Страница 195 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Что такое источник света? Приведите примеры источников света.

Источник света — это любое физическое тело или объект, атомы которого излучают свет, то есть электромагнитные волны в видимом для человеческого глаза диапазоне. Мы можем видеть тела вокруг нас по двум причинам: либо они сами испускают свет, либо они отражают свет, падающий на них от других источников.

Источники света принято разделять на несколько групп по разным критериям.

По происхождению:

• Естественные (природные) — источники, созданные природой без вмешательства человека.

  Примеры: Солнце и другие звёзды, молния, полярное сияние, лава вулкана, а также организмы, способные к биолюминесценции (например, светлячки, некоторые виды медуз, грибов и глубоководных рыб).

• Искусственные — источники, созданные человеком.

  Примеры: костёр, пламя свечи, керосиновая лампа, лампа накаливания, люминесцентная лампа, светодиод (LED), лазер, экран включенного телевизора или смартфона.

По принципу действия (характеру излучения):

• Тепловые источники — излучают свет за счёт сильного нагрева (высокой температуры). Внутренняя энергия тела преобразуется в световую энергию.

  Примеры: Солнце, нить накаливания в лампочке, пламя.

• Люминесцентные источники (их также называют «холодными» источниками света) — излучают свет не за счёт нагрева, а в результате других процессов: химических реакций, прохождения электрического тока через газ, поглощения другого излучения и т.д. Они, как правило, более энергоэффективны.

  Примеры: светодиоды, энергосберегающие (люминесцентные) лампы, экраны устройств, светлячки.

Ответ: Источник света — это тело, которое само испускает видимое излучение (свет). Примеры источников света включают естественные (Солнце, звёзды, молния, светлячки) и искусственные (электрическая лампочка, свеча, костёр, экран телефона).

2. Что такое точечный источник света; световой луч?

Точечный источник света

Точечный источник света — это физическая модель, используемая в геометрической оптике. Это источник света, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием от него до точки наблюдения или до освещаемой поверхности. Иными словами, если источник находится очень далеко или он очень маленький, его можно считать точечным.

Эта модель является идеализацией, так как в природе не существует источников света, не имеющих размеров. Однако она очень удобна для описания законов распространения света. Примером тела, которое можно считать точечным источником, является далёкая звезда. Несмотря на её гигантские размеры, расстояние до Земли во много раз больше, поэтому для наблюдателя она выглядит как светящаяся точка. Другой пример — небольшая светодиодная лампа, рассматриваемая с расстояния в несколько метров.

Считается, что точечный источник излучает свет в виде расходящихся во все стороны прямых линий — световых лучей.

Ответ: Точечный источник света — это светящееся тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи, так как они значительно меньше расстояния до него.

Световой луч

Световой луч — это линия, вдоль которой распространяется энергия световой волны. Это также одно из основных понятий геометрической оптики. В однородной прозрачной среде (например, в воздухе, воде или вакууме) свет распространяется прямолинейно, и его путь можно изобразить в виде прямой линии со стрелкой, указывающей направление.

Световой луч — это абстракция. В действительности свет распространяется в виде световых пучков, имеющих определённую ширину. Однако для простоты построений и расчётов в оптике используют модель светового луча, не имеющего толщины. Узкий пучок света, например, от лазерной указки, можно рассматривать как практическую реализацию светового луча.

Именно с помощью световых лучей строят ход света в оптических приборах, объясняя такие явления, как отражение, преломление, а также формирование изображений с помощью линз и зеркал.

Ответ: Световой луч — это линия, указывающая направление распространения света.

3. Сформулируйте закон прямолинейного распространения света.

Точечный источник света — это физическая модель, используемая в оптике. Под точечным источником понимают светящееся тело, размеры которого значительно меньше расстояния от этого тела до точки наблюдения. В этом случае формой и размерами источника можно пренебречь, считая, что весь свет исходит из одной точки. Примером точечного источника может служить далекая звезда на ночном небе или лампочка, рассматриваемая с большого расстояния.

Световой луч — это геометрическое понятие, представляющее собой линию, вдоль которой распространяется световая энергия. Это удобная модель для графического изображения хода света при решении задач геометрической оптики. В реальности световой луч — это очень узкий пучок света, шириной которого можно пренебречь. Световые лучи всегда перпендикулярны волновому фронту.

Ответ: Точечный источник света — это источник, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Световой луч — это линия, которая указывает направление распространения света.

3. Закон прямолинейного распространения света является одним из фундаментальных законов геометрической оптики. Он формулируется следующим образом: в оптически однородной среде свет распространяется по прямым линиям (прямолинейно). Оптически однородной средой называется такая среда, показатель преломления которой во всех точках одинаков. Этот закон является приближенным и нарушается вблизи препятствий, где наблюдается явление дифракции, однако в большинстве практических случаев он выполняется с высокой точностью.

Ответ: В оптически однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

4. Существует множество явлений и наблюдений, подтверждающих закон прямолинейного распространения света. Вот некоторые из них:

Образование тени. Если на пути световых лучей поместить непрозрачный предмет, за ним образуется область пространства, куда свет не проникает — тень. Форма и размеры тени определяются прямыми линиями, проведенными от источника света через крайние точки предмета. Если источник света протяженный, то кроме области полной тени (умбры) образуется область полутени (пенумбры), границы которых также являются прямыми.

Камера-обскура. Это простейшее устройство для получения оптического изображения, представляющее собой светонепроницаемый ящик с малым отверстием в одной из стенок. Лучи света от внешних объектов, проходя прямолинейно через это отверстие, создают на противоположной стенке (экране) перевернутое изображение. Если бы свет не распространялся по прямым, четкого изображения бы не получилось.

Солнечные и лунные затмения. Эти астрономические явления являются масштабным подтверждением закона. Солнечное затмение происходит, когда Луна отбрасывает свою тень на Землю, а лунное — когда Луна входит в тень Земли. Расчеты времени, места и вида затмений основаны на том, что свет от Солнца распространяется по прямым линиям.

Визуальное наблюдение лучей. В запыленном или задымленном воздухе, а также в тумане, можно отчетливо видеть прямые лучи света от прожектора, фар автомобиля или лазерной указки. Частицы пыли или капли воды рассеивают свет, делая его путь видимым.

Ответ: Примерами, подтверждающими закон прямолинейного распространения света, являются: образование тени и полутени, получение изображения с помощью камеры-обскуры, возникновение солнечных и лунных затмений, видимый прямой путь луча света в неоднородной среде (например, в пыльном воздухе).

4. Приведите примеры, доказывающие прямолинейное распространение света.

Сформулируйте закон прямолинейного распространения света.

Закон прямолинейного распространения света — это один из фундаментальных законов геометрической оптики. Он утверждает, что в оптически однородной среде, то есть в среде, физические свойства которой (в частности, показатель преломления) одинаковы во всех точках, свет распространяется по прямым линиям. Эти прямые линии, вдоль которых распространяется световая энергия, называют световыми лучами.

Следует понимать, что этот закон является приближенным. Он точно выполняется только в идеальных условиях. На практике закон хорошо применим в тех случаях, когда размеры препятствий или отверстий, через которые проходит свет, значительно больше длины световой волны. Если размеры препятствий соизмеримы с длиной волны света, наблюдается явление дифракции, при котором свет отклоняется от прямолинейного пути и огибает препятствие.

Ответ: В однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

4. Приведите примеры, доказывающие прямолинейное распространение света.

Прямолинейность распространения света подтверждается множеством явлений из повседневной жизни и астрономии:

– Образование тени и полутени. Когда на пути света встречается непрозрачный предмет, за ним образуется область, куда свет не проникает — тень. Наличие четких границ у тени является прямым доказательством того, что свет распространяется по прямой и не может обогнуть препятствие.

– Камера-обскура. Это простейший оптический прибор, представляющий собой светонепроницаемую коробку с небольшим отверстием. Лучи света от внешних объектов, проходя через это отверстие по прямым линиям, создают на противоположной стенке коробки перевернутое изображение. Это было бы невозможно, если бы лучи света искривлялись.

– Солнечные и лунные затмения. Эти масштабные астрономические явления происходят, когда тень от одного небесного тела (например, Луны) падает на другое (Землю). Формирование такой гигантской и четко очерченной тени в вакууме космоса возможно только потому, что свет от Солнца распространяется прямолинейно.

– Видимый путь светового луча. В запыленном или задымленном воздухе, а также в тумане, луч света от фонаря, лазерной указки или прожектора виден как отчетливая прямая линия. Это происходит из-за рассеяния света на мельчайших частицах, которые делают его путь видимым.

– Выравнивание объектов по зрению. Чтобы проверить, стоят ли несколько предметов на одной прямой, достаточно посмотреть на них вдоль этой воображаемой линии. Если один предмет загораживает другие, значит, они выровнены. Этот метод целиком основан на том, что свет от предметов до нашего глаза доходит по прямой.

Ответ: Примерами, доказывающими прямолинейное распространение света, являются: образование тени, получение изображения в камере-обскуре, солнечные и лунные затмения, видимый прямой путь луча света в тумане или дыму, возможность выравнивания предметов «на глаз».

5. Объясните, как образуется тень.

Тень — это явление, которое возникает из-за одного из фундаментальных свойств света: его прямолинейного распространения в однородной среде. Для образования тени необходимо соблюдение нескольких условий.

Процесс формирования тени можно описать следующими шагами:

1. Источник света. Должен существовать источник света (например, Солнце, лампа, фонарик), который испускает световые лучи.
2. Непрозрачный предмет. На пути этих световых лучей должен находиться непрозрачный предмет, то есть объект, который не пропускает сквозь себя свет.
3. Блокирование света. Когда свет, распространяющийся по прямой, достигает этого предмета, он не может пройти сквозь него. Предмет создает преграду для световых лучей.
4. Возникновение тени. В результате за предметом образуется область пространства, куда свет от источника не попадает. Если за этим предметом есть какая-либо поверхность (экран, земля, стена), то на ней мы увидим темный силуэт. Эта неосвещенная область и является тенью.

Характер и вид тени зависят от размера и типа источника света:

• Точечный источник света. Если источник света очень маленький по сравнению с расстоянием до предмета (его можно считать точкой), то он отбрасывает резкую, чётко очерченную тень. Такая область называется полной тенью (или умброй).
• Протяжённый источник света. Если источник света имеет значительные размеры (например, Солнце или большая лампа дневного света), то тень будет более сложной. Она будет состоять из двух частей:
  • Полная тень (умбра): центральная, самая тёмная область, куда свет от источника не попадает совсем.
  • Полутень (пенумбра): область вокруг полной тени, которая освещена частично. В эту зону попадает свет от части источника, в то время как другая его часть перекрыта предметом. Поэтому полутень светлее, чем полная тень, и переход от света к тени получается размытым.

Таким образом, образование тени — это прямое и наглядное доказательство закона прямолинейного распространения света.

Ответ: Тень образуется, когда на пути световых лучей, которые распространяются по прямой от источника света, встречается непрозрачный предмет. Этот предмет блокирует свет, и за ним на любой поверхности образуется тёмная область, куда свет не проникает.

6. Объясните, почему в некоторых областях экрана (см. рис. 133) образуется полутень.

Образование тени — это явление, которое объясняется законом прямолинейного распространения света. В однородной среде, такой как воздух, свет распространяется по прямым линиям. Если на пути световых лучей поместить непрозрачный предмет, он станет препятствием для света. В результате за предметом образуется область пространства, в которую свет от источника не попадает. Эта область и называется тенью. На экране, расположенном за предметом, тень выглядит как темный силуэт, контуры которого зависят от формы предмета и положения источника света. Если источник света очень мал по сравнению с расстоянием до предмета (считается точечным), то образуется только четкая, полная тень (умбра).

Ответ: Тень образуется из-за прямолинейного распространения света, когда непрозрачный объект блокирует световые лучи, создавая за собой неосвещенную область.

6. Полутень возникает, когда предмет освещается не точечным, а протяженным (имеющим заметные размеры) источником света, например, Солнцем или большой лампой. Такой источник можно рассматривать как множество точечных источников, расположенных на его поверхности. В этом случае, помимо области полной тени (куда не попадает свет ни от одной точки источника), образуется область частичной тени — полутень. В область полутени на экране попадает свет от некоторых частей источника, в то время как свет от других его частей заслоняется предметом. Поэтому полутень — это не полностью темная область, а частично освещенная. Освещенность в ней плавно меняется: от полной темноты на границе с тенью до полной освещенности на границе со светом.

Ответ: Полутень образуется при использовании протяженного источника света; это область, освещаемая только частью источника света, так как другая его часть перекрыта непрозрачным предметом.

7. Как происходит солнечное затмение; лунное затмение?

солнечное затмение

Солнечное затмение — это астрономическое явление, которое происходит, когда Луна проходит между Землей и Солнцем, тем самым полностью или частично закрывая солнечный диск для наблюдателя на Земле. Это возможно только в фазу новолуния, когда сторона Луны, обращенная к Земле, не освещена Солнцем.

Поскольку орбита Луны наклонена примерно на 5 градусов по отношению к плоскости орбиты Земли (эклиптике), солнечное затмение происходит не каждое новолуние, а только тогда, когда новолуние случается вблизи одного из лунных узлов — точек пересечения лунной орбиты с эклиптикой.

Луна отбрасывает на Землю тень, которая состоит из двух частей:

• Тень (умбра) — центральная, самая темная часть тени, где Солнце полностью скрыто. Наблюдатели, находящиеся в этой области, видят полное солнечное затмение.
• Полутень (пенумбра) — более светлая внешняя часть тени, где Солнце скрыто лишь частично. Наблюдатели в этой зоне видят частное солнечное затмение.

Существует несколько видов солнечных затмений:

1. Полное солнечное затмение: Луна полностью закрывает Солнце. Небо темнеет, как в сумерках, и становится видна солнечная корона.
2. Частное солнечное затмение: Луна закрывает только часть Солнца.
3. Кольцеобразное (аннулярное) солнечное затмение: Происходит, когда Луна находится на наибольшем удалении от Земли (в апогее) и ее видимый диаметр оказывается меньше солнечного. В этом случае Луна не может полностью закрыть Солнце, и вокруг темного диска Луны остается видно яркое кольцо.

Ответ: Солнечное затмение происходит, когда Луна располагается между Солнцем и Землей, отбрасывая тень на земную поверхность и заслоняя солнечный свет. Это явление наблюдается в новолуние, когда все три небесных тела выстраиваются в одну линию.

лунное затмение

Лунное затмение — это явление, при котором Луна входит в конус тени, отбрасываемой Землей. Это происходит, когда Земля оказывается на одной линии между Солнцем и Луной. Такое положение возможно только в фазу полнолуния.

Как и в случае с солнечными затмениями, лунные затмения происходят не каждое полнолуние из-за наклона лунной орбиты. Затмение наступает только тогда, когда полнолуние происходит вблизи одного из лунных узлов.

Тень Земли также состоит из тени (умбры) и полутени (пенумбры). В зависимости от того, через какую часть тени проходит Луна, различают следующие типы лунных затмений:

1. Полное лунное затмение: Луна полностью погружается в тень Земли (умбру). При этом Луна не исчезает полностью, а приобретает темно-красный или "багровый" оттенок. Это связано с тем, что солнечные лучи, проходя по касательной к земной поверхности, рассеиваются в атмосфере Земли и частично достигают Луны. Атмосфера Земли наиболее прозрачна для лучей красно-оранжевой части спектра, которые и окрашивают Луну.
2. Частное лунное затмение: Только часть Луны входит в тень Земли. В этом случае на лунном диске видна темная область — тень нашей планеты.
3. Полутеневое лунное затмение: Луна проходит только через полутень Земли. Такое затмение почти незаметно для невооруженного глаза, так как яркость Луны уменьшается незначительно.

В отличие от солнечного затмения, которое видно лишь на узкой полосе земной поверхности, лунное затмение наблюдается на всей ночной стороне Земли, где Луна находится над горизонтом.

Ответ: Лунное затмение происходит, когда Земля оказывается между Солнцем и Луной, и тень Земли падает на Луну, заслоняя ее. Это явление возможно только в полнолуние, и его можно наблюдать со всего ночного полушария Земли.

1. Солнце, Луна, нагретый элемент электрической плиты, светлячок — источники света. Чем различаются излучения этих тел?

Несмотря на то, что все перечисленные тела являются источниками света, их излучение различается по своей физической природе. Основное различие заключается в том, как именно генерируется свет: является ли тело самосветящимся или отражающим, и какой процесс лежит в основе свечения — нагрев или другие, нетепловые явления.

Солнце

Это первичный, естественный и тепловой источник света. Свет и тепло генерируются в результате термоядерных реакций синтеза, протекающих в его ядре при колоссальных температурах и давлении. Поверхность Солнца раскалена до температуры около 5500 °C, и оно излучает свет во всех диапазонах электромагнитного спектра, с пиком в видимой области.

Луна

Это вторичный источник света. Луна не производит собственный свет. Мы видим её потому, что её поверхность отражает свет, идущий от Солнца. Таким образом, "излучение" Луны — это отраженный солнечный свет. Она светит не сама, а является освещенным телом.

Нагретый элемент электрической плиты

Это первичный, искусственный и тепловой источник света. При прохождении электрического тока через спираль с высоким сопротивлением она сильно нагревается (явление теплового действия тока) и начинает испускать видимый свет (в основном в красной и оранжевой части спектра) и большое количество невидимого инфракрасного излучения, которое мы ощущаем как тепло.

Светлячок

Это первичный, естественный и люминесцентный источник. Его свечение не связано с высокой температурой. Свет возникает в результате специфической химической реакции в организме насекомого (биолюминесценция). Этот процесс называют "холодным свечением", так как почти вся энергия химической реакции превращается в свет, а не в тепло.

Ответ: Излучения этих тел различаются по своей природе и механизму возникновения.

• Солнце и нагревательный элемент плиты — это тепловые источники, они светятся, потому что сильно нагреты (хотя причины нагрева разные: термоядерный синтез и электрический ток).

• Светлячок — это люминесцентный ("холодный") источник, его свет — результат химической реакции.

• Луна — это вторичный источник, она не излучает собственный свет, а лишь отражает свет Солнца.

2. При каких условиях от предмета получается только полутень?

Полутень — это область пространства, куда свет от источника попадает лишь частично. В отличие от полной тени (умбры), куда лучи света от источника не проникают совсем, из области полутени источник света виден не целиком, а только какая-то его часть.

Для того чтобы от непрозрачного предмета образовывалась только полутень, без области полной тени, необходимо выполнение одного из следующих условий.

1. Использование протяженного источника света, который больше предмета.

Для образования полутени необходим протяженный (не точечный) источник света. Точечный источник создает только четкую, полную тень. Если размеры протяженного источника света больше размеров предмета, который отбрасывает тень, то конус полной тени будет сходящимся. Это означает, что на некотором расстоянии за предметом область полной тени исчезнет. Если экран, на который падает тень, разместить за этой точкой, то на нем будет наблюдаться только расплывчатая полутень. В любой точке этой полутени будет видна хотя бы часть источника света.

2. Использование нескольких источников света.

Если предмет освещается двумя или более разнесенными в пространстве источниками света, то могут образовываться только области полутеней. Полутень в этом случае — это область на экране, куда не попадает свет от одного из источников, но попадает от другого (других). Область полной тени (куда не попадает свет ни от одного из источников) может вообще не возникнуть, если нет такой точки на экране, из которой предмет заслоняет все источники света одновременно.

Ответ: Только полутень от предмета получается, если: 1) используется протяженный источник света, размеры которого больше размеров предмета, а тень наблюдается на достаточном удалении от предмета; или 2) предмет освещается несколькими (двумя или более) источниками света, расположенными так, что не существует области, в которую не попадает свет ни от одного из них.

3. Во время хирургических операций тень от рук хирурга не должна закрывать операционное поле. Как этого добиться?

Решение

Тень от непрозрачного объекта, такого как руки хирурга, образуется, когда он перекрывает путь свету от источника. Если используется один небольшой (точечный) источник света, то за объектом образуется область полной и резкой тени. Это явление мешало бы хирургу видеть операционное поле.

Чтобы избежать образования темной тени, необходимо освещать операционное поле одновременно с разных направлений. Этого можно достичь, используя либо несколько источников света, расположенных в разных точках, либо один источник света, имеющий большие размеры (протяженный источник).

В первом случае, если руки хирурга блокируют свет от одного источника, свет от других продолжает освещать рабочую область. Во втором случае протяженный источник света можно рассматривать как совокупность множества точечных источников. Руки могут заслонить свет лишь от части этого большого источника, в то время как другие его части будут освещать область за руками. В результате вместо темной тени образуется лишь слабая, размытая полутень, которая не мешает работе.

Именно по этому принципу устроены специальные хирургические бестеневые светильники. Они, как правило, имеют большую площадь и состоят из множества отдельных ламп или светодиодов, расположенных так, чтобы свет падал на операционное поле с разных углов. Такая конструкция обеспечивает мощное и равномерное освещение без образования теней от рук и инструментов хирурга.

Ответ: Необходимо использовать специальные бестеневые светильники. Эти светильники имеют большую площадь и/или состоят из нескольких источников света, которые освещают операционное поле с разных направлений. В результате, если руки хирурга и перекрывают свет от одной части светильника, другие его части продолжают освещать рабочую область, предотвращая образование густой тени.

4. Почему в одном и том же месте Земли солнечные затмения наблюдаются гораздо реже лунных?

Солнечные затмения в одном и том же месте на Земле наблюдаются гораздо реже лунных из-за фундаментальной разницы в геометрии этих двух явлений, а именно — из-за соотношения размеров небесных тел и, как следствие, размеров их теней.

При солнечном затмении Луна находится между Солнцем и Землей. Она отбрасывает тень на поверхность Земли. Поскольку Луна значительно меньше Земли, её тень (область полного затмения, называемая умброй) покрывает лишь очень небольшую, узкую полосу на земной поверхности, диаметром обычно не более 270 км. Эта тень быстро движется по планете. Чтобы увидеть полное солнечное затмение, наблюдатель должен оказаться точно на пути этой тени. Поэтому солнечное затмение является локальным явлением, видимым лишь с малой части земного шара.

При лунном затмении, наоборот, Земля проходит между Солнцем и Луной. В этом случае тень отбрасывает Земля, и эта тень падает на Луну. Так как Земля намного больше Луны (диаметр Земли почти в 4 раза больше диаметра Луны), её тень на расстоянии лунной орбиты очень велика. Она с легкостью может накрыть весь лунный диск. В результате, когда происходит лунное затмение, его могут наблюдать все жители ночного полушария Земли, у которых Луна в это время находится над горизонтом. Область видимости такого затмения охватывает почти половину планеты.

Таким образом, хотя общее количество солнечных и лунных затмений, происходящих в год, сопоставимо, область видимости лунного затмения несоизмеримо больше области видимости солнечного. Из-за этого вероятность того, что лунное затмение будет видно в конкретной точке на Земле, гораздо выше, чем вероятность увидеть там полное солнечное затмение.

Ответ: Солнечные затмения наблюдаются реже в конкретной точке, потому что тень от Луны, падающая на Землю, очень мала и покрывает лишь узкую полосу на ее поверхности. Лунные затмения, напротив, видны со всего ночного полушария Земли, так как большая тень от Земли полностью накрывает Луну, делая это явление доступным для наблюдения с огромной территории.