Воздух, обычное стекло, чистая вода - все они прозрачны, то есть пропускают свет. Но пропускают они его по-разному. Во-первых, свет движется в них с разной скоростью. Быстрее всего в вакууме - обычно именно эту скорость называют "скоростью света". Чуть медленнее в воздухе, на треть медленнее в воде, еще медленнее в стекле, причем в разных сортах стекла с разной скоростью. А во-вторых, если у нас есть две разные среды, например, воздух и вода, или вода и стекло, на границе между ними часть света отражается.
На рисунке 1 мы видим маленькую речку и мост, и речка уходит под мост. Дело происходит в Санкт-Петербурге, но свет так себя ведет и в других городах. Свет падает сверху на поверхность воды, под мостом тень, а на освещенной поверхности воды есть небольшие волночки, они видны на фотографии. Часть света входит в воду, и ее судьбой мы еще займемся. А часть отражается вверх и попадает на мост, на его вертикальную плоскость, где висит знак ограничения по высоте - 3 метра. Ход лучей условно показан в левой части рисунка 2.
Рис. 1. Свет отражается от волн на воде и фокусируется на мосту
Рис. 2. Слева свет отражается от волн, справа - от стекла в окнах
В волнах поверхность воды изогнута, получается вогнутое зеркало. Но не сферическое зеркало, которое вы, скорее всего, видели, а цилиндрическое; оно тоже фокусирует свет. Сферическое зеркало отражает свет, приходящий от далекого источника, и превращает его в сходящийся конический пучок. При пересечении с экраном получается, если экран правильно (в фокусе) расположить, маленькое пятно. Цилиндрическое зеркало делает нечто похожее, только пучок получается не конический, а клиновидный, вытянутый вдоль зеркала, похожий на лезвие топора. При пересечении с экраном получается, если экран правильно (в фокусе) расположить, узкая линия. Какие-то куски этих линий и попали на мост. Примерно так возникают "лунные дорожки" и "солнечные дорожки".
Стекла в окнах домов могут быть слегка изогнуты, и в этом случае они при отражении тоже могут фокусировать свет. И на доме напротив может получается картина, показанная на рисунке 3. Эта фотография сделанной уже в Москве, а ход лучей показан на рисунке 2, но справа.
Рис. 3. Свет отражается от стекол в окнах и фокусируется на доме напротив
В телескопах и других физических и технических приборах свет, падающий на зеркало, отражается от тонкой пленки металла (алюминий Al или серебро Ag). Эта пленка нанесена на полированное стекло. Свет, падающий на техническое или астрономическое зеркало, первым встречает на своем пути металл, и до стекла он не добирается, как показано на рисунке 4 справа. Почему же в качестве основы использовано стекло? Во-первых, стекло прочное, жесткое, относительно легкое, хорошо шлифуется и полируется. Во-вторых, линзы и бытовые зеркала издавна делали из стекла, поэтому вся технология работы со стеклом доведена до совершенства. В-третьих, основа зеркала - это не всегда стекло. Например, у космического телескопа это может быть конструкция из карбида кремния, SiC - легкая, жесткая и прочная.
Рис. 4. Отражение в бытовом и техническом зеркалах
Делать бытовые зеркала "пленкой наружу" нельзя - эта пленка нежная, в быту она будет пачкаться, а при попытке почистить - повреждаться. Поэтому бытовые зеркала делаются "стеклом наружу". Приводит это к многократным отражениям. На рисунке 4 слева показан ход лучей, а как это выглядит, показано на рисунке 5. Это фотография витрины магазина, за стеклом висела гирлянда светодиодов.
Рис. 5. Многократные отражения светодиодов в стеклах
В бытовых зеркалах основное отражение происходит все-таки от металла на задней стороне стекла. Но несколько процентов света отражается от стекла, формируя паразитное изображение. И это лишь начало процесса, потому что свет, отраженный от металла, не весь выходит из стекла наружу - часть отражается от границы стекла и воздуха, возвращается назад, отражается от металла, выходит наружу и формирует третье изображение. А его часть... и так далее, то есть формируется цепочка изображений. Это как раз то, чего астрономам не хватает для счастья. Но почему эти многократные отражения не мешают нам в быту? Обратите внимание, что снимок сделан ночью - днем такую цепочку огоньков увидеть трудно, они теряются в дневном свете. Ход лучей в этой ситуации показан на рисунке 5, а что касается картинки со светодиодами, то там ситуация на самом деле еще сложнее, потому что стекол в витрине не одно, а два. И получается, что отражающих поверхностей не две, а четыре - по два поверхности у каждого стекла. Вот между этими четырьмя отражающими поверхностями и мечется несчастный свет...
Кстати насчет "снимок сделан ночью" - знаете ли вы, что у кошек светятся в темноте глаза? Это, конечно, шутка. Но вот эффект "красных глаз" - реальность, и если фотографировать людей со вспышкой, на фотографиях у людей могут быть красные глаза. В современных аппаратах перед основной вспышкой излучается предварительная, менее мощная, чтобы люди прищурились - тогда этот эффект ослабевает.
Продолжая исследовать отражение света, мы отправляемся в Африку.
"Мы быстро научились различать большинство местных животных по цвету их глаз, отражавших луч фонаря. Самые яркие глаза принадлежали похожим на лемуров галаго, которых в англоязычных странах Африки называют "бушбэби". Генетты, дикие кошки, сони, кистеухие свиньи, трубкозубы, циветты, антилопы бушбоки, долгоноги, большеухие лисы, похожие на скунсов африканские хорьки и скальные кролики с длинными, как у белок, пушистыми хвостами - все они различались по цвету глаз. Один раз мы встретили зверя, глаза которого вообще не отражали свет. Это был панголин, похожее на метровой длины еловую шишку существо, питающееся термитами".
С нами были Владимир Динец и его книга "Песни драконов. Любовь и приключения в мире крокодилов и прочих динозавровых родственников". Почему глаза отражают свет? Слой светочувствительных клеток захватывает лишь часть квантов, поэтому за ним стоит отражающий слой. Кванты, отраженные им, пройдут через светочувствительные клетки еще раз, и часть их будет этими клетками захвачена. Легко сообразить, что сигнал, поступающий в мозг, этим способом может быть удвоен. Этот слой есть и у кошек, и у людей, и вообще у многих животных, он называется тапетум (новолат. tapetum, от др.-греч. - покрывало, ковёр).
Кванты, отраженные им, пройдут через светочувствительные клетки еще раз, и часть их будет этими клетками захвачена. Легко сообразить, что сигнал, поступающий в мозг, этим способом может быть удвоен. Этот слой есть и у кошек, и у людей, и вообще у многих животных, он называется тапетум (новолат. tapetum, от др.-греч. - покрывало, ковёр).
Цвет глаз в отраженном свете зависит от того, какая часть спектра поглощается, а какая отражается в глазу. Например, если лучше отражается синий, а поглощается красный, то мы увидим синее свечение, если лучше отражается красный, а поглощается синий, то мы увидим синее свечение. А если тот, который отражается, после этого весь поглощается, то мы не увидим отраженного света. Видимо, так устроил свой глаз умница панголин.
Отражение выглядит просто, а устроено оно сложно, причем часть сложностей связана с шероховатостью поверхности самого отражающего вещества, а часть - с шероховатостью поверхности, на которую нанесено вещество, которое отражает свет. И вот два примера.
Если повозить обычным черным (простым) карандашом по бумаге, черный ли остается след? Не совсем - если свет не рассеянный, а направленный, то можно заметить, что след карандаша часть света отражает зеркально, однако на сильно шероховатых поверхностях этого эффекта нет. Почему это происходит?
Графит состоит их плоскостей атомов, причем плоскости связаны друг с другом слабо. При движении по бумаге от грифеля отделяются кусочки этих плоскостей, и на бумаге они располагаются параллельно ее поверхности, образуя довольно плохое, но все же зеркало. А на сильно шероховатых поверхностях графит отщепляется поликристаллами, кусочками, содержащими по-разному ориентированные фрагменты плоскостей. Эти кусочки отражают свет куда попало и зеркало вообще не получается.
Для второго примера нам потребуется ночь и лужа. На следующих четырех рисунках 6, 7, 8 и 9 - фотографии одной и той же лужи, первые три раза - ночью. Первый раз - до проезда по ней велосипедиста, он как раз на ее краю, сейчас въедет. Второй снимок - сразу после проезда, его спина видна в верхней части снимка, а отблески на луже - отражения от маленьких волн. Третий снимок - спустя минуту, волны исчезли, все вернулось в исходное состояние. А последний, четвертый снимок - та же лужа, но днем (она немного уменьшилась).
Рис. 6. Лужа и велосипедист на входе
Рис. 7. Лужа и велосипедист на выходе
Рис. 8. Лужа успокоилась
Рис. 9. Лужа днем
Фонарь висит над лужей. Поверхность воды - зеркало, и оно отражает свет фонаря мимо точки, из которой велась съемка, поэтому ночью лужа темная. Днем лужа освещена со всех сторон, и часть падающего на нее света отражается именно в фотоаппарат. Асфальт шероховатый, пленка воды на нем - тоже зеркало, но не одно и большое, как лужа, а много маленьких. Эти маленькие зеркальца наклонены так, что далекие участки асфальта не светят в точку съемки; кроме того, они просто далеко. Наконец - сразу после проезда на воде есть волны, и отражения от некоторых из них попали в кадр.
Одна загадка, связанная с отражением, летает, преимущественно ночью, у нас над головой. Это Луна, и отражение - причем и от нее самой, и от того, что туда доставил человек, - мы еще обсудим. А теперь - дискотека! Человек стоит в воде по колено. Есть ли тень на дне и на воде? Есть ли отражение? Отражение тени? Тень отражения?
Ну, нельзя все время быть серьезным... Тень есть всегда, а видна она там, где свет попадает на отражающую и рассеивающую поверхность. Поэтому тень и на дне, и на воде есть, но на дне она видна, а на воде - только если вода грязная и ее поверхность рассеивает свет и мы стоим так, что видим отражение света от поверхности. Отражение любого объекта есть в зеркале, но, чтобы его увидеть, надо, чтобы глаз находился в определенной области. Поэтому отражение человека в поверхности воды есть., отражение тени на дне в воде есть, но увидеть его можно только из-под воды. А вот отражение тени на воде мы не увидим, потому что тень на воде совпадает с поверхностью "зеркала".
А теперь колечко с бриллиантом и с двумя маленькими вопросами. На рисунке 10 фотография колечко в самом низу, стоит камешком вверх, и на него направлен луч лазера, который захватывает его весь. За колечком - просто лист белой бумаги, экран.
Рис. 10. Бриллиант и лазер
Отражение от каждой грани бриллианта создает одно пятнышко на экране, а некоторые пятнышки - результат и преломления, и отражения - луч преломился, вошел внутрь камешка, отразился там внутри и, еще раз преломившись, вышел наружу и достиг экрана. Именно это происходит в радуге, но она не сверкает, как бриллиант - капельки или льдинки слишком далеки от нас. А вот над прилавками, где продаются ювелирные изделия, обычно висит много лампочек именно для того, чтобы у человека все сверкало в глазах.
А теперь вспомним, что не весь свет отражался от волн на воде и посмотрим, что делала та часть света, которая не отразилась, а преломилась и прошла вглубь воды. Начнем с простого вопроса - почему на мелководье, как показано на рис. 11, иногда наблюдается такой эффект - на дне видны светлые шевелящиеся полосы.
Если искать еще - запрос в интернете "мелководье" и изображения.
В этой статье все фотографии автора, кроме рис. 11, 13 и 16.
11 и 13 из интернета, 16 - там автор указан.
Что это за полосы и почему они образуются? Ширина полос - сантиметры, зазор между полосами - десятки сантиметров, шевелятся они периодически, период одна-две секунды. А если глубина меньше или больше, полос почему-то нет.
На рисунке видно, что полосы на дне длинные и тонкие. Наверное, причина этих полос тоже длинная и тонкая? Таких объектов в воде два - водоросли и волны. Но водоросли не светятся и не отражают свет, остаются волны, которые не светятся, но их поверхность, то есть граница между водой и воздухом, свет отражает и преломляет. Свет отражается и преломляется на границе двух прозрачных сред, имеющих разные оптические свойства, например, на границе воздуха и воды, а также воздуха и стекла. Выпуклая часть волны работает как собирающая линза, только не сферическая, а цилиндрическая. В воде образуется клиновидный поток света, который при пересечении с дном, если дно расположено близко к фокусу дает узкую полосу. Но, конечно, не прямую, а изогнутую, как породившая его волна. Ход лучей весьма условно показан на рисунке 12 внизу.
Рис. 12. Преломление света в стеклянном шаре и в волнах на воде
При преломление света надо знать и помнить, и уходя из дома в солнечный день, не оставлять на столе у окна стеклянный шар - рисунок 12 вверху. Это опасно, и вот почему. В интернете есть такая шутка. "Когда я покупала стеклянный шар, продавец сказал мне: "Накрывай его какой-нибудь тряпочкой, или убирай его в ящик, когда уходишь из дома. Я спросила: "Это из-за ду'хов?" Он ответил: "Нет. Если на него попадут солнечные лучи, он сработает, как линза и будет пожар". И я поняла, что даже общаясь с ду'хами, надо постоянно помнить и применять законы физики". На рисунке 12 показан ход лучей и слева - начинающийся пожар.
Еще одна практически важная вещь. Оптические свойства воды и стекла близки, на границе воды и стекла свет преломляется слабо, поэтому осколки стекла в воде плохо заметны. Находясь на природе и входя в воду, будьте осторожны - вдруг на этой чудесной полянке нехорошие граждане расколотили бутылку? Тем более, что в жидкой среде острый предмет особенно хорошо режет (расклинивающее действие, эффект Ребиндера). Для примера - не приходилось ли вам видеть волшебный кран, к которому не подходит труба, но из которого течет вода? Посмотрите на рисунок 13 и сообразите, что вертикальная струя воды течет по стеклянной трубке - внутри трубки вверх, по наружной поверхности вниз, а сама трубка не видна.
Рис. 13. Волшебный кран
Если искать в интернете другую картинку - запрос "волшебный кран" и изображения.
В оптических приборах иногда применяются цилиндрические линзы, по форме похожие на волны на мелководье. Такие линзы используют, в частности, для работы с ленточными пучками света. На рисунке 14 - цилиндрическая линза (ее ось горизонтальна) специально предназначенная для чтения надписей. Видно, в каком направлении она растягивает изображение. На рисунке 15 - цилиндрическая линза для того, чтобы увеличить деления на горизонтальной шкале настройки на радиостанции и облегчить настройку.
Рис. 14. Цилиндрическая линза для чтения. Изображение растягивается поперек оси линзы
Рис. 15. Цилиндрическая линза для того, чтобы увеличить деления на горизонтальной шкале. Шкала находится за линзой и ее не видно. Снимок сделан сбоку, чтобы было видно, что линза цилиндрическая.
На практике чаще применяются не цилиндрические, а сферические линзы, и вы наверняка их видели - хотя бы в очках. В простейшем случае их поверхности - части сферы, хотя бывают и более сложные ситуации. А чтобы сферические линзы не обижались, что мы не уделили им должного внимания, вот не самый частый пример. На рисунке 16 - капли воды на листьях растения. Они тоже линзы!
Рис. 16. Капли воды - линзы: видны изображения веток, которые за ними. Фото Наталии Сьяновой.
