34
ЛУЧИ СВЕТА X.Рачлис
Недавно издательство «Мир» выпустило в свет небольшую научно-популяриную книгу X. Рачлиса «Физика вванне». Мы помещаем здесь одну из глав этой книги. Перевод ее осуществлен P. И. Нудельманом.
В конце этого номера журнала в разделе «Рецензии, библиография» вы можете прочитать короткий рассказ об этой книге.
Нальем вванну немного воды так, чтобы глубина ее достигла примерно 10 сантиметров. Закроем кран и выждем, пока все волны улягутся, а потом взглянем вниз. Там мы увидим изобравжение своего лица, почти такое же, как в настоящем зеркале, только чуть туманнее. Сделаем его поярче, осветив лицо карманных фонариком.
А теперь попробуем осторожно пощевить воду пальцем. Видите, изобравжение исказилось — вначале задрожало, заколыхалось, а затем постепенно успокопилось и вновь стало неподвижным. Вот оно уже приняло свой первоначальный вид. Bizолтаем воду посильнее. На сейчас изобравжение исчезло совсем.
Почему водная поверхность обязает зеркальное изобравжение? И почему оно не такое отсутствие, как в обычном зеркале? Почему изобравжение становится более ярким, если подвешивать лицо фонариком? Почему оно исчезает, когда поверхность воды становится нерновой?
Выяснение всех этих вопросов хорошо найти вот с чего — осветить фонариком поверхность воды, погасив предварительно свет вванной. Спереди на фонарик лучше всего одеть картонулю трубку примерно 30 сантиметров длиной. Если кто-то из вас не сумеет достать готовую трубку, можно сделать ее самому, скатав несколько листов бумаги и закрепив конец kleйкой лентой.
В такой трубке фонарик дает почти нерасходящая пучок света, как показано на рисунке 1. Направаим этот пучок вниз, на поверхности воды, и попалюдаем, что с ним произойдет.
Для начала будем держать фонарик наклонно. Отражается ли свет от поверхности воды? Существует несколько способов проверить это. Один из них — попытаться найти световой зайчик на стене воды. Иного отражений пучок можно даже увидеть, особенно если в воздухе есть пылики. Можно попробовать самому вызвать облачко «чистой пыли» — для этого нужно разбросать в воздухе, чтобы повышение отраженного пучка, мелчайший порошок талк. А можно воспользоваться
35
Рис. 2.
ваться еще один способ: если в семье кто-нибудь курит, попросите его пустить дым на отраженный пучок. Частцы пыл или дыма в воздухе отражают свет в сторону глаза, и пучок становится видимым.
Если же возле того места, где пучок света попадает на воду, высать ладонь, на ней показется яркое пятно — это значит, там проходит отраженный пучок света. Междуно поднимая руку, чтобы проследить за пучком, мы в конце концов коснемся яркого пятна на стене.
Примотримся, под каким углом пучок ударяется о поверхности воды, а затем попытаемся установить под каким углом он отражается. Для этой цели лучше всего воспользоваться методом обнаружения пучка с помощью талька или дыма. Что можно сказать относительно угла, под которым пучок падает в воду, и угла, под которым он отражается? Они явно одинаковы.
Попробуем изменять наклон пучка. На рисунке 2 показаны некоторые типические случаи отражения. Если световой пучок входит в воду под небольшим углом, как на рисунке 2 а, отражение от поверхности происходит под таким же небольшим углом. Если же угол между световым пучком и поверхности воды больше, как на рисунке 2,6, отраженный луч отходит от воды также под большим углом. Если же пучок идет почти вертикально вниз, как на рисунке 2,8, он отражается почти вертикально вверх.
А теперь направим пучок света наклонно к воде так, чтобы на стене образовалось световое пятно. При этом поверхности воды должны быть слегка неровной (дотронемся до нее несколько раз пальцем). Что произойдет с четыREM отраженным пятном на стене? Смотрите, оно расширяется, становится размытым, искажается, оно дрожит и колышется.
Множество лучей (очень узких пучков) света, посылаемых фонариком, падает на воду почти под одинаковым углом. Если поверхности воды спокояная ировна, то она отражит все лучи света под одинаковыми углами, то есть все лучи отражаются согласно и пучок света остanetся, как и был, собранным. Вот почему, когда поверхности глаза, на стене образуется небольшее яркое пятно.
Когда же мы «потревожили» воду, на ее поверхности образовалась рябь. И хотя отраженные лучи по-прежнему отходят от поверхности под тем же углом, под каким падающие лучи приходили к каждому участку воды, теперь каждый участок поверхности все время меняет свое положение (рис. 3). Из-за этого наклоны каждой отделного луча света к воде постояно меняются, и луч всякий раз отражается в другом месте на стене. Пучок света прыгает, расширяется — он становится то меньше, то больше, в зависимости от того, насколько взбудоражена поверхности воды.
Итак, только глаза поверхности могут давать сконцентрированное отражение. На/herовной поверхности отражения расходятся во все стороны.
36
Рис. 3.
Почему на поверхности образуется зеркальное изобравжение? Допустим, кто-либо смотрит в воду, стремясь увидеть в ней отражение маленького предмета A (рис. 4). На рисунке глаз B смотрящего человека показан сильно увеличенным — это позволяет лучшие разобраться, что же происходит со светом. Предположим, что лучи солнечного света падают на предмет A и отражаются им.
Как правило, предметы не бывают такими глазами, как поверхности спокойной воды или зеркала. Строю говоря, если на поверхности предмета есть неровности, составляющие всего 1/25 000 сантиметра, этого уже
Рис. 4.
достаточно, чтобы отражать свет во всех направлениях. Представим себе, что предмет A имеет такие неровности. Рассмотрим, например, солнечные лучи B и Γ, отраженные от предмета. Они пойдут от поверхности воды, как показано буквами Д и Е, и в конечном случае попадут в глаз B.
Обратите внимание, насколько расходятся лучи B и Γ по мере того, как идут наклонно по направлению к воде. После отражения от поверхности, каждый под своим углом, они продолжают расходиться, пока не попадут в глаз. Глаз не может знать, откуда к нему приходит лучи на самом деле. Ему кажется, что они выходят из точки Ж, расположенной ниже поверхности воды. Другими словами, глаз видит подобие, или изобажение, предмета под поверхности воды.
В большинстве случае предметы бывают большие, чем предмет A, показанный на рисунке 4. Но справедливо рассуждение от этого не меняется. Каждый точка большого предмета дает свое собственное изобажение. В глазу же изобажение всех этих точек складывается в одно изобажение, которое выглядит точно так же, как сам предмет.
Разумеется, чтобы создать подобное изобажение, нужно очень глазая отражающая поверхности, которая позволяет лучам отражаться таким образом, что после отражения они располагаются друг относительно друга так же, как и до отражения. На глазной поверхности так оно и получается, а неровная поверхности искажает изобажение, либо отражает лучи как попало.
Любая глазная поверхности отражает свет точно так же, как глазная поверхности воды. Большинство зеркал изготовляется из очень глазного стекла, покрыто с обратной стороны тонким слоем хорошего отражащегося среды (или другого металла). Хорошо отполированный стол или же натертийной пол также дает зеркальное отражение, равно как и оконное стекло. Зеркалом могут служить и
37
блестящие бока автоматически. Но их изогнутая поверхность отражает свет не под таким углом, как плоская поверхность, поэтому изобразение выглядает искаженным.
Теперь попробуем ответить на вопрос: почему изобразение в воде не такое ясно, как в зеркале? Это объясняется несколькими причинами. Снова возьмем фонарик и осветим наполенную водой ванну. Весь ли свет отражается? Нет, часть его, причем бóльшая, проходит сквозь воду и освещает дно ванны.
Доля световой энергии, отражающейся от воды, невелика — какихибудь 10 процентов. Что же касается зеркала, то там наблюдается обратная картина. Слой металла, расположенный на тыльной стороне зеркала, отражает бóльшую часть падающего на него света — около 95 процентов. Именно поэтому изобразения, которые мы видим в обычном зеркале, намного ярче изобразений на поверхности воды.
Вторая причина, по которой изобразение в воде кажется нам более темным, заключится в том, что,глядь в ванну, мы своей головой загораиваем свет. Свет от висящей под потолком лампы или солнечный свет, льущийся в окно, может паать на лице только обходным путем — ему приходится сначала от стен, от пола или от стенок ванны. Над ли добавлять, что раз лице ссвещено, то и изобразение получается тусклым. Когда же мы подвешиваем лице фонариком, часть света отражается непосредственно от лица, затем идет в воду, и в результате изобразение становится ярче.
Изогнутая прямая палка
Что происходит со светом, который не отражается от поверхности воды в ванне? Что бы ответить на этот вопрос, продолжаем следующий опыт. Нальем ванну, как обычно для купания, и опустим в воду прямую палку, слегка ее наклонив. Теперь, если мы посмотрим на палку, она больше не показуется нам прямо: та ее часть, которая находится в воде, как бы изогнута кверху (рис. 5).
Ну, а если вынуть палку из воды? Тогда нарушная ее часть вновь будет совершенню прямой, а погруженная в воду по-прежнему кажется изогнутой кверху.
Теперь совсем вынем палку из воды — она совершенню прямой, как и была. Место изгиба полностью распрямилось.
Вам, видимо, ясно, что палка вовсе не изгибается в момент погружения в воду и не распрямляется, когда мы вынимаем ее из воды. Если кто-либо в этом сомневается, пусть пошлает «изогнутую» часть палки, находящуюся в воде. На ощупь она совершенню прямой. Тут явно имеет место какой-то оптический обман, в силу которого мы видим то, чего в действительности нет. Зеркальное изображение — это ведь тоже обман такого рода. Предметы, которые кажутся нам находящимися за зеркалом, на самом деле находятся в другом месте.
Исследуем это явление глубже. Для этого воспользовемся фонариком с трубкой, который мы изготовили ранее, когда речь шла о зеркалах.
Затемним, насколько возможно, ванную комнату, после чего направим фонарик вниз и пустим пучок света в воду. Наклоня фонарик то так,
38
то здак, заставим пучок идти то вертикально вниз, то скользывать почти у самой воды. Видно, что в том месте, где он входит в воду, световой пучок резко преломляется. В воздухе он идет совершенно прямо, в воде тоже, но там, где вода встречает с воздухом, световой пучок резко изгибается вниз (рис. 6).
Кое-кого из вас может, пожалуй, смутить то обстоятельство, что палка в воде какется изогнутой кверху, а световой пучок — изогнутым книзу. Если вы этого не заметили, еще раз обратите внимание на различие рисунков 5 и 6.
Это противоречие кажущеся, и его легко обьяснить, если более подробно разобраться, что происходит с идущим из воды светом. На рисунке 7 показана пряма палка АБ, какая она есть на самом деле. В главе наблюдается, расположенный над водой, попадает свет, отраженный от конца палки Б. Но, переходя из воды в воздух, луч света, идущий от Б, идет не по прямой, а изгибается в точке Г. и, очевидно, следует по пути БГВ, раз он попадает в глаз наблюдается.
Наблюдается не может знать, откуда в действительности приходит световой луч. Луч входит в глаз по направлению ГВ, значит, наблюдается, будто свет приходит по прямой, которая проходит чуть в стороне от Г, то есть откуда-то из точки Д. Там, по его меню, и находится конец палки.
Рис. 6.
Рис. 7.
Обратим внимание, что точка Д расположена выше точки Б, именно поэтому палка какется загнутой кверху. Кроме того, палка выглядит короче, чем в действительности. Эти два правила применены ко всем предметам, погруженным в воду. Если предмет погружен в воду лишь частично, его подводная часть всегда какется короче. Более того, все предметы в воде какуется близке к поверхности, чем это есть на самом деле.
Кому-нибудь из вас приходилось стрелять в рыбу из подводного рружья? Кому приходилось, тот, верятно, знает, как это трудно. Дело в том, что рыба находится вовсе не там, где мы ее видим. Если целиться прямо в рыбу, стрела непременно пройдет выше. Поэтому нужно целиться чуть попrzeю, внося поправку на искусственное световых лучей.
Только в одном случае очень узкий параллельный пучок света не будет изгибаться — если он идет вертикально, то есть прямо вниз. В этом случае свет входит в воду под прямым углом и идет вниз без излома.
Искривление светового пучка при перехождение из одного произочного вещества (например, воды или стекла) в другой произное вещество (например, воздуха) называется преломлением. Преломление имеет очень важное значение: на нем основано действие всех оптических приборов, в