Физика

Урок 12: Световые явления. Часть 2

Световые явления. Часть 2

Можно ли осветить узкий длинный коридор одной небольшой свечкой? Как увидеть берег, находясь в подводной лодке? Можно ли уничтожить вражеский корабль с помощью … зеркала? В данном уроке есть ответы на эти вопросы. Раздел физики – оптика, разъясняет их, используя законы световых явлений.

Обложка урока взята с источника.


План урока:

Зеркало. Как видит человек в зеркале?

Отражение зеркальное и рассеянное

Зеркала не только дома

Линзы. Какими они бывают?

Геометрия помогает оптике. Изображения, даваемые линзами

Главные характеристики линзы

Глаз. Зрение. Очки

 

Зеркало. Как видит человек в зеркале?

Полезнейшая вещь есть в любом доме, и используется ежедневно – зеркало. Предметы находятся перед ним, и кажется, что и внутри зеркала есть точно такие же предметы. То, что видимо в зеркале называется изображением предмета.

1rr
Свеча перед зеркалом. Источник

Почему человек видит то, чего за зеркальной плоскостью нет? Как это выходит?

Человеческий глаз воспринимает физические тела и вещества с помощью лучей, расходящихся от них во все стороны. Часть этих лучей направлена в глаз, и человек воспринимает окружающие предметы. А теперь, как человек видит что-то в зеркале?

От предмета не все лучи идут к глазу. Некоторая часть их идет на рядом стоящее зеркало. По закону оптики каждый из лучей отражается от зеркальной поверхности под таким же углом, под каким падает.

Пусть точка C стоит перед зеркалом MN. Лучи ведут себя одинаково, поэтому достаточно рассмотреть три из них, чтобы стал понятен их ход.  

2rrr
Точка С в зеркале MN.

Луч СО падает под углом 0о и отражается тоже под таким же углом (проявляется обратимость лучей света).

Лучи СО1 и СО2, отражаясь от зеркала, направляются к глазу, и вместе с ними пучок остальных лучей, которые просто не указаны на чертеже (они ведут себя так же).

Продолжения лучей (сделаны пунктиром) с обратной стороны зеркала пересекутся в точке С1.Это изображение точки С.

В действительности лучей там нет и точки С1 тоже нет. Такое изображение называется мнимым изображением.

Используя обычную линейку и свечу можно определить свойства мнимого зеркального изображения.

Для этого надо взять стекло, которое одновременно с отражением дает возможность увидеть за ним линейку.

Стекло вертикально ставится на линейку. Перед стеклом на расстоянии 2 см ставится свечка.

3rr
Свечка перед стеклом.

Мнимое изображение свечи находится через 2 см от стекла с обратной стороны. Причем, его высота совпадает с высотой рассматриваемой свечи.

Итак, плоское зеркало дает следующие свойства изображению:

4rr

Еще одна особенность зеркальных поверхностей в том, что они дают симметричное изображение. Это видно из простого примера. Если поднести к зеркалу правую руку, там будет видна будто бы левая рука.

5rr
Рука в зеркале. Источник

Используя понятие симметрии, можно выполнять чертежи предметов, и их зеркальных изображений.

6rr
Симметрия в зеркальном отражении.

 

Отражение зеркальное и рассеянное

Встает вопрос, почему не дает изображения, например, белая бумага, ведь она тоже отражает свет, не являясь его источником.

Объясняется это тем, что зеркало обладает очень гладкой поверхностью. Попадая на него, поток параллельных лучей отражается тоже параллельными лучами, иначе, что падает, то и отражается.

На бумажной поверхности есть мельчайшие неровности. Попадая на них, параллельные лучи уже не будут отражаться параллельно друг другу.

В результате то, что отражается, не получается таким же, как при падении на гладкую поверхность. Когда параллельные лучи рассеиваются от поверхности в разных направлениях, отражение называется рассеянным.

7rr

Зеркальное и рассеянное отражение.

Чем глаже поверхность, тем ближе ее свойства к зеркальным.

8rr
Примеры поверхностей.

 

Зеркала не только дома

Отражающие свойства зеркал используются в перископах – приборах для просмотра местности из укрытий. Так, не поднимаясь на поверхность воды из подводной лодки можно увидеть берег или надводные корабли.

9rr
Перископ. Источник

10rr
Ход лучей в перископе.

Зеркала перископа установлены под таким углом, чтобы изображение передавалось сверху вниз наблюдателю через смотровое отверстие.

По принципу устройства перископа можно решить задачу об освещении длинного коридора с помощью одной свечи и нескольких зеркал.

11rr
Одна свеча на весь коридор.

Поставив зеркала на таком расстоянии друг от друга, чтобы лучи попадали из одного зеркала в другое, нужно запустить поток света по всему коридору. Конечно, эта задача не практическая, и никто не будет освещать комнаты таким способом, но теоретически это возможно и интересно.

Еще одним интересным примером, где используются свойства зеркал, является красивая легенда об Архимеде. Спасая город Сиракузы от врагов, Архимед велел так отполировать щиты своих воинов, чтобы они блестели, как зеркала.

12rr
Зеркало Архимеда. Источник

Изучая свойства отражения, Архимед пришел к выводу, что с помощью зеркала можно сконцентрировать световую энергию солнца так, чтобы произошло воспламенение. Собрав большое число зеркал, и направив солнечные лучи на деревянные корабли противника, сиракузцы сожгли вражеский флот.

13rr
Как зажечь зеркалами деревянный корабль. Источник

В современном мире зеркала плоские и сферические (округлой формы) применяются довольно широко:

  • домашние зеркала и зеркала больших залов;
  • зеркала заднего вида в транспорте;
  • прожекторы, фары, фонари;
  • микроскопы и телескопы;
  • проекторы;
  • медицинские устройства (например, лобный рефлектор, стоматологическое зеркало и др.);

И это далеко не полный список применения зеркал в разных отраслях жизни человека.

 

Линзы. Какими они бывают?

Управлять световыми пучками можно еще с помощью одного изобретения. Это очки – не только помогающие хорошо видеть, вставленные в оправу линзы, а устройства, управляющие светом.

14rr

Схематически с использованием геометрических построений линзу можно представить так:

15rr

У элементов линзы есть специальные названия:

16rr

Тут на картинке

Если с точки зрения геометрии сферические поверхности пересекаются, такая линза называется выпуклой. Края ее много тоньше середины.

По-другому образуется вогнутая линза. Геометрические поверхности ее не пересекаются, а отдалены на некоторое расстояние.

17rr

Сочетание закругленных поверхностей определяет свойства различных линз. Они по-разному изменяют направления лучей.

Световые лучи дважды преломляются, проходя линзу. Первый раз на входе в линзу, второй раз при выходе из нее. Дальше лучи или пересекаются, или расходятся в разные стороны.

18rr
Прохождение лучей сквозь линзы.

У всех линз есть важнейшая характеристика.

Выпуклая линза собирает лучи в одну точку, называемую фокусом линзы (F).

Из вогнутой линзы лучи выходят расходящимся пучком. Но и здесь есть фокус, только мнимый. Он находится перед линзой в точке, где пересекаются продолжения расходящихся лучей. Название «мнимый» фокус получил, потому что пересекаются не сами лучи, а прямые, на которых они располагаются.

19rr

Линзы бывают различными. Их свойства зависят от вида образующих поверхностей.

Собирающие:

20rr

      1 – двояко-выпуклая;

      2 – плоско-выпуклая;

       3 – вогнуто-выпуклая.

Рассеивающие:

21rr

1 – двояко-вогнутая;

   2 – плоско-вогнутая;

   3 – выпукло-вогнутая.

Основной особенностью собирающих линз является то, что расстояние между поверхностями в центре больше, чем по краям. У рассеивающих линз, наоборот, в центре расстояние между поверхностями меньше, чем по краям.

22rr
Главное отличие линз.  

Такое строение и определяет ход лучей на выходе из линз (лучи пересекаются или расходятся).

23rr
Ход лучей в линзах разного типа.

 

Геометрия помогает оптике. Изображения, даваемые линзами

При рассмотрении изображений, даваемых линзами, не учитывается преломление внутри линз. Важно, как пойдет свет за линзами. Поэтому используется чертеж, на котором указываются только основные лучи, а сами линзы представлены отрезками со стрелками на концах.

Из каждой точки предмета выходят пучки расходящихся световых лучей. Точек бесконечно много, значит, и количество лучей бесконечно. После преломления за собирающей линзой лучи вновь сходятся в определенных точках. Перед рассеивающей линзой пересекаются линии, продолжающие лучи. Именно эти точки пересечения образуют в совокупности даваемое линзой изображение.

Всю массу лучей построить нереально, поэтому используется следующий геометрический прием:

Пусть предмет АВ (на чертеже красная стрелка) рассматривается сквозь собирающую линзу. Выполняя чертеж, от каждой точки предмета строят два основных луча. 

24rr

25rr
Основные лучи.

На примере точек А и В видно, как получается их изображение. Точка В1 – это точка пересечения лучей, идущих из точки В. Точка А1 – это точка пересечения лучей, которые идут из точки А.

Если бы было возможно провести изо всех точек предмета АВ такие лучи, то после линзы они пересеклись бы на изображении А1В1.

Называют изображения по трем параметрам:

  • действительное, если лучи сами пересекаются, мнимое, если пересекаются продолжения лучей;
  • прямое, если изображение не переворачивается «к низу головой», перевернутое, если меняется его направленность;
  • уменьшенное или увеличенное (сопоставляются размеры полученного изображения и рассматриваемого тела).

Изображения различны, и зависит это от расположения предмета по отношению к фокусам линзы F или двойным фокусам 2F.

В приведенном примере предмет находится дальше двойного фокуса, и поэтому изображение получается действительным перевернутым уменьшенным.

Вот еще несколько примеров построения изображений, даваемых линзами. Для упрощения чертежа пусть предмет стоит на главной оптической оси.

Действительное перевернутое увеличенное изображение дает собирающая линза, когда предмет находится между фокусом и двойным фокусом.

26rr

Если предмет поместить в точку фокуса, его изображение будет просто размытым, так как выходящие из линзы лучи пойдут параллельно.

27rr

Предмет в точке двойного фокуса – изображение перевернутое исходного размера.

28rr

А теперь, как строится изображение в рассеивающей линзе, которая на чертеже – это отрезок с расходящимися стрелками, остальные элементы чертежа остаются прежними.

29rr

Изображение образуется там, где пересекаются прямые, содержащие расходящиеся лучи, перед линзой. Это будет мнимое прямое уменьшенное изображение.

Поместив предмет в другое место, получим новое изображение.

30r

Характеристики изображения аналогичны предыдущему случаю. Оно будет мнимым уменьшенным и прямым, не зависимо от расположения предмета перед линзой.

 

Главные характеристики линзы

На практике используются линзы различных размеров, вогнутые и выпуклые, с маленьким радиусом кривизны и большим. Чаще других линзы встречаются в обыкновенных очках. Интересно то, что очки, хорошо помогающие видеть одному человеку, абсолютно не подходят другому. Почему? Объясняется это явление важнейшими характеристиками линз: фокусным расстоянием и оптической силой.

31rr
Различные линзы. Источник

32rr

33rr

Фокусное расстояние связано с радиусами поверхностей, образующих линзу. Проще говоря, чем более выпуклыми являются поверхности, тем меньше фокусное расстояние. Такие линзы сильнее преломляют лучи и дают большее увеличение. Соответственно линзы с менее выпуклыми поверхностями имеют большее фокусное расстояние, слабее преломляют лучи и дают меньшее увеличение.

34rr

35rr

Собирающие линзы обладают положительной оптической силой.

Так как у рассеивающих линз фокус мнимый, условно принято считать фокусное расстояние отрицательным и оптическую силу таких линз тоже отрицательной.

В большинстве устройств оптики применяется сразу несколько линз, образующих систему. Общая оптическая сила определяется как сумма оптических сил всех входящих в систему линз.

D = D1 + D2 + D3 + … + Dn

Буквой n обозначено количество использованных линз.

36rr
Разнообразие линз беззеркальной камеры. Источник

 

Глаз. Зрение. Очки

Когда человек надевает очки, оказывается, он создает систему линз, помогающую ему хорошо видеть. Глаз человека или животного – это не просто орган зрения, а оптическая система, созданная природой. Среди частей глаза есть роговица (передняя часть оболочки глаза), прозрачное тело в виде двояко-выпуклой линзы – хрусталик. За хрусталиком располагается стекловидное тело. Эти три составляющие элемента образуют оптическую систему глаза.

Сетчатка, расположенная за стекловидным веществом, является экраном для этой системы.

Пройдя через такую систему, световые лучи преобразуются в действительное уменьшенное перевернутое изображение.

37rr
Строение глаза.

Человек же получает информацию и другими органами чувств, не только глазами. В результате анализа и корректировки мозгом полученных сведений видит изображение прямым.

Здоровый глаз дает разборчивое изображение прямо на сетчатке. По правилам построения изображений можно сказать, что их характеристики должны быть различными в зависимости от того, где находится рассматриваемый предмет. Так, как же глаз видит при переводе взгляда с близкого предмета на удаленный или наоборот?

В результате эволюционного развития человека глаз приобрел очень полезное свойство приспосабливаться к видению на различных расстояниях. Это свойство называется аккомодацией. При взгляде на удаленные предметы кривизна хрусталика невелика, мышцы глаза его не сдавливают. При этом оптическая сила «живой» линзы слабая.

38rr
Механизм аккомодации.

Взгляд переводится на близкий предмет, мышцы напрягаются, кривизна хрусталика увеличивается, и оптическая сила глаза становится больше.

Так здоровым глазом контролируется видение в различных точках окружающего пространства.

Использовать очки приходится человеку, у которого есть нарушения в оптической системе глаза. Например, это может быть дальнозоркость или близорукость.

С помощью очков глаз получает дополнительные линзы, которые вместе с глазом дают четкое изображение на сетчатке.

39rr
Система глаз + очки.

Близорукий глаз дает изображение внутри стекловидного тела перед сетчаткой. Для исправления этого дефекта нужно ослабить оптическую силу глаза, применив рассеивающую линзу.

40rr

Наоборот, дальнозоркому глазу нужно увеличение оптической силы, что и делает собирающая линза. Даваемое за сетчаткой изображение переносится на сетчатку.

41rr

Итак, близорукий человек носит очки с оптической силой, например, - 0,5 дптр, -2 дптр (рассеивающие линзы). Дальнозорким людям врачи назначают собирающие линзы. Их оптическая сила положительна, например, + 0,5 дптр, + 3 дптр.

С возрастом способность к аккомодации у глаза ослабевает. Мышцам труднее сжимать хрусталик, и поэтому пожилые люди становятся дальнозоркими.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Чем объяснить невозможность деревянной доски давать изображение предметов, находящихся перед ней?
1Доска не прозрачна
2Шероховатость поверхности доски
3Дерево не может отражать лучи света
Ответить
2
Вопрос: 2
Симметричное изображение дает…
1рассеивающая линза
2собирающая линза
3плоское зеркало
Ответить
3
Вопрос: 3
Капля воды в полете с точки зрения оптики – это …
1Зеркало
2Двояко-выпуклая линза
3Не оптический объект
Ответить
2
Вопрос: 4
Каким будет фокусное расстояние системы двух линз с оптическими силами в + 4 дптр и – 2 дптр?
10,5 м
22 м
31/6 м
Ответить
1
Вопрос: 5
Что означает термин «аккомодация» человеческого глаза?
1Дефект глаза
2Дальнозоркость или близорукость
3Способность видеть предметы на различных расстояниях
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Чем объяснить невозможность деревянной доски давать изображение предметов, находящихся перед ней?
1) Доска не прозрачна 2) Шероховатость поверхности доски 3) Дерево не может отражать лучи света
2 вопрос:

Симметричное изображение дает…
1) рассеивающая линза 2) собирающая линза 3) плоское зеркало
3 вопрос:

Капля воды в полете с точки зрения оптики – это …
1) Зеркало 2) Двояко-выпуклая линза 3) Не оптический объект
4 вопрос:

Каким будет фокусное расстояние системы двух линз с оптическими силами в + 4 дптр и – 2 дптр?
1) 0,5 м 2) 2 м 3) 1/6 м
5 вопрос:

Что означает термин «аккомодация» человеческого глаза?
1) Дефект глаза 2) Дальнозоркость или близорукость 3) Способность видеть предметы на различных расстояниях
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Шероховатость поверхности доски
2 вопрос: плоское зеркало
3 вопрос: Двояко-выпуклая линза
4 вопрос: 0,5 м
5 вопрос: Способность видеть предметы на различных расстояниях