Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 7 клас. Повні уроки>> Оптичні явища в природі. Джерела і приймачі світла. Світловий промінь. Прямолінійне поширення світла. Сонячне і місячне затемнення.

Тема

• Оптичні явища в природі. Джерела і приймачі світла. Світловий промінь. Прямолінійне поширення світла. Сонячне і місячне затемнення

Мета

• Ознайомитися з  поняттям «Світловий промінь»,
• розглянути особливості поширення проміня та природні явища, які виникають внаслідок цього.

Хід уроку

Джерела і приймачі світла

Джерелом світла називають будь-який об'єкт, що випромінює енергію у світловому спектрі. По своїй природі підрозділяються на природні й штучні разом з їхніми пристроями.

Природні джерела світла - це природні матеріальні об'єкти і явища, основною або вторинною властивістю яких є здатність випромінювати видиме світло.

До природних джерел світла насамперед відносять: Сонце, Місяць, планети, комети, полярні сяйва, атмосферні електричні розряди, біолюмінесценцію живих організмів, світло зірок й інших космічних об'єктів, світіння органічних продуктів, що окисляються, і мінералів, та інш. Природні джерела світла відіграють першорядну роль в існуванні життя на землі й інших планетах, і впливають на навколишнє середовище.

Штучні джерела світла - технічні пристрої різної конструкції й різних способів перетворення енергії, основним призначенням яких є одержання світлового випромінювання (як видимого, так і з різною довжиною хвилі, наприклад, інфрачервоного). На відміну від природних джерел світла, штучні джерела світла є продуктом виробництва людини або інших розумних істот.

Для одержання світла можуть бути використані різні форми енергії, і в цьому зв'язку можна вказати на основні види (по утилізації енергії) джерел світла.

Електричні: Електричне нагрівання тіл розжарювання або плазми. Джоулево тепло, вихрові струми, потоки електронів або іонів.

Ядерні: розпад ізотопів або розподіл ядер.

Хімічні: горіння (окислювання) палив і нагрівання продуктів згоряння або тіл розжарювання.

Электролюмінісцентні: безпосереднє перетворення електричної енергії у світлову (минаючи перетворення енергії в теплову) у напівпровідниках (светлодіоди,) або люмінофорах, що перетворять у світло енергію змінного електричного поля або перетворюючих у світло енергію потоку електронів .

У фізиці використаються ідеалізовані моделі – точкове та спрямоване джерело світла.

Джерела спрямованого світла

Джерело спрямованого світла перебуває в бескінечно віддаленой точці. У цьому випадку припустимо вважати, що всі промені світла від нього поширюються паралельно й для всіх крапок можна використати той самий вектор напрямку висвітлення. Гарним прикладом такого джерела світла є Сонце.

Точкове джерело світла

На відміну від джерел спрямованого світла, точкові джерела перебувають у певній точці простору з кінцевими координатами, і світло від них поширюється рівномірно в усіх напрямках. При розрахунку освітленості в точці буде враховуватися напрямок на таке джерело.

Приймачі світла, пристрою, зміна стану яких (реакція) під дією потоку оптичного випромінювання служить для виявлення цього випромінювання, його виміру, а також для фіксації й аналізу оптичних зображень випромінюючих об'єктів.

У приймачах світла енергія випромінювання оптичного діапазону перетвориться в ін. види енергії.

Приймачі світла підрозділяють на теплові, фотоелектричні, механічні й хімічні.

Теплові й механічні це різні датчики, використовувані для реєстрації світлового випромінювання.

Фотоелектричні - у побуті це цифрові фотоапарати, відеокамери, різні сканери.

До фотохімічного ставляться всі види фотошарів, використовувані в сучасній фотографії.

Закон прямолінійного поширення світла. Прямолінійність поширення світла

Якщо між оком й яким-небудь джерелом світла помістити непрозорий предмет, то джерело світла ми не побачимо. Порозумівається це тим, що в однорідному середовищі світло поширюється по прямих лініях.

Прямолінійне поширення світла - факт, установлений ще в далекій давнині. Про це писав засновник геометрії Евклид (300 років до нашої ери).

Прямолінійністю поширення світла в однорідному середовищі підтверджується утворенням тіні. Тіні людей, дерев, будинків й інших предметів добре спостерігаються на землі в сонячний день.

Предмети, освітлювані крапковими джерелами світла, наприклад сонцем, відкидають чітко обкреслені тіні. Кишеньковий ліхтарик дає вузький пучок світла. Фактично про положення навколишніх нас предметів у просторі ми судимо, маючи на увазі, що світло від об'єкта попадає в наше око по прямолінійних траєкторіях. Наша орієнтація в зовнішньому світі цілком заснована на припущенні про прямолінійне поширення світла.

Саме це допущення привело до подання про світлові промені.

Світловий промінь

Світловий промінь - це пряма, уздовж якого поширюється світло. Умовно променем називають вузький пучок світла. Якщо ми бачимо предмет, то це означає, що нам в око попадає світло від кожної крапки предмета. Хоча світлові промені виходять із кожної крапки в усіх напрямках, лише вузький пучок цих променів попадає в око спостерігача. Якщо спостерігач зрушить голову ледве убік, то в його око від кожної крапки предмета буде попадати вже інший пучок променів.

На відео показана тінь, отримана на екрані при висвітленні крапковим джерелом світла непрозорої кулі. Тому що куля непрозора, то він не пропускає світло, що падає на нього; у результаті на екрані утвориться тінь. Таку тінь можна одержати в темній кімнаті, висвітлюючи кулю кишеньковим ліхтарем.

Якщо куля освітити двома ліхтарями, то можна одержати дві тіні й менш темні, чим тінь від одного ліхтаря, тому що тінь освітлена одним ліхтарем, а інша тінь- другим ліхтарем. Частково освітлені  ділянки  екрана    й  називаються напівтінями.

Можна так розташувати два джерела світла, що обидві півтіні будуть частково перекривати один одного й частина поверхні екрана виявиться зовсім неосвітленою. Це повна тінь. Приклад утвореня тіні та полутіні можна побвчити на наступному відео:

Закон прямолінійного поширення світла: в однорідному прозорому середовищі світло поширюється прямолінійно.

Доказом цього закону є утворення тіні й півтіні.

У домашніх умовах можна виконати кілька досвідів - доказів цього закону. Якщо ми хочемо, щоб світло від лампи не попадав в очі, ми можемо помістити між лампою й очами аркуш паперу, руку або надягти на лампу абажур. Якби світло поширювалося не по прямих лініях, то він міг би обігнути перешкоду й потрапити до нас в очі. Наприклад від звуку не можна "загородитися" рукою, він обігне цю перешкоду й ми будемо його чути.

Таким чином, описаний приклад показує, що світло не обгинає перешкоду, а поширюється прямолінійно.

Тепер візьмемо маленьке джерело світла, наприклад кишеньковий ліхтарик S. Розташуємо на деякій відстані від її екран, тобто в кожну його крапку попадає світло. Якщо між крапковим джерелом світла S й екраном розмістити непрозоре тіло, наприклад м'ячик, то на екрані побачимо темне зображення обрисів цього тіла - темне коло, оскільки за ним утворилася тінь - простір, куди не попадає світло від джерела S. Якби світло поширювалося не прямолінійно й промінь не були б прямою лінією, то тінь могла б не утворитися або мала б іншу форму й розміри.

Але чітко обмежену тінь, що отримана в описаному досвіді, ми бачимо в житті не завжди. Така тінь утворилася, тому що як джерело світла ми використали лампочку, розміри спирали якої набагато менше, ніж відстань від її до екрана.

Якщо як джерело світла взяти більшу, порівняно з перешкодою, лампу, розміри спирали якої порівнянні з відстанню від її до екрана, то навколо тіні на екрані утвориться ще й частково освітлений простір - півтінь.

Утворення півтіні не суперечить закону прямолінійного поширення світла, а, навпаки, підтверджує його. Адже в цьому випадку джерело світла не можна вважати крапковим. Він складається з безлічі крапок і кожна з них випускає промені. Тому на екрані є області, у які світло від одних крапок джерела попадає, а від інших не попадає. У такий спосіб ці області екрана освітлені лише частково, там й утвориться півтінь. У центральну область екрана не попадає світло ні від однієї крапки лампи, там спостерігається повна тінь.

Очевидно, що якщо наше око перебувало б в області тіні, то ми не побачили б джерело світла. З області півтіні ми бачили б частина лампи. Це ми й спостерігаємо при сонячному або місячному затьмаренні.

І останній досвід. Покладете на стіл шматок картону й застроміть у нього дві шпильки в декількох сантиметрах друг від друга. Між цими шпильками застроміть ще дві-три шпильки так, щоб, дивлячись на одну із крайніх, ви побачили тільки її, а інші шпильки були б закриті від нашого погляду нею. Вийміть шпильки, прикладете лінійку до слідів у картоні від двох крайніх шпильок і проведіть пряму. Як розташовані сліди від інших шпильок стосовно цій прямій?

Прямолінійністю поширення світла користуються при визначенні прямих ліній на поверхні землі й під землею в метро, при визначенні відстаней на землі, на морі й у повітрі. Коли контролюють прямолінійність виробів по промені зору, то знов-таки використають прямолінійність поширення світла.

Досить імовірно, що й саме поняття про пряму лінію виникло з подання про прямолінійне поширення світла.

Оптичні явища в природі

Сонячні й місячні затьмарення - найцікавіше явище природи, знайомі людині з найдавніших часів.

Вони бувають порівняно часто, але видні не із всіх місцевостей земної поверхні й тому многим здаються рідкими. Будь-яке затьмарення відбувається тоді, коли три небесних тіла: Земля, Місяць і Сонце вибудовуються з погляду земного спостерігача на одній умовній прямій. Якщо між Землею й Сонцем розташована Місяць, то затьмарення називається сонячним, якщо ж навпаки тінь Землі закриває від Місяця пряме сонячне світло, те це місячне затьмарення.

Залежно від того, наскільки близько Місяць виявиться до вузла орбіти в годину затьмарення, вона може пройти через середину конуса тіні, і затьмарення буде максимально тривалим, а може пройти краєм тіні, і тоді ми побачимо приватне місячне затьмарення. Конус земної тіні оточений півтінню. У цю область простору попадає лише частина сонячних променів, не закрита Землею. Тому бувають напівтіньові затьмарення. Про їх теж повідомляється в астрономічних календарях, але ці затьмарення нерозрізнені для ока, тільки фотоапарат і фотометр здатні відзначити затьмарення Місяця під час напівтіньової фази або напівтіньового затьмарення. Коли ж повня трапляється далеко від вузлів місячної орбіти. Місяць проходить вище або нижче тіні й затьмарення не відбувається.

Варто окремо виділити фази місяця

Прийнято виділяти особливо фази молодика (диск повністю темний), першої  чверті (зростаючий  місячний серп виглядає у формі напівдиска), повні (диск освітлений повністю)  і останньої чверті (освітлено знову рівно півдиска, тільки з іншої сторони). Взагалі, фазу прийнято виражати в десятих і сотих частках одиниці, причому молодикові буде відповідати фаза 0, повні - 1, першій й останній чвертям -  0,5. Наочно це можна побвчити на малюнку

Для  початківців дуже важко буває відрізнити зростаючий від молодика до повні місяць від убутні до молодика від повні. У північній півкулі користуються відомим прийомом: якщо до місячного серпа можна так приставити уявлювану "паличку", щоб вийшла буква "Р" (росте), те місяць росте, якщо  ж  місяць виглядає, як буква "С" (старий), те він старіє.

Період повної зміни всіх місячних фаз від молодика до молодика називається синодичним періодом обігу Місяця або синодичним місяцем, що дорівнює приблизно 29,5 дням. Саме за цей час Місяць проходить по своїй орбіті такий шлях, що двічі встигає пройти через ту саму фазу. Повний оборот Місяця навколо Землі щодо зірок називається сидеричним  періодом обігу або сидеричним місяцем, він триває 27,3  дні.

Місячні затьмарення відбувалися б щораз у  повню, а сонячні - у молодика, якби не одна особливість руху Місяця. Площина її орбіти нахилена до площини околосолнячної орбіти  Землі під невеликим кутом в 5°.  Уже цього досить, щоб у  молодика Місяць проходив ледве вище або нижче Сонця, а в повню земна тінь не  попадала на місячний диск. Тільки тоді, коли повня або  молодик  доводиться на моменти перетинання Місяцем площини земної орбіти, тобто коли  дійсно всі три тіла, що  беруть участь  у  явищі, вибудовуються в лінію, відбуваються затьмарення. Наприклад, у ситуації, зображеної на малюнку, затьмарення не відбудеться. Крапки перетинання місячної орбіти із площиною орбіти Землі не лежать на одній лінії із Сонцем (ці дві крапки орбіти називаються вузлами місячної орбіти). У додавання до всього описаного, орієнтація орбіти нашого супутника непостійна, як сама Місяць. Площина повертається або, як говорять, прецессує. У результаті цього, ще в стародавності був виявлений не точний часовий проміжок, через який послідовність всіх затьмарень повторюється. Такий часовий інтервал називають саросом. Тривалість саросу 18 з невеликим років (6585,32 доби). Знаючи про це, ми можемо сказати, що через сарос можна чекати  спостережуване, скажемо, сьогодні повне сонячне затьмарення, але ми не  можемо, знаючи лише про сарос, затверджувати, що воно буде повним, а також не в силах пророчити, де на Землі його можна буде побачити. Протягом саросу відбувається 43 сонячних й 28  місячних затьмарень. У наш час, знання людини про затьмарення значно перевершують мудрість древніх. Затьмарення й умови їхнього протікання вираховуються  з високою точністю на багато років уперед.

Завдання

1. Розділите джерела світла на дві групи - штучні й природні.
блискавка, факел, зірки, веселка, прожектор, Місяць, північне сяйво, висвітлення, салют, монітор, живі організми...

Список використаних джерел

1. Янчук В. Довідник школяра: 5-11 кл., 2002, Київ

2. Коршак Є. В., Ляшенко О. І., Савченко В.Ф. Фізика 7 клас: Підруч. для для загальноосвітніх навч. закл. - Ірпінь: Перун, 2002.

3. Гончаренко С.У. Фізика: Основні закони і формули., 2006, Либідь.

4. Вакуленко М. О. Російсько-український словник фізичної термінології / За ред. проф. О. В. Вакуленка (додаток: "Російсько-український фізичний словник":. - К., 2006.

5. Урок фізики по тему: "Маса тіла". 7-й клас Осипенко Марія Максимівна. м.Миколаїв.

Відредаговано та надіслано Фролов Д. В.

Над уроком працювали

Фролов Д. В.

Осипенко М. М.

Поставить вопрос о современном образовании, выразить идею или решить назревшую проблему Вы можете на Образовательном форуме, где на международном уровне собирается образовательный совет свежей мысли и действия. Создав блог, Вы не только повысите свой статус, как компетентного преподавателя, но и сделаете весомый вклад в развитие школы будущего. Гильдия Лидеров Образования открывает двери для специалистов  высшего ранга и приглашает к сотрудничеству в направлении создания лучших в мире школ.