Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Непрозрачная крупинка камеры пинспек отображает на пленке каждый небольшой источник света, исходящего от предмета перед камерой, в виде теневого пятна. Все вместе эти теневые пятна создают теневое (или негативное) изображение предмета.

Если непрозрачную крупинку поместить между люминесцентной лампой и экраном, на экране получится теневое изображение лампы: крупинка отбрасывает на экран тень от каждого из участков лампы, и все вместе эти тени создают тусклое изображение трубки. Это изображение не абсолютно темное, поскольку каждое теневое изображение отдельного участка по-прежнему освещается остальной поверхностью лампы.

Почему во время солнечного затмения в тени под деревом видно большое количество изображений солнца? Есть ли изображения солнца в тени под деревом в другое время? Почему под раскидистыми кронами высоких деревьев у теневых изображений листьев иногда бывает два края, один внутри другого? Почему такие изображения нельзя увидеть под более низкими деревьями?

ОТВЕТ • Во время солнечного затмения изображения солнца появляются благодаря небольшим дырочкам в листьях или просветам между соседними листьями. Каждая дырочка действует как камера пинхол (см. предыдущую задачу), создавая изображение на земле в тени дерева. И когда затмения нет, возникают подобные изображения, но разглядеть их труднее из-за того, что яркий солнечный свет, отраженный от окружающих предметов, в какой-то мере освещает и тень. Во время солнечного затмения кругом становится темнее, и изображения солнца видны лучше. В любом случае их гораздо легче разглядеть на плоской поверхности, чем на неровной, покрытой травой земле.

Тень от листа, которую мы видим под раскидистой кроной высокого дерева, отбрасывает один из листьев на нижних ветках. Он освещен солнечным светом, пробивающимся через просветы между листьями на более высоких ветвях. Когда нижний лист освещают лучи, прошедшие через два просвета, могут получиться два перекрывающихся теневых изображения, причем края одного из них могут попасть внутрь другого.

Если ночью вы посмотрите на далекую яркую лампу через москитную сетку на окне, находящемся по крайней мере на расстоянии нескольких метров от вас, будет видна решетка из темных и ярких линий (рис. 6.38a). В результате чего получается такая картина? Аналогично выглядит яркая лампа, если посмотреть на нее через ткань самого обычного зонтика. Иногда эта решетка бывает цветной. Почему, если в ярко освещенной комнате посмотреть в зазор между почти соприкасающимися большим и указательным пальцами, между ними будет видно множество темных линий (рис. 6.38б)?

Рис. 6.38 / Задача 6.104. Изображение, которое видно: a) через сетку и б) между большим и указательным пальцами. в) Свет, прошедший через маленькую дырочку, освещает узкую щель и образует дифракционную картину на экране. г) Свет, прошедший через ту же щель, попадает на зрачок и образует дифракционную картину на сетчатке.

ОТВЕТ • Картины из темных и ярких линий — это обычно результат дифракции света, то есть изменения направления распространения световых волн при прохождении через узкую щель или вблизи узкого препятствия, причем каждая точка фронта волны становится источником вторичных сферических волн. Под некоторыми углами вторичные волны распространяются в фазе (синхронно), усиливая друг друга (конструктивная интерференция), что приводит к появлению ярких линий. Под другими углами волны распространяются не в фазе (несинхронно) и стремятся погасить друг друга (деструктивная интерференция), благодаря чему появляются темные линии. Так возникает картина, состоящая из светлых и темных линий.

Однако такая картина появляется, только если проходящие через щель световые волны когерентны, то есть до дифракции на щели они распространяются синхронно (или почти синхронно). Большинство обычных источников (например, электрические лампочки) излучают некогерентный свет — случайные, нескоординированные световые волны. Однако, проходя через очень маленькое отверстие, некогерентный свет становится когерентным (рис. 6.38в). Поскольку отверстие маленькое, все прошедшие через него световые волны практически идентичны, а значит, распространяются почти синхронно. Когда такой свет падает на узкие отверстия, например на ткань, из которой сделан зонтик, или на оконную сетку, образуется дифракционная картина.

Если убрать отверстие, чтобы некогерентный свет от источника (например, от электрической лампочки) падал прямо на узкую щель, дифракционная картина исчезнет. Как и раньше, при прохождении света через щель образуются вторичные волны, но в разные моменты времени от щели распространяются нескоординированные волны, и поэтому экран освещен равномерно.

Теперь заменим экран глазом и посмотрим через узкую щель прямо на источник света. В этом случае сама щель играет роль маленькой дырочки, которая была в традиционной постановке эксперимента (рис. 6.38 г). Поскольку щель маленькая, расходящиеся от нее световые волны почти синхронно достигают зрачка. Проходя через зрачок, эти почти когерентные волны создают дифракционную картину на сетчатке. Ее мы и видим, когда смотрим на отдаленную лампу через сетку на окне, через ткань зонтика или в щель между близко сведенными пальцами.

Почему, если смотреть на солнце через окно самолета или здания, на стекле видны яркие царапины, расположенные на концентрических окружностях (рис. 6.39a)? Почему иногда такие царапины кажутся направленной на солнце полоской? Почему обычно царапины не видны, если смотреть не в направлении солнца?

Рис. 6.39 / Задача 6.105. a) Концентрические окружности из ярких царапин на окне, когда лучи солнца прямо падают на окно и когда окно чуть смещено. б) Рассеяние света царапиной. Свет падает на окно снаружи и рассеивается в комнату.

Почему паутина кажется разноцветной, если через нее посмотреть на солнце, и почему ее расцветка меняется, если поменять угол зрения? (Цвета могут быть блеклыми. Их легче заметить, если под паутиной будет что-то темное, но на нее саму должны падать прямые солнечные лучи.)

ОТВЕТ • Только кажется, что царапины располагаются вдоль концентрических окружностей. Обычно стекло на окне покрыто множеством коротеньких, случайно ориентированных царапинок, но только часть из них выглядят яркими, и отсюда возникает оптическая иллюзия. Луч света, рассеянный царапиной, расходится наподобие веера в плоскости, перпендикулярной самой царапине (рис. 6.39б). Чтобы увидеть какую-то определенную царапину, надо видеть раствор соответствующего веера, который имеет небольшой угол раскрыва и ширину, равную длине царапины.