Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Патрик Кэйб из Университета Северной Каролины в Пемброке предложил интересный способ продемонстрировать этот эффект с помощью шарика для пинг-понга. Порядок работы следующий. 1. Выкрасьте черной краской одну половинку шарика. 2. Просверлите дырочку диаметром 2 мм в центре выкрашенной стороны шарика. 3. Сложите из черной плотной бумаги цилиндр диаметром чуть меньше диаметра шарика. 4. Вставьте шарик в один из концов цилиндра так, чтобы черная полусфера смотрела наружу. 5. Заклейте скотчем шов на бумаге, а затем закрепите скотчем шарик, не закрывая отверстия. 6. Посмотрите в открытый конец цилиндра, направив его другой конец на какой-нибудь ярко освещенный предмет. На белой матовой стенке шарика внутри цилиндра, как на экране, вы увидите перевернутое изображение этого предмета.

Камера пинспек по принципу действия противоположна камере пинхол и состоит из небольшой непрозрачной крупинки, помещенной перед фотопленкой (ее можно приклеить к листу прозрачного пластика). Большое отверстие перед этой крупинкой работает как кадровая рамка камеры, ограничивающая количество света, поступающего на нее. Какого типа изображение можно получить с помощью такой камеры?

Какое изображение получится, если небольшая крупинка будет загораживать свет от люминесцентной лампы, освещающей экран?

ОТВЕТ •Рассмотрим небольшой источник света, помещенный перед камерой пинхол. Световые волны от источника дифрагируют на отверстии камеры, то есть расходятся и интерферируют. При этом некоторые волны усиливают, а другие гасят друг друга. Результат прост: свет оставляет небольшое яркое пятнышко на фотопленке. Это пятнышко — изображение источника света; каждая точка светящегося или отражающего свет объекта формирует свое почти точечное изображение. Если отверстие камеры слишком большое, эти изображения перекрываются, и, возможно, столь сильно, что их нельзя отличить одно от другого. Перекрытие изображений уменьшается при уменьшении размера отверстия, но при этом падает и яркость изображения. Итак, каков же оптимальный размер отверстия?

Ответ зависит от того, как на пути к фотопленке расходится световая волна, прошедшая через отверстие. Когда фронт волны (поверхность, все точки которой колеблются с одинаковыми фазами) достигает отверстия, его условно разбивают на зоны в форме колец, центры которых совпадают с отверстием. Световые волны, проходящие через центральную зону, достигают пленки в фазе (синхронно) (в этом случае говорят о конструктивной интерференции ), поэтому такие волны стремятся усилить друг друга, и получается яркое изображение.

Когда размер отверстия камеры точно совпадает с размером центральной зоны, изображение самое яркое. Если отверстие меньше, прохождение света через центральную зону затруднено, и изображение становится тусклым. Если радиус отверстия больше радиуса центральной зоны, свет из следующей зоны тоже достигает фотопленки, но такие световые лучи доходят до пленки по более длинному, наклонному пути и достигают ее не точно в фазе (не совсем синхронно) с лучами, прошедшими через центральную зону. Значит, волны будут частично гасить друг друга (имеет место деструктивная интерференция ), что делает изображение более тусклым. В оптимальной ситуации отверстие должно быть таким маленьким, чтобы свет проходил только через центральную зону, и тогда изображение будет ярким и достаточно четким.

Непрозрачная крупинка камеры пинспек отображает на пленке каждый небольшой источник света, исходящего от предмета перед камерой, в виде теневого пятна. Все вместе эти теневые пятна создают теневое (или негативное ) изображение предмета.

Если непрозрачную крупинку поместить между люминесцентной лампой и экраном, на экране получится теневое изображение лампы: крупинка отбрасывает на экран тень от каждого из участков лампы, и все вместе эти тени создают тусклое изображение трубки. Это изображение не абсолютно темное, поскольку каждое теневое изображение отдельного участка по-прежнему освещается остальной поверхностью лампы.

Почему во время солнечного затмения в тени под деревом видно большое количество изображений солнца? Есть ли изображения солнца в тени под деревом в другое время? Почему под раскидистыми кронами высоких деревьев у теневых изображений листьев иногда бывает два края, один внутри другого? Почему такие изображения нельзя увидеть под более низкими деревьями?

ОТВЕТ •Во время солнечного затмения изображения солнца появляются благодаря небольшим дырочкам в листьях или просветам между соседними листьями. Каждая дырочка действует как камера пинхол (см. предыдущую задачу), создавая изображение на земле в тени дерева. И когда затмения нет, возникают подобные изображения, но разглядеть их труднее из-за того, что яркий солнечный свет, отраженный от окружающих предметов, в какой-то мере освещает и тень. Во время солнечного затмения кругом становится темнее, и изображения солнца видны лучше. В любом случае их гораздо легче разглядеть на плоской поверхности, чем на неровной, покрытой травой земле.

Тень от листа, которую мы видим под раскидистой кроной высокого дерева, отбрасывает один из листьев на нижних ветках. Он освещен солнечным светом, пробивающимся через просветы между листьями на более высоких ветвях. Когда нижний лист освещают лучи, прошедшие через два просвета, могут получиться два перекрывающихся теневых изображения, причем края одного из них могут попасть внутрь другого.

Если ночью вы посмотрите на далекую яркую лампу через москитную сетку на окне, находящемся по крайней мере на расстоянии нескольких метров от вас, будет видна решетка из темных и ярких линий (рис. 6.38a). В результате чего получается такая картина? Аналогично выглядит яркая лампа, если посмотреть на нее через ткань самого обычного зонтика. Иногда эта решетка бывает цветной. Почему, если в ярко освещенной комнате посмотреть в зазор между почти соприкасающимися большим и указательным пальцами, между ними будет видно множество темных линий (рис. 6.38б)?

Рис. 6.38 / Задача 6.104.Изображение, которое видно: a) через сетку и б) между большим и указательным пальцами. в) Свет, прошедший через маленькую дырочку, освещает узкую щель и образует дифракционную картину на экране. г) Свет, прошедший через ту же щель, попадает на зрачок и образует дифракционную картину на сетчатке.