При каком условии непрозрачный предмет даёт тень без полутени?

Вопрос о формировании тени и полутени связан с изучением законов распространения света. Рассмотрим теоретические аспекты, которые помогут ответить на этот вопрос.

Свет распространяется прямолинейно, если он проходит через однородную среду. Этот факт подтверждается законом прямолинейного распространения света. Когда световой поток встречает на своём пути непрозрачное препятствие, оно блокирует часть света, создавая область, где свет не распространяется. Эта область называется тенью.

Однако при распространении света важно учитывать размеры источника света. Источник света может быть точечным или протяжённым.

1. Точечный источник света:
   Точечный источник света — это источник, размеры которого можно пренебрежительно считать малыми по сравнению с расстоянием до объекта. В этом случае свет распространяется от источника по прямым линиям, а непрозрачный предмет блокирует часть прямолинейных лучей. В результате за объектом образуется чёткая тень с резкими границами. Полутени в этом случае нет, потому что свет исходит из одной точки, и каждая точка объекта либо полностью препятствует прохождению света, либо не препятствует ему совсем.

2. Протяжённый источник света:
   У протяжённого источника света размеры существенно больше, чем у точечного источника. Свет от такого источника исходит сразу из множества точек, которые расположены на некоторой площади или объёме. При наличии протяжённого источника света за непрозрачным предметом образуются две зоны:

   • Полная тень. Это область пространства, в которую не проникает свет ни от одной части протяжённого источника. Эта зона возникает, когда все лучи от источника блокируются предметом.
   • Полутень. Это область пространства, куда проникает свет от части источника, но не от всей его поверхности. Полутень возникает, потому что одни части источника света закрыты предметом, а другие остаются видимыми.

3. Условие образования тени без полутени:
   Чтобы за непрозрачным предметом образовалась тень без полутени, необходимо, чтобы источник света был точечным. В этом случае свет распространяется строго из одной точки, и за объектом всегда будет только зона полной тени.

4. Практическая реализация точечного источника света:
   В реальных условиях достижение абсолютно точечного источника света невозможно, так как любые источники имеют конечные размеры. Однако в лаборатории можно создать приближение точечного источника, например, используя малую по размерам лампу или светодиод на значительном расстоянии от объекта.

Таким образом, в теории тень без полутени возникает только при точечном источнике света. Если источник света протяжённый, то за непрозрачным предметом всегда будет сочетание зон полной тени и полутени.