Какие свойства светового луча

Светово́й луч в геометрической оптике — линия, вдоль которой переносится световая энергия. Менее чётко, 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.

Однако в тех случаях, когда характерные поперечные размеры пучков света достаточно велики по сравнению с длиной волны, можно пренебречь расходимостью пучка света и считать, что он распространяется в одном единственном направлении: вдоль светового луча.

Эйкональное приближение в волновой оптике[править | править код]

Понятие светового луча можно вывести и из строгой волновой теории света в рамках так называемого эйконального приближения. В этом приближении считается, что все свойства среды, сквозь которую проходит свет, изменяются на расстояниях порядка длины волны света очень слабо. В результате, электромагнитную волну в среде можно локально рассматривать как кусочек фронта плоской волны с некоторым определённым вектором групповой скорости (которая, по определению, и ответственна за перенос энергии). Таким образом, совокупность всех векторов групповой скорости образует некоторое векторное поле. Пространственные кривые, касательные к этому полю в каждой точке, и называют световыми лучами. Поверхности, ортогональные в каждой точке к полю групповых скоростей, называются волновыми поверхностями.

В эйкональном приближении удаётся вместо уравнения для электромагнитной волны получить уравнение для распространения светового потока (то есть, для квадрата амплитуды электромагнитной волны) — уравнение эйконала. Решениями уравнения эйконала как раз и являются световые лучи, выпущенные из заданной точки.

Ход световых лучей[править | править код]

Световые лучи и принцип Ферма[править | править код]

Если свойства среды не зависят от координат (то есть если среда однородна), то световые лучи являются прямыми. Это следует непосредственно из эйконального приближения волновой оптики, однако то же самое удобно сформулировать исключительно в терминах геометрической оптики с помощью принципа Ферма. Стоит, однако, подчеркнуть, что применимость самого принципа Ферма к ходу световых лучей обосновывается только на уровне волновой оптики.

Законы преломления и отражения[править | править код]

Очевидно, что законы геометрической оптики не смогут помочь в случаях, когда одна среда резко, на расстояниях меньше длины волны света, сменяется другой средой. В частности, геометрическая оптика не может ответить на вопрос, почему вообще должно существовать преломление или отражение света. Ответы на эти вопросы даёт волновая оптика, однако результирующие закон преломления света и закон отражения света могут быть сформулированы опять же на языке геометрической оптики.

Гомоцентрические пучки[править | править код]

Набор близких световых лучей может рассматриваться как пучок света. Поперечные размеры пучка света не обязаны оставаться неизменными, поскольку в общем случае разные световые лучи не параллельны друг другу.

Важным случаем пучков света являются гомоцентрические пучки, то есть такие пучки света, все лучи которого пересекаются в какой-либо точке пространства. Такие пучки света могут быть формально получены из точечного источника света или из плоского светового фронта с помощью идеальной линзы. Стандартные задачи на построение изображений в оптических системах используют как раз свойства таких пучков.

Негомоцентрические пучки не сходятся в одну точку пространства. Вместо этого, каждый малый участок такого пучка сходится в свой фокус. Геометрическое место всех таких фокусов негомоцентрических пучков называется каустикой.

См. также[править | править код]

Световой пучок

Литература[править | править код]

Борн М., Вольф Э.. Основы оптики. М., 1973.
Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М., «Наука», 1985.
Ф. А. Королев, «Теоретическая оптика», М., «Высшая. школа», 1996.

Источник

Автор — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: прямолинейное распространение света.

Мы приступаем к изучению оптики — науки о распространении света. Нас ждут два раздела оптики: сравнительно простая геометрическая оптика и более общая волновая оптика.

Говоря о свете, мы всегда подразумеваем видимый свет, то есть электромагнитные волны в узком частотном диапазоне, непосредственно воспринимаемые человеческим глазом. Как вы помните, длины волн видимого света находятся в промежутке от 380 до 780 нм.

С точки зрения электродинамики Максвелла распространение света ничем не отличается от распространения других электромагнитных излучений — радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. В этом смысле оптика оказывается просто частью электродинамики.

Но ввиду той колоссальной роли, которую свет играет в жизни человека, оптические явления начали изучаться давным-давно. Все основные законы оптики были установлены задолго до создания электродинамики и открытия электромагнитных волн. И потому с тех давних пор оптика оформилась в самостоятельный раздел физики — со своими специфическими задачами, методами, экспериментами и приборами.

Главным природным источником света служит Солнце, и люди ставили много опытов с солнечными лучами. Отсюда в оптику вошло понятие светового луча. Впоследствии оно получило строгое определение.

Световой луч — это геометрическая линия, которая в каждой своей точке перпендикулярна волновому фронту, проходящему через эту точку. Направление светового луча совпадает с направлением распространения света.

Если данное определение осталось для вас не совсем понятным — ничего страшного: на первых порах вы можете представлять себе просто узкие пучки света наподобие солнечных лучей. Этого вполне хватит, чтобы уяснить все основные вещи и научиться решать задачи. Ну а время строгого определения придёт несколько позже — когда начнётся волновая оптика.

Законы геометрической оптики.

Геометрическая оптика изучает распространение световых лучей. Это исторически первый и наиболее простой раздел оптики. В основе геометрической оптики лежат четыре основных
закона.

1. Закон независимости световых лучей.
2. Закон прямолинейного распространения света.
3. Закон отражения света.
4. Закон преломления света.

Данные законы были установлены в результате наблюдений за световыми лучами и послужили обобщениями многочисленных опытных фактов. Они являются утверждениями, сформулированными на языке геометрии. Волновая природа света в них не затрагивается.

Законы геометрической оптики первоначально являлись постулатами. Они лишь констатировали: таким вот образом ведёт себя природа. Однако впоследствии оказалось, что законы геометрической оптики могут быть выведены из более фундаментальных законов волновой оптики.

Геометрическая оптика отлично работает, когда длина световой волны много меньше размеров объектов, присутствующих в данной физической ситуации. Можно сказать, что геометрическая оптика есть предельный случай волновой оптики при . Неудивительно поэтому, что сначала были открыты законы именно геометрической оптики: ведь размеры предметов, встречающихся нам в повседневной жизни, намного превышают длины волн видимого света.

Первый закон геометрической оптики совсем простой. Он говорит о том, что вклад каждого светового луча в суммарное освещение не зависит от наличия других лучей.

Закон независимости световых лучей. Если световые лучи пересекаются, то они не оказывают никакого влияния друг на друга. Каждый луч освещает пространство так, как если бы других лучей вообще не было.

Закон прямолинейного распространения света также очень прост, и мы его сейчас обсудим. Законам отражения и преломления будут посвящены следующие разделы.

Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной среде световые лучи являются прямыми линиями.

Что такое «прозрачная однородная среда»? Среда называется прозрачной, если в ней может распространяться свет. Среда называется однородной, если её свойства не меняются от точки
к точке. Равномерно прогретый воздух, чистая вода, стекло без примесей — всё это примеры прозрачных и оптически однородных сред.

Таким образом, закон прямолинейного распространения света означает, что в прозрачной однородной среде понятие светового луча совпадает с понятием луча в геометрии.

Данный закон не требует каких-либо дополнительных пояснений — он хорошо вам известен. Вам неоднократно доводилось видеть прямолинейные солнечные лучи, пронизывающие облака, или тонкий прямой луч, пробивающийся в запылённой комнате через щель в окне. Находясь под водой, можно наблюдать прямые солнечные лучи, идущие сквозь воду.

При нарушении однородности среды нарушается и закон прямолинейного распространения света. Например, на границе раздела двух прозрачных сред световой луч может разделиться на два луча: отражённый и преломлённый. Если оптические свойства среды меняются от точки к точке, то ход световых лучей искривляется. В этом состоит причина миражей: слой воздуха вблизи раскалённой земной поверхности нагрет больше, чем вышележащие слои; он имеет иные оптические свойства, и его действие оказывается подобным зеркалу. Обо всём этом мы поговорим позднее.

Геометрическая тень.

Вам хорошо известно, что различные предметы отбрасывают тень. На рис. 1 изображён точечный источник света и непрозрачный предмет — красный треугольник. На экране мы видим тень этого предмета в виде серого треугольника.

Откуда берётся тень? Дело в том, что если на пути световых лучей оказывается непрозрачный предмет, то происходит следующее.

1.Луч, идущий мимо предмета, продолжает распространяться в прежнем направлении — как если бы данного предмета вообще не было.

2. Луч, попадающий на предмет, не проникает внутрь предмета. Дальнейший ход такого луча в прежнем направлении пресекается.

Так возникает геометрическая тень, края которой чётко очерчены. Поскольку свет распространяется прямолинейно, форма геометрической тени оказывается подобной контуру предмета. Так, на рис. 1 серый треугольник подобен красному.

Граница реальной тени имеет более сложный вид: вмешивается дифракция света на краях предмета. Дифракция — это отклонение света от первоначального направления; данное явление обусловлено волновой природой света и не описывается в рамках геометрической оптики.

Рис. 1. Геометрическая тень

Мы используем файлы cookie, чтобы персонализировать контент, адаптировать и оценивать результативность рекламы, а также обеспечить безопасность. Перейдя на сайт, вы соглашаетесь с использованием файлов cookie.

Источник

Урок окружающего мира

Во 2 классе по программе УМК « Планета знаний»

подготовила учитель начальных классов МБОУ Голицынской СОШ № 1 Холопова И. В.

Раздел: «Свет и цвет»

Тема: « Свет. Свойства светового луча. Свет и тень» (опытно-исследовательская деятельность на уроке)

Цели: Познакомить учащихся с различными источниками света, со свойствами

светового луча, с понятиями «прозрачные» и «непрозрачные» предметы.

Развивать творческие способности и познавательный интерес к учебной

деятельности на основе наблюдения, сравнения, анализа, обобщения;

умение выделять существенное в учебном материале, делать выводы,

переносить ранее полученные знания на новый учебный материал.

Воспитывать интерес к явлениям природы, формировать экологическую

культуру учащихся и коммуникативную компетенцию учащихся,

Формы организации познавательной деятельности учащихся: фронтальная, индивидуальная, групповая.

Методы и приёмы: создание ситуации успеха; методы словесной и наглядной передачи информации, практическая работа, частично-поисковый метод, проблемный метод.

Средства обучения: мультимедиапроектор, презентация « Свет. Свойства светового луча. Свет и тень», отрывок DVD фильма « Приключения Буратино», мультимедийный учебник «Уроки Кирилла и Мефодия. Окружающий мир 2 класс», Фрагмент фильма

« Театр теней», фонарик, стакан и кружка (раздаточный материал), лист картона на подставке,

Формирование общеучебных умений с точки зрения деятельностного подхода : учебно – управленческих умений : самоконтроль и взаимоконтроль;

учебно – информационные умения : осуществлять неструктурированное наблюдение(где определен только объект наблюдения) и лабораторное наблюдение (объект находится в искусственно созданных условиях)

учебно – логические умения : определять объект анализа и его аспект, т.е устанавливать точку зрения, с которой будут определяться существенные признаки изучаемого объекта.

Ход урока

Организационный момент.

С сегодняшнего урока мы начинаем изучение раздела «Свет и цвет»

На уроке познакомимся с тайнами света (светового луча), постараемся понять, как он распространяется, какие препятствия могут остановить его и какие препятствия он способен преодолевать.

Сообщение новой темы и цели урока.

III. Актуализация знаний.

А откуда берется свет и для чего он нужен?

Давайте познакомимся с информацией в учебнике ( стр. 84)

Cлайд 1 « Когда темно, мы почти не различаем окружающих предметов. Для того, чтобы увидеть их, нужен свет.

Слайд 2 Днем все освещает Солнце. С огромной скоростью несется свет от Солнца к Земле через космическое пространство. Всего за 8 минут его лучи достигают поверхности Земли».

На предыдущих уроках мы много говорили об этом теле неживой природы.

Давайте проведем анализ этого объекта с разных сторон :

Что мы можем еще рассказать о Солнце, с точки зрения науки — астрономии.

Из докладов учащихся « Солнце- большая звезда в центре Солнечной системы, оно дает свет и тепло. Возраст равен примерно пяти миллиардам лет. Внутренняя часть называется ядром, а внешняя оболочка – Солнечной короной».

Что еще можно добавить?

.Солнце всходит с Востока и заходит на Западе, наступает смена дня и ночи .

В зависимости от высоты Солнца и движения вокруг него Земли, происходит смена времен года.

Что мы можем еще рассказать о Солнце, с точки зрения живых существ, обитающих на нашей планете и, естественно, нас самих. ( на основе наблюдений); использование солнечной энергии.

Из докладов учащихся «Солнце нагревает атмосферу и поверхность Земли. Благодаря солнечной энергии дуют ветры, происходит круговорот воды в природе, растут растения, животные имеют корм. Благодаря Солнечному излучению на Земле существуют ископаемые виды топлива».

Слайд 2 ( картинка солнца)

Что мы можем еще рассказать о Солнце, с точки зрения истории?

Из докладов учащихся « Для людей и всего живого на Земле Солнце — источник света и тепла, от него зависит урожай и жизнь на планете. Люди всегда понимали, насколько сильно их существование зависит от Солнца, и относились к нему с почтением, поклонялись и обожествляли его образ. В древности славяне именовали Солнце с уважением – «Ярило» и даже покланялись ему, как богу».

А какой народный праздник состоится в конце февраля?

Праздник «Масленица». Это веселые проводы зимы, озаренные радостным ожиданием близкого тепла, весеннего обновления природы. Даже блины, непременный атрибут Масленицы, имели ритуальное значение: круглые, румяные, горячие, они являли собой символ солнца, которое все ярче разгоралось, удлиняя дни. Имя Масленицы носит и чучело из соломы, которое обряжают в женскую одежду. Чучело Масленицы сжигали на весело горящем костре, который разводили обязательно «на горке» — на какой-нибудь возвышенности.

А как люди выражали свое отношение к Солнцу в устном народном творчестве?

Загадки :

Ты весь мир обогреваешь, Голубой платок,

Ты усталости не знаешь, Желтый колобок,

Улыбаешься в оконце, По платку катается,

И зовут тебя все… Людям улыбается.

Тянется в окно золотое полотно.

Красная девица гуляет по небу.

Летом греет – зимой холодит.

Пословицы и поговорки:

Солнца не закроешь, а правду не скроешь.

Солнце встает, так и день настает.

Солнце не померкнет, народ не сломится.

Правда краше солнца.

При солнце тепло, при матери добро.

Солнце пригреет – все поспеет.

Солнышко на всех ровно светит.

После дождя солнце жжет, после лжи –стыд.

Какие источники информации вы использовали, чтобы подготовить свои доклады?

Подведение итогов «Солнце:

Тело неживой природы.
Звезда – карлик, находится в центре Солнечной системы.
Благодаря солнечной энергии дуют ветры, происходит круговорот воды в природе, существуют ископаемые виды топлива.
Дает тепло и свет для всего живого на Земле.
С давних времен почитается людьми и находит отражение в их творчестве»

Молодцы! Если мы хотим понять какой – либо объект, правильно и всесторонне его изучить, то мы должны определить у него составные части и существенные признаки, рассмотреть его с разных точек зрения, т.е подвергнуть его анализу.

I V. Изучение новой темы

Итак, главным источником света является Солнце.

Слайд 4. Источники света

Лучина. Где встречалось это слово и что оно означает? Лучина – тонкая длинная щепка сухого дерева.

Свеча.

Керосиновая лампа. Что такое керосин?

Электрическая лампочка.

Какие правила обращения с электрическими приборами вы знаете?

Вернемся к нашему учебнику и рассмотрим таблицу «Источники света» Я утверждаю, что все эти предметы можно разбить на группы . Почему?

Тела природы и изделия
Свет от огня ( лампа, фонарь, свеча), природный свет (Луна,Солнце)
Натуральный природный свет и искусственный (фонарик)

Практическая работа

Давайте познакомимся с тайнами света, чтобы понять, как он распространяется, какие препятствия могут остановить его и какие препятствия он способен преодолевать.

Включим наши фонарики и направим их на потолок. Что мы видим? (луч света) . Вспомните из уроков математики что такое луч?

Опыт 1 « Осветим весь земной шар»

Ход опыта :

Направьте луч света на шарик.
Поворачивая шарик разными сторонами в луче света.

Результат : все время освещена только та часть шарика, на которую попадает свет. Как бы ты ни повернул шарик, его обратная сторона всегда остается в тени.

Это потому … лучи распространяются по прямой линии: они не могут огибать предмет и освещать обратную сторону. Поэтому Солнце по очереди освещает только ту сторону Земли, которая сейчас обращена к его лучам. В это время другая сторона находится в тени.

Слайд 6 Опыт 2 . « Можно ли остановить свет? Как образуются тени?»

Ход опыта

1.Вырезать из картонки любую фигурку, прикрепить ее скотчем на палочке.

2. Поставьте фигурку между стеной и источником света.

3. Попеременно приближай фигурку то к стене, то к свету.

Результат: чем ближе фигурка к фонарю, тем больше ее тень на стене. Чем дальше фигурка от фонаря, тем меньше будет ее тень на стане.

Это потому … что когда какой – нибудь предмет преграждает путь световому лучу, за ним образуется тень. Лучи от источника расходятся веером. Поэтому если предмет расположен близко к источнику света, он создает большую тень. Если предмет находится далеко от источника, он загораживает меньше света и тень от него будет маленькой.

Почему тень смещается?

«В течение дня положение Солнца на небе меняется ( из-за вращения Земли). Поэтому направление солнечных лучей также меняется. Вот почему тень смещается. Кроме того, когда Солнце стоит высоко, тень бывает короткой, а когда Солнце клонится к горизонту, тень становится длинной».

. А какой прибор изобрели люди в древности , наблюдая за смещением тени в солнечный день?

«Солнечные часы. Такой прибор в древности использовали для определения времени. В Старинных городах и площадях и на стенах домов остались следы от таких часов.»

Слайд 5 Опыт 3. « Проходит или не проходит свет?»

Ход опыта.

1. По очереди освещай на фоне стены разные предметы

Результат : не все предметы отбрасывают тень.

Это потому… что чашка препятствует распространению света, а стекло пропускает свет.

Слайд 20 . Выводы

Свет распространяется по прямой линии. Если перед лучом света возникает препятствие, то луч освещает только его переднюю часть.
Когда предмет загораживает путь световому лучу, за этим предметом образуется тень, то есть зона, куда солнечные лучи не попадают.
Только плотные (непрозрачные) предметы, не пропускающие свет, образуют тень.

Подведение итогов.

Дом. зад. в тетради стр. 7 № 8, № 9. Подчеркнуть названия предметов, которые пропускают свет. Если затрудняешься ответить, то проведи опыт.

Поделитесь с Вашими друзьями:

Источник