Закон независимости световых лучей. Закон прямолинейного распространения света. Закон отражения света. Закон преломления света. Рассмотрим по порядку эти законы, и посмотрим как они «работают»

Пример 3. Известно расположение предмета А и его изображения А' относительно главной оптической оси MN сферического зеркала. Найти построением фокус зеркала. Решение. 1. Пересечение прямой, проходящей через точки А и А', с осью MN дает центр сферического зеркала. Проведем прямую через точки А и А' до пересечения с главной оптической осью MN и найдем точку О. 2. Проведем отрезки АВ и А'В', перпендикулярные к оси MN (точки В и В' симметричны точкам А и А' соответственно). 3. Проведем прямые АВ' и ВА'. Точка пересечения их с осью MN и есть полюс зеркала Р. Окружность радиуса ОР с центром в точке О определяет положение зеркала. Отражающая поверхность зеркала обращена к предмету. Фокус зеркала F делит отрезок ОР пополам. Использование зеркал. Плоским зеркалом широко пользуются и в быту, и при устройстве различных приборов. Известно, что точность отсчёта по какой-либо шкале зависит от правильного расположения глаза. Чтобы уменьшить ошибку отсчёта, точные измерительные приборы снабжаются зеркальной шкалой. Работающий с таким прибором видит деления шкалы, узкую стрелку и её изображение в зеркале. Правильным будет такой отсчёт по шкале, при котором глаз расположен так, что стрелка закрывает своё изображение в зеркале. Отражённый от зеркала «зайчик» заметно смещается при повороте зеркала даже на небольшой угол. Это явление используется в измерительных приборах, отсчёт показаний которых производится на удалённой от прибора шкале по смещению светового «зайчика» на этой шкале. «Зайчик» получается от маленького зеркальца, связанного с подвижной частью прибора и освещаемого от специального источника света. Измерительные приборы с таким устройством для отсчёта показаний обычно очень чувствительны. Вогнутые зеркала используют для изготовления прожекторов: источник света помещают в фокусе зеркала, отраженные лучи идут от зеркала параллельным пучком. Если взять вогнутое зеркало больших размеров, то в фокусе можно получить очень высокую температуру. Тут можно разместить резервуар с водой для получения горячей воды, например, для бытовых нужд за счёт энергии Солнца. С помощью вогнутых зеркал можно направить большую часть света, излучаемого источником, в нужном направлении. Для этого вблизи источника света помещается вогнутое зеркало, или, как его называют, рефлектор. Так устраиваются автомобильные фары, проекционные и карманные фонари, прожекторы. Прожектор состоит из двух главных частей: мощного источника света и большого вогнутого зеркала. При указанном на рисунке расположении источника и зеркала отражённые от зеркала лучи света идут почти параллельным пучком. Крупный прожектор может освещать предметы, находящиеся на расстоянии 10-12км от него. Такой прожектор виден с очень больших расстояний, если глаз окажется в области посылаемого прожектором светового пучка. Мощные прожекторы используются при устройстве маяков. Кроме того, вогнутые зеркала применяются в телескопах-рефлекторах, с помощью которых наблюдают небесные тела. Закон преломления света Если пучок света падает границу раздела двух сред, то, как говорилось ранее, один луч отражается, а другой преломляется. На рисунке 12 показаны: падающий луч АО, преломленный луч ОВ и перпендикуляр ОС, восстановленный к точке падения луча на поверхность, разделяющую две разные среды. Угол α – угол падения, угол β – угол преломления. Падающий луч АО, преломленный луч ОВ и перпендикуляр к границе двух сред ОС лежат в одной плоскости. , где α – угол падения, β – угол преломления, n1 – абсолютный показатель преломления первой среды, n2 – абсолютный показатель преломления второй среды, n21 – относительный показатель первой среды относительно второй. Чем больше абсолютный показатель среды, тем она считается более плотной. Если луч переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, то он отклоняется к перпендикуляру и α>β (рис. 13 а). Если луч переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то он отклоняется от перпендикуляра и α<β (рис. 13 б). Особое внимание обратите на оптическую характеристику среды – показатель преломления, указывающий, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде. Значит, для любой среды n 1. В воздухе, по оптическим свойствам близком к вакууму, n=1. Особый случай составляет явление полного внутреннего отражения, наблюдаемое при переходе луча из среды оптически более плотной (с большим показателем преломления) в среду оптически менее плотную (с меньшим показателем преломления) n1>n2. Преломленный луч отклоняется от перпендикуляра и приближается к границе раздела двух сред. Наступает такой момент, когда угол преломления становится равный 90°. Угол падения, при котором угол преломления равен 90°, называют предельным: . Дальнейшее увеличение падающего угла приводит к росту угла преломления (рис. 14). Свет в нижнюю среду (несмотря на то, что она прозрачная) не попадает. Происходит «отражение» от границы двух сред. Из закона преломления световых лучей следует факт непрямолинейного распространения света в неоднородной среде. Такую среду можно представить как набор тонких пластинок с различными показателями преломления, для которых выполняется важный и красивый закон Снеллиуса: наличие промежуточных слоев не сказывается на связи между углом падения из первой среды и углом преломления в последней. То есть вдоль выбранного направления выполняется соотношение ni sin I = cоnst. Действительно, если неоднородную среду составляет набор слоев или пластин с разными показателями преломления n1, n2, n3, … (рис. 15), и среда прозрачна, то луч проходит сквозь нее, и на границах раздела слоев (пластин) выполняются соотношения, обусловленные законом преломления: n1sin1 = n2sin2 = n3sin3 =…= nisini. То есть вдоль выбранного направления выполняется соотношение ni sinI = cоnst. Отсюда следует, что если среда непрозрачна, и луч отражается от одного из ее слоев, то угол падения луча из начальной среды равен углу выхода этого луча в ту же среду. Пример 4. На стеклянную пластинку, показатель преломления которой 1,5 , падает луч света. Найти угол падения луча, если угол между отраженным и преломленным лучами 90°. Решение. Изобразим на рисунке условие задачи: Из рисунка видно, что    Тогда или Запишем закон преломления , где Тогда и Пример 5. Найти предельный угол падения луча на границу раздела стекла и воды. Решение. Предельный угол падения, при котором наблюдается явление полного отражения, находим из условия . Тогда . Зная, что n2=1,33, а n1=1,5 найдем Линзы Уникальным оптическим прибором, осуществляющим изменение направления лучей, является линза. Линзами называют прозрачные тела, ограниченные с двух сторон кривыми поверхностями (выпуклыми или вогнутыми). Линзы, ограниченные двумя выпуклыми поверхностями, называются двояковыпуклыми, линзы, ограниченные двумя вогнутыми поверхностями называются двояковогнутыми. Линзы делят на собирающие и рассеивающие. Если падающие параллельно главной оптической оси, после преломления их в линзе собираются, то такие линзы называют собирающими. Рассеивающая линза отклоняет параллельно падающие на нее лучи от главной оптической оси. Будем рассматривать линзы, у которых одинаковые радиусы кривизны поверхностей и толщина сечения которых значительно меньше, чем радиусы кривизны. Такие линзы называют тонкими. Основные линии и точки линзы. На рисунке 16 показаны основные линии и точки собирающей линзы (а) и рассеивающей линзы (б). Прямая АВ, проходящая через центры О сферических поверхностей, ограничивающих линзу, называется оптической осью. СD – положение линзы, О – оптический центр линзы, F1 и F2 – фокусы линзы, α – фокальная плоскость проходит через фокус, перпендикулярно АВ, l – побочная оптическая ось проходит через оптический центр, П – побочный фокус линзы – точка пересечения побочной оптической оси и фокальной плоскости. На рисунке 17 показан ход лучей в собирающей (а) и рассеивающей (б) линзе. Для характеристики линз используют величину, которая называется оптической силой. Оптическая сила линзы – величина, обратная к фокусному расстоянию линзы, выраженному в метрах . Обозначают оптическую силу буквой D. За единицу оптической силы взята диоптрия (дптр). Одна диоптрия – это оптическая сила линзы, фокусное расстояние которой равно 1м. Оптическую силу собирающих линз считают положительной, а рассеивающих линз – отрицательной. Очень часто учащиеся ошибаются, считая, что оптические свойства линзы определяются только ее формой, то есть выпуклая линза всегда собирающая, а вогнутая – всегда рассеивающая. Для расчета фокусного расстояния F (или оптической силы D) линзы необходимо учитывать не только радиусы кривизны сфер, ограничивающих соответствующие поверхности линзы, R1 и R2, но и показатели преломления как самой линзы, так среды, окружающей линзу. Относительным показателем преломления называют отношение показателя преломления линзы к показателю преломления окружающей ее среды. Если обозначить показатель преломления материала линзы n, показатель преломления среды слева от линзы n1, а справа – n2, то выполняются соотношения: для расчета переднего фокусного расстояния F1: ; для расчета заднего фокусного расстояния F2 : . Если с обеих сторон линзы находится воздух, то есть n1=n2=1, то получаем D =. Если линза ограничена поверхностями равного радиуса, то есть R1 = R2, и находится в воздухе, то D = . Если такая линза окружена однородной средой с показателем преломления nср, отличным от показателя преломления воздуха, то . Если радиусы ограничивающих поверхностей линзы неодинаковы, а линза находится в однородной среде, то . Радиус поверхности, ограничивающей линзу, тоже имеет знак. Принято считать, что если поверхность линзы своей выпуклой стороной обращена к среде с меньшим показателем преломления, то ее радиус кривизны положителен, в противоположном случае – он отрицателен. Например, радиус поверхности выпуклой линзы, выполненной из оптически более плотного, чем среда, материала, положителен. Радиус поверхности выпуклой линзы, выполненной из оптически менее плотного, чем среда, материала, отрицателен. Радиус вогнутой линзы, выполненной из оптически более плотного, чем среда, материала, отрицателен. Радиус вогнутой линзы выполненной из оптически менее плотного, чем среда, материала, положителен. Радиус плоской поверхности линзы считается равным . Таким образом, выпуклая линза, выполненная из оптически более плотного материала, чем среда (например, стеклянная линза в воздухе), является собирающей (положительной). Выпуклая линза, выполненная из оптически менее плотного материала, чем среда (например, воздушная линза в стекле), является рассеивающей (отрицательной). Вогнутая линза, выполненная из оптически более плотного материала, чем среда (например, стеклянная линза в воздухе), является рассеивающей. Вогнутая линза, выполненная из оптически менее плотного материала, чем среда (например, воздушная линза в стекле), является собирающей. Обязательно учитывайте эти правила при расчете оптической силы линзы. Формула тонкой линзы 1. Формула Рене Декарта Если обозначить расстояние от источника света (или предмета) до линзы d, расстояние от линзы до изображения f, фокусное расстояние линзы F (рис. 18), то основной закон тонкой линзы принимает вид: ±. Такой вид формулы линзы принадлежит Рене Декарту (1596-1650). Здесь за точку отсчета как бы был взят геометрический центр линзы (или сама линза, так как толщиной ее можно пренебречь). Следует обратить внимание на знаки, стоящие в формуле тонкой линзы: фокус собирающей линзы – положителен, F > 0; фокус рассеивающей линзы – отрицателен, F < 0, что и определяет названия линз. Действительное изображение всегда перевернутое и получается только с помощью собирающей линзы, при этом f > 0 и значит > 0 (в формуле тонкой линзы ставится перед ставится знак +). Мнимое изображение всегда прямое (то есть не перевернутое), при этом f < 0 и значит < 0 (перед в формуле ставится знак минус). Мнимое изображение может давать как собирающая линза, так и рассеивающая. Собирающая линза дает мнимое изображение в случае, когда предмет находится между фокусом и линзой, и изображение его увеличенное. Рассеивающая линза всегда дает мнимое уменьшенное изображение. Таким образом, формула тонкой линзы имеет несколько вариаций: + – собирающая линза дает действительное изображение предмета; при этом предмет располагается перед собирающей линзой на расстоянии, большем фокусного, то есть dF, и изображение предмета перевернутое (увеличенное или уменьшенное); + – собирающая линза дает мнимое изображение предмета; при этом предмет находится между линзой и фокусом, d  F, а изображение прямое; – рассеивающая линза, всегда дающая мнимое изображение. Например, если предмет находится на расстоянии 30 см от тонкой линзы, фокусное расстояние которой 20 см, то местоположение изображения может быть найдено по формуле ; = 60 см. 2. Формула И. Ньютона И. Ньютон изменил «точку отсчета» и взял их не одну, а две – в точках переднего и заднего фокуса. Если обозначить a – расстояние от предмета до переднего фокуса линзы, а b – расстояние от заднего фокуса линзы до изображения (рис. 19) , то формула тонкой линзы приобретет вид: . Эта формула известна как формула Ньютона (1642-1727). Обратимся к только что разобранному примеру: определим местоположение изображения в тонкой линзе, фокусное расстояние которой 20 см, а предмет находится на расстоянии 30 см от нее, используя формулу Ньютона. Здесь а = 10 см, F = 20 см, значит, 202/10 = 40 см. То есть изображение находится на расстоянии 40 см от заднего фокуса линзы или на расстоянии f = 60 см от самой линзы. Применяя различные подходы, получили одинаковые результаты. Это значит, что в каждом конкретном случае можно использовать ту формулу из выше приведенных, которая дает наиболее простые вычисления.

Похожие:

	Планирование по физике в 12 "А,Б" классе. Заочное обучение. I полугодие:... Электромагнитная природа света. Закон прямолинейного распространения света. Скорость света. Закон отражения света		Методическая разработка урока физики с использованием информационных... Задачи. — Познакомить учащихся с многообразием пресмыкающихся, их значением в природе и жизни человека, сформировать знания о характерных...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Познакомить учащихся с историей развития взглядов на природу света, привести их к выводу о законе прямолинейного распространения...		Урок1 Тема урока Свет. Источники света. Прямолинейное распространение... Научить определять условия образования тени и полутени на основе закона прямолинейного распространения света
	Цель урока: Формирование у учащихся представление о световых явлениях... Свет. Источники света. Прямолинейное распространение света. Солнечные и лунные затмения		Тема «Отражение света» Образовательная – сформировать понятие отражения света, раскрыть сущность законов отражения
	Урок по физике в 8-м классе на тему: "Свет. Источники света. Распространение света" Обучающая: показать на конкретных примерах роль света в жизни человека; сформировать представление о естественных и искусственных...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Повторение закона преломления и отражения света и особенностей его распространения в средах разной оптической плотности
	Проектная работа На тему: «Методика формирования понятий: световой луч, точечный источник света, действительное и мнимое изображение, законы отражения...		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Закон последствий: что посеешь, то и пожнёшь. Закон причины и следствия основной закон жизни
	1. Важнейшие понятия и законы химии Закон сохранения массы веществ, закон сохранения и превращения энергии при химических реакциях		Тест по физике для 8 класса Тема: Источники света. Распространение света к В трудах какого учёного были обнаружены первые высказывания о прямолинейном распространении света?
	Урок математики во 2 классе Учитель 2Б класса моу сош №19 Дубина... Проверить выполняется ли сочетательный закон сложения. Формировать вычислительный навык, используя сочетательный закон сложения		Контрольная работа №2 «Механические колебания и волны. Звук» «Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Движение тела по окружности. Импульс тела. Закон сохранения импульса.»
	Реферат Тема: «Оптика и оптические явления» Оптика – учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии света с веществом. И почти вся ее история – это история поиска...		Темы вашего учебного проекта Семь чудес света (или Семь чудес света Древнего Мира) — знаменитый список самых прославленных достопримечательностей античной культуры....