Номер 9, страница 139 - гдз по физике 9 класс тетрадь-тренажёр Артеменков, Белага

Приложение «Знаем и применяем» - номер 9, страница 139.

Условие.

9. Если собирающую линзу поместить в широкий пучок света, то на экране, установленном за линзой на расстоянии, превышающем фокусное, отчётливо виден тёмный круг, заключённый внутри светлого кольца. Объясните наблюдаемое явление.

помощник

▪ Возможно, для ответа на поставленный вопрос вам поможет ход лучей через линзу (см. рисунок).

Решение.

Решение

Данное явление можно объяснить, если предположить, что «широкий пучок света» означает, что пучок по своему поперечному сечению больше, чем линза. В этом случае на экран попадает как свет, прошедший через линзу, так и свет, прошедший мимо неё. Наблюдаемая картина является результатом сложения (суперпозиции) этих двух световых потоков.

1. Свет, проходящий мимо линзы, распространяется прямолинейно и создает на экране равномерно освещенный фон. При этом сама линза является для этого света препятствием, создавая на экране неосвещенную область — тень в форме круга, диаметр которого равен диаметру линзы.

2. Свет, проходящий через собирающую линзу, преломляется. Согласно ходу лучей, показанному на рисунке, параллельные лучи собираются в заднем фокусе линзы $\text{F}$. Так как экран находится за фокусом (на расстоянии $d > F$), лучи после прохождения фокуса расходятся и образуют на экране светлое пятно.

Размер этого светлого пятна зависит от расстояния $\text{d}$ до экрана. Чем дальше экран от фокуса, тем больше радиус пятна. Когда расстояние до экрана превышает удвоенное фокусное расстояние ($d > 2F$), радиус светового пятна от линзы становится больше радиуса самой линзы (и, соответственно, ее тени).

В результате наложения этих двух эффектов на экране возникает следующая картина освещенности:
- Центральная область. Это область тени от линзы, которая освещается только светом, прошедшим через линзу. Поскольку этот свет после фокуса сильно расходится, его интенсивность (освещенность) на экране оказывается меньше, чем интенсивность исходного пучка. Эта область воспринимается как тёмный круг.
- Кольцевая область. Это область на границе тени, куда попадает и свет, прошедший мимо линзы, и свет, прошедший через линзу. Интенсивности этих двух потоков складываются, поэтому эта область оказывается самой яркой на экране и выглядит как светлое кольцо.
- Внешняя область. Эта область освещена только светом, прошедшим мимо линзы, и имеет равномерную фоновую освещенность.

Таким образом, именно при условии, что экран находится на достаточно большом расстоянии от линзы (конкретно, $d > 2F$), и возникает наблюдаемая картина.

Ответ: Явление обусловлено наложением двух световых потоков: света, прошедшего мимо линзы, и света, прошедшего через линзу. Свет, прошедший мимо, создает равномерный фон с тенью от линзы. Свет, прошедший через линзу, собирается в фокусе и затем расходится. На расстоянии, превышающем два фокусных ($d > 2F$), расходящийся пучок от линзы становится шире самой тени. В результате центральная часть тени освещается только этим ослабленным расходящимся пучком (тёмный круг), а на границе тени происходит сложение света от обоих потоков, что создаёт яркое кольцо.