28
Свет, воздух и вода
Преломление при перехождение из воды в воздуха
Почти во всех книгах по физике в том месте, где говорится о преломлении света, есть рисунок, на котором изображены воды, точный источник света внутри нее и лучи, выходящие из источника и преломляющейся на границе вода — воздуха. Например, так, как показано на рисунке 158 из учебника по физике для 10 класса («Физика 10», М., «Просвещение», 1981). Но, конечно же, гораздо интереснее поставить опит и пронаблюдать само явление, а не рисунок.
Прежде всего изготовьте соответствующий осветитель. Возьмите непрозрачную пластмассовую баночку диаметром 40—50 мм и высотой 20—30 мм. В стенке баночки ножовочным полотном сделайте ряд равносторических друг от друга одинаковых прорезей шириной примерно 1—1,5 мм. Вы получите кожух для осветителя.
В нижней части прямогольной пластинки (из алюминия или пластмассы) просверлите отверстие по диаметру патрона лампочки для карманного фонаря. Одну поверхность пластинки покрыте в белый цвет. (Проше всего это сделать, побрызгав поверхность белой нитроэмалью, которая продается в аэрозольной упаковке.) Или просто наклейте на пластинку лист белой бумаги.
К лампоче припаяйте проводники,ставьте ее в отверстие и об-
мажьте патрон лампочки с задней поверхности пластинки пластлином. Эта обмазка будет фиксировать лампоку в пластинке и одновременно изолировать место соединения лампочки с проводниками.
Подсоедините выводы лампочки к батарейке для карманного фонаря. Наденьте на лампоку изготовленный кожух так, чтобы лампочка оказалась на его оси, и прикрепите кожух к пластинке. На белой поверхности пластинки вы должны наблюдать световые лучки, расходящие от осветителя и душие в пределах угла, не превышающего л. Возможно, вам придется несколько подрегулировать положение кожуха или подправить щели в его стенке. Позному кожуху удобнее всего закрепить на пластинке пластлином.
Разумеется, если вы захотите сделать более основательный прибор (скажем, для школьного кабинета физики), то придется придумать и осуществить более надежный способ крепления кожуха. Но прежде чем делать это, попробуйте простейший вариант, описанный здесь.
После того как прибор изготовлен, приступайте к опыту. Опустите пластинку с осветителем в сосуд с водой так, чтобы пластинка была расположена вертикально. Лучше всего использовать сосуд с плоской передней стенкой, например — аквариум. Через произрачную стенку соуда вы будете наблюдатьprimерно такой ход световых лучков, который показан на рисунке 1 (здеся 1 — сосуд с водей, 2 — осветитель, 3 — пластинка с белой поверхностью).
Если уже сделали прибор и пронаблюдали явление, то проведите и простейшие изменения. Ставя карандашом точки, отметьте на плас-
Рис. 1.
29
типке положение поверхности воды, местá выхода световых лучков из воды и положение лучков света на некотором расстоянии от поверхности воды.
Выhte пластинку из воды, высушите ее и карандашом по линейке нанесите ход световых лучков от щелей осветителя до границы раздела сред и далее — в воздух. Линейное обозначьте границу раздела и в точках padения лучков восстанавливайте к ней перендикуляры. Измерьте трансортиром различные углы padения и преломления света и на основе этих экспериментальных результатов найти среднее значение показателя преломления воды.
Отражение от нагретий воды
В большой сосуд с холодной водой (это может быть стеклянная банка, поставленная на лист белой бумаги, или тазик с белым дом) опустите жестяную банку, например из-под кофе, и каким-либо образом закрепите ее в вертикальном положении (рис. 2). Чем больше будет банка, тем лучше (мы использували банку диаметром 80 мм и высотой 120 мм, и это, пожалуйста, минимальные подхождения для опыта размеры).
Вскипятите воду, быстро вылейте кипяток в банку и посмотрите сверху сквозь воду в большом сосуде вдоль боковой поверхности банки — вы увидите ее жестяшей как зеркало.
Опыт получения особенно эффективным, когда поверхность банки — черная. Если вам не удалось найти такую банку, возьмите любую и оберните ее черной бумагой от фотопакета (бумагу можно закрепить, например, липкой лентой). При заполнения банки горячей водой бумага будет ярко блестеть.
Очевидно, что в этом опите наблюдается полное отражение света. Вопрос в том, почему это происходит.
Может быть, свет отражается от слоя воздуха на поверхности банки? Оказывается, нет. Ижесть, и бумага хорошо смачиваются водой, так что никакой воздушной лепки не образуется.
В чем же дело? Повторите опите еще раз. Тепер, прежде чем зали-
Рис. 2.
вать в банку кипяток, опустите палец в холодную воду в близи стенки большого сосуда. Налив в банку кипяток, приближайте палец к банке — вы будетеощущать постепенное увеличение температуры воды. Продолжайте наблюдания, и вы убедитесь, что полное отражение света исчезнет тогда, когда все только в радиальном направлении ширикого сосуда прогреется примерно до одной и той же температуры.
Так вот в чем разгадка! Полное отражение в условиях данного опита происходит потому, что вода во внешнем сосуде прогрета неравномерно. В близи банки с кипятком температура воды наиболее направлена, а плотность — наиболее низкая. По мере удаления от банки температура воды уменьшается, а плотность — увеличивается. При этом увеличивается и оптическая плотность воды, или, другими словами, растет ее показатель преломления. Свет, индуший отнасщеная, постепенно переходит из области с большей в области с меньшей оптической плотностью, поэтому и наблюдается его полное отражение.
В отличие от многих опитов с полным отражением, в данной случае нет резкой границы между средами с разными оптическими плотностями, следовательно, нет и отражения света в строом смысле этого слова. Свет в оптически недородной среде с плаваим изменением оптической плотности распространяется кривolinейно (как показано на рисунке 2), загибаясь в области больших значений показателя преломления.