В этом подробном объяснении мы разберём основные понятия и явления темы свет и оптика. Текст написан в стиле учителя для 7‑го класса российской школы: с понятными определениями, рисунками в голове (словесно), шагами решения задач и примерами, которые можно проделать в классе или дома. Важные ключевые слова выделены жирным шрифтом, чтобы вы могли быстро ориентироваться в теме.

Что такое свет? Свет — это форма энергии, которую мы воспринимаем глазами. В школьном курсе важно запомнить, что видимый свет — лишь часть электромагнитного спектра. Свет распространяется прямолинейно в однородной среде; такую модель удобно описывать при помощи понятия луч света — мысленной линии, показывающей направление распространения света. Источники света делятся на источники энергии (например, лампа, солнце) и отражающие объекты (например, луна, бумага), которые отражают падающий на них свет.

Тень и умножение света. Когда источник света освещает непрозрачный предмет, на экране возникает тень — область, куда лучи не попадают. Если источник точечный, тень резкая; если источник большой или удалённый, тень может иметь половую область — область полутени. Это легко объясняется при помощи лучей: проводим крайние лучи от источника к краям предмета и получаем зону полной тени и зону частичного затемнения. В практике: попробуйте заснять тень карандаша от фонарика и от настольной лампы — увидите разницу в резкости краёв тени.

Отражение света. Закон отражения. При отражении меняется направление луча, но не его частота. Главный закон: угол падения равен углу отражения (θпад = θотр), и все три точки (падающий луч, отражённый луч и нормаль к поверхности) лежат в одной плоскости. Различают зеркальное отражение (на гладкой поверхности, лучи отражаются упорядоченно) и диффузное отражение (на шероховатой поверхности, лучи рассеиваются в разные стороны). Это объясняет, почему мы видим предметы: они рассеивают падающий на них свет в направлении наших глаз.

Примеры с зеркалами. В плоском зеркале изображение всегда: 1) мнимое (невозможно проецировать на экран), 2) того же размера, что и предмет, 3) расположено на таком же расстоянии за зеркалом, как предмет перед ним, 4) симметрично относительно плоскости зеркала. У вспомогательных зеркал (выпуклых и вогнутых) правила иные: вогнутое зеркало может дать действительное изображение (его можно проецировать на экран), если предмет расположен за фокусом; выпуклое зеркало всегда даёт мнимое, уменьшенное изображение.

Преломление света. Закон преломления (Закон Снеллиуса). Когда луч переходит из одной прозрачной среды в другую (например, из воздуха в воду), он меняет направление — это явление называется преломление. Важная характеристика среды — её показатель преломления n, чем больше n, тем медленнее распространяется свет в среде. Закон преломления: n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2). Здесь θ1 — угол падения, θ2 — угол преломления, углы измеряются относительно нормы (поперечной линии к поверхности в точке падения). Пример: свет из воздуха (n1≈1) падает на стекло (n2≈1.5) под углом 30°. Расчёт: sin θ2 = n1/n2 * sin θ1 = 1/1.5 * sin 30° = 0.6667 * 0.5 = 0.3333. Тогда θ2 ≈ arcsin(0.3333) ≈ 19.5°. Таким образом, луч приближается к нормали при переходе в более плотную среду.

Полное внутреннее отражение и критический угол. При переходе из более оптически плотной среды в менее плотную (например, из стекла в воздух) угол преломления увеличивается. Существует такой угол падения, при котором угол преломления достигает 90° — дальше преломления уже нет, и весь луч отражается обратно внутрь среды. Это явление называется полное внутреннее отражение. Критический угол θкр вычисляется по формуле sin θкр = n2 / n1 (при n1 > n2). Для стекла (n1≈1.5) в воздух (n2≈1): sin θкр = 1/1.5 = 0.6667 → θкр ≈ 41.8°. Если угол падения больше этого значения, преломления не будет, свет полностью отражается.

Дисперсия и цвета света. Белый свет состоит из многих цветов, которые по-разному преломляются в призме — это явление называется дисперсией. Разные длины волн (цвета) имеют разные показатели преломления в материале, поэтому синий луч преломляется больше, чем красный. Практический результат — радуга: капли воды действуют как маленькие призмы, преломляют и отражают солнечный свет, создавая спектр цветов.

Линзы: собирающие и рассеивающие. Линза — прозрачное тело, ограниченное двумя поверхностями, которое преломляет лучи света. Существует две основные формы: собирающая (выпуклая) и рассеивающая (вогнутая). У собирающей линзы есть фокус — точка, в которой параллельные лучи сходятся после прохождения линзы. Для тонкой линзы действует основная формула: 1/f = 1/do + 1/di, где f — фокусное расстояние, do — расстояние до предмета, di — расстояние до изображения. Пример задачи: предмет расположен на расстоянии 30 см от собирающей линзы с фокусом 10 см. Подставляем: 1/10 = 1/30 + 1/di → 1/di = 1/10 − 1/30 = 2/30 = 1/15 → di = 15 см. Знак и число показывают, что изображение действительное, расположено по ту же сторону, что и экран, и уменьшенное (масштаб изображения m = −di/do = −15/30 = −0.5, минус означает перевёрнутое изображение, размер в 2 раза меньше предмета).

Как решать типичные задачи по оптике — пошагово. Ниже общий алгоритм, который помогает системно подходить к задачам:

• Шаг 1: Прочитайте условие и выпишите известные величины (n1, n2, θпадения, do, f и т. п.).
• Шаг 2: Нарисуйте схему (лучи, нормаль, обозначьте углы и расстояния). Схема помогает избежать ошибок при знаках и направлениях.
• Шаг 3: Выберите нужную формулу: закон отражения, закон преломления (Snell), тонкая линза, зеркальная формула и т. п.
• Шаг 4: Подставьте числа, вычислите промежуточные значения (например, sin θ), не забывая о физических ограничениях (sin ≤ 1).
• Шаг 5: Проверьте результат на здравый смысл: должен ли луч приближаться к нормали или отходить, может ли изображение быть действительным, какой знак у увеличения и т. д.

Практические эксперименты и безопасность. Несколько простых опытов усиливают понимание оптики: 1) с помощью прозрачного стакана с водой и ложки можно показать преломление (ложка кажется «сломавшейся» на границе воды и воздуха); 2) с призмой или стеклянной линзой можно построить спектр или сфокусировать солнечный свет на бумаге (опасно: не смотрите в лазер или в солнце без защиты, не оставляйте сфокусированный свет на горючих материалах). Также полезно поэкспериментировать с компасом лучей из фонарика и экранами, чтобы наблюдать тень, полутень и образование изображений от линз и зеркал.

Интересные факты и исторические заметки. Измерение скорости света — знаменательное событие в науке: первыми приблизительно оценили её Оле Рёмер (XVII век) по затмениям спутников Юпитера. Современное значение скорости света в вакууме c ≈ 299 792 км/с — фундаментальная константа. Ещё одно удивительное явление — атмосферная рефракция: из‑за неё солнце кажется выше своего реального положения, особенно на горизонте, и возникают миражи в пустынях и на горячих дорогах.

Рекомендации для подготовки к контрольной работе. Запомните определения ключевых понятий: луч, источник света, тень, отражение, преломление, показатель преломления, фокус, изображение. Тренируйтесь рисовать лучевые схемы и применять формулы закона Снеллиуса и тонкой линзы. Чаще проверяйте результат на интуитивное соответствие: например, если свет переходит в более плотную среду, он должен отклоняться к нормали; при увеличении расстояния предмета до собирающей линзы изображение должно менять размеры в предсказуемом направлении.

Если хотите, я могу подготовить набор задач с решениями по каждой теме: отражение, преломление, линзы, зеркала и практические опыты. Также могу составить краткую шпаргалку для повторения перед контрольной работой. Напишите, какие разделы хотите разобрать глубже или какие примеры решить пошагово — и я подготовлю подробный разбор.