【УМК по физике для средней школы】Физика, профильный курс, часть 1: Тайна преломления света: от повседневных явлений к законам геометрической оптики

Сломанная ложка — ключ к двери оптики

Когда вы наклонно вставляете прямую палочку в стакан с водой, изначально прямая линия странно «сломается» на поверхности воды. Это не магия, а танец света, изящно меняющего направление на границе двух различных сред.

Когдасвет падает из первой среды на границу между этой средой и второй средой, энергия распределяется интересным образом:часть света возвращается в первую среду, это явление называется отражением светаадругая часть света проникает во вторую среду, это явление называется преломлением света.

Основа геометрической оптики: закон преломления

Угол падения и угол преломления:угол между падающим лучом и нормалью $\theta_1$ называется углом паденияаугол между преломлённым лучом и нормалью $\theta_2$ называется углом преломления.
Закон преломления (закон Снеллиуса): преломлённый луч, падающий луч и нормаль лежат в одной плоскости, преломлённый и падающий лучи находятся по разные стороны от нормали; синус угла падения прямо пропорционален синусу угла преломления.
Основная формула: $$\frac{\sin \theta_1}{\sin \theta_2} = n_{12}$$
Обратимость светового пути: Помните,в процессе преломления света путь света также обратим. Это означает, что если свет попадает из среды 2 против направления первоначального преломленного луча, он вернётся по тому же пути, по которому он пришёл.

Волновая оптика и междисциплинарное исследование

Применение интерференции и эффекта Доплера

В физике волновая природа света проявляется не только в преломлении, но и в интерференции и изменении частоты. Ниже представлены два задания, основанные на экспериментальных и теоретических исследованиях.

Вопрос

В эксперименте с двумя щелями расстояние от точки P на экране до щелей $S_1$ и $S_2$ составляет $7.5 \times 10^{-7}\,м$. Если осветить щели светом с частотой $6.0 \times 10^{14}\,Гц$, будет ли в точке Р светлая или тёмная полоса? Приведите анализ.

Ответ:
1. Во-первых, вычислим длину волны света: $\lambda = c/f = (3.0 \times 10^8) / (6.0 \times 10^{14}) = 5.0 \times 10^{-7}\,м$. 2. Вычислим отношение разности хода к длине волны: $\Delta r / \lambda = (7.5 \times 10^{-7}) / (5.0 \times 10^{-7}) = 1.5$. 3. Вывод: поскольку разность хода равна 1.5 длины волны (то есть 3 полуволны, что является нечётным числом полуволн), согласно принципу суперпозиции когерентных волн, колебания в точке Р ослаблены, образуется тёмная полоса.

Вопрос

[Задание на написание текста] Введите слово «эффект Доплера» в поисковую систему, найдите его применение и подготовьте краткое описание для обсуждения.

Ответ:
多普勒效应描述了波源与观察者相对运动时接收频率发生变化的现象。应用包括： 1. 交通领域：多普勒雷达测速仪，通过分析反射波频率变化精准测量车速。 2. 医疗领域：多普勒彩超，通过探测血流对超声波的频移来诊断血管健康。 3. 天文领域：通过观测遥远星系的“红移”，天文学家推断出宇宙正在膨胀。 4. 气象领域：多普勒天气雷达可探测风速和降水强度，为预报提供关键数据。