Может ли свет ломаться?

Итак, вам уже известно, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Но если пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, то часть его отражается и возвращается в первоначальную среду. Это явление мы называем отражением света.

Однако, свет, падая на границу раздела двух сред, не только отражается от неё, но и частично проходит во вторую среду и распространяется в ней. И сегодня мы с вами рассмотрим это явление более подробно.

Для начала проведём такой опыт. Возьмём стакан с водой, опустим в него карандаш так, чтобы он был расположен вертикально. Теперь изменим угол его наклона. Не трудно заметить, что на границе воды и воздуха карандаш кажется переломлённым. Это объясняется тем, что световой пучок при переходе из одной среды в другую изменяет направление распространения.

Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света. Преломление света вы можете наблюдать, когда опускаете ложку в стакан с чаем, входите в воду в реке или в море.

— А каким законам подчиняется преломление света?

Рассмотрим опыт. В центре оптического диска закрепим стеклянный полудиск. Направим на него узкий пучок света. Как видим, часть света отразилась от полудиска А часть света проникла через него. Этот луч света называется преломлённым лучом.

Проведём перпендикуляр к границе раздела двух сред в точке падения луча.

Угол между перпендикуляром, проведённым в точку падения к границе раздела двух сред, и преломлённым лучом называется углом преломления.

Сравнив углы падения и преломления, мы видим, что угол преломления меньше угла падения. Увеличим угол падения. Угол преломления тоже увеличивается, но он по-прежнему меньше угла падения.

Если стекло заменить водой и пустить световой луч под тем же углом, что и на стеклянный полудиск, то угол преломления в воде будет несколько больше, чем в стекле. Н всё равно он будет меньше угла падения.

Различие углов падения и преломления обусловлено тем, что стекло, вода и воздух имеют разную оптическую плотность. Оптическая плотность среды характеризуется скоростью распространения света в ней: чем больше скорость распространения света в среде, тем меньше её оптическая плотность, и наоборот.

Сравним скорости света в воздухе, воде и стекле.

υ_возд > υ_в > υ_ст.

Как видим, стекло оптически более плотная среда, чем вода, а вода — чем воздух. Следовательно, при переходе луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду угол преломления меньше угла падения.

— А если луч переходит из воды в воздух?

Ответим на этот вопрос с помощью опыта. Возьмём стеклянный сосуд с водой и флюоресцирующей жидкостью.

На дно сосуда положим плоское зеркало. Теперь на поверхность воды под некоторым углом к ней направим узкий пучок света. Нетрудно заметить, при переходе света из воздуха в воду угол падения больше угла преломления, а при переходе из воды в воздух угол падения меньше угла преломления.

Однако, когда луч падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, он не испытывает преломления. Разумеется, что не будет преломления и на границе, разделяющей две среды с одинаковой оптической плотностью.

В 1666 году английский физик Исаак Ньютон, изучая явление преломления света, проходящего через стеклянную призму, открыл одно очень удивительное явление.

В один из солнечных дней он направил узкий пучок солнечного света, образованного малым отверстием в ставне, на грань стеклянной призмы, установленной в затемнённой комнате. При этом на экране появилось удлинённое изображение щели, состоящее из ряда цветных полос семи основных цветов, плавно переходящих друг в друга. Получившуюся полоску Ньютон назвал спектром (от латинского видение). А сам опыт показал, что белый свет является сложным: пройдя через призму, он разлагается на пучки различных цветов.

Следующие опыты Ньютона были посвящены изучению влияния вещества призмы на характер окрашивания светового пучка. Для этого он закрывал отверстие в ставне стёклами различных цветов. При этом он наблюдал соответствующие цветные пятна на стене. Это означало, что призма не может влиять на цвет светового пучка.

В своём фундаментальном трактате «Оптика» Ньютон написал: «световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости. В наибольшей степени преломляются фиолетовые пучки, в наименьшей красные».

А зависимость показателя преломления среды от цвета световых лучей Ньютон назвал дисперсией света (от латинского слово ‘рассеяние’).

Фиолетовый и красный лучи, выделенные Ньютоном в опыте, при прохождении через призму не разлагались в спектр. Это говорило о том, что цветные лучи являются простыми или, как их ещё называют, монохроматическими.

Отметим, что дисперсией света также объясняется и такое явление, как радуга на небосклоне после дождя. Дело в том, что простой солнечный свет рассеивается на мелких капельках воды, которые остались в воздухе после дождя. Каждая капелька воды в воздухе выполняет роль крохотной призмы, которая «дробит» белый свет на цветные пучки. Когда из воздуха исчезают капли воды, все семь цветов радуги снова сливаются в один белый свет.

Кроме призм для управления пучками света существуют и другие устройства, среди которых особое место занимают линзы.

Линза — это прозрачное тело, ограниченное криволинейными (чаще всего сферическими) или криволинейной и плоской поверхностями.

Слово линза с латинского переводится, как ‘чечевица’. А чечевица — это растение, плоды которого выглядят как короткие, приплюснутые с обеих сторон бобы.

Некоторые учёные утверждают, что археологические свидетельства указывают на широкое использование линз в древности на протяжении нескольких тысячелетий. Так называемая линза Нимруда — артефакт из горного хрусталя, датируемый VIII веком до нашей эры, — возможно, использовалась в качестве увеличительного или зажигательного стекла либо предназначалась для других целей.

В зависимости от форм различают линзы собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные). К группе собирающих линз обычно относят линзы, у которых середина толще краёв (их ещё называют выпуклыми линзами), а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины (вогнутые линзы).

Теперь посмотрим, как с помощью линзы можно изменить направление падающих на неё лучей. Для этого поместим в центр оптической шайбы двояковыпуклую линзу и направим на неё луч света вдоль главной оптической оси. Как видим, луч прошёл через линзу без преломления. Если направить луч света через оптический центр под некоторым углом к главной оптической оси, то он также не изменит своего первоначального направления. Следовательно, луч света проходит через оптический центр линзы без преломления.

Теперь направим на линзу пучок света, лучи которого параллельны главной оптической оси. Как видим, они пересеклись в одной точке, лежащей на главной оптической оси. Значит, двояковыпуклая линза собирает преломлённые лучи. Поэтому такая линза и называется собирающей.

Заменим линзу на двоя́ково́гнутую и повторим эксперимент. Не трудно заметить, что все лучи, кроме центрального, расходятся. Значит, двояковогнутая линза рассеивает параллельный пучок падающих на неё лучей. Поэтому такую линзу и принято называть рассеивающей.

Точка, в которой пересекаются преломлённые линзой лучи, падающие параллельно главной оптической оси, или их продолжения, называется главным фокусом линзы. Обозначается он большой латинской буквой F.

Главных фокусов у линзы два — передний и задний. Это обусловлено тем, что лучи света можно пустить как с одной, так и с другой стороны линзы. Оба фокуса лежат на главной оптической оси симметрично относительно оптического центра

Обратите внимание, что у собирающей линзы в фокусе пересекаются сами преломлённые лучи, а у рассеивающей линзы — их продолжения. Поэтому условились считать фокус собирающей линзы действительным, а рассеивающей — мнимым.

Теперь проведём небольшой опыт. На столе расположим экран, собирающую линзу и зажжённую свечу, удалённую от линзы на расстояние, большее, чем удвоенное фокусное расстояние линзы. Будем передвигать экран в направлении к линзе до тех пор, пока на экране не увидим чёткое изображение пламени свечи. Что мы можем сказать об этом изображении? Во-первых, оно уменьшенное. Во-вторых, — перевёрнутое.

Но самое главное в том, что это изображение реально существует, так как на экране концентрируется энергия света. Если поместить чувствительный термометр в изображение пламени свечи, то он покажет небольшое повышение температуры.

Продолжим опыт. Поставим свечу на расстоянии, равному двойному фокусному. Перемещая экран, мы со временем увидим на нём действительное, перевёрнутое изображение пламени свечи, размер которого будет равен размеру пламени самой свечи.

Передвинем свечу так, чтобы она находилась между первым и вторым фокусом линзы (F < d < 2F). После небольших манипуляций с экраном мы сможем увидеть на нём действительное, перевёрнутое, увеличенное изображение пламени свечи.

Теперь передвинем нашу свечу так, чтобы она находилась в главном фокусе линзы. Как бы мы теперь ни перемещали экран, изображения пламени свечи мы не увидим — изображения нет. И действительно, если мы построим ход лучей для этого случая, то увидим, что преломлённые линзой лучи не пересекаются, как и не пересекаются их продолжения. Следовательно, изображения в этом случае действительно отсутствует.

И, наконец, поставим свечу между главным фокусом и линзой. Изображения свечи и в этом случае не видно. Давайте построим ход лучей в линзе для этого случая.

Как видим, преломлённые лучи расходятся. Но вот их продолжения пересекаются. Поэтому изображение предмета будет мнимым, увеличенным, прямым и находиться со стороны изображаемого предмета. Именно так и работает увеличительное стекло, используемое людьми для рассмотрения мелких объектов.

Итак, все законы физики гласят, что свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Однако, при экстремальных условиях (например, при больших колебаниях температуры воздуха вблизи поверхности земли), закон не действует. А что же происходит? Лучи просто-напросто при таких разностях температур начинают преломляться. А у самой земли вообще начинают отражаться, при этом создавая иллюзии, которые мы привыкли называть миражами. То есть воздух у самой поверхности становится зеркалом.

Миражи делят на нижние, видимые под объектом, верхние, видимые над объектом и боковые.

Нижний мираж наблюдается при большом падении температуры с высотой над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или асфальтированной дорогой.

При этом мнимое изображение неба создаёт иллюзию воды на поверхности.

Верхний мираж наблюдается над холодной земной поверхностью при повышении температуры воздуха с увеличением высоты. Верхние миражи наиболее распространены в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой.

Возможно, благодаря этому эффекту, получившему название хиллингар, первые поселенцы Исландии узнали о существовании Гренландии.

Боковые миражи могут возникать как отражение от нагретой отвесной стены.

А кто из вас слышал легенду о «летучем голландце»? Согласно морским мифам, капитан корабля-призрака навеки осуждён скитаться по морским просторам, нигде не причаливая. А встреча с мистическим кораблём всегда знаменовала несчастья и кораблекрушение.

Почти все истории о нём звучали приблизительно одинаково — призрачное судно плыло прямо на них, не отвечало на сигналы и крики, а потом неожиданно пропадало в тумане.

На самом деле, команда корабля видела перед собой проекцию кораблей, что находились в это время на огромном расстоянии от них. Этот мираж называется фантомом дальнего видения.