Физика без формул - Александр Леонович

Всю свою дальнейшую жизнь человек будет ориентироваться в пространстве, воспринимать мир, будто ощупывая его глазами, то есть — улавливая отовсюду свет. Заметьте, как заботливо наш язык отразил все, что связано со зрением: «береги, как зеницу ока», «не в бровь, а в глаз», «видит око, да зуб неймет», «искры из глаз посыпались», «свет очей моих»…

Последнее выражение, кстати, говорит о том, что в свое время люди представляли свет исходящим из глаз, словно щупальца. Однако теперь наши знания о свете стали не только чуть более верными, но и такими необозримыми, что составляют не одну, а несколько наук.

Объединяет их одно название — оптика. В ней можно получить ответы на тысячи вопросов — о том, как видит глаз, как устроен фотоаппарат, как работают микроскопы и телескопы, как светят звезды и планеты, как, куда и зачем бежит сам свет.

А для начала давайте поглядим вокруг себя и всмотримся хотя бы в собственную тень…

Можно ли загородиться от солнечного света? Конечно, — нет ничего проще. Например, прикрыть глаза ладошкой или раскрыть зонтик над головой. А что мы делаем с вами в этих случаях? Между Солнцем и нашим глазом мы ставим препятствие. И тогда солнечные лучики либо отражаются от него, либо поглощаются им и в наш глаз не попадают.

Значит, свет бежит к нам от Солнца по прямой линии? Выходит, так, и это легко проверить, скажем, в таком опыте. Давайте определим, насколько высоко Солнце поднялось над горизонтом. Поставим для этого на ровной асфальтовой или земляной площадке вертикальную палочку — ну, например, линейку или кусок металлической трубы. В ясный день Солнце заставит нашу палочку отбросить тень. Понятно, что чем выше Солнце, тем тень у палочки короче. Этот, пусть очень простой, прибор весьма строго указывает на высоту Солнца, и даже позволяет провести довольно точные расчеты.

Кстати, вы, наверное, догадались, на что еще похож наш прибор. Ведь тень от палочки меняет не только свою длину, но и направление. Поэтому в течение светового дня мы можем отметить различное положение тени и связать это со временем суток. Вот вам и солнечные часы.

Закрыли Солнце тучи, затянуло небо облаками. Будут ли теперь работать наши часы? Конечно, тень от палочки размывается, а в совсем пасмурный день будто исчезает. Такое можно наблюдать вечерами на открытых стадионах, когда игра на поле идет при искусственном освещении. Прожекторы светят на спортсменов со всех сторон, и их тени как бы скрадываются.

Теперь мы можем сказать, что действие нашего прибора объясняется прямолинейным распространением света. А чтобы он давал четкие показания, как и солнечные часы, нужно, чтобы свет падал только с одной стороны.

Читали ли вы фантастический роман Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина»? В нем шла речь о зеркальном устройстве, способном концентрировать световые лучи и направлять их мощным пучком так, что он мог прожечь металл. К сожалению, со временем выяснилось, что если бы такой прибор был построен, он не производил бы подобного эффекта. В замысел писателя вкралась физическая ошибка.

Однако свойство изогнутых зеркал концентрировать, фокусировать, пусть не до такой степени, световые лучи, широко используется. Например, если из сферического зеркала изготовить так называемую солнечную печь, то она, собирая лучи, сможет ими нагревать вещества до высокой температуры, скажем, кипятить воду. А телескоп? Разве он не собирает с большой площади своего глаза-объектива «урожай» световых лучей от далекой-далекой звезды? Фокусируя их с помощью вогнутого зеркала, он усиливает светимость звезды и позволяет нам ее разглядеть.

Или, наоборот, если в фокусе подобного зеркала разместить источник света, к примеру, свечу или лампочку, то их лучи, отразившись от зеркала, выйдут из него ровным и мощным пучком. Ну-ка, вспомните, где это применяется? Верно, в карманных фонариках, в прожекторах электричек и стадионов, на маяках, в фарах автомобилей.

А если направить лучи не на вогнутую, а на выпуклую сторону зеркала? Легко догадаться, что тогда лучи будут не собираться вместе, а, напротив, рассеиваться. Какой при этом получается эффект, вы можете обнаружить, если посмотритесь в блестящий выпуклый бок самовара или в зеркальный новогодний шарик.

Выпуклые зеркала, используемые водителями, позволяют расширить, как говорят, сектор обзора — в них видно больше предметов. А, может, вам попадались такие зеркала на перронах станций метро у головного вагона?

Не замечали ли вы одно занятное явление? Осень, с деревьев опала листва. Прошел дождь, сгустились сумерки, зажглись уличные фонари. И вот если вы посмотрите на какой-нибудь из них сквозь дерево с мокрыми голыми ветками, то увидите интересную картину. Фонарь словно окружен светящимися ломаными кольцами.

Еще одно наблюдение. В лунную ночь на тихой глади реки или озера мы увидим отражение нашей спутницы, похожее на пятно — как в плоском зеркале. Но если по воде побежит рябь или начнется волнение, то отражение Луны растянется в длинную световую дорожку. Отчего это происходит?

Два разных случая имеют одно объяснение. И мокрые ветки, и скаты волн представляют собой не что иное, как изогнутые зеркала. Обязательно на них найдутся такие места, где луч от источника света, отразившись, попадет нам в глаза. Вот и получается, что каждая веточка и каждый горб волны будто наводят на нас световой «зайчик». Но веток и волн много, «зайчиков» — тоже, они и выстраиваются то кругами, то дорожками.

Почему блестят воздушные пузыри под водой? Это — тоже отражение света, только теперь падающего на пузырь со стороны воды. Вспомните, может быть, когда вы ныряли в реке или бассейне, вам приходилось видеть, глядя на поверхность воды снизу, отраженное в ней дно. Это такой же случай, как и с пузырем. Лучик света, идя из воды, не может вырваться в воздух и отражается обратно в воду. Такое явление называется полным внутренним отражением.

Почему поверхности одних предметов отражают свет хорошо, а других — так себе? Почему одни выглядят зеркальными, а иные — матовыми? Наверное, дело заключается в том, насколько хорошо эти поверхности отполированы.

Действительно, посмотрите внимательно на устройство самого обычного зеркала. Ведь это не что иное, как плоское стекло, покрытое с одной стороны ровной, будто отшлифованной металлической пленкой. Благодаря стеклу, эта поверхность металла может долго сохраняться плоской и отлично выполнять роль, как говорят, прямого зеркала.