Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Теперь вы и сами можете ответить на следующие загадки:

– Какие цвета поглощает зеленая листва на деревьях?

– Какие цвета отражает красная краска?

– Что нам кажется, когда в глазенки проникает волна длиной в 600 нанометров?

– А что наши глазенки говорят нам, когда в них попадает частота в 500 ТГц?

Почему ложка в стакане кажется изломанной?

Потому что когда волна переходит из одной среды в другую, например, из воздуха в воду, она меняет направление движения. Это явление так и называется – преломление.

С помощью преломления можно увидеть то, что находится «за углом»

Кстати говоря, дисперсия света, которую открыл нам уважаемый старик Ньютон, – это тоже следствие преломления. Посмотрите еще раз на картинку дисперсии света ниже. Что мы видим? Да не что иное, как двойное преломление света, ломающегося сначала при входе из воздуха в стекло, а потом – при входе из стекла в воздух. Мы видим, что фиолетовый цвет, то есть с меньшей длиной волны и большей частотой, ломается больше (имеет больший угол преломления), чем красный. Какой вывод?

Высокочастотное излучение имеет больший угол преломления – вот какой! Смотрите-ка, вот и еще один физический закончик невзначай нарисовался! Оказывается, угол преломления зависит от длины волны. Потому, собственно, дисперсия и получается.

Дисперсия света в стеклянной призме.

Почему мыльный пузырь радужный?

Потому что мыльная пленка очень тонкая, ее толщина в 5 тысяч раз тоньше человеческого волоса. А это значит, что ее толщина сопоставима с длиной световой волны, что при сложении волн имеет большое значение. О каком сложении волн идет речь? Да о той самой интерференции, о которой мы уже знаем.

На рисунке ниже показано, какие именно лучи складываются – отраженные от внешней поверхности пленки и отраженные от ее внутренней поверхности.

Интерференция цветных лучей в тонкой пленке

Дело в том, что в глаз прилетают лучи, которые прошли разный путь – одни сразу отразились от внешней поверхности пузыря (луч 1), а другие «сходили» к его внутренней поверхности, то есть прошли путь чуть больший (луч 2). На выходе эти разделенные лучи встречаются и начинают интерферировать. Если при этом у голубого цвета, например, горбик первой волны совпадет с провалом второй, они погасятся. И голубого цвета не будет! А длина красного света иная. И потому у красного может произойти обратное – горбики двух волн совпадут, дав усиление красной волны. И мы увидим яркие красные переливы.

Но поскольку пузырь как бы стекает сам по себе, повисая внизу каплей, его стенки истончаются, меняются, соответственно, меняется длина пробега волн – отсюда и переливы.

Почему небо голубое?

Почему не зеленое? Не желтое? Не бесцветное? Вообще, как известно любому гражданину, воздух цвета не имеет, он прозрачный. Отчего же небо, «сделанное» из воздуха, имеет цвет – да еще такой красивый?

А дело в том, что солнечные лучи при попадании в атмосферу рассеиваются. Но рассеиваются они по-разному.

Давайте разберемся. Что значит «рассеиваются»? И почему по-разному?

Рассеивание – это буквально разбрасывание, раскидывание во все стороны. Прилетающие из космического безвоздушного пространства в атмосферу Земли световые волны начинают отражаться от молекул воздуха и разлетаться во все стороны, «разбрызгиваться» влево, вправо, вперед, назад. Затем отраженные волны налетают на следующую молекулу, снова отражаются в случайном направлении, опять налетают на следующую молекулу и так далее. Но происходит это в основном с голубыми волнами, поэтому каждая точка атмосферы светится голубым светом.

Почему же рассеивается в атмосфере только голубой свет?

Да потому что голубые и фиолетовые волны – самые короткие (но фиолетовых лучей солнце дает мало, к тому же фиолет хорошо задерживается в верхних слоях атмосферы, оттого небо не фиолетовое, а все-таки голубое.) А мы с вами уже знаем – длинным волнам распространяться легче: если ультразвук затухает быстро, то инфразвуки могут распространяться на тысячи километров, они легко огибают любые препятствия за счет своей огромной длины. То же самое и со светом – более длинные лучи более дальнобойные. А длинные волны в солнечном свете какие? Те, что ближе к красному концу спектра! В силу длины им легче огибать молекулы атмосферы и лететь дальше. Поэтому если вы хотите сделать какой-то предупреждающий огонь, лучше сделать его красным – он дальше виден. А вот фары военных грузовиков делают синего цвета: если передвигаться нужно ночью и скрытно – так, чтобы противник не заметил, дорогу подсвечивают синим светом: он «короткодействующий» и издалека незаметен, поскольку быстро рассеивается и затухает.

Теперь вы сами можете ответить на вопрос, почему закат и восход окрашивают небо в красный и оранжевый цвета. «Горит восток зарею новой», – писал поэт, имея в виду цвет огня. Не можете? Хорошо, я скажу.

Дело в том, что во время восхода и заката солнце стоит низко над горизонтом, а значит, его лучам приходится пробивать более толстый слой атмосферы. Самое проникающее – длинное красное излучение с этим справляется лучше и долетает до глаз. А более короткие волны окончательно рассеиваются и гаснут. Оттого закатное небо вблизи солнца и кажется красным.

Закатные лучи пробивают более толстый слой атмосферы, чем дневные.

Почему далекие предметы кажутся нам маленькими, а близкие – большими?

А и в самом деле, почему? Это настолько привычно, что воспринимается абсолютно естественно. Но если задуматься… Они ведь реально не уменьшаются, предметы! Но почему-то при удалении начинают казаться нам маленькими. Что вызывает эти галлюцинации?

Если вы взрослый человек, то прежде, чем читать дальше, попробуйте ответить на этот вопрос сами себе, ведь вы уже большой! Вдруг получится.

А если вы ребенок, можете сразу читать дальше, поскольку детей автор мучить не собирается.

Итак, для того, чтобы разобраться с вопросом, нам нужно понять, как работает человеческий глаз.

Мы уже в этой книге называли человеческие глаза датчиками световых волн. А еще их можно назвать объективами. Потому что в каждом глазу стоит своя линза переменной кривизны, называемая хрусталиком, которая наводит изображение на резкость. А проецируется изображение на экранчик, который называется сетчаткой.

Как работает линза, знает каждый хулиган, который лупой собирал солнечные лучи с вредительской целью поджечь бумажку. Бумажка при этом коричневела, воняла и дымила, чему хулиган несказанно радовался.

Линза за счет преломления лучей собирает их в точку, называемую фокусом

У каждой линзы свой фокус, он зависит от кривизны лупы. Бывают линзы длиннофокусные, бывают короткофокусные. Более плоские – длиннофокусные, более пузатенькие – короткофокусные. А еще линза может получать на экране перевернутое изображение.

А теперь, поняв все сказанное и в совершенстве овладев таким образом наукой оптикой (это раздел физики, изучающий преломление лучей видимого света), давайте соберем глаз.

Видите, как работает глаз? Лучи от изображения, преломляясь в хрусталике, перекрещиваются и формируют на сетчатке изображение. Сетчатка состоит из светочувствительного материала, который преобразует световой сигнал в электрический. А тот уже по толстому кабелю зрительного нерва поступает в мозг на обработку.

Это глаз. Он отличный и моргает

Обратите внимание, изображение на нашем внутреннем экране получается перевернутым! Почему же вы видим мир не вверх тормашками? Да потому что мозг переворачивает его как надо. Наш мозг – это компьютер, который обрабатывает поступающий сигнал и решает, как его интерпретировать. Сначала в глазу по законам оптики мир аппаратно переворачивает вверх ногами. А потом в мозгу он снова переворачивается, но уже программно.

Ученые проводили такой эксперимент – они надевали на человека очки с линзами, которые переворачивали изображение вверх ногами. И запрещали снимать! Какое-то время испытуемый терпел неудобства, наблюдая мир перевернутым. Но потом мозг давал поправку, менял программку и снова начинал видеть мир нормальным. Когда потом человек снимал очки, он опять начинал видеть мир перевернутым. И какое-то время вновь терпел неудобства, пока мозг снова не переворачивал изображение.