Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Прямая, перпендикуляр- ') Для волн, распространяющихся по поверхности воды, волновой фронт представляется линией. Для пространственных волн (звук, свет) волновой фронт представляет сапой поверхность, всех точек которой волновое возмущение достигает в один и тот же момент (нолноввя поверхность). Рис.
170. Волны за ши. роким отверстием распространяются в прямолинейном <канале>, про. веденном через края от. верстия Рис. !71. Распространение волн через широкие отверстия в случае, когда фронт волны имеет форму окружности (размеры отверстия преуменьшены) В рассмотренном нами случае фронт волны имеет вид прямой линии; поэтому лучи во всех точках фронта параллельны между собой.
Если повторить опыт, взяв за источник волн колеблющийся конец проволоки, то фронт волны будет иметь форму окружности. Поставив на пути такой волны преграды с отверстиями, размеры которых в е л як и по сравнению с длиной волны, получим картину, изображенную на рис. 171. Таким образом, и в этом случае направление распространения волны совпадает с прямыми линиями, перпендикулярными к фронту волны, т. е. с направлением лучей; в данном случае лучи изображены радиусами, проведенными из точки, откуда исходят волны. й 80. Прямолинейное распространение света и световые лучи.
Наблюдения показывают, что в однородной среде свет также распространяется вдоль прямых линий. Ряд опытов, иллюстрирующих зто положение, общеизвестен. При освещении предмета точечным источником получается резкая тень (рис. 172), форма которой подобна форме некоторого сечения предмета, параллельного плоскости экрана; размеры же тени определяются взаимным распо- 210 ная к волновому фронту (стрелка иа рис. 170), указывает направление распространения волны, Эту линию мы будем называть лучом. Итак, луч есть геометрическая линия, проведенная перпендикулярно к волновому фронту и показываюи(ая направление распространения волнового возмуи1ения.
В каждой точке волнового фронта можно провести перпендикуляр к фронту, т. е. луч. Ложением источника, предмета и экрана в полном соответствии с проецированием при помощи прямых линий. Наблюдающиеся иногда нерезкие тени (полутени) объясняются не отступлением направления распространения рис. 172. При освещении точечным источником света 5 плоского объекта О, параллельного экрану, иа экране появляется резкая тень 0', подобная этому объекту Рис.
!73. При освещении и|арика О протяженным источником оЯ по- являющаяся аа экране тень 0' окаймлена нолутенью Ом света от прямолинейности, а к о н е ч и ы м и размерами источника света (рис. ! 73). Всем известен способ, применяемый столярами, проверки «по лучу» прямолинейности кромки отстроганной доски (рис. 174). Явления прямолинейного распространения света представляют полную аналогию с явлениями, описанными в предыдущем параграфе.
Если мы сделаем «видимым» путь солнечного света, пустив в комнату несколько клубов табачного дыма, то мы можем Рнс, )74. Проверка прямолннейвастн кромки «по лучу зрении» Рнс. )75. Пучки, выделенные нз плоской световой волны (нсточннк— Солнце) экраном с небольшими отверстиями. Размеры отверстий еще очень велнкн по сравнению с длнной световой волны Рис. 176. Пучки, выделенные ив сферической световой волны 233 повторить опыт с перегородками. Поставим на пути света непрозрачный картон с одним или несколькими небольшими отверстиями, которые, конечно, во много раз превосходят длину световой волны; мы увидим путь света в комнате в виде узких каналов, опирающихся на края отверстий (рис.!75). При любом положении картона эти каналы,, .,ы ...;7 имеют одно и то же направле- '", ние: они указывают на Солнце, Если в затемненной комнате поставить внутри темного ',; ° д»,у- ' ящика с несколькими отверстиями яркую лампочку с маленькой нитью, то путь выходящего света обрисуется в за- Й' пыленном воздухе в виде расходягцихся в разные стороны узких пучков (рис.
176). Отметив на стене ягцика положение лампы, мы без труда заметим, что пучки эти пересекаются в том месте, где находится нить лампы. Поступая так же, как мы делали в опытах с волнами на поверхности воды, проведем л и и и и, указывающие направление распространения света. Если выделенные пучки узки, то проведение таких линий не вызывает затруднений. Эти геометрические линии и представляют собой с в е т о в ы е л у ч и. В рассмотренных случаях они будут почти параллельными линиями, направленными на Сочнце, или радиусами, перпендикулярными к поверхности сферы, описанной из места расположения источника света (нить лампочки).
Вдоль этих прямолинейных лучей и распространяется световая волна. Нередко в учебниках название «световой луч» приписываюттем узким световым пучкам,спомощью которых мы находим направление лучей. Это — неправильное выражение: мы называем лучом г е о м е т р и ч ее к у ю л и н и ю, указывающую направление распространения света, а не самые световые пучки. Конечно, чем уже световой пучок, тем легче и точнее с его помощью отыскать направление распространения света, т.
е. определить световой луч. Мы не можем, однако, осуществить б е с к о н е чн о у з к и й световой пучок. Уменьшая размеры отверстия, ограничивающего пучок, мы можем уменьшить ширину пучка лишь до извест- ных пределов. Дальнейшее уменьшение отверстия не только ие приводит к уменьшению сечения пучка, ио, наоборот, ведет, как показывает опыт, к расширению его. В р 41 мы познакомились с этим явлением при изучении волн на поверхности воды (рнс, 87, б н в). Ркс. !77. Изображенне предмета в «дырочкой камере».
Размеры отвсрстнн камеры не показаны. Каждому лучу на самом деле соответствует конус лучей, поэтому изображение нити лампы оказываетсн слегка раз- мытым Для световых волн это явление можно наблюдать, получая изображение с помощью малого отверстия (так называемая д ы р о ч н а я к а м е р а '). Эти наблюдения показывают также, что закон прямолинейного распространения света соблюдается только прн известных условиях. Соответствующий опыт изображен на рис. !77.
На матовом стекле (или фотопластинке), прикрывающем зад1ною стенку дырочной камеры, получается перевернутое изображение расположенного перед ней ярко освещенного объекта (например, нить лампы накаливания). Изображение х орошо воспроизводит форму предмета и не зависит от формы отверстия, если отверстие достаточно мало. Этот результат нетрудно понять. Действительно, от каждой точки источника через отверстие проходит узкий световой пучок, который дает на.экране неоольшое пятнышко, воспроизводящее форму отверстия. Свет от всего источника в целомдает иа экране картину, н а р и с о в а иную такими светлыми пятнышками, накладывающимнся друг на друга. Если размер отверстия таков, что отдельные пятнышки превосходят детали картины, то она получится размытой, плохо передающей объект.
Но при достаточно малых размерах отверстия размеры пятнышек будут меньше деталей картины, и изображение получится вполне удовлетворительное, ') Эту камеру называют камерой-обскурой, (Примеч. ред.) рис. 178 воспроизводит фотографию, полученную с помошью такой дырочной фотокамеры. На рис. 179 изображена схема действия <дырочной камеры» и вид изображений, полученных при разных размерах отверстия. Улучшение изображения при уменьшении размеров отверстия наблюдается лишь до известного предела.
Прн дальнейшем уменьшении отверстия резкость карРис. )78. Фотография, полученная дырочной камерой »= 15 си Р-50см а) б) б) з) оис. !79. Схема действия дырочной камеры (вверху) и изображения гсточника света при разных размерах отверстий (внизу)! а) диаметр ггверстия около 3 мм; б) около ! мм; а) около 0,3 мм; г) около 0,03 мм. сточником служит ярко освещенная щель в экране, имеющая внд стрелки щирнны около ! мм, 'ины начинает ухудшаться (рис. 179, г). При очень малых тверстиях «изображение» совсем теряет сходство с источгиком. Этот опыт показывает, что светлые пятнышки, ко- торые рисуют отдельные точки источника, при малых размерах отверстия р а с ш и р я ю т с я настолько, что превосходят детали картины, которая размывается тем больше, чем меньше отверстие.
Но так как эти пятнышки есть следы световых пучков, вырезаемых отверстием, то опыт обнаруживает р а с ш и р е н и е светового пучка при чрезмерном уменьшении отверстия, Итак, мы не можем физически выделить сколь угодно узкий пучок. Мы должны ограничиться выделением по возможности узких световых пучков конечной ширины и заменить их затем линиями, представляющими как бы оси этих пучков. Таким образом, световые лучи являются геометрическим понятием. Польза, которую мы извлекаем из этого понятия, состоит в том, что с его помощью мы можем устанавливать направление распространения световой энергии.
Законы, определяющие изменение направления лучей, позволяют решать очень важные в оптике задачи об изменении направления распространения световой энергии. Для разбора такого рода задач вполне уместно заменить физическое понятие — световую волну — геометрическим понятием— лучом — и проводить все рассуждения с помощью лучей. Однако далеко не всегда вопрос о характере распространения световых волн может быть решен при помощи понятия о световых лучах. Существует много оптических явлений (опыты с дырочной камерой при достаточно малых размерах отверстия являются примером таких явлений), для понимания которых необходимо обратиться непосредственно к рассмотрению световых волн. Рассмотрение световых явлений с волновой точки зрения возможно, конечно, и для решения более простых задач, где и метод лучей дает вполне удовлетворительные результаты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
