В прозрачных однородных средах свет распространяется по пря мым линиям

Это утверждение называют законом прямолинейного распростране­ния света. Впервые его сформулировал еще Евклид за 300 лет до н. э. в сво­ей работе «Оптика».

Прямую линию, вдоль которой в однородной среде распростра­няется свет (передается энергия от источника света), называют лучом света. Таким образом, направление луча совпадает с направлением распростра­нения энергии света.

Узкий пучок света становится виден при наличии в воздухе пыли

Луч света можно увидеть. Для этого сделаем небольшое отверстие в шторе затемненной комнаты. Тогда на противо­положной стене образуется маленькое светлое пятно. Если воздух в комнате чис­тый, то между шторой и стеной ничего не видно. Но если в воздухе много пыли, то становится виден светящийся столбик — узкий пучок света, идущий из отверстия в шторе (рис. 144). Такой пучок света изо­бражают в виде набора лучей, заполняю­щих область, в которой распространяется свет. Обычно на этих прямых ставят стрелки, чтобы показать направление рас­пространения света.

Если площадь поперечного сечения све­тового пучка увеличивается в направлении

распространения света, то такой пучок называют расходящимся (рис. 145, а), если уменьшается — сходящимся (рис. 145, б), если площадь поперечного сечения пучка не изменяется — параллельным (рис. 145, в).

Рис.145

1 Расходящийся (а), сходящийся (б) и параллельный (в) пучки света

Близким к параллельному является узкий пучок света от лазерной указки. Практически параллельным является пучок света, выходящий из небольшо­го отверстия в непрозрачном экране, если его освещает достаточно удален­ный источник света, например Солнце.

В геометрической оптике для изучения законов распространения света используют понятие точечного источника света — точечного тела, испус­кающего свет.

Источник света можно считать точечным, если его размеры мно го меньше расстояний до освещаемых тел.

Точечный источник света является удобной для лучевой оптики моде­лью. Наглядное представление о таком источнике дает, например, очень яр­кая удаленная от Земли звезда. Размеры этого светящегося шара много мень­ше расстояния до него. Принято считать, что точечный источник света из­лучает свет во всех направлениях.

а

Рис.146

Образование теней при освещении непрозрачного шарика точечным (а) и протяженным (б) источниками света

Прямолинейное распространение света в однородной среде приводит к образованию теней от непрозрачных предметов. На рис. 146, а показано

образование тени на экране Э от ша­рика 1, освещаемого точечным ис­точником света 5. Для нахождения области тени от этого источника к экрану проводят лучи, касающие­ся поверхности шарика (на рисунке изображены два таких луча).

Схемы лунного (а) и солнечного (б) затмений

Если непрозрачный шарик ос­ветить протяженным источником, например шарообразной матовой лампой Л определенных размеров (рис. 146, б), то на экране будет на­блюдаться как область тени А, так и область полутени В. Полутень об-

разуется из-за того, что в эту область экрана свет попадает не от всего источ­ника, а только от некоторых его частей.

Закон прямолинейного распространения света позволяет объяснить природу лунных и солнечных затмений (рис. 147). Лунные затмения наблю­даются, когда Луна заходит в тень Земли. При солнечных затмениях Луна, наоборот, располагается между Солнцем и Землей так, что тень от нее пада­ет на земную поверхность. В этом месте на Земле становится видно, как Лу­на перекрывает солнечный диск.

Учитывая размеры Луны, Земли и Солнца, зная радиусы земной и лунной орбит и законы движения планет, можно предсказать, когда наступят в дан­ном месте на Земле затмения Луны или Солнца. С:

В заключение рассмотрим, как можно использовать прямолинейность распространения света для получения изображений предметов. Нам пона­добятся точечный источник света и непрозрачный экран с маленьким от­верстием. Рассмотрим рис. 148. На нем изображено, как получается круг­лое светлое пятнышко СD на экране Э, когда пучок света от светящейся точки 5 проходит через маленькое круглое отверстие АВ в непрозрачном экране Э_г Часто это пятнышко называют изображением светящейся точ­ки. Понятно, что диаметр ф изображения зависит от диаметра dотверстия

Различия в размерах Земли и Луны, а также в скоростях их движения относи­тельно Солнца приводят к тому, что длительность полных солнечных затме­ний не может превышать нескольких минут. Полные лунные затмения могут продолжаться более 30 минут. Лунные затмения наблюдаются в одном и том же месте на Земле значительно чаще, чем солнечные. Последние случаются в одном и том же месте на Земле примерно раз в 200-300 лет. Наблюдение лунных затмений позволило Аристотелю еще в IV в. до н. э. сделать вывод о том, что Земля имеет форму шара.

в экране Э₁, его удаления а от све­тящейся точки, а также от расстоя­ния Ь между экранами. Из подобия треугольников АSВ и СSD следует, что ф = d(1 + b /а). Следовательно, чем меньше диаметр отверстия, тем меньше будет размер изображения светящейся точки на экране Э.

Рис.

Получение изображения светящейся точки при помощи экрана 3, с маленьким отверстием

Допустим, нам нужно получить изображение светящегося или ос­вещенного предмета определен­ных размеров. Поместим его перед отверстием в экране (рис. 149). То­гда каждая освещенная точка этого предмета даст свое изображение в виде маленького светлого пятнышка. При этом изображение всего предмета будет состоять из таких пятнышек. Можно подобрать размер отверстия и расстояния а и Ь так, чтобы пят­нышки сложились в достаточно четкое изображение предмета. Если же размер отверстия окажется недостаточно мал, то изображения светящих­ся точек предмета увеличатся. В результате изображение всего предмета будет размытым.

Рис.

Возможность получения изображений с помощью малых отверстий бы­ла известна еще жрецам Древнего Египта. На этом же принципе основано

Камера-обскура

Можно показать, что уменьшать размер отверстия в экране для получения более четкого изображения можно только до определенной величины. Дальнейшее уменьшение размеров отверстия приведет к ухудшению изображения — потере четкости. В этом случае начнет нарушаться закон прямолинейного распростра­нения света. Это связано с волновыми свойствами света. С подобными явления­ми вы познакомитесь в старших классах при изучении физической оптики.

действие камеры-обскуры (темной комнаты). Она представляет собой ящик с малым отверстием в передней стенке и полупрозрачной задней стенкой, на которую проецируется изображение освещенного предмета (см. рис. 149). Из рисунка видно, что получаемое при этом изображение

перевернуто.

В XIX в. были созданы первые фотопластинки, позволяющие фиксиро­вать подобные изображения и получать фотографии предмета. Однако из-за малого количества света, попадающего на фотопластинку в камере-обскуре, и низкой светочувствительности фотопластинок для получения фотогра­фии требовалось освещать неподвижный предмет несколько часов подряд. Поэтому получение фотографий при помощи камер-обскур не получило применения.

Итоги

Среду называют однородной, если ее свойства одинаковы во всех ее точках.

Закон прямолинейного распространения света. В прозрачных однородных средах свет распространяется по прямым линиям.

Прямую линию, вдоль которой в однородной среде распро­страняется свет (передается энергия от источника света), называют лучом света.

В геометрической оптике для изучения законов распростране­ния света используют понятие точечного источника света. Источник света можно считать точечным, если его размеры много меньше расстояний до освещаемых тел. При освещении непрозрачного предмета точечным источни­ком света за предметом образуется область тени, в которую не попадает свет от источника. Если же источник света является протяженным, то за предметом образуются области тени и по­лутени.

Закон прямолинейного распространения света позволяет объ­яснить природу лунных и солнечных затмений. На прямоли­нейном распространении света основано получение изображе­ний предметов с помощью малых отверстий в непрозрачных экранах.

*5

Измерение углов падения и отражения света при помощи оптического диска