Исследование свойств света

«А в полдень лужи под окном

Так разливаются и блещут,

Что ярким солнечным пятном

По залу «зайчики» трепещут».

И. А. Бунин

Свет. Его значение в нашей жизни очень велико. Трудно представить себе жизнь без света. Ведь все живое существует и развивается под влиянием тепла и света.

Что самое первое, с чем сталкивается только что родившийся ребенок? Да, на него наваливается масса новых впечатлений – холод, шум, запахло чем-то. Но самое главное – это хлынувший в глаза поток света, который заставляет жмуриться младенца.

Растения производят кислород под воздействием света, большинство животных и насекомых ведут дневной образ жизни.

Жизнь человека в первые периоды его существования – добывание пищи, охота, защита от врагов – была зависима от дневного света. Потом человек научился обращаться с огнем, добывать и поддерживать его, готовить на нем пищу. Но во всех случаях человеческая деятельность не могла и не может протекать без освещения.

Очень часто я интересовался, как образуется радуга, почему солнечные «зайчики» бегают по утрам на ковре, как капитан Немо, глядя в перископ, видел все, что происходит на поверхности воды. Вот поэтому меня и заинтересовала эта тема. Я хочу понять, что же такое свет, чем он важен в нашей жизни, как видит наш глаз, как работают микроскоп и телескоп, как светит Луна, как и куда бежит свет.

Прямолинейность света

Раздел науки, изучающий свет, называют оптикой (от греческого слова видимый, зримый).

Световое излучение создается источниками света. Существуют естественные и искусственные источники. К естественным относятся Солнце, звезды, полярное сияние, молния, светлячки и др. К искусственным – лампы, свечи и экран включенного телевизора.

Источники света мы видим потому, что создаваемое ими излучение попадает к нам в глаза.

В старину люди считали, что свет исходит из глаз и является своеобразными щупальцами. Отсюда и выражение «свет очей моих». С развитием науки знания о свете стали более верными.

От своего источника свет направляется во все стороны, отражается от окружающих нас предметов и делает эти предметы видимыми. Так мы видим деревья, дома, Луну. Свет бежит к нам по прямой линии.

Можно ли загородиться от солнечного света? Конечно, при помощи ладони; зонтика; козырька головного убора. Если бы свет распространялся не прямолинейно, то он мог бы обогнуть края препятствия и попасть к нам в глаза. Таким образом, описанный выше пример показывает, что свет распространяется по прямой.

Прямолинейность света доказывает образование теней. Из промасленной бумаги устроим экран, позади экрана поместим две лампы. Между зажженной лампой и экраном расположим овальный лист картона, чтобы на экране появился силуэт яйца. Зажигаем вторую лампу, между которой и экраном находится вырезанный силуэт собаки. Видим, что силуэт яйца словно светлеет по краям, а в середине его отчетливо вырисовывается силуэт собаки.

Если мысленно заменить лампу на Солнце, яйцо – на Луну, а экран – на Землю, то перед нами окажется модель солнечного затмения.

Закон отражения света

Как уже говорилось, человек воспринимает окружающий мир благодаря тому, что лучи света отражаются от предмета и попадают нам в глаза. Например, мы воспринимаем Луну как светящееся небесное тело, но на самом деле доказано, что на ней нет ни одного источника света. Луна, как небесное зеркало, отражает лучи Солнца, и мы видим её светящейся.

Отраженный свет можно наблюдать не только от небесных тел. Все когда-нибудь пускали солнечных «зайчиков».

Наблюдения за солнечными «зайчиками» навели на открытие закона отражения света. Звучит он так: угол падения луча равен углу отражения луча.

Данный закон иллюстрирует следующий опыт. Положим на стол лист бумаги и проведем на нем прямую линию. Поставим зеркало перпендикулярно этой линии. В роли световых лучей выбираем карандаши, которые расположим по разные стороны от начерченной линии. Добиваемся, чтобы карандаши и их отражения в зеркале образовали прямые линии. Один карандаш выполняет роль падающего луча, а другой – отраженного. Углы между карандашами и перпендикуляром равны.

Если поворачивать один из карандашей, то обязательно нужно повернуть и второй, чтобы не было излома между первым карандашом и его продолжением в зеркале, чтобы не нарушать прямолинейность светового луча, который карандаш изображает.

В этом опыте использовано замечательное изобретение человека – зеркало.

Зеркала помогают нам рассмотреть себя с разных сторон. Выпускают трехстворчатые зеркала, которые нужны актерам в их гримерных.

С помощью зеркал мы хохочем над своим отражением в комнатах смеха. Если зеркало выпуклое, то наше отражение растягивается в ширину и мы выглядим толстыми, так как происходит рассеивание лучей света. Если же зеркало вогнутое, то мы видим себя худыми, то есть происходит собирание лучей.

Выпуклое зеркало. Вогнутое зеркало.

Эти особенности зеркал применяются на практике. Выпуклые зеркала используют водители для увеличения сектора обзора. Вогнутые зеркала применяют при изготовлении прожекторов, карманных фонариков, маяков, фар автомобиля.

В 90-х годах ХIX века продавался любопытный прибор под громким названием «рентгеновский аппарат», модель которого мы изготовили с папой. С помощью этого прибора я могу видеть через непрозрачные предметы.

Нехитрый секрет этого прибора мы видим на схеме.

Четыре зеркала, наклоненных под углом 45°, отражают лучи несколько раз в обход непрозрачного предмета, попадая в глаза наблюдателю. Вследствие чего наблюдатель видит спрятанный предмет.

В военном деле широко используются подобные приборы, называемые перископами.

Закон отражения света используется фокусниками. В литературе широко описывается фокус с говорящей головой. На сцене стоит стол, а на нем находится блюдо с живой говорящей головой.

Подобный фокус, только в уменьшенном размере проделал и я. Секрет фокуса заключается в ширме, которая загораживает от зрителей то, чего они не должны видеть. Но при этом и самой ширмы зрители не видят, она для них невидима.

Ширма состоит из двух зеркал. Они устанавливаются между ножками столика, отражая боковые стены и пол сцены. Эти отражения сливаются с задним фоном сцены, и зрителю кажется, что он видит всю заднюю стену сцены. Таким образом, сама зеркальная ширма как бы не существует. И фокусник демонстрирует удивленной публике исчезновение и появление предметов.

Зеркальное отражение используется в известной игрушке - калейдоскопе. Горсточка пестрых осколков отражается в трех плоских зеркальцах и образует удивительно красивые узоры, которые меняются при малейшем повороте калейдоскопа. Сегодня калейдоскоп не вызывает такого живого интереса, с каким был встречен более ста лет назад, когда был еще новинкой. Его воспевали в прозе и стихах.

Смотрю – и что ж в моих глазах?

В фигурах разных и звездах

Сапфиры, яхонты, топазы,

И аметисты, и жемчуг,

И перламутр – все вижу вдруг!

Лишь сделаю рукой движенье –

И новое в глазах явленье!

Писал о калейдоскопе баснописец А. Измайлов. Изобрели же калейдоскоп в Англии в 1816 году.

О зеркальном устройстве, которое могло концентрировать световые лучи, мы можем прочитать в фантастическом романе Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Со временем выяснилось, что если бы такой прибор был построен, он не производил бы подобного эффекта. Хотя некоторые утверждают, что гиперболоид можно считать прообразом современного лазерного устройства.

Почему же поверхности одних предметов отражают свет хорошо, а других – нет? Почему одни выглядят матовыми, а другие – зеркальными? Наверняка, все дело в отполированности поверхностей. Поводив пальцем по зеркалу, мы убедимся, что оно гладкое, а фанера – шероховатая, то есть состоит из множества очень маленьких плоских поверхностей, расположенных беспорядочно. Поэтому зеркало отражает падающие лучи света направленно, а шероховатые поверхности – хаотично, под разными углами, в разных направлениях.

Закон преломления света

В предыдущей главе были рассмотрены непрозрачные предметы. А что же происходит с лучами, когда они падают на прозрачную поверхность окна, реки, стакана с водой?

Проведем опыт. Положим на дно пустой чашки монету. Поставим чашку на стол так, чтобы край чашки скрывал от нас монету. Затем осторожно наливаем воду. В какой – то момент монета начинает «всплывать». Когда заполнится вся чашка – монета видна целиком.

Какова же разгадка этого «фокуса»? Дело в том, что при переходе из одной среды в другую лучи света преломляются.

Наглядное преломление света можно воспроизвести на столе. Накроем половину стола скатертью и, слегка наклонив стол. Заставим скатиться колесики от игрушечной машины.

Если направление колес и край скатерти составляют угол 90°, то преломления не происходит. Т. е. иллюстрируется правило: «Луч, перпендикулярный к плоскости раздела сред, не преломляется».

При наклонном направлении пути, путь колес изламывается. Преломление происходит из–за разной скорости движения колес.

Случай I. Верхняя часть стола не покрыта скатертью.

В верхней части стола скорость больше, чем в той, которая покрыта скатертью. И в этом случае направление пути приближается к «перпендикуляру падения».

Случай II. Верхняя часть стола покрыта скатертью.

В этом случае происходит удаление направления пути от «перпендикуляра падения».

Этот случай описан в предыдущем опыте, когда угол преломления больше угла падения, и монета зрительно «всплывает» в чашке.

Преломление луча происходит из-за различной скорости прохождения через данную среду. Т. е. разные прозрачные вещества преломляют свет по-разному. Эта особенность используется при конструировании различных оптических приборов: бинокля, перископа, микроскопа, фотоаппарата и др. Главной частью всех этих приборов является линза.

Линзы бывают выпуклые – собирающие, и вогнутые – рассеивающие. Обыкновенные линзы не дают искажения, но бывают линзы, которые увеличивают либо по горизонтали, либо по вертикали.

Цилиндрическая линза увеличивает по горизонтали. Примером такой линзы может служить стакан с водой. Посмотрим на опыте, как она работает.

За полным стаканом воды поместим лист бумаги, на котором начерчены две перпендикулярные прямые одинаковой длины. Поместим лист за стаканом на расстоянии 2см. Видим, что вертикальная линия не изменилась, а горизонтальная стала длиннее. Повернем лист, и опять видим ту же картину: горизонтальная линия длиннее вертикальной.

Цилиндрическая линза - собирающая. Продемонстрируем это на опыте.

Возьмем тот же стакан с водой, вставим его в отверстие в картоне на расстоянии 5см от края. Укрепим расческу перед краем картона. Лучи света, проходящие между зубьями расчески, пройдут в стакан, и, преломившись в воде, выйдут с другой его стороны, собравшись в одну точку, а затем опять разойдутся веером.

Как было сказано, разные вещества преломляют световые лучи по-разному.

Превратим цилиндрическую линзу в двухэтажную, налив на поверхность воды подсолнечное масло толщиной 1см. Возьмем иголку и проткнем слой масла в центре стакана. Если смотреть сбоку, то видно сплошную иголку, состоящую из трех частей разной толщины: средняя самая толстая, что в воде – потоньше, и самая тонкая часть та, что над водой.

Сдвигая иголку, видим, что неожиданно она «разрезалась». Видно, что быстрее всех движется средняя часть, медленнее – верхняя часть, находящаяся в воздухе. Это происходит из-за того, что в воздухе преломления лучей не происходит. В масле же и в воде, благодаря преломлению света мы видим отдельные части иголки не там, где они на самом деле есть. В воде это смещение меньше, чем в масле, т. е. преломляющее свойство воды меньше.

Линза перестает увеличивать, если ее окружить тем же веществом, из которого она изготовлена.

Возьмем стакан с водой и посмотрим через него на пуговицу. Пуговица оказалась увеличенной. Затем положим пуговицу на дно миски с водой. Погрузим стакан в миску, и посмотрим, как выглядит пуговица. Хотя стакан и наполнен водой, но увеличивать он перестал. Это значит, что линза перестала действовать.

Как уже говорилось, существует множество приборов, основной частью которых является линза. Прообразом одного из них, фотоаппарата, была камера-обскура, которую можно считать упрощенной моделью глаза человека.

Свет от ярко освещенных предметов проходит через маленькое отверстие в передней стенке темного ящика, и на матовом стекле, вставленном в его заднюю стенку, появляется уменьшенное перевернутое изображение.

В ХVI веке в отверстие стали вставлять линзу-объектив. Однако прошло три столетия, пока люди научились фиксировать изображение и подолгу их сохранять.

Оказывается, в нашем глазу хрусталик выполняет роль линзы, и имеет вид собирающей линзы, т. е. двояковыпуклой формы. Расстояние лучшего видения – 25см. А в кинотеатре при просмотре фильма это расстояние равно ширине картины, увеличенной в три раза. Т. е. , если ширина изображения 6м, то лучшие места находятся на расстоянии 18м от экрана.

Глаз называется нормальным, если собирает лучи в одной точке на сетчатке. Но есть два недостатка зрения – близорукость и дальнозоркость.

Близорукость и дальнозоркость устраняются с помощью линз. Изобретение очков явилось великим благом для людей, имеющих недостатки зрения. Близоруким выписывают очки с рассеивающей линзой, а для дальнозорких – с собирающей линзой.

Свет – волна, свет – частица

Законы отражения и преломления света изучались и исследовались многими учеными, которые жили в разные эпохи: Герон Александрийский–древнегреческий ученый, Пьер Ферма–французский математик, Христиан Гюйгенс–голландский ученый, который разработал волновую теорию света, Томас Юнг–английский ученый, создатель волновой оптики, Жан Фуко–французский физик, разработал метод измерения скорости света, Альберт Эйнштейн–физик-теоретик, создатель квантовой теории света.

Как видим, ученые доказали, что свет-это волна и свет-это частица.

Волновую теорию света подтверждает радуга. Как возникает радуга? Образуется она благодаря мельчайшим капелькам воды, поэтому и возникает только после дождя. Преломляясь в крохотных каплях, белый свет разлагается на спектр. Исаак Ньютон-английский физик, выделил семь цветов, на которые разлагается белый свет.

Красный Каждый

Оранжевый Охотник

Желтый Желает

Зеленый Знать

Голубой Где

Синий Сидит

Фиолетовый Фазан

Доказать это можно с помощью простой демонстрации.

Раскрасим круг в цвета радуги. Закрепим его на карандаше и начнем быстро вращать. Видим, что все цвета слились в белый.

С отдельными цветами спектра можно проделать любопытные опыты. Например, «смешать» два основных цвета, взятых через один, и получить третий основной цвет спектра, стоящий между ними. Так красный и желтый превращаются при смешивании в оранжевый, голубой и желтый – в зеленый, зеленый и синий – в голубой.

С помощью спектрального анализа изучаются далекие звезды, химический состав твердых тел, Солнце. Поразительным открытием спектрального анализа стало открытие химического элемента – гелия – который сначала обнаружили на Солнце, а затем значительно позже на Земле.

Квантовую теорию света, т. е. свет – частица, взяли на вооружение многие выдающиеся ученые. Например, А. Эйнштейн применил эту теорию к явлению фотоэффекта, с которым мы встречаемся в метро, на проходных предприятий, где установлены турникеты. В них находятся устройства, которые преобразуют световой поток в электрический сигнал.

До работы над рефератом я и не предполагал, какая это важная, интересная, сложная штука – свет. Раньше мне казалось, что свет только для того, чтобы мы жили и развивались, но, как оказалось, свойства света применяются широко в науке и технике. На основе преломления и отражения света, природы света изобретены приборы, которые позволяют людям исправить дефекты зрения, видеть из-под воды, использовать приборы для охраны помещений, исследовать организм человека на предмет заболеваний, и многое другое. Я очень рад, что в процессе этой работы мой кругозор расширился, и я узнал много интересного о свете. Да будет свет!