Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Поместим монету в банку с водой и подберем угол зрения так, чтобы монета была видна, когда смотришь на нее через воду сверху (рис. 6.49). Если положить руку на дальнюю стенку банки, монета видна по-прежнему. Однако, если рука будет мокрой, монета исчезнет. Почему влага убирает изображение?

Рис. 6.49 / Задача 6.138. Монета, которую видно через поверхность воды в банке.

ОТВЕТ • Изначально монета видна благодаря тому, что часть идущего от нее света отражается от внутренней поверхности дальней стенки банки. Если туда, где происходит отражение, положить сухую руку, изображение практически не изменится по двум причинам. Во-первых, ваша рука не слишком плотно прилегает к банке, и во-вторых, слишком мало света проходит через стекло в кожу. Однако если рука мокрая, ее контакт с банкой гораздо лучше. Более того, после того как контакт установлен, свет легко проходит из стекла в воду, поскольку оптические свойства этих материалов близки. Поэтому свет, который до того в основном отражался от дальней стенки банки, теперь уходит в воду на руке и монета становится не видна.

Если на фоне ясного неба смотреть через поляризационные очки на окутанную смогом гору, наклоняя голову, а с ней и очки, можно добиться того, что гора будет то появляться, то исчезать. Многие детали горы могут тоже то появляться, то исчезать. Почему так происходит?

ОТВЕТ • Когда смотришь на окутанную смогом гору на фоне чистого неба, глаза воспринимают свет, идущий от трех источников. Во-первых, это рассеянный молекулами воздуха свет чистого неба, этот свет частично поляризован. Во-вторых, свет, рассеянный частицами, образующими смог. Если диаметр таких частиц находится в интервале от 0,5 до 5 микрон, рассеянный ими свет частично поляризован в том же направлении, что и свет чистого неба. И в-третьих, свет, отраженный от различных поверхностей, определяющих рельеф горы. Такой свет слабо поляризован в несметном числе направлений. В какой пропорции свет от каждого из этих источников достигает глаз, зависит от ориентации поляризационных очков.

Предположим, что диаметр частиц смога попадет в указанный интервал. Если наклонять голову и очки влево или вправо, до тех пор пока яркость неба не станет максимальной, поляризационные очки пропускают свет от всех трех источников. Однако очки пропускают не весь рассеянный частицами смога частично поляризованный свет. Вы видите туманное очертание горы на фоне яркого неба. Контраст между горой и фоном позволяет различить гору, но слабый, рассеянный частицами смога свет еще достаточно ярок, чтобы замаскировать детали ландшафта горы.

Если теперь, двигая головой (слева направо или справа налево, как вам удобнее), постепенно наклонять ее больше, чем на 90°, солнечные очки перестанут пропускать весь свет, идущий от неба, и большую часть света, рассеянного на частицах смога. Тогда вы сможете разглядеть детали поверхности, ориентированные так, что отраженный ими свет имеет поляризацию, которую пропускают очки.

Предположим, что в безоблачный день вы плывете на лодке по океану. Пусть волнение слабое. Где вода ярче: прямо под вами, когда вы смотрите вниз на нее, или вдали у горизонта? Где преимущественно видны отражения прямого солнечного света или неба? Где вы сможете увидеть предметы под водой?

ОТВЕТ • Следует сравнить три источника света: блеск солнечного света, отраженного от поверхности воды; свет неба, отраженный от поверхности воды; и свет, идущий из-под поверхности воды. Океан всегда самый яркий вблизи горизонта, поскольку здесь угол скольжения идущих от неба лучей настолько мал, что только небольшая часть света неба поглощается водой. Если вы перемещаете взгляд по направлению к лодке, такие лучи падают более отвесно и большая их часть уходит в воду.

Положение следующей по степени яркости области определяется положением солнца на небе. На рассвете блестящее пятно начинает двигаться к вашей лодке от линии горизонта на востоке; когда солнце в зените, оно находится практически под лодкой; и на закате оно сдвигается на запад к горизонту.

Вдали от места, где отражается солнечный свет, и недалеко от лодки свет, идущий из-под поверхности воды, может оказаться самым ярким. Здесь удается разглядеть то, что находится под водой.

Часто море прямо под линией горизонта кажется либо более насыщенно-синим, либо более темно-серым, чем остальная поверхность моря или область неба непосредственно над горизонтом. В ясный день этот участок моря напоминает яркую синюю ленту. Синяя лента исчезает, если вы лежите на пляже или вскарабкались куда-то на возвышенность. Почему появляется эта синяя лента?

ОТВЕТ • Если смотреть на поверхность воды непосредственно под линией горизонта, то там обычно можно увидеть отражение неба на угловой высоте порядка 30° (см. задачу 6.150). Когда небо чистое, эта часть неба ярче, чем небо на горизонте, где оно обычно белое. Контраст между белым горизонтом и голубым отражением неба делает цвет неба насыщенно-синим. Если этот участок неба, отражающийся в воде, серый, лента тоже будет серой, но она по-прежнему будет контрастировать с белым горизонтом рядом. Синяя или серая лента исчезают, если вы лежите на пляже, поскольку набегающие волны не дают рассмотреть море в непосредственной близости к линии горизонта. Почему эти ленты исчезают, когда вы поднимаетесь достаточно высоко над пляжем, я тоже не совсем понимаю.

Почему в тропиках на закате солнце опускается за горизонт быстрее, чем в высоких широтах?

ОТВЕТ • Продолжительность сумерек[81] — время между началом заката и моментом, когда центр солнечного диска находится под определенным углом за горизонтом. Для гражданских сумерек этот угол равен 6°, навигационным сумеркам соответствуют углы от 6° до 12°, а астрономическим — от 12° до 18°. Как быстро центр солнечного диска проходит расстояние внутри данного угла, зависит от наклона наблюдаемой траектории движения солнца по небу относительно горизонта. В тропических широтах эта траектория почти вертикальна, так что солнце быстро проходит расстояние между двумя заданными положениями, что соответствует коротким сумеркам. В высоких широтах траектория солнца пересекается с горизонтом под малым углом. Поэтому между двумя заданными положениями солнце движется по наклонной траектории, и сумерки становятся длиннее.