Содержательная модель темы «Световые волны»

Пусть в точке О (рис. 5) расположен точечный источник света. От источника света волны расходятся сферами в однородной и изотропной среде. Совокупность точек, образующих сферу, до которой дошел процесс распространения волны, называют волновой поверхностью или волновым фронтом.

Рис. 5. Распространение световых волн от точечного источника света.

Поместим на некотором расстоянии от источника экран с круглым отверстием. Прошедший через отверстие свет будет распространяться по прямой линии в виде пучка. Эта линия будет перпендикулярна волновому фронту и пройдет по оси симметрии пучка. Она называется лучом. Луч не материален и обозначает направление, вдоль которого волна переносит энергию. Если источник света расположен далеко, то лучи параллельны друг другу, а волна называется плоской.

Принцип Гюйгенса. Принцип Гюйгенса формулируется так:

Каждая точка среды, до которой дошло электромагнитное возмущение, сама становится источником вторичных волн.

Касательная поверхность ко всем вторичным волнам и дает положение поверхности, которой достигает волна через некоторый промежуток времени. Пусть источник света находится в точке О, волновой поверхностью в момент времени t является поверхность АВ (рис. 6). На рисунке 6,а показана часть сферической волны.

Рис.6,а. Часть сферической волны.

Рис 6,б. Волновая поверхность плоской волны.

Согласно принципу Гюйгенса каждая точка волновой поверхности АВ сама становится источником вторичных волн. За время Dt вторичные волны распространятся на расстояние r=uDt. Если провести касательную к вторичным волнам, то получим новую волновую поверхность СD.

На рисунке 6,б изображена волновая поверхность плоской волны.

Распространение волны можно рассматривать как движение волнового фронта.

Рис. 7. Распространение вторичной волны.

В классах с углубленным изучением физики целесообразно отметить, что теория Гюйгенса позволила теоретически вывести законы отражения и преломления света, но не смогла объяснить закон прямолинейного распространения света. Действительно, обратимся к работе Гюйгенса «Трактат о свете». В ней он приводит рисунок, подобный рисунку 7. Светящаяся точка А излучает волну, проходящую через отверстие BG. Точки B, b, b, b,b, G принадлежат волновой поверхности ВG. Эти точки становятся источниками вторичных волн. Так, точка В является точечным источником вторичной волны КL. Новой волновой поверхностью является поверхность DF, касающаяся точек С и Е.

Отверстие ВG ограничено непрозрачными телами ВН и GI. Волна света из точки А ограничивается лучами АС и АЕ. Части отдельных волн за пределами пространства АСЕ, как отмечает Гюйгенс, «слишком слабы, чтобы производить там свет». Лучи света можно принимать за прямые линии. Приведенное доказательство неубедительно.

Впоследствии метод Гюйгенса был усовершенствован, что позволило объяснить прямолинейное распространение света на основе волновой теории. Тем самым подчеркивается ограниченность модели (теории) Гюйгенса.

Принцип Гюйгенса позволяет с помощью простых геометрических построений находить волновую поверхность в любой момент времени по известной волновой поверхности в предшествующий момент.

Закрепление учебного материала проводится путем выполнения заданий или решения задач.

Солнечный свет, проникая через крону лиственного дерева, создает на земле солнечные блики в виде кругов и овалов (рис. 8). Круги образуются тогда, когда Солнце находится высоко над горизонтом. Если высота Солнца над горизонтом уменьшается, блики принимают форму овалов. Столь правильная форма световых бликов удивительна. Листья в кроне дерева расположены неупорядоченно, и форма щелей, образующихся в кроне между листьями, разнообразна. Положение щелей от порывов ветра случайным образом изменяется, создавая солнечные блики. Известно, что Аристотель использовал получающиеся солнечные блики на земле для наблюдения солнечного затмения. Изображение какого тела представляют собой световые блики?

Рис. 8. Солнечные блики в виде кругов и овалов