_Оптика

Благодаря свету и органам зрения мы видим окружающий мир. Наблюдая самые разнообразные явления природы, открывая ее законы, мы приходим к выводу, что без света невозможно существование жизни на Зем­ле. Солнечный свет не только позволяет нам видеть все, что нас окружает, но и обогревает нашу планету. Например, за одну секунду свет от Солнца приносит на Землю столько энергии, сколько ее выделяется при сгорании 40 миллионов тонн каменного угля.

О природе света и световых явлениях люди задумывались с древнейших времен. Поэтому неудивительно, что оптика (от греч. отт%Т| — «взгляд»; в дальнейшем: наука о зрительном восприятии) является одним из старей­ших разделов физики. Некоторые античные мыслители (Аристотель, Эпи­кур) высказывали о природе света догадки, довольно близкие к современ­ным представлениям. Они считали, что зрительные ощущения возникают под действием попадающих в глаз мельчайших частиц света — корпускул, ис­ходящих или отражающихся от наблюдаемых предметов.

Представления о свете неоднократно менялись в процессе изучения особенностей световых явлений. Оптикой занимались величайшие физи­ки: Ньютон, Гюйгенс, Френель, Максвелл, Эйнштейн и многие другие. Большой вклад в развитие оптики внесли российские ученые: П.Н. Лебе­дев, СИ. Вавилов, Л.И. Мандельштам, Н.Г. Басов, А.М. Прохоров. В на­стоящее время о природе света уже многое известно. Вы, например, уже знаете, что видимый свет представляет собой электромагнитные волны в диапазоне от 0,38 до 0,76 мкм. Позднее, в старших классах, вы продол­жите изучение природы света.

Оптика представляет собой раздел физики, изучающий природу . света, различные световые явления и законы, которым эти явления подчиняются.

Изучение оптики мы начнем с геометрической (лучевой) оптики. В этом разделе рассматривают установленные опытным путем законы распростране­ния света. Полученные знания используют для создания различных оптиче-

231 .

ских устройств. При этом в геометрической оптике не рассматривают во­просы, связанные с природой света и причинами световых явлений.

Следует отметить, что в геометрической оптике используют физические модели (мы обязательно скажем о них), которые предназначены для решения определенного круга задач. Всякая модель связана с упрощением реального физического явления. Поэтому законы геометрической оптики при опреде­ленных условиях нарушаются. Границы применимости этих законов и причи­ны их нарушения мы рассмотрим в старших классах при изучении физиче­ской оптики. Тогда же вы сможете больше узнать о том, что такое свет и како­ва его природа.

§36

Источники света. Действия света

Мы видим объекты, которые либо сами испускают свет, либо от­ражают свет, испущенный другими телами — источниками света.

Источники света можно разделить в зависимости от их температуры на два класса: тепловые и холодные.

Тепловые источники испускают свет благодаря тому, что они разогреты до достаточно больших температур. Так, температура в пламени свечи обыч­но составляет около 1000 °С; нити накала осветительных ламп за счет выде­ления тепла при прохождении по ним электрического тока разогревают­ся до температуры 2000-3000 °С; поверхность Солнца имеет температуру около 6000 °С, а температура поверхности некоторых звезд может достигать 50 000 °С. Разогрев Солнца и других звезд обусловлен термоядерными реак­циями, о которых вы узнаете в последней главе этого учебника.

Источники света, температуры которых мало отличаются от комнатной, называют холодными. Примерами таких источников являются некоторые светящиеся организмы, гнилушки. Свечение подобных объектов связано с происходящими в них сложными физико-химическими процессами. Други­ми примерами холодных источников света могут служить полярные сияния, молнии, газоразрядные трубки (в том числе лампы дневного света), свето-диоды и некоторые типы газовых и полупроводниковых лазеров. Свечение этих объектов возбуждает электрический ток. Известны вещества, которые светятся под действием падающих на них электронов. Такими веществами покрывают экраны большинства телевизоров и мониторов.

Тела, которые не являются источниками света, мы видим, только если они освещены. Свет от источника попадает на эти тела, отражается от их по­ верхности, меняя направление, и доходит до глаз. Так, Луна не является ис- ■ 232

т очником света, несмотря на свое яркое свечение на ночном небе. Она освещается Солнцем и поэтому светит отраженным светом.

Световые пучки от разных источников света не действуют друг на друга

Свет может оказывать самые различ­ные воздействия на окружающие тела. Наи­более явно выраженное действие света — это нагревание тел (в частности, нагрева­ние воздуха, воды, почвы солнечным све­том). Очень часто под действием света изменяется проводимость веществ и дру­гие их свойства. Облучаемые светом веще­ства могут испускать заряженные частицы — электроны. Под действием света происхо­дит фотосинтез в листьях растений, начи­наются либо ускоряются многие химиче­ские реакции. Наконец, свет оказывает определенное давление. Эксперименталь­но это давление (не только на твердые тела, но и на газы) впервые было об­наружено и измерено в конце XIX в. профессором Московского универси­тета П.Н. Лебедевым (1866-1912).

А как действуют световые пучки от разных источников света друг на друга? В начале XVIII в. экспериментально было установлено, что если на некоторую область действует свет от разных источников, то эти действия происходят независимо друг от друга. Иными словами, действия света от разных источников складываются. Это свойство света часто называют законом независимости световых пучков. Кроме того, при пересече­нии световых пучков не только не изменяется характер их распростране­ния, но не изменяется и распределение энергии в каждом из них, т. е. пе­ресекающиеся световые пучки от разных источников света не дейст­вуют друг на друга.

Для примера на рис. 143 показаны световые пучки от двух проекционных аппаратов, в которые вставлены разные диапозитивы. Несмотря на то что пучки пересекаются, на экранах видны четкие изображения диапозитивов.

Итоги

Оптика — это раздел физики, изучающий природу света, ран личные световые явления и законы, которым эти явления под чиняются.

В геометрической (лучевой) оптике рассматривают установ­ленные опытным путем законы распространения света. Полу-

233

ченные знания используют для создания различных оптиче­ских устройств. При этом в геометрической оптике не рассмат­ривают вопросы, связанные с природой света и причинами све­товых явлений.

Зрительные ощущения возникают при попадании в глаз света, исходящего от источников света, или света, отражающегося от наблюдаемых предметов.

Источники света можно разделить в зависимости от их темпе­ратуры на два класса: тепловые и холодные. Закон независимости пучков света: если на некоторую область оказывает действие свет от разных источников, то эти действия происходят независимо друг от друга, т. е. действия света от раз­ных источников складываются. Пересекающиеся световые пучки не влияют друг на друга.

Вопросы

1 _ Какие явления изучает оптика?

2_ Какие объекты может видеть человек?

3_ Какие источники света вы знаете? Приведите примеры тепловых

и холодных источников света. 4_ Какие действия может оказывать свет?

5. Сформулируйте закон независимости световых пучков.

6. Изменяется ли характер и направления распространения свето­вых пучков при их пересечении?

7 ^ Что является предметом изучения геометрической оптики?

Задание

Определите, какие из перечисленных в тексте параграфа источ­ников света можно отнести к естественным источникам, а какие являются искусственными источниками света. Приведите свои примеры тепловых и холодных источников света.

§37

Закон прямолинейного распространения света

Прежде всего отметим, что мы будем изучать распространение вета в прозрачных однородных средах.

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

К настоящему времени экспериментально установлено:

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».

П рямую 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).

234

235

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.

236

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

Рис.146

а

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 d отверстия

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.

237

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.

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

Рис.

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.

238

239

4

*5

Измерение углов падения и отражения света при помощи оптического диска

Вопросы

Сформулируйте закон прямолинейного распространения света. Что называют лучом света?

Какие пучки света называют расходящимися, сходящимися и па­раллельными? Приведите примеры расходящегося и практиче­ски параллельного пучков света. При каких условиях образуются: тень; полутень? Почему в ясную погоду утром и вечером тень от ноги стоящего на Земле человека получается четкой, а тень от его головы размы­той?

Почему происходят солнечные и лунные затмения? Что такое камера-обскура? Почему для получения четкого изоб­ражения отверстие в ее передней стенке должно быть достаточ­но малым?