Свет и волны в воде

В двух предыдущих разделах мы исследовали волны, которые образуются на поверхности воды, и звуковые волны.

Теперь рассмотрим другой вид волн — световые.

Нальем в ванну воду так, чтобы ее глубина составляла около 10 см. Закроем кран и подождем несколько минут, пока вода успокоится. Посмотрев вниз, мы увидим свое зеркальное изображение, довольно ясное. Сделаем его ярче, поднеся к лицу карманный фонарик. Пошевелим в воде пальцами — изображение исказится, заколышется, а через некоторое время опять вернется к первоначальному виду. Взболтаем воду сильнее. На этот раз изображение может и вовсе исчезнуть.

Свет и волны в воде

Почему поверхность воды создает зеркальное изображение? Почему оно не такое четкое, как в обычном зеркале? Почему карманный фонарик у лица делает его ярче? Почему изображение исчезает, когда поверхность воды становится неровной? Лучше всего, прежде чем отвечать на эти вопросы, погасить свет в ванной комнате и направить карманный фонарик на поверхность воды. Желательно, чтобы пучок света был бы как можно более узким, поэтому наденьте на фонарик картонную трубку или трубку из скатанных и склеенных листов бумаги. Тогда пучок света почти не будет расходиться (будет параллельным). Направим его на поверхность воды и посмотрим, что из этого получится. Сначала держите фонарик наклонно. Отражается ли хотя бы часть света от поверхности воды Существует несколько способов проверить это. Один из них — увидеть пятно света на стене возле ванны. Если в воздухе есть пылинки, то иногда можно даже увидеть отраженный пучок света. Вы можете создать искусственную запыленность воздуха — например, рассыпать немного порошка талька над пучком. Можно сжечь кусок бумаги, создав немного дыма на пути отраженного пучка. Частички, взвешенные в воздухе, рассеивают свет и делают пучок видимым.

Попробуйте также поднести руку к световому пятну, туда, где пучок от фонарика падает на поверхность воды. Можно поймать яркое пятно, которое укажет, в каком направлении отражается свет. Медленно поднимайте руку и следите за пучком вплоть до пятна на стене.

Посмотрим, под каким углом свет падает на поверхность воды и под каким отражается от нее. Для этой цели больше всего подходит способ наблюдения с помощью порошка талька или дыма. Что вы можете сказать относительно углов, под которыми луч падает на воду и отражается от ее поверхности?

В двух предыдущих разделах мы исследовали волны, которые образуются на поверхности воды, и звуковые волны.

Теперь рассмотрим другой вид волн — световые.

Нальем в ванну воду так, чтобы ее глубина составляла около 10 см. Закроем кран и подождем несколько минут, пока вода успокоится. Посмотрев вниз, мы увидим свое зеркальное изображение, довольно ясное. Сделаем его ярче, поднеся к лицу карманный фонарик. Пошевелим в воде пальцами — изображение исказится, заколышется, а через некоторое время опять вернется к первоначальному виду. Взболтаем воду сильнее. На этот раз изображение может и вовсе исчезнуть.

Свет и волны в воде

Почему поверхность воды создает зеркальное изображение? Почему оно не такое четкое, как в обычном зеркале? Почему карманный фонарик у лица делает его ярче? Почему изображение исчезает, когда поверхность воды становится неровной? Лучше всего, прежде чем отвечать на эти вопросы, погасить свет в ванной комнате и направить карманный фонарик на поверхность воды. Желательно, чтобы пучок света был бы как можно более узким, поэтому наденьте на фонарик картонную трубку или трубку из скатанных и склеенных листов бумаги. Тогда пучок света почти не будет расходиться (будет параллельным). Направим его на поверхность воды и посмотрим, что из этого получится. Сначала держите фонарик наклонно. Отражается ли хотя бы часть света от поверхности воды Существует несколько способов проверить это. Один из них — увидеть пятно света на стене возле ванны. Если в воздухе есть пылинки, то иногда можно даже увидеть отраженный пучок света. Вы можете создать искусственную запыленность воздуха — например, рассыпать немного порошка талька над пучком. Можно сжечь кусок бумаги, создав немного дыма на пути отраженного пучка. Частички, взвешенные в воздухе, рассеивают свет и делают пучок видимым.

См. также:  Силы и движение в воде

Попробуйте также поднести руку к световому пятну, туда, где пучок от фонарика падает на поверхность воды. Можно поймать яркое пятно, которое укажет, в каком направлении отражается свет. Медленно поднимайте руку и следите за пучком вплоть до пятна на стене.

Посмотрим, под каким углом свет падает на поверхность воды и под каким отражается от нее. Для этой цели больше всего подходит способ наблюдения с помощью порошка талька или дыма. Что вы можете сказать относительно углов, под которыми луч падает на воду и отражается от ее поверхности Вы должны согласиться, что они равны. Попробуйте изменить наклон Луча. Посмотрим, изменился ли угол отражения. Некоторые типичные случаи отражения. Если световой луч входит в воду под небольшим углом (а), как бы скользит по воде, отражение происходит под тем же небольшим углом. Когда угол между лучом и поверхностью воды больше (б), то и отражается луч под большим углом. Если же пучок падает вниз почти вертикально (в), отражение происходит тоже почти вертикально.

Теперь посветим карманным фонариком вниз на воду под таким углом, чтобы на стене образовалось световое пятно, и при этом сделаем поверхность воды неровной, например, поболтаем в ней пальцем. Что произойдет с четким, ярким пятном на стене Оно расширяется, становится размытым и искаженным, колышется.

Множество лучей (узких пучков света) от фонарика падают на поверхность воды под почти одинаковыми углами. Если вода спокойна и ее поверхность ровная, она отразит эти пучки под одинаковыми углами, и пучок отраженного света будет, как и падающий, почти параллельным. Поэтому на стене образуется четкое яркое пятно. Когда мы потревожили воду, ее поверхность начинает колебаться. По-прежнему каждый узкий луч в пучке света будет отражаться под тем же углом, под которым он упал на поверхность воды, но теперь каждый участок поверхности, колеблясь, меняет свою ориентацию. Из-за этого делается переменным угол падения каждого луча в пучке, меняется и угол его отражения. Пятно на стене становится размытым, поскольку у каждого луча свое, отличное от других, место на стене, куда он попадает отражаясь. Пучок света пляшет и расширяется в зависимости от того, насколько взволнована поверхность воды. Таким образом, вы видите, что только гладкая отражающая поверхность может дать четкое изображение. Неровная поверхность размывает изображение.

По какой же причине поверхность воды создает зеркальное изображение? Предположим, человек смотрит в воду, пытаясь увидеть отражение небольшого предмета А. Его глаз В. Допустим, что лучи света от Солнца падают на объект и отражаются от него.

Свет и волны в воде

Большинство предметов не бывают такими гладкими, как поверхность спокойной воды или зеркала. Оказывается, что если на поверхности предмета имеются неровности размером всего 1/10000 см, то этого уже достаточно, чтобы рассеивать свет во всех направлениях. Предположим, что поверхность предмета А имеет такие неровности. В результате какие-то лучи С и D, исходящие от Солнца и отражающиеся от предмета, падают на поверхность воды, а затем попадают в глаз наблюдателя (Е, F). Обратите внимание, что лучи С, D расходятся, двигаясь по направлению к воде. Упав на воду и отразившись от ее поверхности, каждый под своим собственным углом, они продолжают расходиться на пути к глазу. Глаз не может определить, откуда к нему пришли лучи на самом деле. Ему кажется, что они пришли из точки С, лежащей под водой. Другими словами, он видит изображение предмета под поверхностью воды. Чаще всего предметы не такие маленькие (Л). Однако на ход рассуждений это не влияет. Каждый участок большого предмета создает свое собственное изображение. Изображения всех участков склады-ваются в изображение, которое выглядит так же, как и сам предмет. Конечно, чтобы создать такое изображение, нужна очень гладкая поверхность. Лучи должны отражаться от нее так, чтобы у изображения создавалось правильное расположение частей предмета, т. е. чтобы они располагались по отношению друг к другу после отражения так же, как и до него. Это условие прекрасно выполняется на плоской гладкой поверхности. Неровная поверхность разрушает зеркальное изображение, отражая лучи в произвольных направлениях.

См. также:  Некоторая терминология по химии

Любая гладкая поверхность отражает свет, как н спокойная поверхность воды. Большинство зеркал изготовляются из очень гладкого стекла, покрытого тонким слоем хорошо отражающего металла (часто серебра). Хорошо отполированный стол илн натертый пол, оконное стекло тоже дают зеркальное изображение. Блестящий корпус автомобиля тоже даст такое яркое изображение, но поскольку его поверхность изогнута, то изображение будет искаженным.

Почему отражение в воде не такое яркое, как в зеркале? На это есть несколько причин. Осветим карманным фонариком доверху наполненную водой ванну. Весь ли свет отражается Нет, большая часть светового потока проходит через воду и освещает дио ванны. А доля отраженной световой энергии очень невелика — только около 10 %. В зеркале имеет место обратное соотношение: металл, покрывающий обратную сторону стекла, отражает почти весь свет, попадающий на него,— 95%. Поэтому изображение в хорошем зеркале гораздо ярче изображения, создаваемого поверхностью воды.

Вторая причина ослабления яркости изображения заключается в том, что, когда вы смотрите в воду, свет висящей под потолком лампы или солнечный свет из окна падает не прямо в лицо, а освещает его, отражаясь от стен, пола, ванны. При этом лицо плохо освещено, и изображение получается сумрачным. Подсвечивая лицо фонариком, мы получим более яркое изображение, так как часть света фонарика, отразившись от лица, попадет на поверхность воды, а от нее — в наши глаза.

Изгиб прямой палки! Что происходит со светом, который не отразился от поверхности воды в ванне, а прошел в воду? Давайте проделаем следующее: заполним ванну до обычного уровня и опустим в воду немного наклонно прямую палку. Посмотрев на палку, вы убедитесь, что она больше не кажется прямой. Та часть, которая находится под водой, как бы загнута кверху. Чуть-чуть вытянем палку из воды. По-прежнему наружная ее часть совершение прямая, а часть, оставшаяся под водой, загнута кверху Вытащим совсем палку из воды. Она опять окажется прямой. Изогнутость полностью исчезла.

Конечно, ясно, что на самом деле палка не изгибалась и не разгибалась в зависимости от ее положения в воде. Можно попытаться потрогать место изгиба под водой — вы убедитесь, что его попросту не существует. Здесь явно имеет место оптический обман, при котором мы видим то, чего нет на самом деле. Зеркальное изображение тоже ведь по сути обман такого рода. Предметы, которые мы видим за зеркалом, находятся на са-мом деле не там, а совсем в другом месте.

Исследуем это явление подробней. Возьмем фонарик с надетой на него трубкой. Затемним ванную комнату так, как только это возможно. Включим фонарик и направим луч света в воду. Будем теперь наклонять фонарик так, чтобы он светил то вертикально вниз, то почти вдоль поверхности воды. Вы заметите, что пучок света резко изламывается в том месте, в котором он входит в воду. В воздухе он идет совершенно прямо и совершенно прямо идет в толще воды, но на границе воздуха и воды луч изменяет направление, загибаясь вниз.

Вы, должно быть, найдете противоречие в том, что палка в воде казалась изогнутой кверху, а световой пучок — изогнутым книзу. Это различие хорошо видно. Такое кажущееся противоречие легко объяснить, если подробно разобраться в ходе световых лучей.

Прямая палка АВ, какой она является на самом деле. Глаз наблюдателя, расположенный над поверхностью воды, улавливает свет, отраженный от конца палки В. Но этот луч света не идет прямо, он преломляется в точке D и следует по пути BDC, попадая в наш глаз.

Наблюдатель не знает истинного пути светового луча, попавшего в его глаз. Луч входит в глаз по направлению DC, поэтому наблюдателю кажется, что он и до точки 34 D шел по продолжению прямой DC, т. е. что конец палки расположен где-то возле точки Е. Заметим, что точка Е расположена выше, чем точка В, и палка представляется нам изогнутом кверху. Кроме того, палка кажется короче, чем она есть на самом деле. Эти две особенности характерны для любых предметов, погруженных в воду. Подводная часть предмета, не полностью находящегося в воде, кажется более короткой, и все предметы под водой кажутся ближе к поверхности, чем в действительности.

См. также:  Звуки в воде

Занимались ли вы когда-нибудь ловлей рыбы острогой. Если да, то вам, конечно, известно, кг к трудно поймать рыбу. Причина заключается в том, что рыба находится совсем не там, где нам кажется. Если целиться непосредственно в рыбу, острога пройдет слишком высоко. Таким образом, целить-ся нужно ниже, учитывая искривление световых лучей, создающих изображение рыбы в нашем глазу.

Только в одном случае параллельный пучок лучей не будет изгибаться: когда он направлен вертикально, т. е. прямо вниз. Свет входит в воду в этом случае под прямым углом и движется вниз без излома.

Изменение направления светового луча при переходе из одного прозрачного вещества (например, воды или стекла) в другое прозрачное вещество (например, воздух) называется преломлением. Это очень важное свойство световых лучей. На преломлении основано действие всех оптических приборов, в состав которых входят линзы. В основе зрения людей и животных тоже лежит преломление света линзами глаз.

Много интересного можно еще обнаружить, изучай световые лучи в ванной комнате, но пусть это станет целью ваших самостоятельных исследований. Начать вам помогут наши вопросы и задания. 

ЗАДАЧИ

1. Посмотрите в окно в солнечный день. Оконное стекло кажется совсем прозрачным, невидимым. Ночью же в стекле отчетливо видны зеркальные изображения находящихся в комнате предметов.

Наоборот, если вы стоите снаружи и смотрите в комнату через окно, то отражения видны днем, а ночью их не будет. Как вы могли бы это объяснить

 

2. Благодаря большим зеркалам на стенах комната кажется намного просторнее, чем она есть на самом деле. Почему это происходит?

3. Когда вы открываете глаза под водой в чистом озере или бассейне, очертания предметов на дне кажутся вам размытыми. Но если вы воспользуетесь подводной маской с прозрачными стеклами так, чтобы между глазами и стеклами маски был воздух, то все станет видно очень четко. Как это объяснить?

 

САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Скрепите два тонких зеркала, совместив их края, и поставьте зеркала на цветную картинку. Вы сможете увидеть в зеркалах яркие калейдоскопические узоры.

Раздвигая зеркала, наблюдайте за изменениями, про-исходящими с изображениями. Как они образуются?

 

2. Зеркальное изображение обращено по отношению к реальному предмету. Например, если вы, глядя в зеркало, закрываете левый глаз, ваше изображение закрывает правый. Но если вы используете систему двух зеркал, поставленных под прямым углом друг к другу, то обращенное изображение обратится еще раз, и предметы в зеркальной системе будут выглядеть такими, какими они являются на самом деле. Расположите зерката под прямым углом и изучите свое изображение. Правда, странно?

Сумеете ли вы причесаться, глядя на это исправленное изображение

3. Попытайтесь написать на листке бумаги свое имя, наблюдая за рукой в зеркало. Чтобы исключить прямое наблюдение, поставьте между глазами и рукой книгу. Вы обнаружите, что не в состоянии выполнить задуманное. Как это можно объяснить?

4. Сквозь наполненный водой стакан посмотрите на вертикально расположенный за ним карандаш. Подвиньте карандаш влево, затем вправо. По какому пути, как вы видите, двигается карандаш Проделайте это с карандашом, расположенным возле стакана, затем отодвиньте его на расстояние вытянутой руки. Объясните ваши наблюдения.

5 Прочитайте об отражении света в выпуклых и вогнутых линзах и о том, как они образуют изображение. Вы можете исследовать действие таких линз с помощью ненужных очков. В очках для пожилых людей, склонных к дальнозоркости, используются, как правило, выпуклые линзы, в очках для близоруких — вогнутые.