Преломление света. Линза. Цвет

Давайте проведём небольшой эксперимент. Возьмите стакан с водой и опустите туда вертикальную палочку. Затем наклоните её. Вы заметите, что на границе воды и воздуха палочка выглядит сломанной. Это происходит потому, что свет, переходя из одной среды в другую, меняет своё направление.

Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называется преломлением света. Этот эффект можно наблюдать каждый день: когда опускаете ложку в стакан с напитком, заходите в реку, озеро или море.

– Какие законы управляют преломлением света?

Для ответа на этот вопрос проведём такой эксперимент. В центр оптического диска установим полудиск из стекла. Направим на него тонкий луч света. Мы увидим, что часть света отразится от поверхности полудиска, а другая часть пройдёт сквозь него – это и есть преломлённый луч.

Теперь проведём перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча. Угол между этим перпендикуляром и преломлённым лучом называется углом преломления. Сравнивая углы падения и преломления, замечаем, что угол преломления оказывается меньшим, чем угол падения. Увеличиваем угол падения. Видим, что угол преломления также возрастает, однако остаётся меньшим, чем угол падения.

Если теперь заменить стекло водой и направить световой луч под таким же углом, как и раньше, то угол преломления в воде окажется немного большим, чем в стекле. Тем не менее, он все равно останется меньше угла падения.

Разница между углами падения и преломления связана с различной оптической плотностью материалов, которая определяется скоростью распространения света в них. Чем быстрее свет распространяется в среде, тем ниже её оптическая плотность, и наоборот.

Так вот, стекло является более оптически плотной средой по сравнению с водой, а вода – по сравнению с воздухом. Поэтому, когда луч переходит из менее плотной среды в более плотную, угол преломления становится меньше угла падения.

Что произойдёт, если луч перейдёт из воды в воздух? Ответим и на этот вопрос с помощью эксперимента. Возьмём стеклянный сосуд с водой и добавим в неё флуоресцентную жидкость. На дно сосуда поместим плоское зеркало. Затем направим узкий пучок света на поверхность воды под определённым углом. Легко заметить, что при переходе света из воздуха в воду угол падения больше угла преломления. Тогда как при переходе из воды в воздух (из оптически более плотной среды в оптически менее плотную) угол преломления становится больше угла падения.

Данный оптический эффект также объясняет ошибки в оценке глубины водоёма. Из-за преломления света граница воды и дна кажется ближе, чем она есть на самом деле.

Тем не менее, если свет падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, он не испытывает преломления. Конечно, преломления не будет и на границе, разделяющей две среды с одинаковой оптической плотностью.

Для управления световыми пучками существует множество различных устройств, но особняком среди них стоят линзы. Линза – это прозрачное тело, ограниченное криволинейными поверхностями (чаще всего сферическими), либо криволинейной и плоской поверхностями.

Название «линза» происходит от латинского слова lentil, что означает «чечевица». Чечевица – это растение, чьи плоды напоминают короткие, сплюснутые с обоих концов бобы.

Историки утверждают, что линзы использовались ещё в древние времена, на протяжении тысяч лет. Например, линза Нимруда, изготовленная из горного хрусталя и датированная VIII веком до нашей эры, могла применяться как увеличительное или зажигательное стекло.

Линзы классифицируются в зависимости от своей формы на два основных типа: собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные). У собирающих линз середина толще краёв. Поэтому такие линзы часто называют выпуклыми. У рассеивающих линз края толще середины. Поэтому такие линзы называются вогнутыми.

Теперь давайте посмотрим, как линза способна изменять направление падающих на неё лучей. Поместим в центр оптической шайбы двояковыпуклую линзу и направим на неё пучок монохроматического света. Как видно, все лучи пересекаются в одной точке. Это значит, что двояковыпуклая линза собирает преломлённые лучи. Поэтому она и называется собирающей.

Теперь заменим эту линзу на двояковогнутую и повторим эксперимент. Легко заметить, что все лучи, кроме центрального, начинают расходиться. Таким образом, двояковогнутая линза рассеивает параллельный пучок падающих на неё лучей. И именно поэтому она носит название рассеивающей.

Точка пересечения преломлённых линзой лучей, направленных параллельно оси, проходящей через центр линзы, или их продолжений, называется главным фокусом линзы. Он обозначается большой латинской буквой F.

Важно отметить, что у собирающей линзы в фокусе действительно пересекаются сами преломлённые лучи. Тогда как у рассеивающей линзы – лишь их продолжения. Поэтому принято считать, что фокус собирающей линзы является действительным, а у рассеивающей – мнимым.

Теперь проведём небольшой эксперимент. Разместим на столе экран, собирающую линзу и зажжённую свечу, которую установим на расстоянии, превышающем удвоенное фокусное расстояние линзы. Постепенно будем приближать экран к линзе, пока на нем не появится чёткое изображение пламени свечи. Что можно сказать об этом изображении? Во-первых, оно уменьшено. Во-вторых, перевёрнуто. Но самое важное заключается в том, что это изображение реально существует, поскольку на экране концентрируется энергия света. Если разместить чувствительный термометр в области изображения пламени свечи, он зафиксирует незначительное повышение температуры.

Давайте передвинем свечу между главным фокусом и линзой. Посмотрите, в этом положении изображение свечи на экране не появляется, как бы его не перемещали.

Посмотрите на геометрическое построение хода лучей в линзе для этого случая. Видно, что преломлённые линзой лучи расходятся. Однако их продолжения пересекаются. Это создаёт мнимое изображение: увеличенное, прямое и находящееся со стороны объекта. Именно так действует увеличительное стекло, которое используется для рассмотрения мелких деталей.

Теперь давайте поговорим о цвете. Ведь цвет окружающих нас предметов воспринимается нами как нечто само собой разумеющееся. Но многие ли задумываются над тем, что представляет собой цвет? Можно ли считать его неотъемлемым свойством материальных объектов?

Вопросы природы цвета долгое время интересовали художников, поэтов и философов. Чаще всего их размышления касались пропорций смешивания разных цветов, на основании чего создавались различные теории цвета. Одним из первых исследователей этой темы был древнегреческий учёный Аристотель, живший в IV веке до нашей эры. Согласно его теории, солнечный свет считался простым, а все другие цвета получались путём смешивания его с различными количествами тёмного цвета.

Всё изменилось в 1666 году, когда английский физик Исаак Ньютон сделал удивительное открытие, которое детально описал в своём трактате «Оптика»: «Я установил в тёмной комнате у небольшого круглого отверстия диаметром примерно треть дюйма в оконной ставне стеклянную призму, через которую проходил солнечный свет, преломляясь вверх и создавая на противоположной стене комнаты цветное изображение Солнца, состоящее из ряда цветных полос, плавно переходящих одна в другую».

 Продолжая традицию, согласно которой радуга считается состоящей из семи основных цветов, Ньютон также выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый и красный. Полосу цветов, полученную в ходе эксперимента, он назвал спектром (от латинского слова «видение»). Этот простой эксперимент показал, что белый свет на самом деле сложен: после прохождения через призму он распадается на пучки различных цветов.

Ньютон назвал это явление дисперсией света (от латинского слова «рассеяние»), подразумевая зависимость показателя преломления среды от цвета светового луча.

Чтобы показать, что это не призма окрашивает белый свет, Ньютон провёл дополнительные эксперименты, простые, но одновременно гениальные. Сначала он поместил собирающую линзу на пути пучка света, прошедшего через призму. После прохождения через линзу разноцветные лучи снова сходились в одной точке, образуя белый свет. Аналогичный результат давала и вторая призма, повёрнутая на 180° относительно первой. Эти опыты убедительно доказали, что свет обладает сложной структурой.

Несмотря на убедительность экспериментов Ньютона, некоторые учёные продолжали придерживаться взглядов Аристотеля. Среди них был известный немецкий поэт и натуралист Иоганн Гёте, который выразил своё несогласие следующим образом: «Утверждения Ньютона кажутся мне абсурдными. Невозможно представить, что чистый и прозрачный белый цвет является смесью цветных лучей». Гёте полагал, что свет, исследуемый Ньютоном, был «истерзан всевозможными инструментами пытки», что искажало результаты наблюдений.

Как мы уже упоминали, Ньютон использовал собирающую линзу для сложения спектральных цветов в белый свет. Однако добиться такого эффекта можно и проще. Давайте возьмём центробежную машину и укрепим на её валу диск с разноцветными секторами. Когда диск быстро вращается, создаётся иллюзия, что он приобретает белый цвет.

Дисперсия света также помогает объяснить появление радуги на небе после дождя. Солнечный свет, попадающий на мелкие водяные капли, оставшиеся в воздухе, рассеивается. Каждая капля воды действует как миниатюрная призма, разбивая белый свет на цветные составляющие. Когда капли испаряются, все семь цветов радуги вновь объединяются в единый белый свет.

Хотя мы разобрались с природой белого света, всё ещё остаётся неясным, почему наш мир полон стольких разных красок? И почему одни объекты под одним и тем же солнечным светом приобретают разные оттенки?

Чтобы прояснить этот вопрос, получим на экране спектр белого света. Затем возьмём цветную бумажную полоску, например, красного цвета, и закроем ею часть спектра. Обратите внимание, что полоска сохраняет свой красный цвет только в той части спектра, куда попадают красные лучи. В зоне оранжевых лучей полоска меняет оттенок. А в остальных участках спектра она выглядит тёмной. Это свидетельствует о том, что тела с красной окраской преимущественно отражают красные лучи, а остальные поглощают. Точно так же тела синего цвета в основном отражают синие лучи.

Белые объекты, освещаемые дневным светом, равномерно отражают лучи всех цветов, поэтому мы воспринимаем их как белые. Чёрные же тела, напротив, почти полностью поглощают все падающие на них лучи. А разнообразие цветов прозрачных тел зависит от состава того света, который проходит через них.

В заключение стоит упомянуть, что не все животные обладают способностью различать цвета. Например, пустынный муравей способен видеть некоторые цвета лучше, чем человек. Гремучие змеи могут находить добычу даже в полной темноте, улавливая инфракрасные (тепловые) лучи. А вот кальмары вовсе лишены способности различать цвета, хотя сами могут прекрасно маскироваться, меняя цвет своей кожи.