Как образуются тени?

С самой ранней эпохи, ещё до древних греков, когда, как об этом говорит легенда, Аполлон разъезжал в огненной колеснице по небу, и до наших дней, когда центры крупных городов утопают в сиянии огней, свет очаровывал человека, и в то же время представлялся ему неразрешимой загадкой. Ничто в природе не было так неуловимо, ни один секрет свой природа не охраняла так тщательно, как секрет о том, что же представляет собой свет в действительности.

Например, древние греки считали свет особым веществом, истекающим из глаз. Согласно этим представлениям, человек видит тела, прощупывая их направленным потоком этого вещества. Но тогда почему ночью человек не может видеть? Ответить на этот вопрос было невозможно.

В конце XVII века были выдвинуты две различные гипотезы о том, что же такое свет. Одни учёные считали, что свет — это поток частиц, другие — что свет — это волна.

Кто из них оказался прав? Все. Оказалось, что в одних случаях свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул). В других — как волна. Более подробно об этих теориях вы познакомитесь в старших классах. Мы же с вами пока рассмотрим самые простые и очевидные световые явления.

Все вы знаете, что свет, идущий к нам от Солнца, нагревает тела, на которые он падает. Значит, свет способен передавать энергию. Мы уже знаем, что одним из видов теплопередачи является излучение, в котором перенос энергии возможен в вакууме. Следовательно, свет — это излучение, но только та его часть, которая воспринимается нашим глазом. Поэтому свет ещё называют видимым излучением.

Все тела, излучающие свет, называются источниками света. К ним относятся Солнце и другие звёзды, зажжённые свечи, лампочки, костры. Это тепловые источники света.

Источниками света являются различные светящиеся организмы: рачки, рыбы жуки, грибы. Их называют источниками холодного свечения.

Кроме того, источники света делятся на две большие группы: естественные и искусственные.

К естественным источникам света относятся Солнце и другие звёзды, атмосферные разряды. Естественными источниками света также являются и различные светящиеся организмы: рачки, рыбы, жуки и грибы. К искусственным источникам света можно отнести электрические лампочки, свечи и так далее.

А теперь проведём небольшой опыт. Растворим в воде немного флуоресцеина и пропустим через раствор пучок белого света. Как видим, раствор стал светиться зелёным светом.

Так вот, вещества, которые становятся источниками света только после того, как через них пропустят свет, называются фотолюминофорами. А их свечение называют фотолюминесценцией.

Способность веществ светиться при их облучении используют, например, в рекламе. В новогоднюю ночь вы наблюдали, как светятся ёлочные игрушки, покрытые такими веществами. Дорожные знаки, в краску которых добавлен люминофор, при облучении светом фар светятся и хорошо видны водителю. Это делает движение па дороге безопасным.

Уникальным источником света является лазер, нашедший эффективное практическое применение в телевидении, связи, медицине, машино- и приборостроении, метрологии. Именно лазер позволил ответить на вопрос: «Сколько сантиметров (заметьте, не километров, а сантиметров) от Земли до Луны?».

Большинство видимых нами тел не излучают, а отражают падающий на них свет. Такими телами являются Луна, деревья, здания, люди и так далее.

Источники излучения могут давать и невидимые лучи. Все вы, конечно, слышали об ультрафиолетовых лучах. Невидимыми лучами — инфракрасными — переносится энергия от тела к телу при теплопередаче излучением.

Однако мы с вами пока будем рассматривать лишь видимое излучение источников света. Это белый свет и составляющие его цвета от красного до фиолетового.

Если размерами источника света в данных условиях можно пренебречь, то мы его будем называть точечным. Точечными источниками света для нас, например, являются звезды, лампы уличного освещения и другие.

А теперь давайте соберём небольшую электрическую цепь, нагрузкой в которой будет служить небольшая лампочка на подставке. Не трудно заметить, что любой точечный источник излучает свет по всем направлениям.

А теперь наденем на горящую электрическую лампочку колпак, имеющий небольшое отверстие. Из отверстия выходит узкий пучок света. Световым пучком называется область пространства, в пределах которой распространяется свет.

Различают три вида светового пучка: расходящийся, параллельный и сходящийся.

Как показывает опыт, световые пучки являются независимыми: каждый световой пучок при взаимном пересечении ведёт себя самостоятельно, независимо от других пучков и не оказывает никакого влияния на другие пучки света.

Линия, вдоль которой распространяется свет, называется световым лучом. И чем меньше отверстие, тем в большей степени пучок света можно моделировать лучом.

— А как распространяется свет?

Ответим на вопрос с помощью опыта. Поставим на столе три экрана с отверстиями. Зажжём свечу или электрическую лампочку и попытаемся, перемещая экраны, увидеть свет через отверстия в них.

Затем возьмём тонкий прямой стержень и вставим его в отверстия. Как видим, стержень проходит через все отверстия. Значит, они расположены на одной прямой.

Уберём стержень. А теперь сместим один экран. Свет в глаз больше не попадает. Это говорит о том, что в воздухе свет распространяется прямолинейно.

— А если взять другую среду, например воду, то как в ней будет распространяться свет?

И опять обратимся к опыту. В стеклянный сосуд нальём воду и добавим немного молока. Фонарь или лазерную указку, от которых идёт узкий пучок света, поднесём к стенке сосуда.

В воде мы видим прямую светящуюся линию. Она образована светом, отражённым от частичек молока. Значит, и в воде свет распространяется прямолинейно. И воздух, и вода имеют по всему объёму одинаковые физические свойства, поэтому являются однородными средами.

Теперь можно сформулировать закон распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно.

Закон прямолинейного распространения света был открыт в глубокой древности. Об этом ещё за 300 лет до нашей эры писал отец геометрии Евклид.

А, например, древние египтяне использовали этот закон для установления колонн вдоль прямой линии. Для этого они ставили колонны таким образом, чтобы из-за ближайшей к глазу колонны не было видно остальные.

— А если среда неоднородна?

Тогда этот закон выполняется только в случае, когда световой луч падает перпендикулярно к поверхности среды. Во всех других случаях при переходе из одной среды в другую свет меняет своё направление.

Прямолинейностью распространения света объясняются многие явления, например образование тени и полутени. Возьмём миниатюрную электрическую лампочку, мячик на подставке и экран. Расположим их так, как показано на экране. Включив лампочку, мы увидим на экране чётко очерченную тень.

Таким образом, тенью называют ту часть пространства за непроницаемым предметом, куда не проникает свет.

А теперь осветим мячик двумя лампочками. На экране мы увидим тень, то есть область, куда не попадает свет ни от одной лампочки, и полутени, то есть области, в которые попадает свет только от одной лампочки. Тень и полутень можно получить и от одного источника, если он не является точечным.

Таким образом, полутень — это та область пространства, в которую попадает свет от части источника света.

Конечно, каждый из вас может привести сотни примеров того, когда мы сталкиваемся с образованием тени или полутени в повседневной жизни. Мы же обратим внимание, на не совсем повседневные, но интересные явления. Образованием тени и полутени можно объяснить солнечные и лунные затмения.

Солнечным затмением называют покрытие Солнца Луной. Происходит оно потому, что угловые размеры дисков Солнца и Луны для наблюдателя с Земли кажутся одинаковыми. Объясняется это тем, что диаметр Луны примерно в 400 раз меньше диаметра Солнца. Но в то же время она в 400 раз ближе к Земле. Это приводит к тому, что Луна может полностью покрыть яркую поверхность Солнца, оставив при этом видимой лишь его атмосферу.

— Что же происходит при солнечных затмениях?

Все мы прекрасно знаем, что Земля вращается вокруг Солнца, а Луна — вокруг Земли. Это значит, что в определённые моменты, Солнце, Луна и Земля могут выстроиться на одной прямой. Солнечные затмения образуются, когда Луна оказывается между Солнцем и Землёй на одной прямой. В этот момент она на время закрывает Солнце, отбрасывая тень на Землю. Но маленькая Луна не может полностью затенить Землю. Поэтому только жители той местности, куда упадёт тень от Луны, окажутся свидетелями полного солнечного затмения. В тех же областях, куда свет будет попадать частично жители будут видеть ту часть Солнца, от которой в данную область попадает свет — это частное солнечное затмение.

 В некоторых случаях жители Земли могут наблюдать и кольцеобразное солнечное затмение. Оно возникает тогда, когда Луна, из-за эллиптичности своей орбиты, находиться на значительном удалении от Земли. В этом случае диск Луны оказывается слишком маленьким, чтобы полностью закрыть собой Солнце. Интересно, что в одном и том же месте Земли полное солнечное затмение, как правило, наблюдается очень редко — примерно раз в 200—300 лет.

Иногда, в моменты полнолуний, может случиться и так, что Луна полностью или частично попадёт в тень Земли. Тогда происходит лунное затмение. При частичном погружении Луны в земную тень лунное затмение называется частным теневым, а при полном погружении — полным теневым затмением. При полном лунном затмении мы, чаще всего, можем наблюдать Луну бурого или красно-тёмного цвета.

Лунные затмения видны со всего ночного полушария Земли, где в это время Луна находится над горизонтом. Поэтому в каждой данной местности они наблюдаются чаще солнечных затмений, хотя происходят в среднем в полтора раза реже.

В заключение отметим, что ничто в природе не было так неуловимо, ни один свой секрет природа не охраняла так тщательно, как секрет о том, что такое свет. Не случайно свет часто называли самым темным пятном в физике.