные расстояния трех линз соответственно равны 1,25 м, 0,5 м и 0,04 м. Какова оптическая сила каждой линзы?
3. При помощи линзы было получено увеличенное перевернутое изображение пламени свечи. Где находилась свеча относительно линзы?

1. Интернет-портал Tepka.ru ().
2. Интернет-портал Multiurok.ru ().
3. Интернет-портал Infourok.ru ().