Из пяти органов чувств больше всего информации об окружающем мире дает нам зрение. Но видеть мир вокруг мы можем только потому, что нам в глаза попадает свет. Итак, начинаем изучение световых, или оптических (греч. optikos — зрительный), явлений, то есть явлений, связанных со светом.
Наблюдаем световые явления
Со световыми явлениями мы сталкиваемся каждый день, ведь они являются частью природной среды, в которой мы живем.
Некоторые оптические явления кажутся нам настоящим чудом, например миражи в пустыне, полярные сияния. Но согласитесь, что и более привычные световые явления: блеск капельки росы в солнечном луче, лунная дорожка на воде, семицветный мост радуги после летнего дождя, молния в грозовых облаках, мерцание звезд в ночном небе — тоже удивительны, ведь они делают мир вокруг нас прекрасным, полным волшебной красоты и гармонии.
Выясняем, что такое источники света
Источники света — это физические тела, частицы (атомы, молекулы, ионы) которых излучают свет.
Посмотрите вокруг, обратитесь к своему опыту — и вы, без сомнения, назовете много источников света: звезда, вспышка молнии, пламя свечи, лампа, монитор компьютера и т. д. (см., например, рис. 9.1). Свет могут излучать и организмы: светлячки — яркие точки света, которые можно увидеть теплыми летними ночами в лесной траве, некоторые морские животные, радиолярии и др.
В ясную лунную ночь можно достаточно хорошо видеть предметы, освещенные лунным светом. Однако Луну нельзя считать источником света, ведь она не излучает, а только отражает свет, идущий от Солнца.
Можно ли назвать источником света зеркало, с помощью которого вы пускаете «солнечный зайчик»? Поясните свой ответ.
Различаем источники света
Рис. 9.2. Мощные источники искусственного света — галогенные лампы в фарах современного автомобиля
Рис. 9.3. Сигналы современных светофоров хорошо заметны даже при ярком солнце.
В таких светофорах лампы накаливания заменены светодиодными
В зависимости от происхождения различают естественные и искусственные (созданные человеком) источники света.
К естественным источникам света относятся Солнце и звезды, раскаленная лава и полярное сияние, некоторые живые организмы (глубоководная каракатица, светящиеся бактерии, светлячки) и т. д.
Еще в древности люди начали создавать искусственные источники света. Сначала это были костры, лучины, позже — факелы, свечи, масляные и керосиновые лампы; в конце XIX в. была изобретена электрическая лампа. Сегодня разные виды электрических ламп используются повсюду (рис. 9.2, 9.3).
Какие виды электрических ламп используют в жилых домах? Какие лампы применяют для разноцветной иллюминации?
Различают также тепловые и люминесцентные источники света.
Тепловые источники излучают свет благодаря тому, что имеют высокую температуру (рис. 9.4).
Для свечения люминесцентных источников света не нужна высокая температура: световое излучение может быть достаточно интенсивным, а источник при этом остается относительно холодным. Примерами люминесцентных источников света могут быть полярное сияние и морской планктон, экран телефона, лампа дневного света, покрытый люминесцентной краской дорожный знак и т. д.
Рис. 9.4. Некоторые тепловые источники света
Изучаем точечные и протяженные источники света
Источник света, который излучает свет одинаково во всех направлениях и размерами которого, учитывая расстояние до места наблюдения, можно пренебречь, называют точечным источником света.
Наглядный пример точечных источников света — звезды: мы наблюдаем их с Земли, то есть с расстояния, которое в миллионы раз превышает размеры самих звезд.
Источники света, которые не являются точечными, называют протяженными источниками света. В большинстве случаев мы имеем дело именно с протяженными источниками света. Это и лампа дневного света, и экран мобильного телефона, и пламя свечи, и огонь костра.
В зависимости от условий один и тот же источник света может считаться как протяженным, так и точечным.
На рис. 9.5 изображен светильник для ландшафтного освещения сада. Как вы думаете, в каком случае этот светильник можно считать точечным источником света?
Характеризуем приемники света
Приемники света — это устройства, которые изменяют свои свойства под действием света и с помощью которых можно выявить световое излучение.
Приемники света бывают искусственные и естественные. В любом приемнике света энергия светового излучения преобразуется в другие виды энергии — тепловую, которая проявляется в нагревании тел, поглощающих свет, электрическую, химическую и даже механическую. В результате таких преобразований приемники определенным образом реагируют на свет или его изменение.
Например, некоторые системы охраны работают на фотоэлектрических приемниках света — фотоэлементах. Пучки света, пронизывающие пространство вокруг охраняемого объекта, направлены на фотоэлементы (рис. 9.6). Если перекрыть один из таких пучков, фотоэлемент не получит световую энергию и сразу об этом «сообщит».
В солнечных батареях фотоэлементы преобразуют энергию света в электрическую энергию. Многие современные солнечные электростанции — это большие «энергетические поля» из солнечных батарей.
Долгое время для получения фотографий применяли только фотохимические приемники света (фотопленку, фотобумагу), в которых в результате действия света происходят определенные химические реакции (рис. 9.7).
От ближайшей к нам звезды Альфа Центавра свет идет к Земле почти 4 года. Значит, когда мы смотрим на эту звезду, на самом деле видим, какой она была 4 года назад. А ведь существуют галактики, удаленные от нас на миллионы световых лет (то есть свет идет к ним миллионы лет!). Представьте себе, что в такой галактике существует высокотехнологичная цивилизация. Тогда получается, что они видят нашу планету такой, какой она была во времена динозавров!
В современных цифровых фотоаппаратах вместо фотопленки используют матрицу, состоящую из большого количества фотоэлементов. Каждый из таких элементов принимает «свою» часть светового потока, преобразует ее в электрический сигнал и передает этот сигнал в определенное место экрана.
Естественными приемниками света являются глаза живых существ (рис. 9.8). Под воздействием света в сетчатке глаза происходят определенные химические реакции, возникают нервные импульсы, вследствие чего мозг формирует представление об окружающем мире.
Узнаём о скорости распространения света
Когда вы смотрите на звездное небо, то вряд ли догадываетесь, что некоторые звезды уже погасли. Более того, несколько поколений наших предков любовались этими же звездами, а эти звезды не существовали уже тогда! Как может быть так, что свет от звезды есть, а самой звезды нет?
Дело в том, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью. Скорость c распространения света огромна, и в вакууме она составляет около трехсот тысяч километров в секунду:
Свет преодолевает многокилометровые расстояния за тысячные доли секунды. Именно поэтому, если расстояние от источника света до приемника невелико, кажется, что свет распространяется мгновенно. А вот от далеких звезд свет идет к нам тысячи и миллионы лет.
Подводим итоги
Физические тела, атомы и молекулы которых излучают свет, называют источниками света. Источники света бывают тепловые и люминесцентные; естественные и искусственные; точечные и протяженные. Например, полярное сияние — естественный протяженный люминесцентный источник света.
Устройства, которые изменяют свои параметры в результате действия света и с помощью которых можно выявить световое излучение, называют приемниками света. В приемниках света энергия светового излучения преобразуется в другие виды энергии. Органы зрения живых существ — естественные приемники света.
Свет распространяется в пространстве с конечной скоростью. Скорость
распространения света в вакууме составляет примерно: c = 3 10 м/с. Контрольные вопросы
1. Какую роль играет свет в жизни человека? 2. Дайте определение источника света. Приведите примеры. 3. Является ли Луна источником света? Поясните свой ответ. 4. Приведите примеры естественных и искусственных источников света. 5. Что общего у тепловых и люминесцентных источников света? Чем они отличаются? 6. При каких условиях источник света считают точечным? 7. Какие устройства называют приемниками света? Приведите примеры естественных и искусственных приемников света. 8. Какова скорость распространения света в вакууме?
Упражнение № 9
1. Установите соответствие между источником света (см. рисунок) и его видом.
А естественный тепловой Б искусственный тепловой В естественный люминесцентный Г искусственный люминесцентный
2. Для каждой строки определите «лишнее» слово или словосочетание.
а) пламя свечи, Солнце, звезда, Луна, светодиодная лампа;
б) экран включенного компьютера, молния, лампа накаливания, факел;
в) лампа дневного света, пламя газовой горелки, костер, радиолярия.
3. За какое приблизительно время свет проходит расстояние от Солнца до Земли — 150 млн км?
4. В каких из указанных случаев Солнце можно считать точечным источником света?
а) наблюдение солнечного затмения;
б) наблюдение Солнца с космического корабля, летящего за пределами Солнечной системы;
в) определение времени с помощью солнечных часов.
5. Одна из единиц длины, применяемая в астрономии, — световой год. Сколько метров составляет световой год, если он равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за один год?
6. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, кто и как впервые измерил скорость распространения света.
Это материал учебника
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:
- Подготовить оборудование.
- Провести необходимые опыты.
- Проанализировать и оформить результаты.
- 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
- Расположим предметы в порядке карманный фонарь-первая сфера (закреплённая на штативе)-лист.
- 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
- Расположим предметы в порядке карманный фонарь-вторая сфера (закреплённая на штативе)-лист.
- Осветим сферу карманным фонарём.
- 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
- Расположим лист за прибором.
- Включим осветитель, направляя его на центр зеркала.
- Проведем перпендикуляр к зеркалу в точку падения луча на листе.
- Измерим угол падения (ﮮα).
- Измерим полученный угол отражения (ﮮβ).
- Запишем результаты.
- Изменим угол падения, передвигая осветитель, повторим пункты 4, 5 и 6.
- 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
- Нальём воду в тару, за ней на некотором расстоянии разместим лист.
- Направим луч света в воду под углом, ≠ 0°, так как при 0° преломления не происходит, а луч переходит в другую среду без изменений.
- Проведем перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча.
- Измерим угол падения светового луча (∠α ).
- Измерим угол преломления светового луча (∠β ).
- Сравним углы, составим отношение их синусов (для нахождения синусов можно воспользоваться таблицей Брадиса).
- Запишем результаты.
- Изменим угол падения, передвигая источник света, повторим пункты 4-7.
- 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.
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
Реферат
На тему: Световые явления
Выполнил: Храпатов Д. А.
Проверил(а):
1. Свет. Источники света
2. Распространение света
3. Отражение света
4. Плоское зеркало
5. Зеркальное и рассеянное изображение
6. Преломление света
8. Изображения, даваемые линзой
Свет. Источники света
Свет… его значение в нашей жизни очень велико. Трудно представить себе жизнь без света. Ведь все живое зарождается и развивается под влиянием света и тепла.
Деятельность человека в начальные периоды его существования – добывание пищи, защита от врагов, охота – была зависима от дневного света. Потом человек научился добывать и поддерживать огонь, стал освещать свое жилище, охотиться с факелами. Но во всех случаях его деятельность не могла протекать без освещения.
Свет, посылаемый небесными телами, позволил определить расположение и движение Солнца, звезд, планет, Луны и других спутников. Исследования световых явлений помогло создать приборы, при помощи которых узнали о строении и даже составе небесных тел, находящихся от Земли на расстоянии многих миллиардов километров. По наблюдениям в телескоп и фотографиям планет изучили их облачный покров, особенности поверхностей, скорости вращения. Можно сказать, что наука астрономия возникла и развивалась благодаря свету и зрению.
На изучении света основано создание искусственного освещения, так необходимого человеку. Свет нужен везде: безопасность движения транспорта связана с применением фар, освещением дорог; в военной технике применяются осветительные ракеты, прожекторы; нормальное освещение рабочего места способствует повышению производительности труда; солнечный свет повышает сопротивляемость организма болезням, улучшает настроение человека.
Что же такое свет? Почему и как мы его воспринимаем?
Раздел науки, посвященный изучению света, называют также оптикой (от греческого optos – видимый, зримый).
Световое (оптическое) излучение создается источниками света.
Существуют естественные и искусственные источники света. К естественным источникам света относятся такие, как Солнце, звезды, полярное сияние, молнии; к искусственным – лампы, свечи, телевизор и другие.
Источник света мы видим потому, что создаваемое имя излучение попадает к нам в глаза. Но мы видим также и тела, не являющиеся источниками света, - деревья, дома, стены комнаты, Луну, планеты и т.п. Однако мы их видим только тогда, когда они освещены источниками света. Излучение, идущее от источников света, упав на поверхность предметов, меняет свое направление и попадает в глаза.
2. Распространение света
Оптика – одна из древнейших наук.
Еще задолго до того, как узнали, что представляет собой свет, некоторые его свойства были обнаружены и использованы в практике.
На основе наблюдений и опытов были установлены законы распространения света, при этом использовалось понятие луча света.
ЛУЧ – эта линия, вдоль которой распространяется свет.
Закон прямолинейного распространения света.
Свет в прозрачной однородной среде распространяется по прямым линиям.
Для данного закона можно рассмотреть пример – образования тени:
Если мы хотим, чтобы свет от лампы не попадал нам в глаза, мы можем загородиться от него рукой или надеть на лампу абажур. Если бы свет распространялся не по прямым линиям, то он бы мог обогнуть края препятствия и попасть нам в глаза. Например, от звука нельзя «загородиться» рукой, он обогнет это препятствие и мы будем его слышать.
Рассмотрим это явление на опыте.
Возьмем лампочку от карманного фонаря. Расположим на некотором расстоянии от нее экран. Лампа освещает экран полностью. Поместим между лампочкой и экраном непрозрачное тело (например металлический шар). Теперь на экране появится темный круг, так как за шаром образовалась тень – пространство, в которое не попадает свет от источника.
Но четко описанную тень, которая получена в описанном опыте, мы видим в жизни не всегда. Если размеры источника света будут гораздо больше, то вокруг тени образуется полутень. Если бы наш глаз находился в области тени, то мы не увидели бы источник света, а из области полутени – видели бы один из его краев. Закон распространения света использовали еще древние египтяне для того, чтобы установить по прямой линии колоны, столбы, стены. Они располагали колоны таким образом, чтобы из-за ближайшей к глазу колоны не были видны все остальные.
3. Отражение света
Направим от источника света на экран пучок света. Экран будет освещен, но между источником и экраном мы ничего не увидим. Если же между источником и экраном поместить листок бумаги, то он будет виден. Происходит это потому, что излучение, достигнув поверхности листка, отражается, изменяет свое направление и попадает в наши глаза. Весь пучок света становится видимым, если запылить воздух между экраном и источником света. В этом случае пылинки отражают свет и направляют его в глаза наблюдателя.
Закон отражения света:
Лучи падающий и отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к отражающей поверхности, восставленным в точке падения луча.
Пусть прямая MN – поверхность зеркала, АО – падающий и ОВ – отраженный лучи, ОС – перпендикуляр к поверхности зеркала в точке падения луча.
Угол, образованный падающим лучом АО и перпендикуляром ОС (тюею угол АОС), называют углом падения. Обозначают его буквой α(«альфа»). Угол, образованный отраженным лучом ОВ и те же перпендикуляром ОС (т.е. угол СОВ), называют углом отражения, его обозначают буквой β («бета»).
Передвигая источник света по краю диска, мы изменяем угол падения луча. Повторим опыт, но теперь будем каждый раз отмечать угол падения и соответствующий ему угол отражения.
Наблюдения и измерения показывают, что при всех значениях угла падения сохраняется равенство между ним и углом отражения.
Итак, второй закон отражения света гласит: угол отражения равен углу падения.
4. Плоское зеркало
Зеркало, поверхность которого представляет собой плоскость, называется плоским зеркалом.
Когда предмет находится перед зеркалом, то кажется, что за зеркалом находится такой же предмет, то что мы видим за зеркалом, называется изображением предмета.
Для начала, объясним, кК глаз воспринимает сам предмет, например, свечу. От каждой точки сечи во все стороны расходятся лучи света. Часть из них расходящимся пучком попадает в глаз. Глаз видит (воспринимает) точку в том месте, откуда исходят лучи, т.е. в месте их пересечения, где не самом деле находится точка.
Глядя в зеркало, мы видим мнимое изображение своего лица.
Расположим вертикально кусок плоского стекла – он будет служить зеркалом. Но так как стекло прозрачно, мы увидим и то, что находится за ним. Поставим перед стеклом зажженную свечу. В стекле мы увидим ее изображение. По другую сторону стекла (там, где мы видим изображение) поставим такую же, но незажженную свечу и будем передвигать ее до тех пор, пока она не покажется зажженной. Это будет означать, что изображение зажженной свечи находится там, где стоит незажженная свеча.
Измерим расстояние от свечи до стекла и от стекла до изображения свечи. Эти расстояния окажутся одинаковыми.
Опыт также показывает, что высота изображения свечи равна высоте самой свечи, т.е. размеры изображения в плоском зеркале равны размерам предмета.
Итак, опыт показывает, что изображение предмета в плоском зеркале имеет следующие особенности: это изображение мнимое, прямое, равное по размерам предмету, находится оно на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.
У изображения в плоском зеркале есть еще одна особенность. Посмотрите на изображение вашей правой руки в плоском зеркале, пальцы на изображении расположены так, как будто это левая рука.
5. Зеркальное и рассеянное изображение
В плоском зеркале мы видим изображение, мало отличающееся от самого предмета. Это объясняется тем, что поверхность зеркала плоская и гладкая, и тем, что зеркало отражает большую часть падающего на него света (от 70 до 90%).
Зеркальная поверхность отражает падающий на нее пучок света направленно. Пусть, например, на зеркало падает пучок параллельных лучей от Солнца. Лучи отражаются также параллельным пучком.
Всякая не зеркальная, т.е. шероховатая, негладкая поверхность рассеивает свет: отражает падающий на нее пучок параллельных лучей по всем направлениям. Объясняется это тем, что шероховатая поверхность состоит из большого числа очень маленьких плоских поверхностей, расположенных беспорядочно, под разными углами друг к другу. Каждая маленькая плоская поверхность отражает свет в определенном направлении. Но все вместе они направляют отраженные лучи в разные стороны, т.е. рассеивают свет по разным направлениям.
6. Преломление света
Ложка или карандаш, опущенная в стакан с водой, кажется переломленной на границе между водой и воздухом. Это можно объяснить только тем, что лучи света, идущие т ложки, имеют в воде другое направление, чем в воздухе.
Изменение направления распространения света при его прохождении через границу двух сред называется преломлением света.
При переходе луча из стекла (воды) в воздух угол преломления больше угла падения.
Способность преломлять лучи у разных сред различна. Например, алмаз преломляет лучи света сильнее, чем вода или стекло.
Если на поверхность алмаза луч света падает под углом 60*, то угол преломления луча равен примерно 21*. При таком же угле падения луча на поверхность воды угол преломления составляет около 30*.
При переходе луча из одной среды в другую происходит преломление света по следующим положениям:
1. лучи падающий и преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред.
2. в зависимости от того, из какой среды в какую переходит луч, угол преломления может быть меньше или больше угла падения.
7. Линзы
Отражение и преломление света используется для того, чтобы изменять направление лучей или, как говорят, управлять световыми пучками. На этом основано создание специальных оптическх приборов, таких как прожектор, лупа, микроскоп, фотоаппарат и другие. Главная часть большинства из них – линза.
В оптике чаще всего используются сферические линзы. Такие линзы представляют собой тела, изготовленные из оптического или органического стекла, ограниченные двумя сферическими поверхностями.
Линзы бывают различные, ограниченные с одной стороны сферической, а с другой плоской поверхностью, или вогнуто-выпуклые но наиболее часто применяемые это выпуклые и вогнутые.
Выпуклая линза преобразует пучок параллельных лучей в сходящийся, собирает его в одну точку. Поэтому выпуклую линзу называют собирающей линзой.
Вогнутая линза преобразует пучок параллельных лучей в расходящийся. Поэтому вогнутую линзу называют рассеивающей линзой.
Мы рассмотрели линзы, ограниченные сферическими поверхностями с двух сторон. Но изготавливают и применяют также линзы, ограниченные с одной стороны сферической, а с другой плоской поверхностью, или вогнуто-выпуклые линзы. Однако, несмотря на это, линзы бывают либо собирающими, либо рассеивающими. Если средняя часть линзы толще, чем ее края, то она собирает лучи, а если тоньше, то рассеивает.
8. Изображения, даваемые линзой
При помощи линзы можно управлять световыми лучами. Однако при помощи линзы можно не только собирать и рассеивать лучи света, но и получать разнообразные изображения предметов. Именно благодаря этой способности линз они широко используются в практике. Так линза в кинокамере дает увеличение в сотни раз, а в фотоаппарате также линза дает уменьшенное изображение фотографируемого предмета.
1. Если предмет находится между линзой и ее фокусом, то его изображение – увеличенное, мнимое, прямое, и расположено оно от линзы дальше чем предмет.
Такое изображение получают, когда пользуются лупой при сборке часов, чтении мелкого текста и др.
2. Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то линза дает его увеличенное, перевернутое, действительное изображение; оно расположено по другую сторону от линзы по отношению к предмету, за двойным фокусным расстоянием.
Такое изображение используется в проекционном аппарате, в киноаппарате.
3. Предмет находится за двойным расстоянием линзы.
В этом случае линза дает уменьшенное, перевернутое, действительное изображение предмета, лежащее по другую сторону линзы между ее Фоксом и двойным фокусом.
Такое изображение используют в фотоаппаратуре.
Линза с более выпуклыми поверхностями преломляет лучи сильнее, чем линза с меньшей кривизной. Поэтому фокусное расстояние более выпуклой линзы меньше чем у менее выпуклой линзы. Линза, у которой короче фокусное расстояние, создает большее увеличение, чем длиннофокусная линза.
Увеличение предмета будет тем больше, чем ближе к фокусу находится предмет. Поэтому при помощи линз можно получать изображения с большим и очень большим увеличением. Точно также, можно получать изображения с разным уменьшением.
Литература
1. Свет. Источники света.
2. Близорукость и дальнозоркость. Очки.
3. Свет. Под редакцией Н.А. Родина
Радуга; тень, отбрасываемая предметом; голубое небо; многоцветье окружающего нас мира - вот лишь несколько примеров световых явлений. Эти явления изучаются в разделе физики, который называется "оптика" (от греч. optike - наука о зрительных восприятиях).
Источники света вам хорошо знакомы. Их можно разделить на естественные (Солнце, звезды) и искусственные (электрические лампы).
Важное свойство света - прямолинейность его распространения. Только при этом условии возможно образование тени и возникновение затмений Солнца и Луны.
Лучи света отражаются от преград. Если лучи падают на зеркало, они отражаются так, что мы видим в зеркале предмет в натуральную величину. Если лучи света падают на неровную поверхность, они отражаются во все стороны и делают эту поверхность освещенной. Именно поэтому мы можем видеть предметы, которые сами не светятся (в том числе и такие небесные тела, как планеты и их спутники).
Когда лучи света попадают из воздуха в какую-то другую прозрачную среду (воду, стекло), они преломляются (посмотрите сбоку на ложку в стакане с водой и увидите, что на границе раздела воздух - вода происходит "перелом" ложки).
Если белый свет падает на трехгранную стеклянную призму, он преломляется и одновременно раскладывается на семь цветов. В этом заключается явление дисперсии. Цвета всегда расположены в определенном порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. (Галочка, можно сделать слова цветными?) Такая цветная полоса называется спектром. Последовательность цветов в спектре можно запомнить с помощью простой фразы: "Каждый охотник желает знать, где сидит фазан". Дисперсия наблюдается и в природе. Вспомните радугу. Она получается из-за того, что солнечный свет преломляется в каплях дождя, как в призмах.
Но что такое свет? Ученым потребовалось много времени, чтобы найти ответ на этот вопрос. И ответ оказался неожиданным. Дело в том, что в одних явлениях свет ведет себя как поток частиц (их называют квантами света, или фотонами), в других - как волна. Например, радужная окраска CD-ROM дисков возникает потому, что свет проявляет волновые свойства, а отклонение кометных хвостов от Солнца объясняется световым давлением, связанным с представлением о свете как потоке частиц.
Невозможно переоценить значение света для познания окружающего нас мира. Ведь наибольшую часть информации о нем мы получаем благодаря именно свету. Исследование света, идущего к нам от небесных тел, позволяет очень многое узнать о них. Здесь особенно важную роль играют спектры небесных тел. Это своего рода их "паспорта", расшифровывая которые астрономы добывают информацию о температуре, химическом составе небесных тел, скоростях, с которыми они движутся, приближаясь к нам или удаляясь от нас, и о многом другом. В повседневной жизни мы встречаемся с разными оптическими приборами - от очков до телескопов. Их, конечно, не смогли бы создать без исследования световых явлений.