3.1.2. Световые явления

Тема: Преломление света на границе двух сред.

Рассмотрим карандаш в ванне.

Если, купаясь в ванне, захотите немного поиграть, тогда заранее захватите с собой карандаш и понаблюдайте за его тенью на дне ванны. Погрузив карандаш в воду наполовину, увидите, что его тень не имеет ничего общего с ним – она скорее похожа на два стержня со скругленными концами, разделенные светлым промежутком (рис. 3.1). Откуда возник этот светлый промежуток и чем определяется его ширина?

Ответ. Вследствие капиллярных эффектов вода поднимается по карандашу, и ее поверхность вблизи карандаша искривляется. Лучи света преломляются на искривленной поверхности воды так, что на тени карандаша появляется светлый промежуток [7].

Рис. 3.1

Рассмотрим изображение монеты в воде.

Положите монету в прозрачную широкую банку, наполненную водой, и посмотрите сквозь воду под нужным углом – увидите изображение монеты на поверхности воды (рис. 3.2). Если сейчас приложить с обратной стороны банки сухую руку, то это, скорее всего, не повлияет на изображение; а вот если рука будет мокрой, то изображение исчезнет. Почему?

Рис. 3.2

Ответ. В первом случае отражение монеты появляется почти на поверхности воды. Лучи, идущие от монеты, отражаются от стенки сосуда, идут вверх и преломившись на поверхности воды, попадают в глаза. Если к задней стенке приложить ладонь, то отражения от нее не будет. Сухая рука оказывает меньшее влияние, так как рука соприкасается со стеклом в небольшом количестве точек. Но если рука мокрая, пустоты между ладонью и стеклом заполняются водой. Поскольку коэффициент преломления света в воде и стекле примерно одинаковый, такое заполнение пустот водой увеличивает площадь поверхности контакта руки с сосудом практически до 100%. Поэтому большая часть лучей, идущих от монеты и попадающих на этот участок стенки, поглощается (или рассеивается равномерно во все стороны), и изображение монеты исчезает [7].

Тема: Отражение света. Плоское зеркало.

Демонстрация калейдоскопа.

Три зеркальные пластинки, которые установлены так, что они образуют полую зеркальную призму, позволяют создать интересную игрушку – калейдоскоп (с греческого «калейдоскоп: kalas – хороший; eidos – вид; skopeo – смотрю»). Калейдоскоп изобретен был в Англии в 1816 г. и через год-полтора проник уже в Россию, где был встречен с восхищением.

Калейдоскоп – зеркальная призма, которую поместили внутрь бумажной трубки. Один конец этой трубки заклеен картоном с малым отверстием для наблюдений. На другом конце трубки размещается круглая коробочка, в которой внутреннее круглое дно из прозрачного стекла, а второе, которое внешнее, из матового стекла, полученного, например, путем натирания поверхности обычного стекла наждачной бумагой. Внутри этой коробочки находятся обломки цветного стекла, прозрачные кусочки пластмасс, кусочки сухих листьев, цветные птичьи перья и др.

Когда через матовое стекло внутрь калейдоскопа будет попадать световой поток, тогда цветные кусочки, которые в нем находятся, будут многократно отражаться в зеркалах, расположенных под углом друг к другу, и наблюдатель в отверстие для глаза будет видеть причудливый цветной орнамент. Каждое сотрясение коробочки будет вызывать смещение обломков и видимая картина будет меняться, образуя великолепное зрелище.

Долго калейдоскоп оставался не более чем любопытной игрушкой и только в наши дни получил полезное применение для составления узоров. Бесконечно разнообразные, вечно меняющиеся узоры калейдоскопа давно интересуют декораторов-художников, фантазия которых не может соперничать с неистощимой изобретательностью этого прибора. Калейдоскоп создает подчас узоры поразительной красоты, могущие служить прекрасными мотивами для орнаментов на обоях, для узоров на различных тканях и т.п. Изобретен прибор, с помощью которого можно фотографировать калейдоскопические узоры и, таким образом, механически придумывать всевозможные орнаменты.

Простой калейдоскоп, который описан выше, имеет недостаток: им может пользоваться только один человек. Если собрать оптическую систему по схеме, которая изображена на рис. 3.3, то можно получить на экране, стене или потолке увеличенное изображение различных узоров и орнаментов. Три плоских зеркала размером 400х60 мм соединяются в трехгранную призму, зеркальные поверхности повернуты внутрь призмы. Снаружи призма оклеена плотной бумагой, соединяющей зеркала.

Рис. 3.3

С одной стороны от призмы устанавливается камера, которая состоит из двух стеклянных дисков диаметром 75 мм. Один диск должен быть изготовлен из матового или молочного стекла, а другой – из прозрачного стекла. Диски жестко соединяются с цилиндрической оправой, которая имеет ширину порядка 15 мм и сделана из металла, а между дисками размещают кусочки цветных шелковых нитей, птичьи перья, бусинки, цветные палочки и т. п. После этого камера (кювета) закрепляется так, чтобы она могла вращаться от электродвигателя, и размещается между зеркальной призмой и конденсором, причем к последнему повернута сторона с матовым стеклом, а к зеркальной призме – прозрачным. Левее конденсора (рис. 3.3) размещается кинопроекторная лампа (300 – 500 Вт), чтобы конденсор обеспечивал сильное и равномерное освещение матового стекла камеры. Справа от зеркальной призмы располагается проекционный объектив, и если предполагается получить изображение на потолке или боковой стене, то еще и плоское зеркало. Цветные узоры, которые быстро перемещаются, могут быть получены в результате медленного вращения одной лишь камеры с цветным стеклом – ее оправа закрепляется между тремя роликами, которые вращаются, один из которых может приводиться во вращение, например, с помощью патефонного моторчика.

Скорость вращения камеры не должна быть больше 1 – 2 об / мин. Вероятность появления однотипных картинок будет очень мала, а частота смены картинок будет зависеть от скорости вращения камеры и легкости перемещения кусочков стекла внутри ее [8].

Демонстрация стробоскопического эффекта.

Волчок, который вращается, перед экраном телевизора. Если в темной комнате перед экраном телевизора, изображение на котором сохраняется неизменным, запустить плоский волчок с узором на верхней поверхности, то на волчке возникнут головокружительные картинки. Без сомнения, они обусловлены узором на поверхности волчка, но причем тут свет телевизионного экрана?

Ответ. Экран телевизора освещен не всегда, так как электронный луч последовательно создает на экране строчку за строчкой. Такой мигающий свет может служить стробоскопическим освещением для вращающегося волчка. Поэтому вы увидите на волчке или застывший узор или узор, который движется в ту или иную сторону (в зависимости от отношения частоты телевизионной развертки к угловой скорости вращения волчка).