Распространение света в однородной среде

Некоторые из законов оптики были открыты задолго до того, как была установлена природа света. Одним из таких законов является закон прямолинейного распространения света:

В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

Впервые этот закон был сформулирован в III в. до н. э. древнегреческим ученым Евклидом. Под прямолинейностью распространения света он имел в виду прямолинейность световых лучей.

Сам Евклид, правда, отождествлял лучи света со «зрительными лучами», которые якобы выходили из глаз человека и в результате «ощупывания» предметов позволяли видеть последние. Такая точка зрения была достаточно широко распространена в древнем мире. Однако уже Аристотель спрашивал: «Если бы видение зависело от света, исходящего из глаза, как из фонаря, то почему бы нам не видеть в темноте?»

Теперь мы знаем, что никаких «зрительных лучей» не существует и видим мы не потому, что какие-то лучи выходят из наших глаз, а, наоборот, потому, что свет от различных предметов попадает нам в глаза.

Под световым лучом в современной физике понимают достаточно узкий пучок света, который на протяжении той области, в которой изучается его распространение, можно считать нерасходящимся. Для получения такого пучка можно воспользоваться экраном с малым отверстием. В действительности полученный таким образом пучок света по мере удаления от экрана будет становиться все шире и шире. Однако этим «уширением» во многих случаях можно пренебречь.

Заметим, что здесь имеется в виду физический световой луч. Помимо физического, различают еще математический (геометрический) луч, под которым понимают линию, являющуюся осью узкого светового пучка.

Наиболее удобным для изучения распространения света в школьных условиях является луч, получаемый с помощью лазерной указки. Воспользуемся ею для проведения опыта, изображенного на рисунке 72. Наполним стеклянную ванну (или аквариум) водой и пропустим через нее лазерный луч. Мы увидим, что он будет распространяться вдоль прямой линии.

Следствием прямолинейного распространения света являются резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами, освещаемыми точечными источниками света (т. е. такими источниками, размеры которых малы по сравнению с размерами освещаемого тела и расстоянием до него).

Обратимся к опыту. Расположим между точечным источником света (например, маленькой лампочкой от карманного фонаря) и экраном Э непрозрачный предмет, например металлический шар (рис. 73, а). На экране появится тень в виде темного круга. Тень — это место, куда не попадает свет от источника. Если бы свет распространялся не прямолинейно, то точка O (на границе тени) не лежала бы на одной прямой с точками S и A, а точка P не лежала бы на одной прямой с точками S и B; форма и размеры тени в этом случае могли бы быть иными (либо тени вообще не было бы). На самом деле все обстоит именно так, как показано на рисунке 73, а.

Если вместо точечного источника света использовать протяженный источник (большую лампу), то вместо резкой тени на освещенном фоне мы увидим тень и полутень (рис. 73, б). Образование полутени не противоречит закону прямолинейного распространения света, а, наоборот, лишь еще раз подтверждает его. Ведь источник света в данном случае ведет себя как множество точечных источников, каждому из которых (например, S1 и S2) соответствует своя освещенная область на экране. В том месте, куда свет не попадает ни от одной точки лампы, наблюдается полная тень, а в том месте, куда свет не попадает от одних из точек, но попадает от других, наблюдается полутень.

В грандиозных масштабах тень и полутень образуются при солнечном и лунном затмениях (рис. 74). Солнечное затмение возникает тогда, когда Луна при своем движении вокруг Земли полностью или частично закрывает Солнце. Когда же Луна попадает в конус тени, отбрасываемой земным шаром, то наблюдается лунное затмение.

Продолжительность полного лунного затмения может составлять полтора часа и более. (Столько времени требуется Луне, чтобы пересечь конус земной тени.) Длительность солнечных затмений не превышает нескольких минут.

Лунные затмения наблюдаются чаще, чем солнечные. Полные солнечные затмения в одном и том же месте Земли видны не чаще одного раза в 200—300 лет. В Москве очередное такое затмение будет наблюдаться 16 октября 2126 г.

В прошлом затмение Солнца и наступление темноты днем приводили людей в ужас. Вавилонские жрецы, располагая сведениями о повторяемости этого явления, использовали его для устрашения людей. В наше время солнечные затмения позволяют ученым изучать свет от далеких звезд, проходящих у края солнечного диска, а также наблюдать солнечную корону (рис. 75) — внешнюю часть солнечной атмосферы, которую в обычных условиях трудно наблюдать из-за яркого сияния Солнца, — и узнавать о процессах, происходящих внутри ее.

Наблюдение лунных затмений позволило Аристотелю (IV в. до н. э.) прийти к выводу, что Земля имеет форму шара; свидетельство тому — округлая форма земной тени, которую можно было видеть на Луне во время ее затмений.

??? 1. Что представляет собой луч света (в физическом смысле)? 2. Чем отличается математический (геометрический) луч света от физического? 3. Как распространяется свет в однородной прозрачной среде? 4. Кем и когда был впервые сформулирован закон прямолинейного распространения света? 5. Объясните, в каком случае предмет отбрасывает резкую тень, а в каком тень и полутень. 6. Из-за чего наблюдаются солнечные и лунные затмения? 7. Каким образом Аристотель определил, что Земля имеет форму шара?

Экспериментальное задание. В куске картона сделайте отверстие диаметром 3—5 мм. Расположите картон с отверстием на расстоянии около 10 см от стены, находящейся против хорошо освещенного солнечным светом окна. На стене вы увидите перевернутое и уменьшенное изображение окна. Объясните наблюдаемое явление. Почему изображение оказывается перевернутым?