Физика

Введение

 

Когда в комнате нет источников света, все тела для нас выглядят одинаково – черными. Если же в комнату попадает белый свет, то мы видим предметы всех цветов (см. рис. 1).

 

Рис. 1. Темная и освещенная комната

Значит, все цвета содержатся в белом.

Звук – механическая волна – отражается и поглощается при переходе из одной среды в другую. Свет тоже волна, электромагнитная, и тоже отражается и поглощается на границе раздела сред.

Именно из-за того что предметы отражают определенную часть белого света, мы видим их цвет.

 

Отражение и поглощение света

 

 

Зеркало хорошо отражает свет, поэтому мы видим в нем свое отражение и с помощью него можем даже заглянуть за угол (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Зеркальное отражение

А вот в стекле мы свое отражение почти не видим, значит, большая часть света проходит сквозь стекло.

Ложка в стакане с чаем выглядит поломанной, значит, при переходе из одной среды в другую свет меняет направление своего распространения (преломляется) (см. рис. 3).

Рис. 3. Преломление света от ложки в стакане

Оказывается, это же свойство света используется в очках.

Все эти свойства света мы наблюдаем в повседневной жизни и используем, не зная их объяснения и причин возникновения (глаз обезьяны тоже оптический прибор, который она использует, абсолютно ничего не зная про оптику и свойства света). Человек, который щурит глаз, чтобы лучше видеть, может и не подозревать, что он таким образом управляет размерами линзы.

Но для того чтобы осознанно использовать свойства света, научиться проектировать и создавать различные оптические приборы (лупу, очки, телескоп), нужен четкий инструмент: нужно научиться описывать поведение светового луча на границе раздела сред.

Это поведение подробно исследовали и вывели законы отражения и преломления, их мы изучим на уроках данного раздела (см. рис. 4).

Рис. 4. Законы отражения и преломления

Когда мы говорим о преломлении и отражении, волновые свойства светового луча не проявляются, поэтому можно рассматривать лучи света как прямые линии.

Раздел оптики, который работает в рамках описанной модели, называется геометрической оптикой. Это не означает, что свет перестает быть волной, просто в данной модели эти его свойства не важны, мы их не учитываем.

Мы уже сталкивались с подобной ситуацией, когда отдельно изучали электрическое, отдельно – магнитное проявления электромагнитного поля.

 

---

Модель геометрической оптики

Одно из определений геометрической оптики: Раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах, отражения света от зеркально отражающих поверхностей и принципы построения изображений при прохождении света в оптических системах без учета его волновых свойств. Определение может показаться нелогичным. С одной стороны, в модели геометрической оптики мы не учитываем волновые свойства света. Мы используем законы преломления и т. д. Но с другой стороны – сами законы преломления выводятся с учетом волновых свойств света (см. рис. 5).   Рис. 5. Модель преломления света как волны, использующая принцип Гюйгенса   На самом деле противоречия нет, нужно понимать, что такое модель. Геометрическая оптика не отрицает волновые свойства света. Когда мы используем инструменты геометрической оптики, мы чертим световые лучи, «забывая» о волновых свойствах, и применяем законы преломления как готовый инструмент, не вдаваясь в подробности, как их вывели.

 

 

Тонкая линза

 

 

Кроме законов отражения и преломления, мы освоим еще один инструмент геометрической оптики: закономерности для тонкой линзы.

 

Линза имеет округлую поверхность (см. рис. 6).

Рис. 6. Собирающая линза

Можно рассмотреть поведение луча, падающего на поверхность линзы (в любой точке) и с помощью законов преломления определить его направление после прохождения линзы (см. рис. 7).

Рис. 7. Направление лучей после прохождения линзы

Из-за кривизны поверхности в каждой точке будут разные углы падения и расчеты станут слишком сложными (см. рис. 8).

Рис. 8. Применение законов преломления к разным точкам линзы

Поэтому есть смысл изучать линзы, для которых можно получить общие закономерности.

Если рассмотреть линзу, которая образуется пересечением двух сфер и ее толщина намного меньше радиусов этих сфер (см. рис. 9), то можно вывести ряд закономерностей.

Рис. 9. Тонкая линза

Эту модель назвали тонкой линзой, выведенные для нее закономерности мы подробно изучим на уроках данного раздела.

Полученные результаты можно применить к любой линзе. Таким образом, можно предсказывать поведение света при прохождении не только одной линзы, но и целых систем линз (см. рис. 10), что привело к широкому практическому применению таких систем: от очков и контактных линз до проекторов и микроскопов.

Рис. 10. Система линз

 

Волновые свойства света

 

 

Как быть с тем, что при прохождении света через узкую щель образуется странная картина (см. рис. 11), как объяснить возникновение цветных разводов на мыльном пузыре (см. рис. 12) и то, что мы видим предметы цветными?

 

Рис. 11. Результат прохождения света через узкую щель

Рис. 12. Цветные разводы на мыльном пузыре

Во всех этих случаях проявляются волновые свойства света, которые в геометрической оптике не учитываются.

Иногда эти эффекты можно использовать. Иногда они мешают (например, искажают изображения в оптических приборах). Чтобы управлять этими эффектами (применять или избавляться от них), нужно выявить четкие закономерности, которым они подчиняются. Мы эти закономерности подробно изучим.

В начале урока мы упомянули, что белый свет содержит в себе электромагнитные волны всех частот видимого диапазона (белый свет содержит все цвета). Коэффициент преломления вещества может отличаться для волн разных частот, это свойство называется дисперсия. Поэтому волны разных частот (а значит, разного цвета) преломляются под разными углами и потом распространяются в разных направлениях – свет разных цветов оказывается разделенным (см. рис. 13).

Рис. 13. Преломление волн разных частот в призме

Изучая механические волны, мы рассматривали их дифракцию и интерференцию. Эти же явления наблюдаются и для электромагнитных волн.

Если камень лежит под дождем, то, подняв его, всегда можно увидеть четкие границы сухой области. А вот если вы присмотритесь к тени, которую отбрасывает камень в солнечный день, то заметите, что у нее края не такие четкие.

Это связано с тем, что из-за дифракции световые волны могут огибать препятствия. У световых электромагнитных волн длина волны составляет доли микрометра, поэтому они могут огибать препятствия небольшого размера. По этой причине мы не видим тени от пылинки.

Если в одну точку падают две волны одинаковой частоты, мы обращаем внимание на их разность фаз. Если волны колеблются в одинаковой фазе, в этой точке наблюдается усиление колебаний, если в противофазе – колебаний в данной точке нет (см. рис. 14).

Рис. 14. Сложение волн в одинаковой фазе и противофазе

Мы можем применять эффекты волновой оптики для работы с микрообъектами: тонкими пленками, узкими отверстиями, мелкими неровностями поверхностей.

Таким образом, на уроках данного раздела мы будем работать в рамках двух моделей: геометрической и волновой оптики.

И даже этих двух моделей будет недостаточно, чтобы объяснить такие явления, как:

- фотоэффект (свет выбивает электроны из вещества);

- давление света (оказывается, свет давит на поверхность, хоть это и незаметно в повседневной жизни).

Это связано с тем, что иногда свет ведет себя не только как волна, но и как поток частиц. И для того чтобы учесть эти свойства света, нужна еще одна модель, которая называется квантовой физикой и о которой мы отдельно поговорим позже.

 

Список литературы

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Чаругин В.М. Физика 11 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений. – 23-е изд. – М.: Просвещение, 2014. – 400 с.
2. Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. – 464 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «physbook.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «class-fizika.spb.ru» (Источник)
3. Интернет-портал «iles.school-collection.edu.ru» (Источник)
4. Интернет-портал «files.school-collection.edu.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Что такое тонкая линза? Как можно ее получить?
2. Почему ложка в стакане с чаем кажется поломанной?
3. Верное ли утверждение: волны одного цвета преломляются под разными углами? Как это можно проверить?