Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Рис. 6.40 / Задача 6.106.a) Полоски и пятна на ветровом стекле машины. б) Внутреннее отражение внутри ветрового стекла.

Часто кажется, что полоса света от лампы или солнца не плоская, что это яркая линия, ведущая от ветрового стекла к источнику света. Искривленные полоски напоминают тропинку, которая берет начало в долине, а затем взбирается на холм. Почему появляются такие полосы и что придает им глубину?

Ночью на ветровом стекле можно видеть еще много разных не столь ярких полос и пятен. Обычно пятна разбросаны по стеклу случайным образом, но иногда они «выстраиваются», образуя прямые или изогнутые линии. Есть полосы, которые, как кажется, проходят через источник света. Хотя этим они напоминают полосы, описанные выше, но в отличие от них не указывают на какую-то определенную точку на ветровом стекле. Такие полосы иногда видны не только через ветровое стекло. Иногда их можно увидеть даже через очки.

ОТВЕТ •Щетки дворников проделывают дугообразные бороздки в налипшей на ветровом стекле грязи. Рассеянный на бороздке свет расходится плоским веером в направлении, перпендикулярном касательной к бороздке (см. предыдущую задачу). Свет, рассеянный на большом числе соседних бороздок, формирует полосу, которую мы видим. В зависимости от кривизны ветрового стекла такая полоска может быть либо прямой, либо изогнутой. В любом случае ее нижний конец указывает на центр дуги, то есть на место крепления дворника.

Полоса не кажется плоской, потому что на самом деле каждый глаз видит свою полосу. Меньше всего эти две полоски расходятся на том конце, где мы видим источник света, а вблизи шарнира дворника расстояние между ними самое большое. Мозг человека объединяет эти два изображения в одно. В нашем восприятии участки, разнесенные на большее расстояние, кажутся ближе тех участков, расстояние между которыми меньше. В случае широкого источника света уходящая вглубь полоска выглядит странно: она самая широкая там, где мы видим такой источник, но этот участок полоски воспринимается как самый отдаленный. Эта картина полностью противоположна обычной, которую мы видим, глядя на уходящую вдаль настоящую дорожку.

На ветровом стекле и на самых разнообразных стеклах и пластиках можно видеть и полоски другого типа. Причина их появления — прямые лучи света, идущие к вам от источника через слой стекла и рассеивающиеся внутри этого слоя (рис. 6.40б). Когда луч света проходит через слой, возникает частичное отражение. Световые лучи, оставаясь внутри слоя, могут еще много раз отражаться от его внутренних поверхностей, но при каждом отражении часть света покидает слой. Если слой искривлен и вы смотрите на вогнутую поверхность, видны не только световые лучи, идущие прямо к глазам, но в какой-то мере и лучи, выходящие из слоя стекла сбоку от направления вашего взгляда. Вы видите полоску, уходящую прямо вдоль линии, направленной от вас к источнику света. Если каким-то образом сделать невозможным попадание прямых лучей света от источника на стекло, например, высунувшись из окна машины, закрыть пальцем нужное место снаружи ветрового стекла, полоса исчезнет. (Не забудьте съехать с проезжей части и остановить машину. Этот эксперимент не стоит того, чтобы потерять руку в результате дорожного происшествия.)

Яркие пятна — результат рассеяния или отражения от брызг грязи, прилипшей к ветровому стеклу. Если стекло искривлено, можно увидеть и световые лучи, исходящие от заляпанных грязью участков стекла. В этих местах видны яркие пятна.

Расположите на столе виниловую пластинку так, чтобы ее центр оказался примерно посередине между вами и небольшой настольной лампой, освещающей пластинку. Потушите в комнате остальной свет (в комнате должно быть темно), закройте один глаз и посмотрите на отражения на пластинке. Вы увидите, что ее поверхность освещена неравномерно. Нет на ней и одного яркого пятна, как было бы при отражении лампы в зеркале. Вместо этого на пластинке видны яркие узкие линии.

Меняя положение пластинки, можно добиться того, что на ней будут видны пересекающиеся линии или две линии, напоминающие гиперболы. В обоих случаях по крайней мере одна из линий будет проходить через центр пластинки. Иногда на пластинке, всегда на той линии, которая проходит через ее центр, появляется особо яркое пятно. Похожую картину из ярких пятен можно иногда увидеть, посмотрев ночью через оконные жалюзи на уличный фонарь. Вы можете объяснить, что вы видите?

ОТВЕТ •Все бороздки на пластинке наклонены так, что отраженные от них лучи направлены под углом вверх. Однако видны только те места на пластинке, где отраженные от бороздок лучи имеют нужный наклон. Это места, откуда отраженный свет уходит в направлении вашего глаза. Расположение этих бороздок соответствует ярким линиям, которые вы видите. Особо яркое пятно — зеркальное отражение лампы от пластинки. Эта ситуация напоминает солнечную и лунную дорожки ( задача 6.39).

Отражения на пластинке похожи на полосы света на ветровом стекле машины (см. предыдущую задачу), и если источник света достаточно яркий, как и на ветровом стекле, картина отражений может казаться объемной.

Если на CD- или DVD-диск или на тисненую бумагу некоторых сортов направить белый свет, отражение будет ярким и красочным. Если виниловую пластинку определенным образом ориентировать по отношению к падающему свету, можно добиться того, что она тоже будет казаться разноцветной.

Хотя кажется, что свет уличного фонаря белый или желтоватый, он излучает свет нескольких цветов. Это можно увидеть и сфотографировать, прикрепив недорогую дифракционную решетку (кусок пластика с мелкими бороздками или узкими прорезями) к объективу фотоаппарата. Если просто смотреть на фонарь через объектив, его прямое изображение кажется обычным, но края изображения могут быть окрашены из-за хроматических аберраций объектива.

Почему в каждом из этих случаев исходно белый свет разлагается на разные цвета?

ОТВЕТ •При рассеянии (преломлении) света системой мелких углублений происходит конструктивная и деструктивная интерференция световых волн. Возьмем пятно, которое выглядит красным. Это значит, что при рассеянии в этом месте белого света входящие в его состав волны красного света, которые уходят в направлении глаз наблюдателя, интерферируют конструктивно, то есть они распространяются с одинаковой фазой и усиливают друг друга. Волны других цветов, рассеивающиеся в направлении наблюдателя, интерферируют деструктивно, то есть они распространяются не в фазе и ослабляют друг друга. Поэтому в отраженном в этом месте свете доминирует красный цвет. Другие пятна наблюдатель видит под другими углами, и в отраженном от них свете преобладают другие цвета.