Какие свойства светового луча используются в 4 классе
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.
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.
Екатерина Шагова
Конспект занятия «Преломление светового луча»
Тема: «Преломление светового луча»
Цель: Развивать познавательною активность детей в процессе экспериментирования; развивать умение выдвигать гипотезы, проверять предположения и формулировать выводы.Словарная работа со словами: выгнутая, вогнутая, отображение, преломляться, черпак.
Задачи:
• Повторить свойства света и светового луча;
• Познакомить детей с помощью опытной деятельности с понятием – преломление светового луча;
• Рассказать где используется эффект преломления светового луча;
• Разобрать виды отображающей поверхности;
• Исследовать формы отображающей поверхности;
• Исследовать зависимость отображения от формы отображающей поверхности.
• Создание проблемной ситуации (показ видео ролика, для активации познавательной активности детей, и желания решать возникающие вопросы при помощи опытно экспериментальной деятельности.
Оборудование:
• Магнитный мольберт;
• Пиктограммы света и светового луча;
• Картинки с изображением очков, фотоаппарата, видеокамеры, зеркала.
• Зеркало на подставке;
• Пустой стакан;
• Стакан наполненный на половину водой;
• Металлическая столовая ложка.
• Телевизор.
Материал:
• фломастер;
• тетрадь пиктограмм;
• Зеркала на подставке;
• Пустой стакан;
• Стакан наполненный на половину водой;
• Металлическая столовая ложка.
Предварительная работа:
Изучение свойств света и светового луча, наблюдение за воздухом и водой,
рассматривание отображений на разных отображающих поверхностях.
Ход работы
I. Подготовительный этап
Воспитатель: Ребята сегодня мы с вами продолжаем изучение свойств света и его использование.
Давайте вспомним свойства светового луча.
Выходит ребёнок и по пиктограммам рассказывает о свойствах света и светового луча: — — Источником света может являться не только солнце но и обычная лампа;
— Луч света прямолинеен;
— Свет расходится одинаково во всех направлениях;
— Луч света проходит через прозрачные предметы.
Воспитатель: продолжая исследовать свойства светового луча я предлагаю вам провести опыт.
Опыт1. «Почему сломалась ложка»
У детей на столе стоит стакан с ложкой и стакан с водой. Предлагаю их внимательно рассмотреть. Стакан с ложкой прозрачный, но не совсем пустой.
— Ребята как вы думаете, чем наполнен стакан?
Дети: воздухом.
Воспитатель: Правильно воздухом. Ложку хорошо видно в стакане?
Дети: хорошо видно потому что стакан и воздух прозрачны.
Воспитатель: Выньте ложку из стакана осмотрите её внимательно, не сломана ли она?
Дети: нет с ложкой все в порядке.
Воспитатель: Положите ложку обратно в стакан с воздухом изменилась ли форма ложки?
Дети: Нет,
Воспитатель: Поставьте стакан с ложкой и возьмите стакан с водой. Посмотрите внимательно часть стакана наполнена водой, а часть воздухом. То место где вода соприкасается с воздухом называется границей воды и воздуха.
Ребята скажите а пройдет ли луч света через воду и воздух?
Дети: да пройдёт, потому что воздух и вода прозрачны, а световой луч проходит через прозрачные предметы.
Воспитатель: Ребята давайте теперь вынем ложку из стакана с воздухом и поставим ложку в стакан с водой. Посмотрите внимательно произошли какие ни будь изменения с ложкой?
Дети: да, с ложкой произошли изменения, ложка кажется сломанной.
Воспитатель: А как вы думаете почему так получилось?
Дети высказывают свои предположения.
Воспитатель: Ложка кажется сломанной потому что луч света ни одинаково проходит сквозь воздух и воду. Луч света преломляется на границе воды и воздуха. Такой эффект называется преломлением светового луча.
Какой мы можем сделать вывод?
Дети:Вывод: Луч света не одинаково проходит через воду и воздух — преломляется на границе.
Такой эффект называется преломлением светового луча.
Воспитатель предлагает детям отобразить это на пиктограммах.
Воспитатель: ребята мы с вами изучили ещё одно свойство светового луча – преломление. Это свойство используется при изготовлении очков, фотоаппаратов, видеокамер и зеркал.
Сегодня мы с вами будем исследовать еще и отражающие поверхности. Но перед этим я хочу, чтобы мы с вами немножко отдохнули перед предстоящими исследованиями.
Физкультминутка.
Воспитатель: Мы с вами немного отдохнули и теперь с новыми силами можем приступать к новым исследованиям.
II Основной этап.
Представьте себе ясный солнечный день, вы стоите на берегу реки и смотрите в неё что вы видите в воде?
Дети: Своё отражение.
Воспитатель: А смогли бы вы увидеть своё отражение если бы не было солнца и была бы полная темнота?
Дети: Нет, потому что не было бы источника света.
Воспитатель: правильно без источника света не будет и отражения.
А где ещё можно увидеть своё отражение?
Дети: в зеркале, металлических предметах, в окне когда на улице темно, а в помещении светло.
Воспитатель: Ребята, а давайте изучим с вами свойства некоторых отражающих поверхностей.
И для начала я предлагаю вам пройти в наш видео зал и посмотреть очень интересный видеоролик.
Дети рассаживаются перед экраном и смотрят отрывок из мультфильма «Ну погоди!» «Комната смеха» (Волк и заяц рассматривают себя в кривых зеркалах).
После просмотра видеоролика воспитатель предлагает детям пройти обратно в экспериментальную лабораторию.
Воспитатель: ребята как вы думаете, почему в разных зеркалах у волка и зайца было разное отражение?
Дети высказывают свои предположения.
Воспитатель: А давайте чтобы проверить ваши догадки мы проведем некоторые опыты.
Опыт2. «Отражение в зеркале»
Воспитатель: Ребята у вас на столах стоят зеркала, возьмите их в руки, осмотрите их, какая поверхность зеркала?
Дети: ровная гладкая.
Воспитатель: а теперь давайте посмотримся в них, что вы видите?
Дети: Мы видим своё отражение.
Воспитатель: Да зеркала отражают ваш образ.
Докоснитесь пальцем до носа, уха, щеки. Что вы видите?
Дети: Мы видим, что отображение повторяет все за нами.
Воспитатель: Правильно, ваше отображение полностью повторяет все ваши движения.
Какой мы можем сделать вывод?
Дети: Отображение в зеркале полностью повторяет все движения.
Воспитатель предлагает отобразить это на пиктограмме.
Воспитатель: Ребята мы с вами рассмотрели отображение в зеркале и выяснили что оно полностью повторяет вши образы и движения.
А о каких еще отражающих поверхностях мы с вами говорили?
Дети: металлических.
Воспитатель: посмотрите на свои столы лежит ли на них что-то металлическое?
Дети: Да, столовая ложка.
Опыт 3. «Сломанная ложка»
Воспитатель: возьмите ложку, рассмотрите. Та часть за которую мы держимся называется ручкой, а та часть ложки, которой зачерпываем пищу – черпаком. Черпак имеет две стороны внешнюю – выгнутую, и внутреннюю – вогнутую сторону.
Давайте с вами посмотримся во внешнюю – выгнутую сторону черпака. Вы видите свое отображение?
Дети: да мы видим своё отображение.
Воспитатель: а давайте помашем себе рукой. Ваше отображение повторяет за вами как отображение в зеркале?
Дети: Да наше отображение повторяет за нами как в зеркале.
Воспитатель: А есть ли какая ни будь разница между отображением которое мы видели в зеркале, и отображением которое мы видим в выгнутой стороне черпака?
Дети: Изображение во внешней стороне черпака уменьшает наше отображение.
Воспитатель: да, из-за не ровной, а выгнутой поверхности черпака ваше отображение уменьшилось.
Давайте теперь посмотримся во внутреннюю – вогнутую сторону черпака, и тоже помашем себе рукой. Повторяет ли ваше отображение за вами?
Дети: Да повторяет.
А изменилось ли что ни будь в вашем отображении по сравнению с отображением во внешней стороне черпака?
Дети: Да, изменилось. Наше отображение не только уменьшилось, но и перевернулось.
Воспитатель: Какой мы из этого можем сделать вывод?
Дети: В зависимости от формы отображающей поверхности меняется отображение, но оно всегда повторяет наши движения.
Воспитатель предлагает запиктографировать полученный результат.
III Заключительный этап.
Воспитатель: Ребята мы с вами проделали опыты с 3 разными видами отображающей поверхности, С ровной, вогнутой и выгнутой. На основании наших исследований мы можем сказать от чего же зависит наше отображение в отражающей поверхности?
Дети: Наше отображение зависит от формы отражающей поверхности.
Теперь мы можем ответить на вопрос от чего у волка и зайца были такие разные отображения в зеркалах?
Дети: Да. У волка и зайца были разные отображения из -за разной формы зеркал.
Подведение итогов:
Воспитатель: Ребята мы сегодня с вами повторяли свойства света и светового луча. Что мы узнали нового о световом луче?
Дети: Световой луч по разному проходит через воду и воздух. На границе воды и воздуха световой луч преломляется. Такой эффект называется преломлением светового луча. Он используется в изготовлении очков, видеокамер, фотоаппаратов и зеркал.
Воспитатель: Что мы узнали о отражающих поверхностях?
Дети: Отражающие поверхности бывают разных видов и форм. Наше отображение повторяет все наши движения и зависит от формы отражающей поверхности.
