Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

ОТВЕТ • Все бороздки на пластинке наклонены так, что отраженные от них лучи направлены под углом вверх. Однако видны только те места на пластинке, где отраженные от бороздок лучи имеют нужный наклон. Это места, откуда отраженный свет уходит в направлении вашего глаза. Расположение этих бороздок соответствует ярким линиям, которые вы видите. Особо яркое пятно — зеркальное отражение лампы от пластинки. Эта ситуация напоминает солнечную и лунную дорожки (задача 6.39).

Отражения на пластинке похожи на полосы света на ветровом стекле машины (см. предыдущую задачу), и если источник света достаточно яркий, как и на ветровом стекле, картина отражений может казаться объемной.

Если на CD- или DVD-диск или на тисненую бумагу некоторых сортов направить белый свет, отражение будет ярким и красочным. Если виниловую пластинку определенным образом ориентировать по отношению к падающему свету, можно добиться того, что она тоже будет казаться разноцветной.

Хотя кажется, что свет уличного фонаря белый или желтоватый, он излучает свет нескольких цветов. Это можно увидеть и сфотографировать, прикрепив недорогую дифракционную решетку (кусок пластика с мелкими бороздками или узкими прорезями) к объективу фотоаппарата. Если просто смотреть на фонарь через объектив, его прямое изображение кажется обычным, но края изображения могут быть окрашены из-за хроматических аберраций объектива.

Почему в каждом из этих случаев исходно белый свет разлагается на разные цвета?

ОТВЕТ • При рассеянии (преломлении) света системой мелких углублений происходит конструктивная и деструктивная интерференция световых волн. Возьмем пятно, которое выглядит красным. Это значит, что при рассеянии в этом месте белого света входящие в его состав волны красного света, которые уходят в направлении глаз наблюдателя, интерферируют конструктивно, то есть они распространяются с одинаковой фазой и усиливают друг друга. Волны других цветов, рассеивающиеся в направлении наблюдателя, интерферируют деструктивно, то есть они распространяются не в фазе и ослабляют друг друга. Поэтому в отраженном в этом месте свете доминирует красный цвет. Другие пятна наблюдатель видит под другими углами, и в отраженном от них свете преобладают другие цвета.

Чтобы заметить разложение на цвета, в вашем поле зрения (и в «поле зрения» лампы) расстояние между бороздками должно быть небольшим, порядка длины волны видимого света. Если свет падает на виниловую пластинку прямо и вы смотрите на нее прямо сверху, расстояние между бороздками слишком велико, чтобы произошло разложение белого света на цвета, и поэтому вы видите только черный пластмассовый диск. Чтобы разложить белый свет на цвета видимого спектра, надо направить свет практически вдоль поверхности диска. Если ваш взгляд также направлен вдоль поверхности диска, то в вашем поле зрения (и в «поле зрения» лампы) бороздки на ближнем к вам и дальнем от вас краях пластинки будут достаточно близко друг к другу, так что разложение белого света на цвета будет заметно.

Одним из элементов защиты кредитных карт, водительских удостоверений и других идентификационных пластиковых документов являются оптико-переменные изображения, меняющиеся при наклоне карточки. Часто такие изображения называют голограммами — это разновидность фотографий, позволяющих создавать объемное изображение. Действительно, самые ранние объемные изображения на кредитных карточках были голограммами. Однако использование голограмм как элементов защиты оказалось не слишком удачным решением. Во-первых, они темные и нечеткие: их трудно рассмотреть в обычном магазине, где освещение не всегда яркое. Во-вторых, что гораздо хуже, голограмму легко подделать. Используемые сегодня оптико-переменные изображения яркие, четкие, их легко рассмотреть в магазине и трудно подделать. Как объемные изображения делают яркими и защищенными от подделок?

ОТВЕТ • На большинство кредитных карточек сейчас наносят оптико-переменные рисунки. Они видны при дифракции рассеянного света (именно такой свет обычно бывает в магазине) на участках с очень мелким рельефом, который называют защитной решеткой. От решетки отражаются сотни или даже тысячи световых волн. Глаз человека, смотрящего на карту, воспринимает какую-то часть этих волн, и они вместе создают мнимое изображение. Это изображение можно назвать логотипом кредитной карты. Если, например, наблюдатель смотрит в направлении A, в точке a решетка создает некое заданное изображение (рис. 6.41a). Но когда наблюдатель смотрит в направлении Б, в точке б решетка создает другое изображение (рис. 6.41б). Эти изображения яркие и четкие, поскольку параметры решетки подобраны так, чтобы они были видны в рассеянном свете.

Рис. 6.41 / Задача 6.109. a) В точке a решетка отражает свет к наблюдателю, взгляд которого ориентирован в направлении A, в результате чего получается некое заданное мнимое изображение. б) В точке б решетка отражает свет к наблюдателю, взгляд которого ориентирован в направлении Б, так что создается другое мнимое изображение.

Подобрать параметры защитной решетки очень трудно, поскольку надо определить, какими свойствами должен обладать рельеф решетки, чтобы под одним углом зрения было видно одно заданное изображение, а под другим — другое. Эта работа требует сложного компьютерного моделирования.

Приняв горячий душ, потушите свет в ванной, станьте лицом к запотевшему зеркалу и зажгите спичку. Спичку надо держать не прямо перед глазами, а чуть сдвинув ее в сторону. Вы увидите, что изображение пламени в запотевшем зеркале окружено цветными кольцами. Кольца будут видны и в том случае, если зеркало покрыто не капельками воды, а пылью или пудрой.

Затем в темной комнате встаньте спиной к ярко освещенному окну и поставьте перед собой запотевшее зеркало. Меняя расстояние до зеркала, в какой-то момент вы увидите круги, наложенные на ваше отражение. Подобрав расстояние, как-то вместо глаз я увидел фантасмагорический набор цветных колец. И опять зеркало может быть не запотевшим, а пыльным.

ОТВЕТ • В этих двух опытах свет по-разному рассеивается (преломляется) частицами — капельками воды или пылинками — на зеркале. Вот две основные возможности.

В первом случае кольца центрированы вокруг небольшого источника света, расположенного чуть в стороне от направления вашего взгляда на зеркало. При такой постановке опыта каждая частица рассеивает свет обратно в направлении от зеркала. Лучи рассеянного света попадают внутрь круговой области с ярким центром, окруженным попеременно яркими и темными кольцами. Угол рассеяния зависит от длины волны света. Поскольку эти углы разные для света разных цветов, мы видим разноцветные кольца. А именно, так как угол рассеяния лучей красного цвета чуть больше угла рассеяния лучей синего цвета, наружное кольцо красное, а внутреннее синее. На самом деле, мы не видим целиком всю картину распределения света, рассеянного каждой из частиц на зеркале. Но в совокупности тот рассеянный свет, который мы видим, тоже формирует освещенный круг, центр которого, как нам кажется, совмещен с отражением источника света.