1

Прямолинейное распространение света

рис.1

1

Требуется: фонарик, картон с двумя щелями, белый картонный экран, подставка для экрана.

Проведем эксперимент Возьмите картонную заготовку с двумя щелями и подставку для нее. Согните подставку по сгибу, установите заготовку с двумя щелями на

стол (рис. 1). Повторите то же самое с белым картоном (найдите дома белый лист

бумаги и сделайте экран). Установите получившийся белый экран на стол позади экрана со щелями.

Включите фонарик и направьте луч на щели (рис. 2).

В чем здесь физика? Одна из особенностей света состоит в том, что свет распространя-

ется строго прямолинейно. Это иллюстрируется тем, что на экране мы видим только 2 светлые полосы, а остальной свет задерживает картон.

Попробуйте подвигать фонариком, и вы увидите, как двигаются про-екции щелей на экране. Три точки: проекция, щель в картонке и лампочка фонарика — всегда будут лежать на одной прямой.

рис.2Поэкспериментируйте

Измените немножко предыдущий опыт. Вместо экрана из белого карто-на поставьте такую же заготовку с дву-мя щелями. Станьте напротив фонарика и картонных заготовок. Посмотрите, что получится.

2

рис. 3

2Тень и полутень

Требуется: фонарик, чашка.

Проведем эксперимент В темной комнате включите фонарик и положите его на стол так, чтобы он светил на стену. Подойдите к стене и поставьте какое-нибудь препятствие на пути света (например, чашку или

свою руку). Попробуйте подвигать чашкой (рукой) дальше от стены, ближе к фонарику и наоборот.

В чем здесь физика? Как вы уже знаете, свет распространяется строго по прямой.

Когда свет наталкивается на непрозрачный предмет (например, чаш-ку или руку), он не проходит дальше, а в том месте, где свет дол-жен был падать на стену, получается темное пятно — тень (рис. 3).

Если препятствие прозрачное (стекло), то свет проходит сквозь него. А если стекло затемнить, оно станет полупрозрачным – будет проходить только часть света.

Если предмет небольшой по сравнению с расстоянием до ис-

Где это можно увидеть? Прямолинейное распространение света используется, к примеру, в турникетах в метро.

Свет попадает на фотоэлемент (специальный детектор света), который отключается, если бросить жетон. Если же кто-то попытается пройти «зайцем», не кинув жетон, то закроет лампочку ногой, невыключенный фотоэлемент перестанет «видеть» свет и подаст сигнал к закрытию турникета. Если бы свет распространялся не по прямой, он бы легко обошел пре-пятствие — ногу человека.

3

точника света (фонарика), то контуры тени будут четкими. Если придвинуть предмет ближе к фонарику, то тень увеличится в размерах, а контуры будут нечеткими.

Та часть тени, где контуры не черного, а серого цвета, называется полутенью. Это все следствия прямолинейного распространения света.

Где это можно увидеть? Многие видели солнечное затмение. Это не что иное, как тень от Луны, падающая на

Землю. Из-за того, что Солнце находится очень далеко от Земли, нам оно кажется по разме-ру примерно таким же, как Луна, хотя на самом деле Луна даже меньше, чем Земля. В сол-нечный день, когда Луна выходит на одну прямую между Солнцем и Землей, она закрывает Солнце, и солнечный свет не доходит до Земли.

Поэкспериментируйте Сделайте два шарика из пластилина — Землю и Луну (не забудьте, что Луна меньше Зем-

ли). Положите их на стол в темной комнате, а включенный фонарик положите подальше. До-бейтесь того, чтобы тень от Луны закрывала собой Землю (рис. 4).

рис. 4

рис. 5

Капните немного подсолнечного масла на белый лист бумаги. Посвети-те фонариком сквозь лист на стену. Вы увидите, что свет сквозь бумагу почти не проходит, а в том месте, где разли-то масло, свет проходит гораздо лучше (рис. 5). Это происходит потому, что масло, просачиваясь между волокнами бумаги, образует маленькие просветы, пропускающие свет. Бумага для света непрозрачна, а участок с маслом — по-лупрозрачный.

4

Где это можно увидеть? Если надеть зеркало на длинную ручку, мы сможем смотреть за препятствия — так де-

лают стоматологи, чтобы увидеть заднюю поверхность зуба.

Во многих приборах, которые работают со светом, нужно доставить световой луч от одной точки к другой, для этого используют зеркала.

рис. 6

3 Закон отражения света

Требуется: фонарик с насадкой в виде щели, зеркала, белый картонный экран.

Проведем эксперимент Наденьте на фонарик насадку в виде щели (сделайте ее из темной бумаги) (рис. 6). Положите зеркало на стол, узкой стороной к стене, на небольшом расстоянии от нее. Возьмите белый экран и закрепите на стене или установите на подставке. Держа фонарик так, чтобы щель на фильтре была перпендикулярна к зеркалу, направьте луч

фонарика на него. Где здесь физика?

Вы видите на экране изображение щели, причем такой же формы. Изображение находится на такой же высоте от стола, что и щель фонарика.

Отражение света от зеркала подчиняется так называемому «закону отражения», который звучит так: «Угол падения равен углу отражения». Это означает, что под каким углом луч фона-рика падает на зеркало, под таким же углом он будет идти от зеркала после отражения.

Поэкспериментируйте Попробуйте поменять угол падения лучей (угол, под которым

лучи фонарика падают на зеркало). Вы увидите, как изображение смещается и становится шире, если увеличивать угол, и уже, если уменьшать. Как и раньше, высота изображения точно равна высоте,

5

на которой находится щель фонарика. Попробуйте повертеть фонариком так, чтобы щель меня-ла свое положение относительно зеркала.

Постройте комбинацию из зеркал, и вы сможете осветить то, что находится за фонарем.

Светящиеся капли

Требуется: пустая пластиковая бутылка, трубочка, скотч, фонарик, темная ткань, прищепка.

4

рис. 7

рис. 8

Проведем эксперимент Возьмите пустую пластиковую бутылку и отрежьте у нее

дно. В крышке бутылки проделайте небольшое отверстие и вставь-

те туда трубочку (рис. 7). Зажмите трубочку прищепкой и наберите в бутылку воды. С помощью скотча прикрепите фонарик к отверстию в дне

бутылки и обверните бутылку черной тканью (рис. 8). Зайдите в темную комнату, включите фонарик и уберите при-

щепку. (Это нужно проделывать над тазиком или ведром).

Где здесь физика? Вытекающая по трубочке вода будет светиться. Это проис-

ходит потому, что световой луч не находит другого выхода и весь направляется в трубочку. В трубочке свет много раз отражается от внутренней поверхости трубочки и подсвечивает воду.

6

Преломление света

Требуется: прозрачный стакан с водой, немного молока, фонарик.

Проведем эксперимент

5

рис. 9

Возьмите прозрачный стакан, налейте в него воду. Выключите свет и посветите фонариком сверху на поверхность

воды (рис. 9). Теперь капните в воду немного молока и размешайте. Посветите фонариком снова. Вы увидите, как луч фонарика, иду-

щий сквозь воздух под одним углом, распространяется в воде совсем под другим.

Где здесь физика? Молоко добавляется для того, чтобы лучше было видно путь

луча в воде. Частички молока — белые, и они отражают весь свет, который на них падает. В чистой воде свет не отражается ни от чего, и мы не можем видеть ход луча.

Где это можно увидеть? Этот эффект, называемый эффектом полного внутреннего отражения (свет

не может выйти из вещества), используется в оптических волокнах — прозрачных трубочках, где свет входит с одного конца и выходит с другого, как бы ни ис-кривлялась трубочка.

Оптические волокна используются в телефонной и телевизионной связи для передачи информации.

7

У каждого прозрачного вещества есть характеристика, называемая коэффициентом пре-ломления. Коэффициент преломления определяет угол, на который отклоняется луч света, когда переходит в это вещество.

Чистый воздух и вакуум не преломляют свет, он распространяется там по прямой. У стек-ла коэффициент преломления больше, и свет, проходя через воздух в стекло, отклоняется от прямой — преломляется.

Этот эффект объясняется тем, что скорость света в веществах меньше, чем скорость света в вакууме или воздухе.

Свет состоит из смеси различных цветов, а они преломляются по-разному.

Где это можно увидеть? Если смотреть сверху на дно озера или моря, то глубина нам кажется меньше, чем на

самом деле.

Если заставить свет преломиться дважды, первый раз — при прохождении через воздух, например, в стекло, и второй раз — из стекла обратно в воздух, то можно сместить луч.

Поэкспериментируйте Поставьте ложку в прозрачный стакан с водой. Если посмотреть сверху, она нам покажется

короче, а если посмотреть сбоку, то мы увидим излом на ней.

Способности линзы

Требуется: линза, фонарик.

Проведем эксперимент Возьмите линзу (увеличительное стекло) и посмотрите сквозь нее на различные объекты,

меняя расстояние от линзы до предмета.

6

8

Где здесь физика? Увеличительное стекло, или, по-научному, собирающая линза, фокусирует лучи света,

проходящие сквозь нее. Лучи, проходящие через центр линзы, идут дальше, как и шли, а лучи, проходящие через край линзы, собираются в центре. В результате собирающая линза дает уве-личенное изображение.

Отдаляя и приближая линзу к фонарику, можно получить как одну яркую точку света, так

7

и размытое пятно, больше, чем то, что дает фонарик.

Где это можно увидеть? Линзы используются в микроскопах. Много линз, стоящих на одной прямой,

могут увеличить изображение в несколько сотен раз.

Пропустив луч света через собирающую линзу, можно увеличить его яр-кость в несколько раз.

Поэкспериментируйте В солнечную погоду возьмите лист бумаги и линзу. Поднесите линзу к листу бумаги и до-

бейтесь того, что на бумаге будет только одна яркая точка вместо большого светлого пятна. Линза собирает все лучи в одну точку, увеличивая там яркость и тепло. Подождите немного, и бумага начнет дымиться и даже может загореться.

Коэффициент преломления

Требуется: прозрачная стеклянная банка, линза, фонарик, белый экран, вода.

Проведем эксперимент Поставьте банку на стол и налейте туда холодную воду.

9

рис. 10 рис. 11

За банкой поставьте белый картонный экран. Посветите фонариком на банку. Не выключая фонарик, поместите линзу за

банку, перед экраном, на пути луча фонарика (рис. 10).

А теперь окуните линзу в воду, на пути луча фонарика (рис. 11).

8

Где здесь физика? Банка с водой работает как собирающая линза. После выхода из банки луч на экране ока-

зывается сфокусированным.

Если поместить линзу на пути луча в воду, практически ничего не изменится, т.к. коэффи-циенты преломления воды и линзы приблизительно равны, хотя если поставить линзу и банку по очереди, луч фокусируется больше.

Мыльные пузыри

Требуется: пластиковая трубочка, глицерин, мыло, стакан, ложка.

Проведем эксперимент Вскипятите воду и дайте ей остыть. Возьмите стакан и налейте туда охлажденную воду. Добавьте немного мыла. Помешивайте воду, пока все мыло не растворится. С помощью ложечки уберите с поверхности воды мыльную пену. Окуните трубочку в раствор. Вытащив трубочку, аккуратно подуйте в нее, выдувая мыльный пузырь.

В чем здесь физика? Если аккуратно выдувать пузыри так, чтобы не было капелек воды в них, то пузыри по-

10

лучаются круглыми. Это происходит потому, что поверхностное натяжение жидкости стремится сжать поверхность до минимально возможной, и форма получается сферической.

Тонкие мыльные пленки на поверхности пузыря постоянно двигаются и преломляют свет. Свет состоит из смеси разных цветов, которые, проходя через пленку, преломляются по-разному, и мы видим постоянно движущиеся радужные цвета в летающих пузырях.

Кипяченая вода используется потому, что при кипячении из воды удаляются тяжелые при-меси и вода становится «мягче». Это влияет на поверхностное натяжение, позволяя выдувать большие пузыри, которые продержатся дольше.

Где это можно увидеть? Мыльные пузыри используются для декорации на концертах, в теа-

трах и цирках.

Красочные переливы мыльных пленок на поверхности могут помочь физику в определении длины волны света.

Поэкспериментируйте Возьмите соломинку и разрежьте ножом конец крест-накрест. Попробуйте пускать пузыри

с помощью этой соломинки, окуная разрезанный конец в раствор.

Попробуйте пускать пузыри, выдувая их из разных растворов. К примеру: возьмите глице-рин из набора и добавьте к мыльному раствору в соотношении один к трем (1 ложка глицерина, 3 ложки раствора).

Попробуйте делать раствор из туалетного мыла, хозяйственного. (Для этого возьмите ку-сочек мыла и растворите в воде. Чтобы растворение прошло быстрее, можно натереть мыло на терке или мелко нарезать).

11

9 Цветные точки

Требуется: кусок картона с красной точкой посредине, белый экран.

Проведем эксперимент Положите перед собой на стол карточку с красной точкой. Рядом положите чистый белый лист бумаги. Стараясь не моргать, некоторое время смотрите на точку на картоне. Переведите взгляд на белый лист.

Где здесь физика? В глазах есть особые клетки, называемые колбочками, которые помогают нам различать

цвета. Если долго и пристально рассматривать какой-то цвет, то колбочки утомляются и не так сильно реагируют на него.

Если смотреть на красную точку, то утомятся только красные колбочки.

10 Цветная юла

Требуется: зубочистка; диск из тонкого картона, окрашенный в 7 цветов радуги.

Проведем эксперимент Возьмите из набора семицветный круг и зубочистку. Вырежите его (рис. 12). Проденьте зубочистку через отверстие посредине круга. Острый конец зубочистки должен

смотреть вниз. Поставьте зубочистку острым концом на стол и начните вращать (рис. 13). Попробуйте вращать круг сначала быстро, а потом медленно.

12

В чем здесь физика? Видимый белый свет состоит из смеси

семи основных цветов — красного, оран-жевого, желтого, зеленого, голубого, си-него, фиолетового — семи цветов спектра. В одном из следующих экспериментов мы разложим белый свет в радугу (или, как го-ворят физики, в спектр). Однако верно и об-ратное: если смешать все семь цветов, то мы получим белый цвет.

11

рис. 12 рис. 13

Где это можно увидеть? Красный, зеленый, синий — это три основных цвета. Смешением этих цветов в различных

пропорциях получаются все другие цвета. Это используется в телевизорах и технике, которая показывает цветное изображение.

В живописи, однако, основными цветами являются красный, желтый и фуксин (смесь фиолетового и красного цветов), т. к. с ними удобнее работать.

Поэкспериментируйте Возьмите краски (гуашь, акварель) и попробуйте смешением основных цветов получить все

другие.

Игра с цветом

Требуется: картонный круг из предыдущего эксперимента, цветные пластиковые светофиль-тры, фонарик.

Проведем эксперимент Возьмите светофильтры — цветные полупрозрачные квадраты из пластика.

13

рис. 14

Посмотрите через светофильтры на цветной круг и заметьте, как меняются цвета при смене филь-тра.

Посветите фонариком на белый лист — свет бе-лый.

Попробуйте посветить сквозь разные светофиль-тры — мы видим, что цвет света фонарика меня-ется в зависимости от фильтра (рис. 14).

Посветите фонариком сквозь светофильтры на семи-цветный кружок. Посмотрите, как меняют-ся цвета.

В чем здесь физика? Эксперимент очень простой, но он иллюстрирует основные принципы физической оптики.

Для понимания сути нам нужно разобраться, почему мы видим вещи разных цветов и как на цвета влияют светофильтры.

Почему мы видим предметы? Потому что свет отражается от них, и мы воспринимаем глазами отраженный свет, в котором запечатлены все особенности предмета, от которого он отразился. Если весь свет отражается от предмета, мы видим предмет в белом цвете. Если весь свет поглощается и мы не видим отраженного света, то предмет кажется нам черным. Если предмет поглощает все цвета, кроме красного, а красный отражает, то предмет нам кажется красного цвета.

Принцип действия светофильтра объясняется в самом названии инструмента: он фильтрует свет, т.е. пропускает только свет определенного цвета. Красный светофильтр — задерживает (фильтрует) все цвета, а пропускает только красный. Поэтому мы видим все в красном цве-те. Если предмет красный, то он отражает только свет красной длины волны, светофильтр его пропускает, и мы видим предмет без искажений в цвете (то есть такого же цвета, как и без светофильтра). Если предмет зеленый, а мы смотрим на него сквозь красный светофильтр, то нам предмет покажется черным, потому что единственный отраженный предметом свет будет зеленым, который потом фильтруется светофильтром. Как результат, нам в глаз не приходит никакой свет.

14

Где это можно увидеть? Часто светофильтры используются фотографами, чтобы запечатлеть фотографию в од-

ном определенном цвете.

Если покрасить обычную лампочку, то светить она будет тем цветом, которым покраше-на, а если заставить ее мигать в такт музыке, получится светомузыка.

Поэкспериментируйте Попробуйте смешивать цвета с помощью светофильтров, например, смотреть сразу через

два.

РадугаТребуется: емкость с водой, зеркало, фонарик, белый картонный экран.

Проведем эксперимент

12

рис. 15 рис. 16

Налейте в емкость холодную воду. Поставьте зеркало так, чтобы часть зеркала

была под водой, а часть — над ней. Задняя часть зеркала должна быть направлена к внутренней стенке емкости (рис. 15). Для лучшего эффекта поставьте рядом, вплот-ную, 2 зеркала.

Поставьте экран так, чтобы зеркало было направлено в его сторону.

Направляйте луч фонарика на разные ча-сти зеркала так, чтобы отраженный свет падал на белый лист бумаги (рис. 16).

15

Где здесь физика? Падая на зеркало, лучи света просто отражаются. Но проходя сквозь воду, белый свет ис-

пытывает преломление, потому что у воды коэффициент преломления больше, чем у воздуха. Так как белый свет состоит из разных цветов, которые преломляются по-разному (красный свет преломляется меньше, а фиолетовый — больше), то на выходе мы получаем радугу — разло-жение света в спектр.

Где это можно увидеть? Во время дождя воздух напол-

нен большим количеством капелек воды. Свет, падая на них, прелом-ляется и отражается, и издалека мы видим радугу.

13

Поэкспериментируйте Возьмите прозрачную стеклянную банку, наполните ее водой и посветите фонариком на

нее. Вы увидите на выходе луча радугу.

Перископ

Требуется: заготовка для перископа, ножницы, скотч, 2 маленьких зеркала.

Проведем эксперимент Возьмите из набора заготовку для перископа. Вырежьте два квадратных отверстия и сделайте четыре прорези по пунктирным линиям (рис. 17). Согните будущий перископ по линиям сгиба и закрепите скотчем.

рис. 17

рис. 18 рис. 19

Вставьте 2 зеркальца в соответствующие прорези (в верхнюю прорезь зеркало лицом вниз, в нижнюю — лицом вверх) (рис. 18).

Посмотри в нижнее отверстие: в нижнем зеркале перископа ты увидишь изображение того, что находится за «укрытием» (рис. 19).

Где здесь физика? Это еще одно использование прямолинейного движения и закона отражения света.

Где это можно увидеть? Как ни странно, но принцип работы перископа на подводных лодках точно такой же!