Световые явления. Законы отражения и преломления света. Тонкие линзы
Прямолинейное распространение света, тень и полутень. Закон отражения света: угол падения равен углу отражения. Закон преломления света (Снеллиуса). Собирающие и рассеивающие тонкие линзы. Формула тонкой линзы: 1/F = 1/d + 1/f. Оптическая сила линзы в диоптриях.
Оптика — раздел физики, изучающий природу света, законы его распространения и взаимодействия с веществом.
Источники света разделяют на естественные (Солнце, звезды, молния, полярное сияние, светлячки) и искусственные (лампы накаливания, светодиоды, свечи, люминесцентные трубки, лазеры). По температуре различают тепловые источники (раскаленные нити) и источники холодного свечения (люминесценция).
Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной прозрачной среде свет распространяется строго по прямым линиям (световым лучам).
Доказательством прямолинейности служат образование тени и полутени от непрозрачных предметов, солнечные и лунные затмения. Тень — область пространства за предметом, куда свет от источника не попадает вообще. Полутень — область частичного освещения, куда свет попадает лишь от части протяженного источника.
Четкая тень
Тень + полутень
При падении светового пучка на границу раздела двух сред часть света отражается обратно в первую среду.
Закон отражения света:
1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к границе раздела сред, восставленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости;
2. Угол отражения β в точности равен углу падения α:
α = β.
(Все углы в оптике отсчитываются от перпендикуляра к поверхности, а не от самой поверхности!).
Виды отражения: зеркальное (от гладких полированных поверхностей, где параллельный пучок остается параллельным) и диффузное/рассеянное (от шероховатых поверхностей, рассеивающее свет во все стороны, благодаря чему мы видим окружающие предметы).
Изображение в плоском зеркале является мнимым (находится за зеркалом на пересечении продолжений лучей), прямым, равным по размеру самому предмету и симметричным относительно плоскости зеркала (расстояние от предмета до зеркала равно расстоянию от зеркала до изображения).
При переходе света из одной прозрачной среды в другую (например, из воздуха в воду или стекло) луч меняет свое направление на границе раздела — это явление называют преломлением света.
Причина преломления: скорость распространения света в различных средах неодинакова. В вакууме скорость света максимальна (c ≈ 300 000 км/с), в воде она меньше в 1.33 раза, в стекле — в 1.5–1.7 раза, в алмазе — в 2.42 раза.
Относительный показатель преломления (n) равен отношению скорости света в первой среде v₁ к скорости во второй v₂: n = v₁ / v₂ = sin α / sin γ.
Закон Снеллиуса: отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ есть величина постоянная для двух данных сред:
sin α / sin γ = n₂ / n₁ = n₂₁.
Полное внутреннее отражение (ПВО): при переходе света из оптически более плотной среды в менее плотную (из стекла в воздух) под углом падения больше критического предельного (α ≥ αпред) свет полностью отражается внутрь среды без выхода наружу! На ПВО основаны волоконно-оптические кабели высокоскоростного интернета и медицинские эндоскопы.
Анимированная модель: Закон преломления света (закон Снеллиуса)
Линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими (или сферической и плоской) поверхностями. Линзу называют тонкой, если её толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей.
Виды линз:
• Собирающая линза (положительная): середина толще краев (двояковыпуклая, плосковыпуклая). Собирает параллельный пучок лучей в одной точке — главном фокусе F за линзой.
• Рассеивающая линза (отрицательная): середина тоньше краев (двояковогнутая). Рассеивает параллельный пучок лучей так, что их продолжения сходятся в мнимом фокусе F перед линзой.
Фокусное расстояние (F) — расстояние от оптического центра линзы O до её главного фокуса в метрах (м).
Оптическая сила линзы (D) — величина, обратная фокусному расстоянию:
В СИ оптическая сила измеряется в Диоптриях (дптр): 1 дптр — оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м. Для собирающих линз D > 0, для рассеивающих D < 0.
Формула тонкой линзы связывает расстояние от предмета до линзы d, расстояние от линзы до изображения f и фокусное расстояние F:
Правило знаков: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0. Для действительного изображения f > 0, для мнимого f < 0.
Линейное увеличение линзы (Г): отношение высоты изображения H к высоте предмета h:
Г = H / h = f / d.
Построение лучей для собирающей линзы выполняется по трем замечательным лучам:
1. Луч, параллельный главной оптической оси, после преломления идет через главный фокус F;
2. Луч, проходящий через оптический центр линзы O, проходит без преломления;
3. Луч, идущий через передний фокус F, после линзы выходит параллельно оптической оси.
Характер изображения в собирающей линзе:
• Предмет дальше 2F (d > 2F): действительное, уменьшенное, перевернутое (фотоаппарат, глаз);
• Предмет в 2F (d = 2F): действительное, равное по размеру, перевернутое;
• Предмет между F и 2F: действительное, увеличенное, перевернутое (проектор);
• Предмет ближе фокуса (d < F): мнимое, увеличенное, прямое (лупа!).
Провести луч через центр O
Провести луч параллельно оси
Найти точку пересечения
- 1. Источники света. Прямолинейное распространение света. Тень и полутень~5 мин
- 2. Закон отражения света. Плоское зеркало и мнимое изображение~5 мин
- 3. Закон преломления света (закон Снеллиуса) и полное внутреннее отражение~5 мин
- 4. Тонкие линзы: собирающие и рассеивающие линзы. Оптическая сила~5 мин
- 5. Формула тонкой линзы и правила построения изображений~5 мин
