Каминский А.М. Оригинальные качественные задачи. Оптика

1. В Центральной Америке рыба Anabbepsвидит хорошо в обоих средах. Она плавает у самой поверхности воды, так что ее глаза выступают из воды. Почему это возможно?

У этой рыбы имеются две сетчатки, а хрусталик обладает яйцевидной формой. У той части глаза, которая погружена в воду, участок хрусталика имеет большую кривизну.

2. Как действуют «односторонние зеркала», позволяющие видеть сквозь них в одном направлении, а в другом они отражают свет?

Одна их сторона освещена ярче, чем другая. Слабое изображение наблюдающего теряется на фоне мощного светового потока, отраженного зеркалом.

3. Почему в солнечный день не следует поливать водой листья огородных растений?

Капли фокусируют солнечный свет на поверхность листа, и он обугливается.

4. Почему глаза кошки светятся в темноте, если на них направить луч фонарика?

У плотоядных животных глаза отражают свет. Их глаза – это система из линз и криволинейного зеркала, отражающего свет на источник.

5. Как далеко от нас образуется радуга, т.е. на каком расстоянии находятся те капли воды, благодаря которым она и возникает.

Для радуги имеет значение лишь угол между падающим солнечным лучом и линией зрения наблюдателя. Капли же могут находиться на расстоянии от нескольких метров до нескольких километров.

6. Иногда вокруг Солнца или Луны наблюдаются круги (малое Гало). Оно находится обычно на угловом расстоянии в 22° и окрашено изнутри красным, а снаружи – белым или синим цветом. Отчего оно возникает? Правда ли, что Гало считают предвестником дождя?

Малое Гало обусловлено преломлением света в падающих кристалликах льда. Главные оси кристаллов, на которых образуется Гало, ориентированы случайным образом в плоскости, перпендикулярной лучу падающего света. Поэтому в любой точке под углом 22° имеются кристаллы, которые ориентированы так, что дают яркий свет. Сильнее всего преломляются синие лучи, поэтому внешняя сторона открашена в этот цвет.

7. Предания гласят, что викинги владели волшебным «солнечным камнем», с помощью которого могли находить Солнце за облаками и даже за горизонтом (в высоких широтах Солнце в полдень может быть за горизонтом). Какой кристалл и какое явление использовали викинги?

Предполагают, что викинги использовали кристаллы кордерита. Если падающий свет поляризован вдоль одной из двух осей этого кристалла, то кристалл кажется прозрачным. Если же свет поляризован вдоль другой оси, то кристалл кажется темно-синим. Поворачивая его и следя за изменением цвета, викинги могли определить направление поляризации света. Имея опыт, можно найти направление на Солнце, даже если оно за горизонтам, так как рассеянный небом свет поляризован.

8. Почему не все небо имеет одинаковый оттенок, а часть окрашена в более яркий голубой цвет?

Солнечный свет рассеивается на молекулах воздуха, причем свет с меньшей длиной волны рассеивается сильнее. Поэтому, когда Солнце близко к горизонту, небо над наблюдателем в основном голубое. Голубизна неба на расстоянии больше 90° от Солнца слабее, так как небо освещено светом, прошедшим больший путь в атмосфере и потерявшим синюю составляющую.

9. Почему обычные облака в основном белые, а грозовые тучи черные?

Размеры водяных капель в облаке гораздо больше молекул воздуха, поэтому свет от них не рассеивается, а отражается. При этом он не разлагается на составляющие, а остается белым. Очень плотные грозовые облака либо вообще не пропускают свет либо отражают его вверх.

10. Иногда возникают перламутровые облака, имеющие очень красивые тона. Они редки и наблюдаются лишь в высоких широтах. После захода солнца они настолько яркие, что свет от них окрашивает снег. Каковы особенности этих облаков?

Перламутровые облака располагаются на очень большой высоте и состоят из капель, радиусы которых (0,1-3 мкм) близки к длине волны видимого света. На этих каплях происходит дифракция света, которая зависит и от радиуса капли и длины волны.

11. Почему лучи прожекторов, которые применяли во время войны для обнаружения самолетов, так резко обрываются в воздухе?

Луч слабеет не только вследствие расхождения, но и из-за атмосферного рассеяния. Поэтому его интенсивность падает экспоненциально, обрывается довольно резко.

12. В безлунную ночь на небе виден зодиакальный свет и противосияние. Зодиакальный свет – это туманный треугольник, который можно наблюдать на западе в течение нескольких часов после захода солнца или на востоке – перед его восходом. Противосияние – это довольно слабое свечение, возникающее в противоположном солнцу направлении. Чем объяснить такие свечения?

Эти свечения связаны с рассеянием света космической пылью, поступающей из пояса астероидов. Зодиакальный свет обусловлен пылью, находящейся внутри орбиты Земли. Противосияние – это свет, рассеянный пылью, находящейся за пределами земной орбиты.

13. Если стать на горе спиной к солнцу и посмотреть в расстилающийся перед вами густой туман, то можно увидеть радужную каемку (или замкнутое кольцо) вокруг тени головы. Почему возникает ореол и как в нем расположены цвета?

Ореол возникает вследствие обратного (в сторону источника) рассеяния света каплями воды, размеры которых соразмерны длине световой волны. Возвращающийся свет входит в каплю сбоку и сбоку же (но с другой стороны) выходит, претерпев отражение внутри капли, а также обогнув ее вдоль поверхности (дифракция). Угол обратного рассеяния зависит от длины волны, поэтому образуются окрашенные кольца; так как угол зависит и от размера капель, то кольца появляются лишь тогда, когда капли не сильно отличаются по размерам.

14. Солнце или Луна порой бывают окружены яркой полоской – венцом. Обычно венец – это белая полоска, но иногда за белой следует голубая, потом зеленая и красная. Чем это вызвано?

Венцы вокруг Солнца и Луны обусловлены дифракцией света на капельках воды. Световые лучи, идущие с разных сторон капли, интерферируют друг с другом. При этом возникают светлые и темные кольца. Если капли одинаковы по размеру, то удается различить кольца разных цветов.

15. Во время ночной прогулки можно часто увидеть радужный ореол вокруг уличных фонарей даже в ясную погоду. Почему?

Венцы вокруг фонарей объясняются дифракцией света на препятствиях, соразмерных с длиной волны света. Но в этом случае частицы находятся внутри самого глаза. Это радиальные волокна линзы хрусталика или частицы слизи на поверхности роговицы.

16. Почему в замутненной воде вы можете увидеть свою тень, а в чистой – нет?

Для того, чтобы увидеть собственную тень на мутной воде, вы должны иметь возможность выделять свет, отраженный от поверхности воды. В чистой воде этот относительно слабый свет теряется на фоне света, отраженного от дна. При мутной воде отраженный от дна свет сильно ослабляется или поглощается, поэтому образуются тени.

17. Если свести почти вплотную большой и указательный пальцы, то между ними возникает темная линия. Почему?

Темная линия – это множество темных полос интерференционной картины, возникающей при дифракции света на щели между пальцами.

18. Что за маленькие расплывчатые точки, которые иногда усиливаются, а иногда уменьшаются у вас перед глазами?

Пятнышки в глазу – это интерференционная картина, вызванная дифракцией света на круглых клетках крови, плавающих прямо перед желтым пятном сетчатки (область с повышенным содержанием колбочек). Клетки крови могут попасть в глаз из капилляров, разрушающихся вследствие старения, повышения кровяного давления, ударов. Под действием осмотического давления эти клетки раздуваются в шарики.

19. Почему цветные ткани выцветают на солнце?

Ультрафиолетовое излучение, поглощаясь органическими молекулами красок, нарушает молекулярные связи. Это приводит к потере пигмента.

20. Если, глядя на экран телевизора промычать «ммм» с закрытым ртом, то на экране появятся темные линии. «Мыча» соответствующим тоном, можно заставить эти полосы двигаться вверх, вниз или стоять на месте. Почему «мычание» так влияет на наше зрение»?

Изображение на экране «мигает», так как оно образуется в результате строчной развертки электронным лучом. «Мычание» соответствующей частоты вызывает колебания головы и глаз. При этом в один и тот же участок сетчатки периодически попадает одно и то же повторяющееся изображение. Это приводит к стробоскопическому изображению телеэкрана. Если частота «мычания» изменяется, то изображение будет двигаться.

21. Закрыв один глаз стеклом от солнечных очков и посмотрев двумя глазами на качающийся маятник, мы увидим, что он описывает эллипс в пространстве. Почему возникает кажущееся трехмерное изображение?

Кажущееся движение по эллипсу объясняется тем, что восприятие маятника глазом, закрытым темным фильтром, на несколько миллисекунд отстает. Мозг, сопоставляя информацию от двух глаз, «помещает» маятник либо ближе, либо дальше истинного положения. Поэтому колебание кажется двумерным.

22. Посмотрев в ясное небо, вы увидите перед глазами множество движущихся точек. Они имеются всегда, но обычно мы не обращаем на них внимания. Что они собой представляют и почему движутся рывками?

Мозг «игнорирует» всякое неподвижное изображение в глазу, сосуды же в сетчатке и их тени неподвижны. Другое дело тени от клеток крови, движущиеся по капиллярам; эти тени видны как прерывисто движущиеся точки.

23. При слабом освещении синий цвет кажется ярче красного, но при хорошем освещении красный кажется ярче синего. Почему относительная яркость цветов зависит от уровня освещения?

При сильной освещенности зрение обусловлено колбочками, а при слабой – палочками. Колбочки бывают трех типов, чувствительных к цветам: красному, желтому, синему. Палочки наиболее чувствительны к зеленому свету и мало чувствительны к красному. Если увеличивать освещенность, то зрение переключается с «палочкового» на «колбочковое» (цветовой эффект Пуркинье).

24. На переднюю линию объектива фотоаппарата села муха. Как это отразится на качестве снимка?

Муха задержит часть лучей, поступающих в объектив, что приведет к потускнению снимка.

25. Почему вечером человек хуже различает очертания предметов, чем днем?

Вечером зрачки у человека расширяются. Но хрусталик – не идеальная линза. Изображения, даваемые различными участками хрусталика, из-за аберрации смещены относительно друг друга. Чем большая часть хрусталика «работает», тем более размытое изображение.

26. Почему при восходе и особенно закате Солнце играет различными цветами?

Солнечные лучи при закате и восходе проходят большой путь в воздухе. По теории Рэлея, будут рассеиваться синие, голубые и фиолетовые лучи, а проходят лучи красной части спектра. Поэтому Солнце окрашивается в желтые, розовые, красные тона, противоположная сторона неба кажется окрашенной в синий с фиолетовым оттенком цвет. Восход дает более яркую и чистую картину, так как воздух за ночь делается чище.

27. Если смотреть на луч прожектора сбоку, то он кажется изогнутым. Так ли это?

Эта ошибка восприятия обусловлена тем, что небо кажется нам куполообразным.