Содержательная модель темы «Световые волны»

Рис. 1. Спектр электромагнитных волн

Свет - видимое излучение - представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны от 400 до 760 нм. Скорость света определена экспериментально. Приближенно можно принять, что в вакууме скорость света равна 3×108м/с. По современным данным, скорость света в вакууме равна (299 792 458 1,2) м/с. Ни одно тело в мире не может двигаться со скоростью большей, чем скорость света в вакууме.

К основным свойствам электромагнитных волн, а следовательно, и световых волн относятся: распространение в однородной среде, отражение и преломление света на границе двух сред,

Законы отражения и преломления света были открыты экспериментально задолго до создания электромагнитной теории. Так, закон отражения был сформулирован еще древнегреческим ученым Эвклидом в Ш в. до н.э. Закон преломления света был установлен в 1620 г. голландским математиком В. Снеллиусом (1580-1628).

В 1690 г. Х.Гюйгенс создал первую волновую теорию света и сформулировал принцип, описывающий распространение волн. Исходя из волновой теории, он объяснил явление отражения и преломления света на границе двух сред. Принцип Гюйгенса успешно применяется в теории электромагнитных волн. Об этом они узнают в курсе физики старшей средней школы.

Звезды являются точечными источниками электромагнитных волн. Такой источник излучает в вакууме электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Рис 2. Сферические поверхности, через которые с течением времени проходит волна.

На рисунке 2 показаны сферические поверхности, через которые с течением времени проходит волна.

Амплитуда возмущения во всех точках сферического фронта волны, распространяющейся от точечного источника, одинакова. Такой подход к описанию сферической волны не противоречит принципу Гюйгенса. Этот принцип удобен для описания распространения как электромагнитных, так и механических волн.

Прямолинейное распространение света. Теоретическое обоснование прямолинейного распространения света (например, на основе принципа Ферма) в школьном курсе физики не изучается. Закон прямолинейного распространения света вводится на основе эксперимента. Для этого, например, можно провести опыт (рис. 3) со стержнем высотой АD и получить тень от него.

Рис.3. Установка для демонстрации прямолинейного распространения света.

Из рисунка следует, на некоторой высоте над стержнем АД в точке О расположен точечный источник света – маленькая лампочка. Мы увидим резко очерченную тень стержня DB. Проведем через точки O и В прямую линию. На ней также будет лежать и точка А. ОВ – это луч света, касающийся стержня в точке А. Если бы луч не был прямой линией, то тень DB была бы других размеров.

Рис.4. Установка для демонстрации прямолинейного распространения света – получения тени и полутени.

Если две маленькие лампочки расположить на некотором расстоянии от непрозрачного предмета, например цилиндра, то за ним образуется тень и полутень. Образование полутени не противоречит свойству света распространяться прямолинейно, а, наоборот, подтверждает его. В область тени не попадает свет ни от одной из двух лампочек. В область полутени попадает свет от какой-нибудь одной лампочки.

Образованием тени и полутени объясняются такие явления, как лунные и солнечные затмения. Земля и Луна, освещенные Солнцем, образуют конусы тени и полутени. Когда Луна попадает в тень Земли полностью, происходит полное затмение Луны. Солнечные затмения как полные видны в тех областях, где на Землю падает пятно лунной тени. В тех же областях, на которые падает полутень Луны, наблюдается частичное затмение Солнца, Земли, на которые падает полутень.

Волновая поверхность. Принцип Гюйгенса. При изучении этих вопросов формируются понятия волнового фронта и луча. Эти понятия требуют пояснения и уточнения с помощью схем и рисунков.

В курсах «Окружающий мир» и «Природоведение» используется понятия луча: «Луч – это линия, вдоль которой распространяется свет». С точки зрения физики формулировка этого понятия неточная. Требуется так построить содержание учебного материала, чтобы учащиеся пришли к выводу: «Луч в отличие от светового пучка, не материален. Он обозначает направление, вдоль которого волна переносит энергию».