Содержание:

Из пяти органов чувств больше всего информации об окружающем мире дает нам зрение. Однако видеть окружающий мир мы можем только потому, что существует свет. С этого параграфа мы начинаем изучение световых, или оптических (греч. optikos — зрительный) явлений, т. е. явлений, непосредственно связанных со светом.

Световые явления

Можно ли представить себе что-либо легче света? В английском языке «светлый» и «легкий» даже обозначают одним словом «light».

Свет не только самый легкий — он еще и самый быстрый! В пустоте (вакууме) и в воздухе свет распространяется со скоростью, равной примерно 300 000 км/с. Ничто «на свете» не может двигаться быстрее света. За одну секунду свет мог бы «обежать» вокруг земного шара почти восемь раз!

Природу света ученые пытались разгадать на протяжении более чем двух тысячелетий и разгадали ее только в 20-м веке. Оказалось, что свет обладает свойствами как волн, так и частиц! Частицы света назвали фотонами — от греческого слова «фотос», которое означает «свет». Легче частиц света действительно ничего нет!

Ученые установили, что свет — разновидность электромагнитного излучения.

Свойства и действия света

Хотя свет является самым легким, практически вся энергия на Земле имеет своим источником... солнечный свет!

Греясь под ласковым солнцем, мы не представляем себе, какую огромную энергию несет солнечный свет. В течение одного часа на площадь, равную площади письменного стола, Солнце посылает энергию, которой хватило бы, чтобы поднять нескольких слонов на высоту многоэтажного дома (рис. 13.1)! И так час за часом, миллиарды лет подряд... И круглые сутки: ведь когда у нас ночь, Солнце посылает энергию на обратную сторону Земли. Представьте себе необъятные просторы лесов, полей и океанов — и вы поймете, какую огромную энергию несет к Земле солнечный свет.

Благодаря солнечному свету несколько миллиардов лет назад на Земле появилась жизнь.

Энергия Солнца и сегодня «питает» все живое на нашей планете.

Превращения энергии солнечного света начинаются в зеленых листьях растений, которые становятся пищей для животных (рис. 13.2). Человек уже давно научился пользоваться энергией солнечного света, накопленной живыми существами сотни миллионов лет назад: ведь ископаемое топливо — уголь, нефть и газ — это остатки древних растений и животных¹. Значит, энергия, вырабатываемая тепловыми электростанциями, а также энергия, которая движет автомобили, — это тоже в конечном счете энергия солнечного света!

Каковы действия света

Самое известное действие света — это, конечно, освещение. Но есть и другие действия света.

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Поднесите руку под настольную лампу, и вы сразу почувствуете тепло. Значит, свет не только освещает тела, но и нагревает их.

Тепловое действие света обусловлено тем, что тела поглощают свет. При этом энергия, которую несет свет, частично превращается в энергию хаотического движения молекул тела. Темные тела сильнее поглощают свет, чем светлые, вследствие чего свет и нагревает темные тела сильнее. Вот почему летом, особенно в жаркую погоду, носят обычно светлую одежду.

Нагревание солнечным светом порождает величественный круговорот воды в природе, о котором мы уже рассказывали. Вода морей и океанов при нагревании испаряется. Поднимаясь, водяной пар охлаждается и превращается в капельки воды и кристаллики льда, из которых образуются облака и тучи. А затем из облаков и туч идет дождь или снег, и вода возвращается в моря и океаны (в частности, реками).

Могучие ураганы и грозы обусловлены тоже действием солнечного света — неравномерным нагреванием Солнцем поверхности Земли. И времена года сменяют друг друга потому, что зимой и летом Солнце по-разному нагревает Северное и Южное полушария.

Свет может производить химическое действие, то есть вызывать превращения веществ — химические реакции.

Самые важные для жизни на Земле химические реакции — протекающие в листьях растений под действием солнечного света. Их называют фотосинтезом (от греческих слов «фотос» — свет и «синтезис» — соединение, составление).

Химическое действие света используют в фотографии: изображение на фотопленке и на фотобумаге возникает вследствие химических реакций.

Свет обладает и электрическим действием: при освещении из вещества могут вылетать электроны, в результате чего возникает электрический ток. Это используют, например, в цифровых фотоаппаратах и в телевидении для передачи изображений. Мы расскажем об этом далее.

Итак, свет освещает и нагревает, а также может вызывать химические реакции и электрический ток.

Что нам дарит зрение

Свет дает пищу и уму и сердцу: утро радует нас нежными красками рассвета, при свете дня мы учимся и работаем, а вечером кто-то читает, а кто-то смотрит телевизор (рис. 13.3).

Исследования показали, что больше 90 % всей информации об окружающем мире мы получаем благодаря зрению.

Значит, на слух, осязание, обоняние и вкус вместе приходится по крайней мере в 10 раз меньше, чем на зрение!

Зрение дарит возможность деятелям искусства создавать шедевры — книги, картины, кинофильмы, а нам — приобщаться к этому творчеству. Благодаря зрению мы видим далекие планеты и очень далекие звезды. Помогает в этом человеческому глазу телескоп¹ — прибор, который в сотни и тысячи раз «приближает» удаленные предметы.

С помощью зрения человек узнал о клеточном строении живых организмов и о мельчайших живых существах — бактериях. Это стало возможным благодаря микроскопу² — прибору, позволяющему получить более чем тысячекратное увеличение. Впрочем, как вы уже узнаете, сегодня есть микроскопы, с помощью которых можно увидеть даже атомы!

Как развивались представления о природе света

Свет оказался для ученых одним из самых крепких «орешков»: его называли даже «самым темным пятном» в физике! Действительно, свет разительно отличается от уже знакомых вам физических тел. Как вы знаете, каждое физическое тело имеет массу, объем, размеры, температуру. Но применимы ли все эти понятия к свету?

В 17-м веке английский ученый Исаак Ньютон предположил, что свет представляет собой поток мельчайших частиц. Теорию Ньютона назвали корпускулярной теорией света (в переводе с латинского «корпускулум» — частица). Примерно в то же время голландский ученый Христиан Гюйгенс построил волновую теорию света, согласно которой свет распространяется в виде волн — подобно звуку в воздухе или волнам на воде. В течение нескольких столетий представители корпускулярной и волновой теорий света вели жаркие споры о природе света.

Установить природу света удалось только в первой половине 20-го века: оказалось, что свет сочетает в себе как свойства частиц, так и свойства волн! Так природа «объединила» то, что ученым долгое время казалось несовместимым. Теперь установлено, что свет имеет электромагнитную природу. Это означает, что радиоволны, принимаемые мобильным телефоном или телевизором, имеют такую же физическую природу, что и видимый свет. Подробнее вы узнаете об этом в курсе физики старших классов.

А сейчас скажем только, что массивные тела притягивают свет: например, астрономы установили, что вследствие притяжения к Солнцу лучи света, идущие к нам от далеких звезд, немного искривляются, вследствие чего видимое положение звезд на небе немного изменяется. В 20-м веке ученые обнаружили, что существуют космические тела, притяжение которых настолько огромно, что даже свет не может «вырваться» наружу! Эти массивные космические объекты назвали «черными дырами». Они невидимы, поскольку свет не может преодолеть их притяжения, однако их можно обнаружить по воздействию на окружающие их звезды. На рис. 13.4 схематически показано, как черная дыра «втягивает в себя» звездное вещество находящейся поблизости звезды. Подобная черная дыра есть также в центральной части нашей Галактики. Но нам она никак не угрожает!

Источники света

Источниками света называют тела, излучающие свет.

Тепловые источники света

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Возьмите щипцами гвоздь и подержите его над пламенем газовой горелки. Гвоздь вскоре раскалится докрасна, то есть станет источником света. Если нагреть гвоздь еще сильнее (для этого нужна специальная горелка), свечение станет оранжевым: с повышением температуры тела цвет излучаемого им света изменяется от красного до голубого.

Опыт показывает, что все достаточно нагретые тела излучают свет.

Нагретые тела, излучающие свет, называют тепловыми источниками света.

Самый важный для нас, землян, тепловой источник света — это ослепительно яркое Солнце (рис. 14.1). Температура его раскаленной добела поверхности достигает около 6 тысяч градусов! Все известные нам на сегодняшний день вещества при такой температуре превращаются в газ. И Солнце действительно представляет собой колоссальный раскаленный газовый шар — диаметр Солнца более чем в 100 раз превышает диаметр земного шара. В недрах Солнца температура достигает 15 миллионов градусов, то есть в тысячи раз выше, чем на его поверхности!

Первый «прирученный человеком» источник света был именно тепловым — это было пламя первобытного костра (рис. 14.2).

На смену пламени костра пришло пламя свечи, а затем — керосиновой лампы.

Свет пламени создается в основном свечением раскаленных частичек сажи. Тепловыми источниками света являются также лампы накаливания, сияющие в ваших домах сегодня: электрический ток добела раскаляет нить лампы.

Подобными Солнцу тепловыми источниками света являются все звезды. Они кажутся нам несравненно менее яркими, чем Солнце, только потому, что находятся в сотни тысяч и даже миллионы раз дальше. Невооруженному глазу все звезды могут казаться одинакового цвета, но в телескоп хорошо видно, что среди них есть красноватые, желтые, белые и голубоватые. Как вы догадались, цвет звезды зависит от температуры ее поверхности: менее горячие звезды красноватые, а самые горячие — голубоватые.

Однако не все «небесные светила» являются источниками света: так, холодная Луна не светится сама, а только отражает свет Солнца. Отражают солнечный свет и планеты, самые яркие из которых — Венера и Юпитер. Вы их часто видите на звездном небе, но, может быть, ошибочно принимаете за очень яркие звезды.

Почему нагретые тела светятся

Свет излучают частицы, из которых состоит вещество, то есть молекулы и атомы, когда они находятся, как говорят физики, в возбужденном состоянии, то есть имеют некоторый «избыток» энергии. Эту «избыточную» энергию частицы выделяют, излучая свет — электромагнитные волны (или частицы света, фотоны — что тоже правильно вследствие двойственной природы света). Энергию, необходимую для излучения света, частицы вещества могут получить, например, в результате столкновений друг с другом.

Как вы уже знаете, при увеличении температуры увеличивается интенсивность теплового хаотического движения атомов и молекул. И когда температура тела становится достаточно высокой, атомы и молекулы при столкновениях переходят в возбужденное состояние и начинают излучать свет.

Холодные источники света

Холодные источники света — это тела, которые светятся при температуре, близкой к комнатной.

Например, экран телевизора, дисплей компьютера или мобильного телефона ярко светятся, хотя они и не горячие (рис. 14.3). Холодными источниками света являются и лампы дневного света.

Есть даже светящиеся живые организмы! Все они, конечно, также являются «холодными» источниками света. Так, летней ночью в лесу можно увидеть, как «перемигиваются» светлячки. Светятся также некоторые глубоководные рыбы (рис. 14.4).

О светящихся организмах мы расскажем в разделе «Хочешь узнать больше?». Свечение холодных источников света также обусловлено излучением атомов и молекул, находящихся в возбужденном состоянии. Однако в холодных источниках света атомы и молекулы переходят в возбужденное состояние не в результате столкновений при тепловом хаотическом движении, а вследствие других процессов (в частности, химических реакций).

Естественные и искусственные источники света

Солнце, молния или светлячки излучают свет без участия человека. Такие источники света, созданные самой природой, называют естественными. Сегодня человек уже создал много источников света — их называют искусственными.

На рис. 14.5 изображены примеры искусственных источников света. Их роль в истории человечества трудно переоценить.

Первый искусственный источник света, костер, ознаменовал собой начало собственно «человеческой» истории. Одним из самых любимых героев древнегреческих мифов был титан Прометей, который похитил огонь у богов, чтобы подарить его людям.

Изобретение электрической лампы в конце 19-го века преобразило наши жилища и улицы городов.

Сегодня ученые и инженеры создают совершенные искусственные источники света — экономичные и комфортные.

Естественные источники света — это источники, созданные самой природой. Искусственные источники света созданы человеком.

Приемники света

Приемниками света называют тела и устройства, в которых под действием падающего на них света происходят заметные изменения.

Приемниками света называют тела и устройства, в которых под действием падающего на них света происходят заметные изменения. Важнейшим для нас приемником света является, конечно, глаз. Когда свет попадает на сетчатку, устилающую глазное дно, он вызывает сложные реакции, в результате чего мы видим окружающий мир.

Жизненно важным для всех живых существ приемником света является зеленый лист растения: напомним, что этот «приемник света» кормит все живое на Земле.

Много приемников света создал человек. Это, например, светочувствительные пленка и бумага, которые долгое время использовались в фотографии. В последние десятилетия широкое распространение получили фотоэлементы — приборы, в которых свет преобразуется в электрический сигнал, благодаря чему, например, изображение можно передавать на расстояние с помощью радиоволн или по кабелю. На этом основано действие телевидения. Фотоэлементы используются в турникетах метро, предохранительных устройствах на производстве, а также при считывании изображения или звука с компакт-дисков.

Свечение живых организмов

«Компания» светящихся организмов чрезвычайно разнообразна: среди них есть водоросли, бактерии, грибы, моллюски, насекомые, осьминоги, кальмары, медузы и' рыбы. В ночном лесу таинственно светятся старые пни («гнилушки»): это свечение вызывают живущие в них микроорганизмы.

Свечение живых организмов (рис. 14.6) обусловлено не их высокой температурой, а сложными химическими реакциями.

Свечение организмов вовсе не «пустая забава»: ученые давно установили, что все «способности» живых организмов сформировались у них в процессе эволюции потому, что они имели для них жизненно важное значение. Свечение помогает живым существам общаться, охотиться и отпугивать хищников. Часто свечение используется для того, чтобы привлекать добычу. Например, у глубоководной рыбы, которую называют «морской черт», перед ртом висит «фонарик», свет которого приманивает жертв. Может, благодаря этому рыба и получила свое «страшное» название.

Невидимое излучение

Как установили ученые, источниками электромагнитного излучения являются любые тела, в том числе и те, которые не излучают видимого света. Поднесите руку к горячему чайнику (не касаясь его!), и вы ощутите исходящее от чайника тепло. Это — невидимое электромагнитное излучение, называемое «инфракрасным». Инфракрасное излучение широко используют в технике: например, пульт дистанционного управления посылает сигналы телевизору именно с помощью инфракрасного излучения. Благодаря этому излучению стала возможной и ночная фотосъемка.

Невидимым, то есть таким, которое не воспринимается глазом как свет, является также ультрафиолетовое излучение — то самое, которое украшает нас загаром. Ультрафиолетовое излучение необходимо для полноценного развития детей, и поэтому им очень важно бывать на открытом воздухе, так как прозрачные для видимого света оконные стекла не пропускают ультрафиолетового излучения.

Прямолинейность распространения света

Вы, конечно, видели пучки света, пробивающиеся сквозь тучи или в просветы между деревьями (рис. 15.1). Подобные пучки света испускают прожекторы и автомобильные фары (рис. 15.2).

Не удивляет ли вас, что мы видим пучки света со стороны? Ведь видеть мы можем только свет, попадающий в глаза!

Дело в том, что, глядя на пучки света со стороны, мы видим не сами пучки света, а освещенные ими пылинки и капельки воды, «плавающие» в воздухе: они отражают нам в глаза падающий на них свет.

Поэтому, чтобы пучок света был виден лучше, желательно затемнить помещение и немного «задымить» или «запылить» воздух. На рис. 15.3 изображено отражение от зеркала узкого пучка света лазерного фонарика.

Световые пучки и световые лучи

Пучок света можно сделать довольно узким, если пропускать свет через малое отверстие. Чтобы получить такой пучок света, можно, например, поместить лампу в ящик, в котором сделано малое отверстие (рис. 15.4). Физической моделью узкого пучка света является луч света¹.

Луч света — это линия, вдоль которой распространяется свет.

Ход лучей света часто находят с помощью геометрических построений, поэтому часть оптики, в которой изучают ход лучей света, называют геометрической оптикой.

Точечные и протяженные источники света

Источник света, размерами которого в данных условиях можно пренебречь, называют точечным источником света.

Точечными источниками света для нас являются, например, звезды (рис. 15.5).

Точечный источник света является физической моделью источника света, расстояние до которого во много раз больше размеров источника.

Источники света, которые нельзя считать точечными, называют протяженными.

Примерами таких источников могут служить лампы дневного света, а также световые рекламы, когда мы рассматриваем их с расстояния, сравнимого с их размерами (рис. 15.6). Но и звезда может быть протяженным источником света — именно такой звездой для нас, землян, является Солнце. Как мы увидим далее, при рассмотрении солнечных затмений, мы не можем считать Солнце точечным источником света.

Прямолинейность распространения света

Как показывает опыт, свет в пустоте (вакууме) или однородной среде распространяется прямолинейно.

Именно поэтому части прямой, на которые она разбивается точкой, в геометрии также называют лучами.

Однако в неоднородной среде лучи света искривляются, вследствие чего, например, возникают миражи. Об этом мы расскажем далее.

ПОСТАВИМ ОПЬ1Т

Физической моделью прямолинейного отрезка может служить туго натянутая нить. Посмотрите вдоль такой нити: она превратится в точку. А это и означает, что лучи света идут вдоль нити, то есть по прямой.

Прямолинейность распространения света часто используют, чтобы проверить прямолинейность линейки или бруска (рис. 15.7). О прямолинейности распространения света хорошо знали древние строители: уже в Древнем Египте это свойство света использовали, чтобы проверять прямолинейность при строительстве дорог и пирамид.

Как измерили скорость света

Первую попытку измерить скорость света предпринял Галилео Галилей в начале 17-го века. Он хотел измерить промежуток времени, который потребуется свету для того, чтобы пройти от вершины одной горы до вершины другой и, отразившись там от зеркала, вернуться обратно. Но этот промежуток времени оказался настолько малым, что измерить его Галилею не удалось.

Сегодня, когда мы уже знаем, что скорость света составляет около 300 000 км/с, легко подсчитать, что всего за «один миг», то есть время мигания глазом, равное примерно 0,1 с, свет успел бы обогнуть почти весь земной шар! А Галилей мог пользоваться только водяными часами, которые не обеспечивали требуемой точности.

Впервые измерил скорость света во второй половине 17-го века датский астроном Оле Ремер. В течение нескольких лет он наблюдал за движением одного из спутников Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Этот спутник было хорошо видно в телескоп, когда он выходил из тени огромного Юпитера. На рис. 15.8 вы видите Юпитер и его спутник (светлый маленький кружок справа).

Ремер заметил, что в течение одной половины земного года период обращения спутника почему-то постепенно увеличивается, а в течение другой — снова уменьшается до прежней величины. И Ремер догадался, в чем дело! Примерно полгода Земля удаляется от Юпитера, а потом примерно полгода — приближается к нему. Когда Земля удаляется от Юпитера, свету «приходится» каждый раз пролетать большее расстояние, чтобы «сообщить» земному астроному об очередном появлении спутника из тени Юпитера. Вот астроному и кажется, что каждое новое появление спутника происходит чуть позже «назначенного срока»! Зато в течение следующей половины года, когда Земля приближается к Юпитеру, спутник начинает выходить из тени со все большим и большим «опережением», поскольку свету каждый раз приходится проходить все меньшее расстояние.

Измерив соответствующие «запаздывание» и «опережение» в появлении спутника из тени Юпитера, Ремер смог вычислить скорость света. По его расчетам она составляла около двухсот тысяч километров в секунду, то есть примерно в полтора раза меньше, чем показали проведенные позже более точные измерения.

Выполнили их независимо друг от друга в середине 19-го века французские физики Жан Фуко и Арман Физо¹. Они, как и Галилей, измеряли промежуток времени, в течение которого свет «пробежал туда и обратно» на расстояние в несколько километров. Этот очень малый промежуток времени ученые измерили с помощью устройств, которые нельзя было создать во времена Галилея: Фуко воспользовался быстро вращающейся зеркальной призмой, а Физо — быстро вращающимся зубчатым колесом.

Тень и полутень

Всем хорошо знакомы тени предметов (рис. 16.1). Форма тени напоминает форму предмета, поэтому до изобретения фотографии часто делали так называемые портреты-силуэты, обводя тень освещенной сбоку головы.

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Осветим небольшой предмет с расстояния нескольких метров маленькой лампочкой. Мы заметим, что тень от предмета будет четкой (с резкими краями). Значит, когда на предмет падает свет от источника, который можно считать точечным, образуется четкая тень.

Например, в точку А экрана на рис. 16.2 свет от точечного источника не попадает совсем — поэтому здесь область тени. А в точку В попадает свет от всего источника — поэтому здесь область света.

Картина становится намного интереснее, если мы осветим предмет двумя точечными источниками света. Для наглядности возьмем источники света разных цветов — желтого и синего (рис. 16.3). Тогда на экране мы увидим:

1. область, куда не попадает свет ни от одного источника;
2. две области, в которые попадает свет только от одного из источников;
3. область, куда попадает свет от обоих источников¹.

Частично освещенную область (плоскости или пространства) называют полутенью.

В нашем опыте полутени — это синяя и желтая области на рис. 16.3.

На рис. 16.4 изображено образование тени и полутени при освещении непрозрачного шара шарообразным источником света (им может служить лампа под плафоном). Полутень будет в тех точках, из которых протяженный источник света виден частично: справа на рисунке показано, каким виден источник света из точки С, находящейся в области полутени. Освещение может быть и таким, когда тени нет вообще, а есть только полутени. В разделе «Хочешь узнать больше?» мы расскажем о так называемых «бестеневых» лампах, то есть лампах, не дающих тени.

Солнечные и лунные затмения

Величественные примеры образования тени и полутени являют собой солнечные и лунные затмения.

Солнечные затмения наступают тогда, когда Луна оказывается между Солнцем и Землей: благодаря этому образуются тень и полутень. На рис. 16.5 приведена схема солнечного затмения (для наглядности масштаб не соблюден). В тех точках земной поверхности, где Луна полностью заслоняет Солнце, наблюдают полное солнечное затмение (рис. 16.6). На рис. 16.7 схематически изображены различные фазы полного солнечного затмения.

Вокруг области полной тени на поверхности Земли находится кольцо полутени — в этих точках земной поверхности наблюдают частное солнечное затмение: Луна лишь частично закрывает Солнце (рис. 16.5). Образование полутени во время солнечного затмения означает, что мы не можем считать Солнце точечным источником света, хотя расстояние до него более чем в 100 раз превышает его диаметр!

Лунное затмение наблюдается, когда Луна попадает в тень Земли (рис. 16.8). Приглядевшись, можно заметить, что Луна при этом не исчезает совсем, а превращается в диск темно-красного цвета. Обусловлено это тем, что, проходя сквозь атмосферу Земли, солнечные лучи немного искривляются, вследствие чего небольшая их часть все-таки попадает на поверхность Луны. В старину солнечные затмения, внезапно наступавшие среди бела дня, вызывали у людей ужас. Пугали людей и лунные затмения, когда среди ночи быстро исчезала полная луна: ведь лунные затмения происходят всегда во время полнолуния.

Теперь астрономы умеют с большой точностью рассчитывать время наступления затмений на столетия. Причем не только вперед, но и назад: при этом удается уточнить время важных исторических событий в прошлом. Некоторые интересные примеры мы приведем в разделе «Хочешь узнать больше?».

При каком освещении нет теней

Во время хирургической операции руки хирурга не должны отбрасывать тени, потому что тень очень мешала бы проведению операции. Поэтому для освещения операционных разработали специальные бестеневые лампы. Эти лампы расположены над операционным столом так, что даже когда руки хирурга заслоняют свет одних ламп, другие лампы хорошо освещают «операционное поле» (рис. 16.9). Так что бестеневые лампы представляют собой протяженные источники света, при освещении которыми нет теней, а есть только полутень.

Некоторые затмения в прошлом

Древнегреческий историк Геродот рассказывает, что древнегреческий ученый Фалес смог предсказать солнечное затмение, за что греки присвоили Фалесу звание мудрейшего из мудрейших. Современные расчеты затмений позволили установить, что предсказанное Фалесом затмение произошло 28 мая 585 г. до нашей эры. Благодаря этому удалось установить точную дату одного из сражений древности. Воины испугались внезапной темноты и прекратили битву. Так благодаря солнечному затмению после пятилетней войны было наконец заключено перемирие!

А почти через 170 лет после этого лунное затмение помогло жителям древнегреческого города Сиракузы уничтожить афинское войско. Тогда после неудачной осады Сиракуз афиняне решили снять осаду и ночью, при свете полной луны, стали грузиться на корабли. Но как раз в эту ночь наступило лунное затмение! Афиняне восприняли это как зловещее знамение. Среди солдат возникла паника, и афинское войско было разбито воинами Сиракуз (которые, наверное, были меньше подвержены суевериям).

Отражение света

Большинство окружающих нас предметов мы видим благодаря тому, что они отражают падающий на них свет.

Отражают свет различные предметы по-разному — именно это и придает разнообразие окружающему миру.

Почему мы видим предметы

Предметы, которые отражают почти весь падающий на них свет, кажутся нам обычно белыми (но не всегда: на пример, прекрасно отражающие свет зеркала белыми не кажутся!). Однако даже ослепительно белый снег отражает не все 100, а только 80—85 процентов падающего на него света.

Предметы же, которые поглощают почти весь падающий на них свет, кажутся нам черными. Но даже черное сукно все-таки отражает несколько процентов падающего света. И расчеты показывают, что благодаря этому черное сукно в ясный солнечный день отражает примерно в десять тысяч раз больше света, чем белый снег в лунную ночь! Почему же тогда сукно кажется нам черным даже в солнечный день, а снег — белым даже в лунную ночь? Дело в том, что все познается в сравнении: и сукно, и снег мы сравниваем с другими предметами, освещенными так же.

Предмет, который отражает всего 10 % света, кажется нам обычно темно-серым: таков, например, кружок, изображенный на рис. 17.1. Однако, глядя на полную Луну (рис. 17.2), мало кто назовет ее темно-серой, хотя измерения показывают, что она отражает тоже 10 % падающего на нее солнечного света. И тут дело тоже в сравнении: кружок мы видим на белом фоне, а Луну — на фоне темного ночного неба.

Вид полной Луны мало кого оставляет равнодушным, а представьте, какое величественное зрелище являет собой Земля, если наблюдать ее с Луны (рис. 17.3)! Для находящегося на Луне наблюдателя Земля «светит» как 45 Лун для земного наблюдателя!

Зеркальное отражение

Тела, которые отражают свет «лучше» всех других, мы вообще не видим! Это — зеркала. Они отражают до 80 % падающего на них света, но попробуйте увидеть чистое зеркало! Вы увидите раму зеркала, пылинки и царапины на его поверхности, предметы, отраженные в зеркале... но самого зеркала, как ни старайтесь, вы не увидите!

Почему так происходит, мы расскажем в следующем параграфе. А сейчас рассмотрим, как отражается свет в зеркале.

Законы отражения света

Ход световых лучей¹ изучают с помощью прибора, который называют оптическим диском (рис. 17.4).

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Направим луч света в плоскости диска на зеркало, расположенное перпендикулярно плоскости диска. После отражения луч также будет идти в плоскости диска. Это означает, что выполняется первый закон отражения света: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к зеркалу, восставленным в точке падения луча.

Чтобы установить, как связаны направления падающего и отраженного лучей света, определим углы падения и отражения.

Углом падения луча называют угол между падающим лучом и перпендикуляром к зеркалу, восставленным в точке падения (рис. 17.5). Угол падения обозначают часто греческой буквой а (альфа). А угол между отраженным лучом и перпендикуляром к зеркалу называют углом отражения и обозначают часто р (бета).

Изменяя угол падения и измеряя каждый раз угол отражения, мы убедимся, что выполняется второй закон отражения света: угол отражения равен углу падения.

Рассмотренное отражение света называют зеркальным. Оно имеет место при отражении света от очень гладкой поверхности. При этом параллельный пучок лучей после отражения остается параллельным (рис. 17.6).

Рассеянное отражение

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Направим теперь пучок света на лист бумаги. На этот раз мы увидим не отраженный пучок, а светлое пятно. Дело в том, что поверхность бумаги шероховатая, а после отражения от шероховатой поверхности лучи рассеиваются во все стороны (рис. 17.7).

Такое отражение света называют рассеянным.

Наглядной моделью зеркального и рассеянного отражений является отражение Луны в воде (рис. 17.8, 17.9).

Поверхность тихого озера отражает свет зеркально, поэтому мы видим в озере четкое изображение Луны. А на поверхности моря всегда есть волны, благодаря которым отражение Луны «разбивается» и превращается в «лунную дорожку».

Окружающие нас предметы мы видим именно потому, что они отражают свет рассеянно! А глядя на поверхности, отражающие свет зеркально, мы видим отражения других предметов.

Почему свет выбирает кратчайший путь

Как вы уже знаете, в пустоте или однородной среде свет распространяется по прямой, то есть по кратчайшему пути.

Древнегреческий ученый Герои заметил, что свет «выбирает» кратчайший путь и при отражении!

На рис. 17.10 показан ход луча света, идущего из точки в точку после отражения от зеркала. Можно доказать, что, следуя закону отражения, свет проходит путь, равный длине отрезка .

А если бы свет отразился от зеркала в какой-то другой точке — например в точке , то пройденный светом путь равнялся бы длине ломаной . А длина любой ломаной больше длины отрезка с теми же концами — в данном случае отрезка .

Сжег ли Архимед зеркалом корабли римлян

В конце 3-го века до нашей эры римляне осадили город Сиракузы, в котором жил великий древнегреческий ученый Архимед. Он построил машины для защиты города, успешное применение которых заставило римлян отказаться от попытовзять город штурмом. Это породило много легенд: через 300 лет после этого события древнегреческий историк Плутарх рассказывал, что железные когти захватывали корабли, поднимали их в воздух и бросали в воду. Другие же историки рассказывали, что Архимед с помощью зеркала (или системы зеркал) сжег римские корабли, направив на них свет Солнца (рис. 17.11).

В 20-м веке рассказ о «зеркалах Архимеда» решили проверить: на макет корабля в натуральную величину направили «зайчики» от нескольких десятков зеркал. Через несколько минут показался дым и вспыхнуло пламя!

Как возникает изображение в зеркале

Если построить ход отраженных от зеркала лучей, исходящих из точечного источника света S (рис. 18.1), мы заметим, что продолжения отраженных лучей пересекаются в одной точке S'. Человеку, которому попадут в глаз отраженные лучи, будет казаться, что они испущены из точки S'.

Точку, в которой пересекаются продолжения отраженных зеркалом лучей, исходящих от точечного источника, называют изображением точечного источника.

Изображение в зеркале называют мнимым, так как в точке-изображении сходятся не лучи, а их продолжения.

Где находится изображение в зеркале

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Укрепим красный и синий карандаши одинакового размера вертикально на столе, а точно между ними поставим зеркало так, чтобы оно было перпендикулярно отрезку, соединяющему основания карандашей (рис. 18.2). Высота зеркала должна быть меньше длины карандашей.

Мы увидим, что изображение красного карандаша в зеркале совпадает с синим карандашом (рис. 18.3)!

Это означает, что изображение красного карандаша находится на таком же расстоянии от зеркала, что и синий карандаш, причем размер изображения красного карандаша равен размеру синего карандаша. Итак, опыт и геометрическое построение показывают, что мнимое изображение предмета в зеркале и сам предмет находятся на одной прямой, перпендикулярной плоскости зеркала, и на одинаковых расстояниях от зеркала. Размер изображения предмета в зеркале равен размеру самого предмета.

Размер изображения предмета в зеркале равен размеру самого предмета. Чтобы, построить изображение точки в зеркале, проводят перпендикуляр из этой точки к плоскости зеркала и продлевают его на расстояние, равное расстоянию от точки до зеркала. Именно такое построение и выполнено на рис. 18.1.

Где и как применяют зеркала

Каждый из нас смотрится в зеркало хотя бы раз в день, а представительницы прекрасной половины человечества любуются собою по многу раз на день. В технике и медицине зеркала используют для осмотров (рис. 18.4). В подводных лодках используют перископы, чтобы видеть, что происходит над поверхностью воды. Перископ и его устройство изображены на рис. 18.5. С помощью зеркал водитель видит дорогу сзади и салон своего автомобиля (рис. 18.6).

Почему в зеркале право и лево меняются местами.

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Присмотритесь к своему «двойнику» в зеркале внимательнее, и вы увидите, что он все-таки отличается от вас (рис. 18.7)!

Сможете ли вы ответить — чем именно? Попробуйте найти побольше отличий! Вы, конечно, не раз замечали, что при отражении в зеркале «левое» и «правое» меняются местами. Протяните, например, своему зеркальному «двойнику» правую руку — он «в ответ» протянет вам левую!

Однако зеркало может менять местами не только «лево» и «право»! Оно может менять местами также «верх» и «низ»! Чтобы убедиться в этом, выйдите просто на берег реки или озера (рис. 18.8).

Сколько изображений можно получить с помощью двух зеркал

ПОСТАВИМ ОПЫТЫ

Поставьте два зеркала точно под прямым углом друг к другу и посмотрите на свои изображения в зеркалах.

Вы увидите три изображения: слева и справа (в каждом зеркале по отдельности) вы увидите два «обычных» изображения, где «лево» и «право» поменялись местами. А между ними, точно на стыке зеркал, вы увидите третье изображение!

Приглядитесь к нему — вы увидите, что оно необычно.

• Во-первых, это изображение всегда находится на стыке зеркал — куда бы вы ни отходили, оно непременно будет оставаться точно на стыке! Это очень удобно, потому что благодаря этому несколько человек могут одновременно смотреть на свои изображения, не мешая друг другу.
• Во-вторых, в этом «среднем» изображении «лево» и «право» не меняются местами: протяните своему изображению правую руку, и оно в ответ «протянет» вам тоже правую (рис. 18.9)! Значит, в такой системе зеркал вы видите себя именно таким, каким вас видят другие люди.

Как же возникло это «правдивое» изображение? Оно является результатом двойного отражения, то есть изображением в правом зеркале изображения, образованного с помощью левого зеркала. А также — что тоже правильно — изображением в левом зеркале изображения, образованного с помощью правого зеркала (в данном случае эти два «изображения изображений» совпадают). Вот почему «левое» и «правое» остались «сами собой»: поскольку отражение произошло дважды, то «лево» и «право» поменялись местами тоже дважды!

Очень красивый опыт получится также, если поставить два зеркала под углом 60°. При этом вследствие многократных отражений получится целых 5 изображений, причем «левые» и «правые» изображения будут чередоваться (рис. 18.10).

Именно так и устроен калейдоскоп: вы видите в нем многократные отражения разноцветных стеклышек в двух зеркалах, угол между которыми равен 60°. Иногда в калейдоскоп ставят и третье зеркало, так что зеркала образуют равносторонний треугольник.

Если же поместить предмет между двумя параллельно расположенными зеркалами, обращенными зеркальными поверхностями друг к другу, то в этих зеркалах возникает бесконечно много изображений предмета (рис. 18.11). Однако рассмотреть можно лишь конечное их число, так как при каждом отражении происходит ослабление интенсивности отраженных лучей. А если чуть повернуть одно из зеркал, вереница изображений станет описывать красивую дугу (рис. 18.12).

Почему зазеркалье так похоже на реальный мир

Загадочное «сходство-различие» реального мира и «Зазеркалья» всегда привлекало детей и тех взрослых, кто сохранил детскую любознательность, — ученых и сказочников.

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Присмотритесь внимательнее к окружающим вас предметам, и вы разгадаете секрет удивительного сходства двух миров —«зазеркального» и настоящего. Заметили ли вы, что у многих предметов левая и правая стороны одинаковы (точнее, почти одинаковы)? Таковы планеты, деревья, цветы, животные... (рис. 18.13). О таких предметах говорят, что они зеркально симметричны. Изображение зеркально симметричных предметов в зеркале не будет отличаться от самих предметов (или эти отличия будут малозаметными). Это и объясняет, почему мир, состоящий из таких предметов, практически не изменяется при отражении в зеркале.

Однако не все предметы обладают зеркальной симметрией! И поэтому «Зазеркалье», то есть мир, отраженный в зеркале, все-таки отличается от реального мира.

Например, не обладает зеркальной симметрией текст: если вы попробуете читать отраженную в зеркале страницу книги, вам поначалу придется нелегко (хотя научиться этому можно довольно быстро). Некоторые слова не изменяются при отражении в зеркале (например, «потоп»). Попробуйте найти еще такие слова или имена. В переводе с греческого «симметрия» означает «соразмерность». Симметрия рождает ощущение красоты, поэтому художники и архитекторы стараются делать зеркально симметричными узоры и здания (рис. 18.13). Симметрия не только красива — часто она и необходима (например, для самолетов и автомобилей).

Преломление света

ПОСТАВИМ ОПЫТЫ

Погрузите карандаш в стакан с водой, и вы увидите, что карандаш как бы «переломился» на границе «воздух-вода» (рис. 19.1). В том, что на самом деле карандаш остался прямым, можно убедиться, проведя по нему пальцем. Причина кажущегося «излома» карандаша — преломление света на границе двух сред.

Преломлением света называют изменение направления распространения света на границе раздела двух сред.

Чтобы понаблюдать преломление света, поставьте еще несколько опытов, доступных в домашних условиях.

Положите на страницу книги стеклянную пластинку с параллельными гранями (такая пластинка называется плоско-параллельной). Рассматривая сквозь пластинку текст, вы увидите, что он кажется приподнятым (рис. 19.2).

Причиной «поднимания» текста является преломление света на границе воздух-стекло.

Подобное «приподнимание» происходит и тогда, когда вы смотрите на дно моря или реки сквозь слой воды: дно кажется более близким, чем на самом деле! Обязательно учитывайте это, входя в воду в незнакомом месте!

Положите на дно чашки монету, поставьте чашку на стол и посмотрите на нее так, чтобы край чашки еле закрывал монету. Не меняя положения головы, осторожно налейте в чашку воду. Вы увидите, что дно чашки как бы приподнялось: монета вместе с дном «всплыла», став видимой (рис. 19.3)! На рис. 19.4 схематически показано, чем обусловлено «поднимание» монеты: идущие от нее лучи света на границе «вода-воздух» преломляются.

Законы преломления света

Чтобы установить законы преломления света на опыте, воспользуемся уже знакомым вам оптическим диском.

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Направим луч света на стеклянный полуцилиндр, как показано на рис. 19.5. Мы увидим, что на границе «воздух-стекло» луч света «раздваивается» на два луча — отраженный и преломленный.

Сосредоточим сейчас внимание на преломленном луче. Прежде всего мы заметим, что выполняется первый закон преломления света: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восставленным в точке падения луча.

Углом преломления называют угол между преломленным лучом и перпендикуляром к зеркалу, восставленным в точке падения (рис. 19.5). Этот угол обозначают часто греческой буквой (гамма). В нашем опыте при переходе из воздуха в стекло угол преломления меньше угла падения. Второй закон преломления света устанавливает соотношение между углами падения и преломления. Чтобы сформулировать его, определим понятие синуса угла.

Напомним, что сторону прямоугольного треугольника, лежащую против прямого угла, называют гипотенузой, а другие стороны — катетами. Синусом острого угла (обозначают «») называют отношение катета, противолежащего этому углу, к гипотенузе (рис. 19.6).

Опыты показывают, что выполняется второй закон преломления света: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред постоянно: .

Величину называют относительным показателем преломления двух данных сред. Если луч падает в данную среду из вакуума, называют абсолютным показателем преломления (или просто показателем преломления) данной среды.

Показатель преломления воздуха отличается от единицы всего на несколько десятитысячных. Показатель преломления воды равен примерно 1,33, а показатель преломления обычного стекла несколько превышает 1,5.

Когда угол падения равен нулю, угол преломления также равен нулю. Во всех остальных случаях эти углы различны: например, при переходе из воздуха в стекло или воду угол преломления меньше угла падения. А при переходе из стекла в воздух, наоборот, угол преломления больше угла падения. Физической причиной преломления света на границе двух сред является различие скоростей света в разных средах: чем меньше скорость света в данной среде, тем больше ее абсолютный показатель преломления. Например, то, что показатель преломления воды и стекла больше единицы, означает, что скорость света в воде и стекле меньше, чем в вакууме.

Преломление света в призме

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Направим луч света на стеклянную призму, как показано на рис. 19.7. Проходя сквозь призму, луч преломляется дважды. В результате он отклоняется к основанию призмы (рис. 19.8).

В дальнейшем мы увидим, что призма не только отклоняет лучи света, но и раскладывает белый свет в цветной спектр. Сейчас же мы ограничимся рассмотрением пучков света, имеющего определенный цвет (лучше всего для этого воспользоваться лазерным лучом — например, от лазерного фонарика). Если параллельные лучи света падают на две призмы, расположенные так, как показано на рис. 19.9, то (в зависимости от расположения призм) лучи становятся сходящимися или расходящимися. Это наблюдение поможет нам в следующем параграфе понять принцип действия линз.

Как возникают миражи

В неоднородно нагретом воздухе лучи света распространяются не прямолинейно, а плавно искривляются. Вследствие этого возникают миражи — например, когда посреди знойной пустыни путнику видится впереди озеро, отражающее голубое небо.

Днем в пустыне нижние слои воздуха сильно нагреваются от горячего песка, вследствие чего воздух становится неоднородным. Проходя сквозь такую среду, луч света плавно искривляется (рис. 19.10). В результате идущий сверху от голубого неба луч попадает в глаз путника снизу. И страдающему от жажды путнику кажется, что впереди — озеро, отражающее голубое небо. Путник движется к «озеру», но... расстояние до него не уменьшается!

В средних широтах также можно наблюдать подобный мираж: в жаркий летний день водителю или пассажиру кажется, что он видит «лужи» на сухом шоссе (рис. 19.11).

Может ли не быть преломленного луча

Когда свет переходит из воды или стекла в воздух, угол преломления больше угла падения а (рис. 19.12).

Интересно проследить: что будет происходить с преломленным лучом при увеличении угла падения до 90°?

Ведь угол преломления не может быть больше 90°!

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Увеличивая угол падения, мы заметим, что при этом интенсивность преломленного луча уменьшается. А при достаточно больших углах падения преломленный луч исчезает: остается только отраженный луч!

Это явление называют полным внутренним отражением. Например, для луча, идущего из воды в воздух, полное внутреннее отражение будет при углах падения, больших 49°.

Полное внутреннее отражение используют во многих оптических приборах. На рис. 19.13 схематически показано, как полное внутреннее отражение используют, например, в призмах для поворота светового луча на 90° и 180°, а также для «переворачивания» параллельного пучка лучей.

Полное внутреннее отражение используют также в современной технике при передаче световых сигналов по тонким стеклянным нитям — световодам (так называемая «волоконная оптика»). Ход луча света в световоде схематически показан на рис. 19.14.

По жгуту толщиной в волос, свитому из тонких стеклянных нитей, передают сигналы для телевизоров, телефонов и компьютеров. Световоды используют и для подачи света от общего источника к приборным панелям в автомобилях. Оптические волокна используются и в медицине. С их помощью изображение внутренних органов передают на телекамеру, что позволяет тщательно обследовать внутренние органы.

Линзы и её основные элементы

Каждому из вас знакомы «увеличительные» и «уменьшительные» стекла (рис. 20.1).

В чем же состоит их секрет: почему они увеличивают и уменьшают? Действие этих стекол связано с их формой. Возьмите их в руки и убедитесь, что «увеличительные» стекла посредине толще, чем у краев, а «уменьшительные» — посредине тоньше. Обычно поверхности таких стекол имеют сферическую форму.

Прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями, называют линзой.

Мы будем рассматривать далее стеклянные линзы. Линзы, которые посредине толще, чем у краев, называют выпуклыми, а линзы, которые посредине тоньше, — вогнутыми.

На рис. 20.2 изображены выпуклые и вогнутые линзы «в разрезе», а рядом приведены условные обозначения таких линз на чертежах. Для простоты мы будем рассматривать далее только линзы, толщина которых намного меньше диаметров ограничивающих их сферических поверхностей.

Такие линзы называют тонкими линзами.

Для тонкой линзы можно считать, что вся линза лежит в одной плоскости, которую называют плоскостью линзы (рис. 20.3).

Точку плоскости линзы, где толщина линзы максимальна (для выпуклой линзы) или минимальна (для вогнутой линзы), называют оптическим центром линзы.

Через центр линзы перпендикулярно плоскости линзы проходит главная оптическая ось линзы.

Собирающая и рассеивающая линзы

Для изучения линз воспользуемся школьными моделями линз и прибором, дающим параллельный пучок лучей.

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Направим на выпуклую линзу параллельный пучок света. Мы увидим, что после преломления в такой линзе пучок станет сходящимся (рис. 20.4).

Линзу, которая преобразует параллельный пучок лучей в сходящийся, называют собирающей.

Лучи, падающие на собирающую линзу параллельно главной оптической оси, после преломления в линзе пересекаются в одной точке, которую называют фокусом линзы и обозначают (рис. 20.4).

Каждая линза имеет два фокуса, которые расположены по разные стороны линзы на равных расстояниях от нее.

Действие собирающей линзы легко понять, если заметить, что ее форма напоминает уже знакомую нам систему двух призм с совмещенными основаниями (рис. 20.5).

Солнечные лучи после преломления в линзе могут зажечь дерево (это хорошо знакомо тем, кто «выжигал» с помощью «увеличительного» стекла). Если направить параллельный пучок лучей на вогнутую линзу, то после преломления в линзе пучок станет расходящимся (рис. 20.6).

Линзу, которая преобразует параллельный пучок лучей в расходящийся, называют рассеивающей.

Падающие на рассеивающую линзу параллельные лучи после преломления в линзе идут так, что их продолжения пересекаются в одной точке, расположенной по ту сторону линзы, откуда падает пучок (рис. 20.6).

Точку, в которой пересекаются продолжения преломленных в рассеивающей линзе лучей, падающих на линзу параллельно главной оптической оси, называют также фокусом линзы и обозначают (рис. 20.6). Фокус рассеивающей линзы называют мнимым, так как в этой точке пересекаются не сами лучи, а их продолжения.

У рассеивающей линзы, так же как и у собирающей, есть два фокуса, которые расположены по разные стороны линзы на равных расстояниях от нее. Действие рассеивающей линзы можно понять, заметив, что ее форма напоминает рассмотренную систему двух призм с совпадающими вершинами (рис. 20.7).

Фокусное расстояние и оптическая сила линзы

Расстояние от плоскости линзы до ее фокуса называют фокусным расстоянием линзы и обозначают F. Оптической силой линзы называют величину D, обратную фокусному расстоянию линзы:

Единицей фокусного расстояния в является 1 метр. Оптическую же силу линзы в измеряют в (эту единицу оптической силы часто называют диоптрией). Например, оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 2 м равна .

Чем больше оптическая сила линзы (то есть чем меньше ее фокусное расстояние), тем сильнее преломляет она падающие на нее лучи.

Построение изображения в линзе

Лучи, исходящие из одной точки (точечного источника), после преломления в линзе либо пересекаются в одной точке (рис. 20.8), либо направлены так, что их продолжения пересекаются в одной точке (рис. 20.9 и 20.10). Вот почему линзы дают четкие изображения предметов: ведь изображение предмета состоит из изображений его точек.

Изображением точечного источника в линзе называют точку пересечения преломленных в линзе лучей (или их продолжений), исходящих из источника.

Если после преломления в линзе лучи пересекаются, то точку их пересечения называют действительным изображением источника (его можно получить на экране). Именно таким является изображение на рис. 20.8).

Если же после преломления в линзе пересекаются не сами лучи, а их продолжения, то точку их пересечения называют мнимым изображением (рис. 20.9 и 20.10).

Из сказанного выше следует: чтобы построить изображение точки S, достаточно построить ход двух исходящих от нее лучей. Тогда точка S' пересечения этих лучей (или их продолжений) и будет изображением точки S.

Какие лучи используют для построения изображения в линзе

Направим на собирающую или рассеивающую линзу луч так, чтобы он проходил через ее оптический центр. Мы увидим, что такой луч всегда проходит через линзу, не изменяя направления (на рис. 20.11 изображена схема такого опыта). Объясняется это тем, что вблизи оптического центра поверхности линзы почти параллельны, и поэтому луч света нс изменяет своего направления.

Мы ограничимся построением изображений точек, не лежащих на главной оптической оси. Для построения изображений таких точек в линзе используют обычно ход следующих лучей:

1. луча, идущего через оптический центр линзы, — как мы видели, он не изменяет направления;
2. луча, падающего на линзу параллельно главной оптической оси, — после преломления в собирающей линзе он пройдет через ее фокус, а после преломления в рассеивающей — его продолжение пройдет через фокус линзы.

Построение изображения в собирающей линзе

Если расстояние от предмета до линзы больше фокусного, то после преломления в линзе лучи пересекаются, то есть изображение будет действительным (рис. 20.12).

На рис. 20.13—20.15 показано построение действительного изображения предмета в собирающей линзе (предмет обозначен стрелкой). Действительное изображение предмета всегда перевернутое¹. Отношение длины изображения предмета к длине самого предмета называют увеличением линзы.

ПОСТАВИМ ОПЫТЫ

Действительное изображение предмета можно получить на экране.

Геометрическое построение и опыт показывают, что:

1. изображение будет уменьшенным, если предмет находится дальше двойного фокусного расстояния от линзы (рис. 20.13);
2. размер изображения будет равен размеру самого предмета, если предмет находится на двойном фокусном расстоянии от линзы (рис. 20.14);
3. изображение будет увеличенным, если предмет находится между двойным фокусным расстоянием и фокусным расстоянием (рис. 20.15).

Если предмет находится на фокусном расстоянии от линзы, то изображения предмета нет, потому что после преломления в линзе лучи идут параллельно (рис. 20.16).

Наконец, если предмет находится от линзы на расстоянии меньшем, чем фокусное, то изображение будет мнимым, прямым и увеличенным (рис. 20.17).

Особенно большое увеличение собирающая линза дает, когда предмет находится вблизи ее фокуса (рис. 20.18). Как мы увидим далее, это используют в лупе, проекционном аппарате, микроскопе и телескопе.

Построение изображения в рассеивающей линзе

Пучок лучей, исходящих от любой точки предмета, после преломления в рассеивающей линзе становится еще более расходящимся. Поэтому пересекаются только продолжения лучей, то есть изображение всегда будет мнимым (рис. 20.19). К тому же оно будет прямым и уменьшенным.

Формула тонкой линзы

С помощью опытов и геометрических построений можно убедиться, что между расстоянием от линзы до предмета, расстоянием от линзы до изображения и фокусным расстоянием линзы существует соотношение, которое называют формулой тонкой линзы:

В этой формуле расстояние до изображения берут со знаком «плюс», если изображение действительное, и со знаком «минус», если изображение мнимое. Кроме того, фокусное расстояние собирающей линзы берут со знаком «плюс», а рассеивающей — со знаком «минус». Используя формулу тонкой линзы, можно найти, например, расстояние до изображения, если известно расстояние от линзы до предмета и фокусное расстояние линзы. Для этого удобно сначала найти величину, обратную искомому расстоянию, а затем — и само расстояние.

Глаз

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Расположите собирающую линзу напротив окна так, чтобы свет, пройдя через линзу, падал на лист бумаги. Двигая линзу, подберите такое расстояние от линзы до листа, чтобы на листе появилось четкое перевернутое изображение окна и предметов за окном (рис. 21.1). Схема этого опыта показана на рис. 21.2.

Этот опыт раскрывает нам «тайну зрения»: мы видим предметы потому, что на задней стенке глаза, называемой сетчаткой (рис. 21.3), формируется действительное уменьшенное перевернутое изображение предметов.

Глаз — замечательный оптический прибор, созданный природой в процессе эволюции животных и человека.

Роль собирающей линзы в глазу выполняют роговица и хрусталик Фокусное расстояние этой линзы в глазу человека — около 2,5 см.

Почему же мы видим предметы не перевернутыми, хотя изображение на сетчатке — перевернутое?

Дело в том, что мозг мгновенно «переворачивает» это изображение — именно для того, чтобы мы воспринимали предметы такими, каковы они на самом деле.

Резкость изображения обеспечивает хрусталик: например, когда человек рассматривает близкие предметы, маленькая мышца сжимает хрусталик, вследствие чего он утолщается и его фокусное расстояние уменьшается. Эта «автоподстройка» глаза называется аккомодацией¹.

Мозг фиксирует усилие мышцы, сжимающей хрусталик, благодаря чему человек и оценивает «на глаз» расстояние до предмета: все необходимые для этого вычисления мгновенно производит мозговой «компьютер». Вот как замечательно «сконструирован» человек! Причем это не единственный способ оценивания расстояния до предмета, подаренный нам природой. О другом, более точном способе оценки расстояний мы расскажем в разделе «Хочешь узнать больше?».

Существует предел аккомодации, из-за которого нам не удается хорошо рассмотреть предмет, расположенный ближе 10—15 см от глаза. Самое же «удобное» расстояние для рассматривания предметов людьми, не имеющими дефектов зрения, — примерно 25 см. Это расстояние называют расстоянием наилучшего зрения.

Фотоаппарат

Устройство фотоаппарата (рис. 21.4) сходно со строением глаза. Роль роговицы и хрусталика здесь исполняет объектив, роль же сетчатки в пленочном фотоаппарате — светочувствительная пленка, а в цифровом — фотоэлемент.

Существенным отличием фотоаппарата от глаза является способ наводки на резкость: для этого обычно изменяют расстояние от объектива до пленки (фотоэлемента). Однако в последнее время появились фотоаппараты, в которых можно плавно изменять также и фокусное расстояние объектива.

• Заказать решение задач по физике

Киноаппарат и проектор

Глаз и фотоаппарат создают уменьшенные действительные изображения предметов, расположенных обычно на расстоянии, намного большем, чем фокусное расстояние роговицы с хрусталиком или объектива. Рассмотрим теперь случай, когда собирающая линза дает увеличенное действительное изображение.

Если источник света или ярко освещенный предмет находится чуть дальше фокуса, созданное линзой изображение будет во много раз больше самого предмета. Именно это свойство линзы используют в проекционном аппарате и киноаппарате (рис. 21.5).

Видимое на киноэкране изображение — это действительное, увеличенное и перевернутое изображение ярко освещенных кадров. А чтобы киногерои на экране не ходили вверх ногами, пленку в киноаппарат устанавливают в перевернутом виде.

Как мы определяем «на глаз» расстояния до предметов

Об одном таком способе мы уже рассказали — это «автоподстройка» глаза на резкость, осуществляемая хрусталиком (аккомодация). Более же точный способ оценки расстояния основан на так называемом «бинокулярном» зрении, то есть зрении двумя глазами. Дело в том, что глаза — левый и правый — видят предметы немного по-разному, так как смотрят на них из разных точек.

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Расположите карандаш вертикально и рассмотрите его на фоне отдаленного столба. Подберите положение карандаша так, чтобы, глядя одним левым глазом, вы видели карандаш справа от столба, а глядя одним правым глазом — слева от столба (рис. 21.6)! Этот опыт доказывает, что глаза видят мир по-разному!

По различию изображений, посылаемых в мозг левым и правым глазами, мозг и «вычисляет» расстояния до предметов.

Таким же способом ученые впервые измерили расстояния до планет. Роль двух глаз исполняли два астронома. Они одновременно наблюдали планету Марс, но из разных точек земного шара. Вследствие этого видимое положение планеты на небе у этих наблюдателей немного различалось. Благодаря этому небольшому различию и удалось определить расстояние до планеты!

Секрет бинокулярного зрения раскрыл великий итальянский художник, ученый и инженер Леонардо да Винчи.

Почему у зайца глаза смотрят в разные стороны, а у тигра —в одну

Зайца не случайно прозвали «косым»: его глаза действительно смотрят в разные стороны (рис. 21.7)! Благодаря этому заяц, не поворачивая головы, видит практически все, что происходит вокруг него (даже сзади!). Такой широкий обзор жизненно важен для зайца: он должен все время быть «настороже». По этой же причине «косыми» глазами природа наделила и других травоядных: «косят» лошади, косули (недаром они так названы!), козы, овцы... Всем им необходим широкий обзор, чтобы вовремя заметить подкрадывающегося хищника.

Зато у самих хищников — зрение бинокулярное! Вспомните глубоко посаженные, смотрящие прямо вперед глаза волка, тигра или льва (рис. 21.8). Бинокулярное зрение необходимо хищнику: готовясь к прыжку, он должен точно оценить расстояние до своей жертвы!

Оптические иллюзии

Хотя глаз и является замечательным оптическим прибором, он все-таки может ошибаться! Обманы зрения называют оптическими иллюзиями¹. Оптические иллюзии широко используют в изобразительном искусстве. Рассматривая, например, написанную на плоском холсте картину, мы видим ее «глубину» именно потому, что художники используют законы перспективы, создающие иллюзию трехмерного изображения.

Оптические иллюзии бывают настолько правдоподобными, что буквально «не веришь собственным глазам»! Трудно поверить, например, что центральные круги на рис. 21.9 одинакового радиуса или что горизонтальные линии на рис. 21.10 — параллельные прямые! Чтобы убедиться в этом, придется воспользоваться циркулем и линейкой.

На рис. 21.11 изображены три куба. Но как они расположены? Попробуйте представить сначала, что они освещены сверху, а потом — что они освещены снизу! Интересным примером оптической иллюзии является также «невозможная фигура», изображенная на рис. 21.12.

Благодаря обману зрения неподвижная фигура может показаться даже движущейся! Не кажется ли вам, например, что изображенные на рис. 21.13 круги все время «шевелятся»?

Оптические иллюзии — хороший намек на то, что не всегда можно доверять даже собственным глазам: надо прибегать к помощи измерительных приборов!

Недостатки зрения и их исправление

С помощью линз можно исправлять недостатки зрения. Наверное, вы замечали, что некоторым людям, особенно пожилым, трудно рассматривать близкие предметы, в том числе расположенные на расстоянии наилучшего зрения.

Этот недостаток зрения называют дальнозоркостью: чтобы рассмотреть близкие предметы, дальнозоркий человек старается отодвинуть их подальше. Одной из причин дальнозоркости является уменьшение с возрастом упругости хрусталика: он утрачивает способность увеличивать свою оптическую силу настолько, чтобы сфокусировать на сетчатке изображение близко расположенного предмета. Поэтому изображение предмета, находящегося на расстоянии наилучшего зрения, будет за сетчаткой (рис. 22.1).

Вот почему многие люди старше 40—50 лет являются дальнозоркими.

В случае дальнозоркости помогают очки с собирающими линзами. Собирающая линза помогает хрусталику сфокусировать на сетчатке лучи, исходящие от близко расположенных предметов. Вследствие этого на сетчатке возникает четкое изображение таких предметов (рис. 22.2).

Очень распространен (на этот раз — в любом возрасте) и «противоположный» недостаток зрения, когда человек хорошо видит близкие предметы, но плохо различает удаленные.

Такой недостаток зрения называют близорукостью. Близорукий человек стремится приблизить предмет к глазам, когда рассматривает его без очков.

В близорукости «виноват» часто не хрусталик, а форма глаза: он несколько вытянут, вследствие чего сетчатка находится слишком далеко от хрусталика. По этой причине лучи, исходящие от удаленных предметов, фокусируются не на сетчатке, а перед ней (рис. 22.3).

В случае близорукости помогают очки с рассеивающими линзами: они как бы уменьшают оптическую силу роговицы и хрусталика, вследствие чего изображение удаленных предметов «отодвигается» как раз настолько, что попадает на сетчатку (рис. 22.4).

Близорукость часто имеет наследственный характер, но она может сформироваться и в школьном возрасте из-за чрезмерных нагрузок на глаза во время чтения и письма, особенно при плохом освещении рабочего места — дома и в классе.

Поэтому берегите глаза «как зеницу ока»!

Лупа

Вы уже знаете, что линза дает мнимое прямое увеличенное изображение предмета, если он находится от линзы на расстоянии меньшем фокусного. Получить на экране мнимое изображение нельзя, но увидеть его можно! Посмотрите сквозь собирающую линзу на предмет, расположенный ближе ее фокуса, — и вы увидите увеличенное прямое изображение предмета (рис. 22.5). Почему мы можем видеть мнимые изображения, рассказано в разделе «Хочешь узнать больше?».

Собирающую линзу, предназначенную для рассматривания мелких предметов, называют лупой¹. Ее фокусное расстояние — от 1 см до 15 см. Увеличение, которое можно получить с помощью лупы, зависит от ее оптической силы.

Расчеты показывают, что даваемое лупой увеличение равно отношению расстояния наилучшего зрения (25 см) к фокусному расстоянию лупы. Например, лупа с фокусным расстоянием 2,5 см может дать десятикратное увеличение, так как 25 : 2,5 = 10. О том, как правильно пользоваться лупой, рассказано в разделе «Хочешь узнать больше?».

Как устроен микроскоп

Микроскоп — это прибор, предназначенный для рассматривания очень мелких предметов (до тысячных долей миллиметра). Например, с помощью микроскопа можно наблюдать бактерии, изучать клеточное строение живых организмов.

Широко используют микроскопы как в науке, так и в технике — например, для исследования строения вещества и структуры поверхностей. Незаменимы микроскопы и в криминалистике: любое преступление оставляет следы, но некоторые из них настолько малы, что их можно заметить только в микроскоп.

Увеличение, которое можно получить с помощью микроскопа, значительно больше того, которое можно получить с помощью лупы. Дело в том, что в микроскопе увеличение происходит дважды.

Простейший микроскоп представляет собой трубу, в торцы которой вставлены две собирающие линзы. Ту из них, которая обращена к рассматриваемому предмету (объекту), называют объективом.

Предмет помещают чуть дальше фокусного расстояния объектива, чтобы объектив создал сильно увеличенное действительное перевернутое изображение предмета.

Это изображение играет роль «предмета» для второй линзы, обращенной к глазу (оку), которую называют по этой причине окуляром.

Через окуляр, как через лупу, рассматривают созданное объективом увеличенное изображение предмета. Поэтому увеличение микроскопа равно произведению увеличений, даваемых объективом и окуляром.

Хороший объектив может давать увеличение до 100 раз, окуляр же дает увеличение не более чем в 20 раз. Следовательно, хороший микроскоп может давать увеличение до .

Сделать увеличение, даваемое оптическим микроскопом, намного большим невозможно. Это ограничение обусловлено волновой природой света: в оптический микроскоп нельзя рассмотреть предметы, размеры которых меньше или сравнимы с длиной волны света, то есть меньше тысячной доли миллиметра.

Схема действия микроскопа представлена на рис. 22.6. Чтобы сделать наглядным, что увеличение происходит дважды, цифрами обозначены: 1 — предмет; 2 — созданное объективом увеличенное изображение предмета; 3 — созданное окуляром увеличенное изображение того изображения, которое создает объектив.

Как устроен телескоп

Телескоп — прибор для рассматривания удаленных предметов. Его, так же как и микроскоп, можно сделать из двух собирающих линз¹. И в этом случае обращенную к глазу линзу называют окуляром, а обращенную к удаленному предмету — объективом.

В телескоп рассматривают очень удаленные предметы, поэтому объектив дает действительное перевернутое и уменьшенное изображение такого предмета, расположенное вблизи фокуса объектива. И хотя оно является сильно уменьшенным, зато расположено намного ближе, чем сам предмет. Это изображение рассматривают через окуляр как через лупу (рис. 22.7). Таким образом, назначение окуляра в телескопе и микроскопе практически одинаково.

А вот роль объектива в телескопе в каком-то смысле «противоположна» роли объектива в микроскопе. Как вы уже знаете, увеличение микроскопа тем больше, чем больше оптическая сила объектива, то есть чем меньше его фокусное расстояние. А телескоп, наоборот, «приближает» предмет тем сильнее, чем больше фокусное расстояние объектива!

Дело в том, что размер создаваемого объективом изображения тем больше, чем дальше от объектива находится это изображение, то есть чем больше фокусное расстояние объектива. Поэтому объектив телескопа, в отличие от объектива микроскопа, имеет большое фокусное расстояние.

Расчеты показывают, что даваемое телескопом «приближение» равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Например, если фокусное расстояние объектива равно 1 м, а фокусное расстояние окуляра равно 1 см, телескоп «приближает» в 100 раз. Фокусное расстояние объектива телескопа может достигать десяти метров. Такие телескопы «приближают» в тысячи раз.

Объектив хорошего телескопа должен иметь не только большое фокусное расстояние, но и достаточно большой радиус, потому что при рассматривании предметов через телескоп в глаз попадает во столько же раз больше света, во сколько раз площадь объектива больше площади зрачка. Объектив телескопа — это как бы гигантский зрачок, направленный в небо.

Почему мы видим мнимые изображения

Как вы уже знаете, получить на экране мнимое изображение нельзя, потому что оно сформировано расходящимся пучком лучей. Однако, как вы тоже знаете, увидеть мнимое изображение можно, например, рассматривая предмет через лупу или даже просто глядя на себя в зеркало. Вспомним теперь, что когда мы просто рассматриваем предмет, от любой его точки в глаз идет именно расходящийся пучок лучей. А оптическая система глаза преобразует его в сходящийся и формирует на сетчатке, как на экране, действительное изображение предмета.

Как правильно пользоваться лупой

Чтобы получить с помощью лупы максимально возможное увеличение и при этом не напрягать глаз, надо держать лупу близко к глазу, а предмет располагать вблизи ее фокуса. Именно так и пользуются лупой профессионалы — часовщики, ювелиры, натуралисты (рис. 22.8).

А вот любители часто пользуются лупой неправильно: они отодвигают ее от глаза, располагая вблизи рассматриваемого предмета (рис. 22.9). При этом «увеличительные» возможности лупы используются не в полной мере и к тому же сужается «поле зрения» — ведь увеличивается только то, что видно сквозь лупу.

Дисперсия света

Окружающий мир играет красками: нас радует и волнует голубизна неба, зелень травы и деревьев, красное зарево заката, семицветная дуга радуги. Что же такое цвет? Чем обусловлена окраска предметов? Как глаз различает цвета?

Опыт Ньютона с призмой

Первый шаг к разгадке цвета сделал великий английский ученый Исаак Ньютон. Тогда он был еще не всемирно известным ученым, а совсем юным выпускником Кембриджского университета.

Проделав маленькое отверстие в оконной ставне, Ньютон подставил под узкий пучок света треугольную стеклянную призму. Пучок преломился в ней, и на противоположной стене появилась красивая цветная полоса, где в хорошо знакомом порядке расположились все цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый¹. Эту цветную полосу Ньютон назвал спектром².

На рис. 23.1 схематически изображен этот знаменитый опыт Ньютона, который повторяют сегодня во всех школах мира. Из описанного опыта Ньютон сделал важный вывод: разложение белого света в цветной спектр означает, что белый свет является составным, то есть является смесью всех цветов радуги.

Появление цветного спектра при прохождении белого света через призму обусловлено тем, что лучи разных цветов преломляются в стекле по-разному, сильнее всего преломляются фиолетовые лучи, а слабее всего — красные. Это означает, что показатель преломления света зависит от его цвета. Это явление называют дисперсией света.

Если же направить на призму узкий пучок света определенного цвета, то такой пучок не разлагается в спектр, а остается одноцветным (рис. 23.2). Сегодня такой опыт можно проводить, например, с лучом лазерного фонарика или лазерной указки.

Как глаз различает цвета

На сетчатке глаза расположены светочувствительные элементы — нервные окончания, называемые «палочками» и «колбочками». Палочки отличают только светлое от темного. Колбочки же есть трех типов — мы условно назовем их «красными», «зелеными» и «синими», потому что «красные» колбочки наиболее чувствительны к красному цвету, «зеленые» — к зеленому, а «синие» — к синему.

Все многообразие видимых нами цветов обусловлено «сигналами», посылаемыми в мозг всего тремя типами колбочек. Например, при таком соотношении интенсивности этих сигналов, какое дает солнечный свет, цвет будет казаться белым. Если в мозг идут сигналы только от «синих» колбочек, то цвет будет казаться синим, а если только от «красных» и «зеленых» колбочек — желтым.

Свойство глаза «раскладывать» все цвета на красный, зеленый и синий используют при создании цветных телевизоров и мониторов (дисплеев) компьютеров. Об этом мы расскажем в разделе «Хочешь узнать больше?».

Почему лист зеленый, а роза красная

Почему предметы, освещенные белым светом, мы видим окрашенными в разные цвета: например, лист зеленый, а роза красная?

Вы уже знаете, что белый свет является составным, то есть смесью всех цветов радуги. Если исключить из этого набора некоторые цвета, то оставшаяся часть спектра будет восприниматься глазом как имеющая некоторый цвет.

Пусть белый (например, солнечный) свет падает на предмет, который поглощает «красные» лучи, а все остальные — отражает (рис. 23.3). Какого же цвета будет свет, отраженный от этого предмета?

В нем не будет хватать красной части спектра, и поэтому он будет восприниматься глазом как зеленоватый.

Зеленый цвет листьям» растений придает хлорофилл — химическое соединение, «ответственное» за фотосинтез (превращение солнечной энергии в химическую энергию органических веществ).

Хлорофилл поглощает преимущественно красные и синие лучи. В результате отраженный от листа растения «остаток» солнечного спектра приобретает зеленую окраску.

А вот лепестки красной розы, наоборот, очень «охотно» отражают как раз «красные» лучи, а лучи остальной части спектра поглощают (рис. 23.4). Потому-то роза и красная!

Как возникает радуга

Когда после дождя появляется солнце, часто можно наблюдать одно из красивейших явлений природы — радугу (рис. 23.5).

В огромной разноцветной дуге, протянувшейся на полнеба, можно различить все цвета радуги, причем наружная часть радуги окрашена в красный цвет, а внутренняя — в фиолетовый. Довольно редко над обычной радугой можно наблюдать и вторую радугу, в которой порядок цветов обратный: снаружи — фиолетовый, а внутри — красный.

Можно ли приблизиться к радуге? Вряд ли это кому-нибудь удастся, потому что радуга — это не предмет, а оптическое явление.

Попробуйте идти по направлению к радуге, и вы увидите, что она будет удаляться от вас так, что расстояние до нее будет казаться неизменным. Впрочем, если разобраться в секрете радуги, то небольшую радугу можно «получить» или увидеть совсем близко — в саду у фонтана и даже в ванной! Почему же возникает радуга? После дождя в воздухе остается много мельчайших капелек воды, имеющих форму шара.

Когда луч света падает на такую капельку, он преломляется на поверхности капельки, затем отражается от ее внутренней поверхности и при выходе из воды в воздух преломляется еще раз¹. Вследствие дисперсии лучи, соответствующие различным цветам, преломляются по-разному (рис. 23.6). В результате, выйдя из капли, «красный» луч пойдет под одним углом к горизонту, а «фиолетовый» — под другим. Следовательно, в глаз наблюдателя «красный» и «фиолетовый» лучи попадут из разных капель (рис. 23.7). Причем все «красные» капли будут видны под одним и тем же углом, вследствие чего они будут казаться расположенными на дуге окружности. «Оранжевые» капли будут видны на «соседней» дуге меньшего радиуса и так далее — вплоть до капель, образующих «фиолетовую» дугу, расположенную ниже остальных «цветных» дуг.

Сколько цветов на экране телевизора

ПОСТАВИМ ОПЫТ

Нанесите осторожно на экран телевизора капельку воды: она будет играть роль маленькой, но довольно сильной линзы. В эту линзу вы ясно увидите, что любое цветное изображение состоит из светящихся точек всего трех цветов — красных, зеленых и синих, то есть как раз тех, к которым наиболее чувствительны колбочки сетчатки глаза.

Например, там, где на экране белый цвет, эти три точки будут иметь примерно одинаковую яркость. А там, где на экране виден желтый цвет, вы не увидите желтых точек: вы увидите только красные и зеленые точки — в полном соответствии с рассказанным выше о том, как глаз различает цвета. Схематически смешение цветов на экране телевизора показано на рис. 23.8. То, что для получения цветного изображения в телевизоре выбраны именно те цвета, к которым чувствительны разные типы колбочек сетчатки глаза, — не случайное совпадение, а результат успешного сотрудничества физиков и биологов.

Цвет, который получается при «вычитании» некоторого цвета из белого, называется дополнительным к этому цвету. Так, дополнительными друг к другу являются красный и зеленый цвета, желтый и фиолетовый, а также синий и оранжевый (рис. 23.9). Знать дополнительные цвета важно художникам и дизайнерам: благодаря использованию таких цветов можно создать сбалансированную, комфортную для глаза комбинацию цветов.

Почему вечером цвета тускнеют

Вы, наверное, замечали, что при наступлении сумерек яркие цвета «тускнеют» и мир становится «черно-бело-серым». Так что не случайно родилась пословица «в темноте все кошки серы»!

Но стоит взойти солнцу, и утро снова радует нас яркими красками. Почему же так происходит?

Дело в том, что уже знакомые вам палочки, отличающие темное от светлого, очень чувствительны к свету, а различающие цвет колбочки намного менее чувствительны. Поэтому при слабом освещении «работают» в основном палочки. И поэтому мы видим (в буквальном смысле слова!) результат их работы — черно-бело-серый мир.

Соотношение между цветом и длиной световой волны

Как вы уже знаете, свет имеет волновую природу. Большую роль в установлении волновой природы света сыграл английский ученый Томас Юнг. Он установил, что каждому цвету соответствует определенная длина волны, причем фиолетовому цвету — наименьшая, а красному — наибольшая.

Именно Юнг и измерил первым длины волн, соответствующие различным цветам. Оказалось, что эти длины волн очень малы по сравнению с размерами предметов, видимых невооруженным глазом: так, длина волны фиолетового света составляет около 4 десятитысячных долей миллиметра, а красного — около 8 десятитысячных долей миллиметра.

Когда Юнг получил эти результаты, стало понятно, почему волновая природа света практически не проявляет себя в повседневной жизни.

Сила света и освещенность

Источники света могут значительно отличаться друг от друга. Самый сильный для нас источник света — Солнце, на которое больно смотреть невооруженным глазом (рис. 2I.4).

Но человеческий глаз замечает и очень слабые источники света, например светлячков.

Свечение источника характеризуют физической величиной, которую называют силой света.

Силу света обозначают обычно .

Единица силы света — кандела (кд).

Источник света в I канделу определен международным соглашением. Мы не будем приводить здесь точное определение канделы, а ограничимся сравнением: кандела — это примерно сила света одной обычной свечи¹. А выраженная в канделах сила света электрической лампы накаливания примерно равна ее мощности, выраженной в ваттах. Так, лампа мощностью 100 Вт имеет силу света приблизительно 100 кд.

Числовое значение силы света Солнца — огромное число с 27 нулями, а сила света светлячка — от одной сотой до одной тысячной канделы.

Освещенность

Чтобы определить, как освещена поверхность, ввели физическую величину освещенность. Освещенность обозначают и измеряют в люксах (лк). Один люкс — это освещенность пластинки, находящейся на расстоянии 1 м от точечного источника света силой 1 кд, когда свет от источника падает на пластинку перпендикулярно.

Примеры:

В ясный солнечный день освещенность поверхности Земли составляет до ста тысяч люксов. Освещенность Земли сильно изменяется в зависимости от географической широты, времени суток и времени года.

Освещенность школьной парты должна быть согласно нормам не менее 150 лк. Это учитывается при проектировании освещения школ, но ученикам и учителям надо учитывать, что вечером или в пасмурный день такая освещенность будет только при условии, что в классе светят все предусмотренные проектом лампы!

Глаз человека обладает чрезвычайно высокой чувствительностью: человек может разобрать текст в книге при освещенности, составляющей всего десятые доли люкса — например, при полной луне, когда освещенность равна 0,25 лк, то есть примерно в 400 000 раз меньше, чем в ясный солнечный день. Но злоупотреблять возможностями такого замечательного «оптического инструмента», как глаз, не стоит: читая при плохом освещении, вы портите свое зрение!

От чего зависит освещенность

Для измерения освещенности используют специальные приборы, называемые люксметрами. Светочувствительным элементом таких приборов является фотоэлемент.

При удалении от источника освещенность уменьшается. Расчеты и опыты показывают, что освещенность Е прямо пропорциональна силе света I источника света и обратно пропорциональна квадрату расстояния R до источника:

Это соотношение было установлено в начале 17-го века немецким физиком и астрономом Иоганном Кеплером.

В справедливости приведенного соотношения легко убедиться, рассмотрев так называемую «световую пирамиду» с источником света в ее вершине (рис. 24.2). Свет, проходящий через сечение пирамиды на единичном расстоянии от источника, проходит через площадь на удвоенном расстоянии, через площадь — на утроенном расстоянии и т. д. А это и означает, что освещенность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Приведенное выражение для освещенности справедливо только при условии, что источник света можно считать точечным, то есть когда его размеры очень малы по сравнению с расстоянием до него.

Примеры:

Сравним освещенность на Земле и других планетах. Самая близкая планета к Солнцу, Меркурий, расположена почти в три раза ближе к Солнцу, чем Земля. Значит, освещенность на Меркурии почти в десять раз больше, чем на Земле: представьте себе, что в небе Меркурия светит как бы десять «земных» солнц сразу! В результате температура поверхности Меркурия накаляется меркурианским днем выше 400 °C!

А освещенность Плутона, расположенного почти в 40 раз дальше от Солнца, чем Земля, примерно в 1600 раз меньше, чем освещенность Земли. Правда, астронавт, который высадился бы на Плутоне, все-таки не оказался бы в полной темноте: и на таком огромном расстоянии Солнце «светит» намного сильнее, чем Луна на Земле даже во время полнолуния! А ведь на Земле во время полнолуния не так уж и темно.

Как зависит освещенность от угла падения света

Освещенность поверхности зависит не только от силы света источника и расстояния до него: она еще зависит от угла падения света. И очень существенно: именно этим, как мы сейчас увидим, объясняется, например, смена времен года!

При увеличении угла падения света на поверхность ее освещенность уменьшается. Понятно, что благодаря этому уменьшается и энергия, попадающая на единицу площади поверхности. Схема, показанная на рис. 24.3, объясняет, почему это происходит.

При увеличении угла падения освещаемая параллельным пучком света площадь поверхности увеличивается. А это значит, что энергия, приходящаяся на единицу площади, то есть освещенность поверхности, уменьшается.

Почему зимой солнце светит, но не греет

Как вы уже знаете из курса природоведения, ось суточного вращения Земли наклонена к плоскости орбиты вращения Земли вокруг Солнца. Поэтому днем в Северном полушарии летом солнечный диск находится выше над горизонтом, чем зимой. Вследствие этого освещенность земной поверхности летом больше, чем зимой. Кроме того, продолжительность светового дня летом увеличивается по сравнению с зимой.

Вот почему летом солнце жаркое, а зимой солнечные лучи, косо падающие на поверхность Земли, да еще и в течение короткого зимнего дня, светят, но почти не греют. Например, в июньский полдень в Киеве освещенность примерно в три раза больше, чем в декабрьский.

Как правильно выбрать освещение

Выбор правильного освещения очень важен для продуктивной учебы, работы, полноценного отдыха. Да и настроение человека зависит от освещенности: яркий свет создает совсем другое настроение, чем приглушенный! Для комфортного освещения существенно не только значение освещенности, но и то, какие лампы используются, каков цвет стен и потолка.

Например, глаза очень устают от прямого света, поэтому желательно использовать абажуры (рис. 24.4). Идеальным вариантом освещения помещения считают такой, когда прямого света вообще, нет: свет ламп направлен на светлый потолок или стены. Тогда помещение ровно и мягко освещается светом, отраженным от большой площади потолка (рис. 24.5).

Освещенность книжной страницы должна быть не менее 100 лк. Примерно такую освещенность дает лампа накаливания мощностью 60 Вт, расположенная на расстоянии около 70 см от книги, когда лучи света перпендикулярны странице. Но если луч падает на страницу под углом 45°, ее освещенность уменьшается почти в полтора раза! Поэтому для освещения поверхности письменного стола надо использовать либо лампу накаливания мощностью 75 Вт, либо лампы других типов, дающие такую же освещенность.

Изучение особенностей зрительного восприятия в последние десятилетия позволило значительно улучшить условия работы и учебы.

Так, было установлено, что поверхность письменного стола должна быть светлой, чтобы она не слишком сильно отличалась от страниц книг и тетрадей, поскольку чрезмерный контраст вызывает утомление глаз. Вот почему сегодня поверхности парт и школьных столов делают светлыми. А ведь всего несколько десятилетий назад почти все парты в школах были черными!

Итоги:

• Свет — разновидность электромагнитного излучения. Он имеет свойства как волн, так и частиц. Скорость света составляет около 300 000 км/с.
• Свет освещает и нагревает, а также может вызывать химические реакции и электрический ток.
• Нагретые тела, излучающие свет, называют тепловыми источниками света, а тела, которые светятся при температуре, близкой к комнатной, называют холодными источниками света.
• Источники света, созданные природой, называют естественными, а источники света, созданные человеком, — искусственными.
• Луч света — это линия, вдоль которой распространяется свет. Раздел оптики, который изучает ход лучей света, называют геометрической оптикой.
• Источник света, размерами которого при данных условиях можно пренебречь, называют точечным источником света.
• В пустоте (вакууме) или однородной среде свет распространяется прямолинейно.
• Частично освещенную область (плоскости или пространства) называют полутенью.
• Солнечные затемнения происходят, когда Луна оказывается между Солнцем и Землей и отбрасывает на поверхность Земли тень и полутень.
• Законы отражения света: 1) отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к зеркалу, восставленным в точке падения луча; 2) угол отражения равен углу падения.
• Мнимое изображение предмета в зеркале и сам предмет расположены по разные стороны от зеркала на одной прямой, перпендикулярной к плоскости зеркала, и на одинаковых расстояниях от зеркала. Размер изображения предмета в зеркале равен размеру самого предмета.
• Законы преломления света: 1) преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восставленным в точке падения луча; 2) отношение синуса угла падения к синусу угла šina преломления для двух данных сред постоянно: . Величину называют относительным показателем преломления этих двух сред.
• Линзы, которые посредине толще, чем у краев, называют выпуклыми, а линзы, которые посредине тоньше, чем у краев, — вогнутыми.
• Линзу, которая превращает параллельный пучок лучей в сходящийся, называют собирающей, а линзу, которая превращает параллельный пучок лучей в расходящийся, — рассеивающей. Стеклянные выпуклые линзы — собирающие, а вогнутые — рассеивающие.
• Расстояние от плоскости линзы до ее фокуса называют фокусным расстоянием линзы и обозначают . Оптической силой линзы называют величину , обратную фокусному расстоянию линзы: .
• Формула тонкой линзы: .
• Роль собирающей линзы в глазу выполняют роговица и хрусталик.
• Дальнозоркость исправляют с помощью очков с собирающими линзами, близорукость — с помощью очков с рассеивающими линзами.
• Белый свет является составным, то есть смесью всех цветов радуги.
• Дисперсией света называют зависимость показателя преломления света от его цвета.
• Свечение источника характеризуют силой света. Единица силы света — кандела (кд).
• Освещенность прямо пропорциональна силе света источника света и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника: .