Podczas zabawy w chowanego, czy gdy puszczasz „zajączki słoneczne" nawet nie domyślasz się, że masz do czynienia z prawem prostoliniowego rozchodzenia się światła. Ustalmy zatem na czym polega to prawo i jakie zjawiska wyjaśnia.
Uczymy się rozróżniać wiązkę światła i promień świetlny
Do obserwacji wiązek światła nie potrzebujemy specjalnego urządzenia (rys^lO.l). Wystarczy, na przykład otworzyć drzwi z oświetlonego korytarza do ciemnego korytarza, włączyć w ciemności latarkę lub w jasny słoneczny dzień nie do końca zasłonić firanki. Wiązki światła w pierwszym przypadku padają na podłogę przez szczelinę w drzwiach; w drugim przypadku światło skierowuje się w określonym kierunku reflektorem latarki; w ostatnim przypadku wiązki światła przechodzą do pokoju przez szczelinę pomiędzy firankami.
W życiu codziennym obserwujemy wyłącznie wiązki światła. Chociaż bardziej nam pasuje mówić: promień słoneczny, promień reflektora, zielony promień itd. W rzeczywistości, z punktu widzenia optyki, którą będziemy badać w tym roku, poprawnie byłoby mówić: wiązka promieni słonecznych, wiązka promieni zielonych. Z kolei do schematycznego oznaczenia wiązki światła dogodniejsze jest stosowanie promieni świetlnych (patrz rys. 10.2).
Promień świetlny - linia, wskazująca kierunek rozchodzenia się energii światła.
Więc, jeżeli w tekście napotkamy określenia typu: „promień światła pada”, „załamanie światła”, to będziemy pamiętać, że mamy na uwadze wiązkę światła, kierunek której jest zgodny z kierunkiem promienia.
Za pomocą rys. 10.1, 10.2 określ do jakich promieni należy wiązka promieni słonecznych. Przypomnij sobie, jak wyglądają tory kolejowe dla obserwatora, stojącego na kolei i patrzącego się na tory z daleka.
Przekonujemy się, że światło rozchodzi się prostoliniowo
Przeprowadzimy doświadczenie (patrz rys. 10.3). Rozmieścimy kolejnie źródło światła, kilka kartek tektury z otworami o średnicy około 5 mm, ekran. Kartki rozmieszczamy w taki sposób, aby na ekranie pojawiła się plama świetlna. Następnie gdy weźmiemy, na przykład, drut, to on z łatwością przejdzie przez otwory, czyli okaże się, że otwory znajdują się na jednej linii prostej.
Doświadczenie ilustruje nam prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła:
W ośrodku jednorodnym promień świetlny biegnie po linii prostej.
Dane prawo opisał jeszcze 2500 lat temu starożytny uczony grecki Euklides. W geometrii pojęcie promienia jako linii prostej powstało na podstawie wyobrażeń o promieniach świetlnych.
Dowiadujemy się o powstawaniu cienia i półcienia
Jedną z konsekwencji prostoliniowego rozchodzenia się światła jest powstawanie cienia i półcienia. Dowolne ciało nieprzezroczyste, oświetlone źródłem światła, powoduje powstawanie cienia.
Jeżeli źródło światła jest punktowe, to otrzymany cień przedmiotu będzie wyraźny. W tym przypadku powstaje całkowity cień (rys. 10.4).
Obszar cienia, do którego nie trafia światło ze źródła światła, nazywamy obszarem całkowitego cienia.
Jeżeli ciało oświetlane jest rozciągłym źródłem światła, to powstaje cień niewyraźny, czyli powstaje półcień (rys. 10.5).
Półcień - obszar przestrzeni, oświetlonej tylko przez niektóre z danych punktowych źródeł światła lub częścią źródła rozciągłego.
Czy widzimy światło od źródła, znajdując się w obszarze całkowitego cienia? półcienia? Jak będzie wyglądał półcień (wyraźny czy nie bardzo wyraźny), jeżeli przedmiot naświetlany będzie dwoma punktowymi źródłami światła (patrz rys. 10.6)?
Powstawanie całkowitego cienia i półcienia na skalę kosmiczną obserwujemy podczas zjawisk zaćmienia Słońca i Księżyca. Podczas zaćmienia Słońca, Księżyc (pełniący rolę kołowej przysłony) wchodzi między Słońce (będące odpowiednikiem rozciągłego źródła światła), a Ziemię. W obszarze cienia obserwujemy wtedy zjawisko całkowitego zaćmienia Słońca (rys. 10.7), natomiast w obszarze półcienia obserwujemy zaćmienie częściowe. W ciągu roku na Ziemi obserwujemy około 2-5 zaćmień słonecznych.
Podczas zaćmienia Księżyca rolę przysłony pełni Ziemia. W cień rzucany przez nią wchodzi Księżyc, powstaje zaćmienie Księżyca (rys. 10.8). W ciągu roku na Ziemi obserwujemy 2—4 zaćmienia Księżyca.
Rys. 10.7. Zaćmienie Słońca: a - całkowite (w obszarze całkowitego cienia); b - częściowe (w obszarze półcienia)
Rys. 10.8.. Zaćmienie Księżyca: a - całkowite (Księżyc w położeniu 1); b - częściowe (Księżyc w położeniu 2)
Uczymy się rozwiązywać zadania
Zadanie. W dzień słoneczny długość cienia od pionowo postawionej metrowej linijki wynosi 24 cm, a długość cienia od drzewa - 3,6 m. Oblicz wysokość drzewa.
Analiza problemu fizycznego. Zadanie rozwiązujemy za pomocą prawa prostoliniowego rozchodzenia się światła. Wyjaśnijmy przedstawiony rysunek: wiązka światła, biegnąca od Słońca jest równoległa.
Podsumowanie
W ośrodku jednorodnym światło rozchodzi się prostoliniowo. Linię, wzdłuż której rozchodzi się energia światła, nazywamy promieniem świetlnym. Jedną z konsekwencji prostoliniowego rozchodzenia się światła jest powstawanie cienia i półcienia.
Całkowity cień - obszar przestrzeni, do której nie trafia światło od źródła (źródeł) światła. Półcień — obszar przestrzeni, oświetlony przez niektóre dane punktowe źródła światła lub części źródła rozciągłego.
Podczas zaćmienia Słońca i Księżyca obserwujemy powstawanie cienia i półcienia na skalę kosmiczną.
Pierwszymi przyrządami do pomiaru czasu były zegary słoneczne. Podstawą ich działania jest to, że długość i rozmieszczenie cienia od przedmiotu, naświetlanego przez słońce zmienia się w ciągu dnia.
Dowolny zegar słoneczny składa się z kadrami (tarcza zegara) i gnomonu (polos, wskazówka zegara, wykonana z metalu, plastiku lub drewna).
Pytania kontrolne
1. Podaj definicję promienia świetlnego. 2. Sformułuj prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła. 3. Jakie doświadczenia i zjawiska potwierdzają prostoliniowe rozchodzenie się światła? 4. Jak powstaje całkowity cień i półcień? 5. Kiedy na Ziemi obserwujemy całkowite zaćmienie Słońca? częściowe zaćmienie Słońca? 6. Kiedy na Ziemi obserwujemy całkowite zaćmienie Księżyca? częściowe zaćmienie Księżyca?
Ćwiczenie nr 10
1. Oko obserwatora znajduje się przed szczeliną w punkcie A (rys. 1). Za pomocą konstrukcji rysunku, wyznacz jaką część drzewa widzi człowiek. W jakim punkcie będzie ono całkowicie widoczne?
2. Piłkę oświetlamy dwoma punktowymi źródłami światła S} i S2 (rys. 2). Wykonaj rysunek w zeszycie, narysuj cień i półcień, rzucone przez piłkę na ekran.
3 Podczas zaćmienia Słońca na powierzchni Ziemi powstają cień i półcień Księżyca (rys. 3, a). Na rys. 3, b-d podano zdjęcia tych zaćmień, zrobione w różnych punktach Ziemi. Które ze zdjęć jest zrobione w punkcie 1? w punkcie 2? w punkcie 3?
Żarówka elektryczna w postaci kuli o średnicy 6 cm znajduje się na odległości 1 m od ekranu. Oblicz na jakiej najmniejszej odległości od ekranu należy umieścić piłeczkę pingpongową o średnicy 40 mm, aby nie rzucała ona cienia na ekran, żeby powstawał półcień.
5. Dlaczego samolot, lecący na wielkiej wysokości nie daje cienia nawet w dzień słoneczny? Wyjaśnij odpowiedź, zrób odpowiedni rysunek.
6. Kosmonauta, znajdujący się na Księżycu, obserwuje Ziemię. Co będzie widział w momencie, gdy na Ziemi jest całkowite zaćmienie Księżyca? częściowe zaćmienie Księżyca?
7. Pomyśl, dlaczego zaćmienie Księżyca obserwujemy częściej, niżeli zaćmienie Słońca, przecież w ciągu roku ich ilość jest prawie jednakowa.
8. Prosta ścieżka w parku jest oświetlona latarnią elektryczną. Zaproponuj sposób określenia wysokości, na której znajduje się latarnia, bez pomocy przyrządów do pomiaru długości (Znajdujesz się na ścieżce i znasz swój wzrost).
9. Na rys. 4 pokazano trójkąt prostokątny. Przekątna o równa się 5 cm, kąt a - 30°. Wyznacz przeciwprosto-kątną i drugą przyprostokątną trójkąta. Rozwiąż zadanie dwoma sposobami.
Doświadczenie
1. Umieść świecę lub lampę na odległości 30-40 cm od ściany. Pomiędzy ścianą a świecą postaw dłoń. Zmieniając odległość od świecy do dłoni, obserwuj na ścianie zmiany. Opisz i wyjaśnij swoje obserwacje.
2. Zaproponuj, w jaki sposób za pomocą szpilki można sprawdzić, czy linia narysowana na papierze jest prosta.
3. Sporządź ciemnię optyczną (kamerę - obskurę, z łac. camera — pokój, obskura — ciemna), lub pinchol-kamerę (z ang. pinchole camera — kamera z otworem). Schemat działania danego urządzenia znaleziono w pracach Arystotelesa (IV w. p.n.e.) i chińskiego filozofa Mo Τί (V w. p.n.e.). Kamera-obskura była poprzednikiem współczesnego aparatu fotograficznego.
Do sporządzenia kamery:
1) w jednej ze ścian pudełka tekturowego zrób szpilką mały otworek (rys. 5 a); wytnij przeciwległą ściankę i zastąp ją matówką - kalką techniczną (rys. 5 b);
2) na przeciwnym boku pudełka zrób otwór o średnicy około 1 mm (rys. 5, c).
W zaciemnionym pomieszczeniu skieruj otwór na płomień świecy i otrzymaj jej obraz na ekranie. Czy uzyskany obraz jest prosty czy odwrócony, powiększony czy pomniejszony, wyraźny czy niewyraźny? Przypomnij prawo prostoliniowego rozchodzenia się światła i wyjaśnij, jak powstał ten obraz.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar