Качественные задачи по физике. Оптика.

Качественные задачи по теме «Оптика» «Светящийся дождь». Возможно,   вам   приходилось   когда­нибудь   видеть   дождь,   идущий   вдалеке?   Когда   эта далекая   стена   дождя   освещена   прямым   солнечным   светом,   можно   заметить,   что   выше некоторой   отчетливой   горизонтальной   линии   дождь   кажется   гораздо   более   светлым,   чем внизу. Как это можно объяснить? Ответ: Эта горизонтальная линия соответствует высоте, на которой падающий снег тает. Выше   этой   линии   находится   снег,   который   отражает   свет   лучше,   чем   водяные   капли, образующиеся ниже нее. Почему глаза кошки светятся в темноте? Почему   глаза   кошки   светятся   в   темноте,   если   на   них   направить   луч   фонарика? Почему днем блеск кошачьих глаз значительно слабей? Зависит ли количество отраженного света от угла между направлением вашего взгляда и направлением луча света, падающего на глаз кошки? Почему глаза человека не вспыхивают так же ярко, если их осветить ночью? Ответ:   Глаза   кошек   и   других   животных   отражают   свет   в   направлении,   обратном направлению его прихода, поэтому их видно в темноте. Глаз представляет собой систему из линз и криволинейного зеркала, отражающую свет так, что пучок отраженного света направлен на источник. У плотоядных животных сильное отражение света обусловлено тем, что под сетчаткой находится слой кристаллов цистеина, содержащего цинк. Почему в радуге каждый цвет занимает определенное положение? Радугу   обычно   объясняют   простым   преломлением   и   отражением   солнечных   лучей   в каплях   дождя.   Однако,   поскольку   диапазон   углов   падения   лучей   на   поверхность   капли довольно велик (рис.), казалось бы, лучи − пусть даже одного цвета − должны выходить из капли тоже под разными углами. Почему же тогда в радуге каждый цвет занимает совершенно определенное положение? Лучи света, падающие на водяную каплю. Кстати дает ли радуга такие же «чистые» цвета, как призма? Если радуга действительно обусловлена   простым   преломлением,   то   цвета   в   ней   должны   быть   чистыми. Почему   в   побочной   радуге   (которая   иногда   видна   за   основной)   расположение   цветов противоположно   тому,   что   наблюдается   в   основной   радуге?   Почему   так   редко   удается увидеть побочную радугу? И, кстати, почему вообще возникает одновременно не больше двух радуг? Если основная радуга соответствует однократному отражению лучей внутри капли, а побочная − двукратному, то почему не может быть радуги, обусловленной большим числом внутренних отражений? Двойную радугу можно также наблюдать ночью при слабом дожде в луче прожектора. Когда   луч   перемещается   по   небу.   радуги   бегают   по   нему   вверх­вниз,   иногда   исчезая   на короткое время. Как объяснить такое перемещение радуги?  Ответ:   Свет   выходит   из   капли   в   широком   диапазоне   углов,   но наибольшая интенсивность   наблюдается   под   углом,   соответствующим   радуге   (выражаясь   языком геометрической   оптики,   плотность   пучка   выходящих   из   капли   лучей   под   этим   углом   максимальна). Так как видимый свет различных длин волн преломляется в капле по­разному (синий преломляется сильнее красного), точное значение угла, под которым интенсивность выходящего пучка максимальна, зависит от длины волны света (то есть цвета). Поэтому под тем углом, под которым видна радуга, цвета не только наиболее ярки, но и слегка разделены, так что мы можем различить их. Однако дисперсия, которой обусловлено разделение цветов, здесь   происходит   иначе,   нежели   в   призме.   Первое   указание   на   истинную   причину   этой дисперсии дает нам существование дополнительных радуг. Цвета   в   побочной   радуге   располагаются   в   обратной   последовательности,   так   как   она образуется   в   результате   двукратного   отражения   света   внутри   каждой   капли. В этом случае лучи света выходят из капли под другими углами, чем те, которые дают   основную   радугу.   Так   как   синий   свет   преломляется   сильнее,   чем   красный,   капли, ответственные за синий цвет в побочной радуге, должны быть видны под большим углом, чем капли, дающие красный цвет. Для основной радуги справедливо обратное, поскольку при ее образовании лучи отражаются внутри капли один раз. Поэтому порядок цветов в основной и побочной радугах разный. В   лабораторных   условиях   удавалось   наблюдать     одновременно   больше   двух   радуг. Существует несколько сообщений о наблюдении радуги третьего порядка (соответствующей трехкратному внутреннему отражению). Солнце при этом было низко над горизонтом, под темными облаками. Радуги высших порядков наблюдать не удается, так как они слабее рассеянного света неба и   бликов   от   света,   рассеянного   от   внешней   поверхности   капель   (который   вообще   не претерпевает отражений внутри капли). Почему чистый красный цвет обнаруживается лишь в вертикальных участках радуги? Даже самые, казалось бы, привычные явления окружающего мира порой предстают перед нами с какой­то новой и удивительной стороны, Фрэйзер отмечает, что до выхода в свет его статьи 1972 г. никто не обращал внимания на то, что чистый красный цвет действительно встречается лишь в вертикальных участках радуги. Или другой пример: лишь в последние годы   была   сфотографирована   инфракрасная   радуга,   −   так   человеку   впервые   открылось явление природы, которое временами возникало в небе уже на протяжении миллионов лет. Чтобы это было заметным, солнце должно находиться относительно низко, потому что только в   этом   случае   становятся   видны   вертикальные   участки   радуги;   однако   если   смотреть   на радугу с высокой точки, то солнце может стоять и высоко. Ответ: Неравномерное распределение красного цвета в радуге    объясняется тем, что во время   падения   капли   сплющиваются   набегающим   потоком   воздуха   по   вертикали.   Свет, который образует верхнюю часть дуги, проходит через это сплюснутое сечение, и поэтому красный цвет смещается вниз, внутрь радуги. В результате видимая нами красная полоска радуги сильно ослабляется. Горизонтальное   сечение   капли   остается   круглым.   Поэтому   свет   при   образовании вертикальных участков радуги проходит через круглое сечение капли, и цвета этих участков   нормальные. На капли меньшего размера поток воздуха влияет слабее, поэтому они дают нормальную радугу. Радужные дуги. Иногда помимо основной радуги на небе можно наблюдать несколько розовых и зеленых дуг, расположенных снизу вплотную к ней. Очень редко такие же дуги видны и над побочной радугой. Почему   они   возникают?   Не   кажется   ли   их   появление   весьма   удивительным,   если придерживаться обычного упрощенного представления о природе радуги? Почему такие дуги не образуются между основной и побочной радугами? Ответ: При точном расчете интенсивностей света и цветов в радуге    уже не достаточно рассмотрения   лучей,   проходящих   сквозь   каплю,   −  здесь   необходимо   учитывать   волновую природу света. При этом выявляются более тонкие эффекты. Становится возможным более точно определить угловое расположение цветов. Удается установить связь между изменением цвета и изменением размера капли. И самое главное − интерференционные явления позволяют объяснить образование более слабых дуг, которые изредка наблюдаются ниже основной и выше   побочной   радуг.   Эти   слабые   дуги   обусловлены   вторичными   максимумами интерференционной   картины,   интенсивность   которых   существенно   ниже   интенсивности главных   максимумов,   возникающих   только   в   случае   достаточно   однородных   по   размеру капель. Почему участок неба между основной и побочной радугами бывает темнее, чем остальное небо? Ответ:   Та   часть   неба,   где   образуются   радуги,   имеет   некоторую общую   (фоновую) яркость. Освещенность этой части неба отчасти обусловлена также бликами солнечного света на наружной поверхности капель. Свет, однократно отраженный внутри капель, ярче всего   там, где находится радуга, но он может попадать к нам также и от капель, расположенных под меньшим   углом   возвышения   к   горизонту.   Поэтому   участок   неба   ниже   основной   радуги оказывается достаточно освещенным. Однако свет, однократно отраженный внутри капель, расположенных   выше   тех,   что   создают   основную   радугу,   не   может   приходить   к   нам. Аналогичная, хотя и обратная, ситуация складывается в случае двукратного отражения света внутри   капли.   Наиболее   яркий   пучок   двукратно  отраженного  света   исходит   от  побочной радуги, он также частично попадает к наблюдателю от капель, расположенных выше тех, что образуют   побочную   радугу,   но   он   не   может   приходить   от   капель,   расположенных   ниже. Поэтому ниже основной радуги и выше побочной возникает дополнительный свет, а полоса между радугами оказывается более темной. Поляризован ли свет радуги? Если да, то попытайтесь объяснить причину поляризации. Ответ: Свет радуги поляризован параллельно ее дуге, что обусловлено преломлением и   отражением света в каплях воды. Лунные радуги очень редки. Почему? Может быть потому, что лунный свет много слабее солнечного, или здесь скрыта какая­то другая причина? Ответ:   Лунные   радуги   редки   не   только   потому,   что   лунный   свет   намного   слабее солнечного. Другая причина кроется в той погоде, какая обычно бывает в то время, когда положение Луны благоприятствует образованию лунной радуги. Грозы чаще всего происходят к концу дня, поэтому возможность возникновения лунной радуги уменьшается. Кроме того, интенсивность   лунного  света   зависит   от  фазы   Луны,   что   еще   более   снижает   вероятность наблюдения лунной радуги. Как далеко от нас образуется радуга? На каком расстоянии находятся те капли воды, благодаря которым и возникает радуга? Может  ли  так  случиться,  что  радуга  возникнет  всего  лишь  в  нескольких   метрах от  нас? Если посмотреть на радугу, которую создает струя воды из садового шланга, то иногда можно увидеть две пересекающиеся дуги. Почему они возникают? Ответ: Расстояние между каплями, которыми обусловлена  радуга, и наблюдателем  не играет роли. Имеет значение только угол между падающим на каплю солнечным лучом и линией зрения наблюдателя. Капли же могут находиться от наблюдателя на расстоянии от нескольких   метров   до   нескольких   километров.   Если   все   капли,   создающие   радугу, расположены в пределах нескольких метров от наблюдателя (именно это имеет место, когда радуга возникает в струе шланга), то каждый глаз наблюдателя видит «свою» радугу, и эти радуги несколько смещены одна относительно другой.  Почему возникает радужный столб? Очень редко можно видеть, как от основания радуги поднимается светящийся столб. Как думаете вы, почему возникает такой столб?  Ответ: Радужный столб − это конец основной радуги, возникающий в отраженном свете. Обычная основная радуга образуется в прямых солнечных лучах. Однако солнечный свет, отраженный   от   поверхности   воды,   может   образовать   еще   одну   радугу. Хотя ход лучей здесь в принципе тот же, что и при образовании обычной радуги, положение такой радуги в небе отличается от положения обычной. Если бы можно было увидеть эту радугу   полностью,   то   ее   центр   находился   бы   выше   центра   обычной   радуги.   Поэтому   у горизонта такая радуга поднимается круче, чем обычная. Поскольку интенсивность света, отраженного от воды, мала, такая радуга слабее обычной и наблюдается значительно реже. Почему положение облака относительно радуги на небе и в отражении в воде различно? Если вам когда­нибудь случится увидеть одновременно радугу и ее отражение в воде, обратите внимание, что они отличаются по форме и положению. Если на небе, пересеченном радугой, появится облако, то вы сможете наблюдать картину, подобную изображенной на рис. Почему положение облака относительно радуги на небе и в отражении в воде различно?  Ответ:   Отраженная   радуга   −   это   просто   зеркальное   отражение   основной   радуги.   По мнению Миннарта, обе эти радуги одинаковы, однако Хэмфриз справедливо отмечает, что отраженная радуга кажется более плоской, так как у нее видна меньшая часть дуги, чем у основной. Это различие между радугами связано с тем, что выходящий из водяных капель свет   должен   образовать   такую   радугу,   которая   затем   могла   бы   отразиться   от   водной поверхности и попасть в поле зрения наблюдателя.  Капли,  для которых выполняется это требование, находятся ниже над горизонтом, чем капли, образующие основную радугу. Почему радуги, образующиеся в тумане, представляют собой белесые полосы, оранжевые снаружи и голубые изнутри? Почему они примерно вдвое шире обычной радуги? Может ли «туманная» радуга возникнуть в свете уличного фонаря? Если да, то чем она будет отличаться от «туманной» радуги, созданной солнечным светом? Ответ: Объяснить    возникновение «туманной» радуги можно лишь на основе волновой природы   света,   в   частности   интерференционных   явлений.   В   обычной   радуге   цвета определяются   главными   интерференционными   максимумами,   которые   создает   свет, выходящий из капель под соответствующими углами. С уменьшением размеров капель ширина максимумов растет, и в конце концов они начинают перекрывать друг друга, так что цвета становятся неразличимыми. Свет, выходящий под углом, соответствующим возникновению радуги,   по­прежнему   относительно   ярок,   но   цвета   в   нем   различить   не   удается,   и   радуга кажется белой. Белая радуга образуется на каплях с диаметром менее 0,06 мм.  Поляроидные покрытия для автомобильных фар. Листовые  поляроидные  покрытия  из  пластмассы  первоначально  были  разработаны для автомобильных   фар   −   их   ставили,   чтобы   не   слепить   водителей   встречных   автомобилей. Каким образом это достигалось и как лучше всего следовало ориентировать такой поляроид? Учтите, что встречная машина должна все­таки оставаться видимой, так что свет частично должен проходить через покрытие. Имеет ли при этом какое­то значение наклон ветрового стекла?   Можно   ли   добиться   аналогичного   результата,   надев   очки   с   поляризационными стеклами?  Ответ: Одним из первых было высказано предложение покрывать фары и ветровые стекла так, чтобы поляроиды на ветровых стеклах машины были повернуты на  90°  относительно поляроидов   на фарах  встречной  машины.  При  такой  ориентации  поляроидов   водитель  не видел бы света фар встречной машины, так как поляризованный свет ее фар не прошел бы через поляризационный фильтр ветрового стекла. Однако такая ситуация тоже опасна. Если же угол будет несколько отличаться от  90°, то положение дел слегка улучшится: водитель будет видеть часть света, идущего от фар встречного автомобиля. Один из недостатков (быть может, роковой) этой идеи  заключается в том, что поляризационные фильтры поглощают часть   света,   идущего   от   других   источников   (например,   уличных   фонарей),   поэтому   все окружающие предметы для водителя будут выглядеть более темными. Другой недостаток состоит   в   том,   что   на   ориентацию   поляроида   влияет   наклон   ветрового   стекла,   который различен у разных автомобилей. Почему очки с поляризационными стеклами уменьшают блики? Обычные солнечные очки просто уменьшают количество света, попадающего в глаза, но не устраняют бликов. В каком случае поляроидные очки могут улучшить способность рыболова  видеть под водой?  Ответ:   Прямой солнечный   свет   не   поляризован,   то   есть   колебания   вектора электрического поля электромагнитной волны совершаются в плоскости, перпендикулярной   направлению распространения волны, но ориентация вектора в этой плоскости хаотична. При отражении   от   какой­либо   поверхности   свет   поляризуется   в   плоскости,   параллельной поверхности,   то   есть   колебания   вектора   электрического   поля   по­прежнему   происходят   в плоскости,   перпендикулярной   направлению   распространения   волны,   но   теперь   он ориентирован преимущественно параллельно отражающей поверхности. Степень поляризации света при отражении зависит от материала поверхности и угла, под которым свет падает на нее. Если, например, вы едете в автомобиле навстречу солнцу в начале второй половины дня, то свет, отраженный от дороги, который попадает вам в глаза, преимущественно поляризован параллельно дороге. Поляроидные   очки   уменьшают   блики   от   дороги,   так   как   они   пропускают   только вертикально поляризованный свет, а отраженный от дороги горизонтально поляризованный свет поглощается стеклом очков. На микроскопическом уровне это можно объяснить так. Длинные   молекулы   в   фильтрах   ориентированы   горизонтально,   поэтому   поглощают   свет, поляризация которого тоже горизонтальна. Таким образом, блики устраняются совсем, а свет от окружающих предметов ослабляется незначительно. Рыболов с помощью поляроидных очков также может ослабить блики солнечного света на поверхности воды, и в то же время видеть свет, отраженный от рыбы. От поверхности воды   параллельной   поверхности. отражается   преимущественно   свет   с   поляризацией, Соответственно свет, проникающий в воду, имеет перпендикулярную поляризацию, то есть его   электрический   вектор   ориентирован   перпендикулярно   электрическому   вектору   в отраженном   от   воды   свете.   Отразившись   от   рыбы,   такой   свет   может   пройти   сквозь поляроидные   очки   рыболова.   Поэтому   рыболов   не   видит   бликов,   но   видит   рыбу.   Это рассуждение не вполне справедливо, если рыба находится на глубине более 1,5 м, так как на такой   глубине   свет,   рассеиваясь   на   мелких   взвешенных   в   воде   частицах,   приобретает горизонтальную поляризацию.  Почему свет ясного неба поляризован? Где находится область наибольшей поляризации?  Попытайтесь проверить свои ответы, воспользовавшись   очками,  стекла  которых  покрыты   поляроидом.   Поляризован  ли   свет  от облаков? Почему некоторые участки неба дают неполяризованный свет? Почему направление поляризации   света   в   ряде   участков   неба   перпендикулярно   тому,   что   предсказывает общепринятая   теория?   Попробуйте   с   помощью   поляроидных   очков   обнаружить   на   небе «неполяризованные» участки и участки с «аномальной» поляризацией.  Ответ:   Поляризация   солнечного   света,   рассеиваемого   на   частицах   в     атмосфере, обусловлена теми же физическими процессами, что и голубой цвет неба. Неполяризованный падающий свет возбуждает электроны в молекулах газов воздуха (азота, кислорода и т.д.), которые   затем   переизлучают   свет.   Пусть,   например,   солнце   находится   на   горизонте,   а рассеивающий атом − в зените. Так как прямой солнечный свет не поляризован, электроны в атоме могут колебаться вдоль любой оси в плоскости, перпендикулярной солнечным лучам. Эти колебания могут быть как вертикальными, так и горизонтальными. При вертикальных колебаниях электроны не переизлучают   свет   в   вертикальном   направлении.   Он   излучается   только   в   горизонтальной плоскости,   и   мы,   глядя   снизу,   его   не   видим.   Мы   воспринимаем   только   свет,   который излучается   при   горизонтальных   колебаниях   электронов.   Этот   свет   поляризован   в   том   же направлении, в каком происходят колебания электронов: если солнце на западе, то мы видим свет, излучаемый при колебаниях электронов вдоль оси север − юг. Иначе говоря, свет от этого участка неба поляризован. Аналогичные рассуждения можно провести для любой части небосвода   при   любом   положении   солнца.   Свет   от   облаков   не   поляризован,   потому   что, проходя через облака, он многократно рассеивается.   Этим   же   эффектом   объясняется   наличие   в   общей   картине   поляризации   света   неба нейтральных, неполяризованных участков.  Поляроидные очки. Если   вы   надеваете   поляроидные   солнечные   очки,   когда   водите   автомобиль,   то   вам, наверное,   приходилось   замечать   большие   пятна,   обычно   располагающиеся   симметричным узором, на задних стеклах  идущих впереди  машин. Что представляют  собой эти пятна и почему их можно видеть лишь в поляроидных очках? Окрашены ли эти пятна?  Ответ: Пятна соответствуют участкам напряжений в закаленном  стекле или в пленке, которая   находится   между   слоями   стекла   «триплекс».   Эффект   здесь   аналогичен   рассмотренному в предыдущей задаче. Переднее и заднее стекла автомобиля состоят из двух слоев стекла и специальной пленки между ними. Это делается в целях безопасности пассажиров: такие стекла при аварии не разлетаются на осколки.  Закаты. Все   мы   мало   обращаем   внимания   на   закаты.   Физики   в   основном   склонны   объяснять чудесное многообразие цветовых эффектов сумеречного неба рэлеевским рассеянием. А что вы думаете по этому поводу? При заходе солнца небо на западе вначале приобретает желтый или оранжевый оттенок. Далее, когда солнце становится огненно­красным, свечение западной части неба меняется от   желто­оранжевого (над линией горизонта) до ярко­зеленого. Наконец (примерно до высоты 25°  над горизонтом) небо окрашивается в розовый цвет − появляется «пурпурный луч», о котором мы будем говорить ниже. Особенно ярким небо в сумерки бывает вскоре  после больших извержений вулканов. Чем обусловлено такое усиление цвета? Ответ: В основном цвет неба определяется зависимостью рассеяния света на молекулах воздуха от длины волны (в соответствии с рэлеевской моделью рассеяния). Электрическое поле падающего света возбуждает электроны в молекуле, которые в свою очередь излучают свет. В результате солнечный свет рассеивается. Свет с меньшей длиной волны (синяя область спектра) рассеивается сильнее, чем свет с большей длиной волны (красная область спектра). Поэтому, когда Солнце близко к горизонту, небо над наблюдателем в основном голубое. Важную   роль   играют   флуктуации   плотности   областей   атмосферы   размером,   много меньшим   длины   волны.   Если   бы   такие   области   отсутствовали,   то   интерференция   света,   рассеянного   равномерно   расположенными   молекулами,   приводила   бы   к   тому,   что интенсивность   рассеянного   света   для   всех   длин   волн   была   бы   отличной   от   нуля   лишь   в направлении   распространения   первоначального   луча.   Учет   в   молекулярном   рассеянии флуктуации плотности приводит к такой же зависимости рассеяния от длины волны, как в случае мелких частиц, рассмотренном Рэлеем. Голубизна неба на расстоянии больше 90° от Солнца слабее, так как небо здесь освещается светом, прошедшим большой путь в атмосфере и потерявшим синюю составляющую. Небо вблизи   Солнца   на   горизонте   бывает   красным   или   желтым,   так   как   оно   тоже   освещается светом, потерявшим синюю составляющую при прохождении через атмосферу. Пыль, дым и т. д. усиливают рассеяние света; более того, в иных случаях (Когда размер частиц уже не мал по сравнению с длиной волны) рассеяние может совершенно иначе зависеть от длины волны. После больших извержений вулканов восходы и заходы Солнца порой играют удивительными красками (Солнце и Луна могут даже стать синими, см. задачу). Конкретные оттенки цветов, наблюдаемые   в   конкретной   ситуации,   обусловлены   комбинацией   рэлеевского   рассеяния   с рассеянием света на твердых частицах. Почему небо голубое? Вопрос   «почему   небо   голубое?»   смело   можно   отнести   к   разряду   самых   стандартных физических   вопросов.   Физики   обычно   отмахиваются   от   него,   бормоча   что­то   насчет рэлеевского рассеяния. Но этот вопрос несомненно заслуживает большего внимания. Какая, к примеру, часть неба окрашена в наиболее яркий голубой цвет; почему не все небо имеет одинаковый оттенок? Действительно ли цвет дневного неба соответствует предсказываемому теорией   Рэлея?   Почему   ночное   небо   при   полной   луне   не   бывает   голубым?   На   чем рассеивается солнечный свет, создавая голубую окраску дневного неба? Было ли бы небо столь   же  голубым,  если   бы  частицы,  на  которых  происходит  рассеяние,   имели  бы   много большие или много меньшие размеры? Почему, наконец, небо на Марсе голубое только в пределах нескольких градусов над горизонтом, остальная же его часть черная? Ответ: В основном цвет неба определяется зависимостью рассеяния света на    молекулах воздуха от длины волны (в соответствии с рэлеевской моделью рассеяния). Электрическое поле падающего света возбуждает электроны в молекуле, которые в свою очередь излучают свет. рассеивается. результате солнечный свет В           Свет  с   меньшей  длиной  волны   (синяя  область   спектра)  рассеивается  сильнее,   чем  свет  с большей длиной волны (красная область спектра). Поэтому, когда Солнце близко к горизонту,   небо Важную   роль   играют   флуктуации   плотности   областей   атмосферы основном   наблюдателем над в         голубое.   размером,   много меньшим   длины   волны.   Если   бы   такие   области   отсутствовали,   то   интерференция   света, рассеянного   равномерно   расположенными   молекулами,   приводила   бы   к   тому,   что интенсивность   рассеянного   света   для   всех   длин   волн   была   бы   отличной   от   нуля   лишь   в направлении   распространения   первоначального   луча.   Учет   в   молекулярном   рассеянии флуктуации плотности приводит к такой же зависимости рассеяния от длины волны, как в случае мелких частиц, рассмотренном Рэлеем. Голубизна неба на расстоянии больше 90° от Солнца слабее, так как небо здесь освещается светом, прошедшим большой путь в атмосфере и потерявшим синюю составляющую. Небо вблизи   Солнца   на   горизонте   бывает   красным   или   желтым,   так   как   оно   тоже   освещается светом, потерявшим синюю составляющую при прохождении через атмосферу. Пыль, дым и т. д. усиливают рассеяние света; более того, в иных случаях (Когда размер частиц уже не мал по сравнению с длиной волны) рассеяние может совершенно иначе зависеть от длины волны. После больших извержений вулканов восходы и заходы Солнца порой играют удивительными красками (Солнце и Луна могут даже стать синими, см. задачу). Конкретные оттенки цветов, наблюдаемые   в   конкретной   ситуации,   обусловлены   комбинацией   рэлеевского   рассеяния   с рассеянием света на твердых частицах. Почему, когда солнце скрывается за горизонтом, в западной части неба возникает «пурпурный луч»? Этот   луч   бывает   особенно   ярок   через  15   −   40   мин  после   захода   солнца. А как объяснить второй «пурпурный луч», который иногда можно видеть на протяжении около двух часов после захода солнца, после того, как первый уже исчез? Каким образом солнце, скрывшееся более часа назад за горизонтом, все еще продолжает освещать небо?  Ответ: «Пурпурный луч» обусловлен пылью, находящейся в атмосфере    на высоте около 20 км. Часть солнечных лучей проходит сквозь слой пыли, выходит из него снизу, а затем снова   входит   в   него,   поскольку   слой   искривлен   в   соответствии   с   кривизной   земной поверхности.   При   первом   прохождении   сквозь   слой   рассеивается   большая   часть коротковолнового излучения (голубого и зеленого), поэтому свет, который вновь входит в слой пыли, в основном красный. Рассеиваясь на пыли, этот свет становится видимым для наблюдателя. Наблюдатель видит также синий свет (о котором говорилось  в  задаче 452), рассеянный в атмосфере выше слоя пыли. Рассеянный пылью красный свет и обычный голубой свет   неба,   складываясь,   дают   пурпурный   оттенок.   Второй   пурпурный   луч,   как   считают, обусловлен вторым пылевым слоем, расположенным на высоте 70 − 90 км.  Не кажется ли вам странным, что во время захода солнца небо в зените становится Не должен ли зенит быть красным по той же самой причине, что и закат? темно­синим? Ответ:   В   соответствии   с   рэлеевской   моделью   рассеяния   небо   в   зените   должно   быть зеленовато­голубым, а на заходе Солнца − желтым. Однако рэлеевская модель не учитывает поглощения красной области спектра атмосферным озоном, в результате которого голубой цвет кажется ярче. Усиление голубизны зенита особенно заметно, когда Солнце находится примерно на 6° ниже линии горизонта и свет рассеивается прямо над наблюдателем. Голубизна неба также усиливается за счет атмосферной пыли, поскольку она поглощает в прямом солнечном свете красную и желтую составляющие спектра сильнее, чем синюю.  Изменение цвета в зависимости от расстояния. Пролетая на самолете над городом, вы, наверное, замечали, что многие улицы освещены зелеными огнями. Когда же вы проезжаете по этим улицам на автомобиле, то уличные фонари оказываются   не   зелеными,   а   белыми.   Откуда   появляется   эта   разница   в   цвете?   Почему издалека рождественская елка кажется красной, хотя освещена она огоньками разного цвета? Ответ:   До   удаленного   наблюдателя   доходит   свет,   лишенный   синей   составляющей   в результате рассеяния на твердых атмосферных частицах радиусом меньше примерно 0,4 мкм (пыль, сажа, промышленные загрязнения).  Яркость дневного неба. Почему днем небо яркое? Можете ли вы примерно оценить его яркость?  Ответ: Яркость дневного неба объясняется рассеянием солнечного    света на молекулах воздуха. Но тут есть некоторая сложность.  Для всякой молекулы,  рассеивающей  свет по направлению к наблюдателю, всегда можно найти другую, которая также лежит на линии зрения наблюдателя, но на половину длины волны ближе. Таким образом, световые лучи от этих двух молекул будут приходить к наблюдателю в противофазе и взаимно гасить друг друга.   Поскольку   такое   рассуждение   справедливо   для   любого   участка   неба,   исключая направление прямо на Солнце, небо должно было бы быть темным, и на нем светились бы только Солнце, звезды и планеты. Однако, хотя в среднем молекулы и можно объединить таким   образом   попарно,   в   действительности   же   на   всем   пути   светового   луча   подобное объединение   молекул   исключается   вследствие   флуктуации   плотности   молекул   в пространстве. Не будь флуктуации, небо действительно было бы темным. Желтые очки. Хотя лыжники надевают желтые очки главным образом из­за моды, они часто утверждают, что в таких очках лучше видно в туманной дымке, что они помогают различать небольшие снежные   кочки   на   пути.   В   этом   утверждении,   вероятно,   есть   доля   истины,   поскольку знаменитый   полярный   исследователь   Стефанссон   тоже   рекомендовал   надевать   очки   со стеклами янтарного цвета во время путешествий по снежным и ледовым равнинам. Чем могут помочь желтые очки? Быть может, желтый цвет преобладает в свете, отраженном от снега в туманный день?  Ответ: Насколько мне известно, в литературе не встречается никакой информации об этом явлении, кроме его описания. Желтые очки, вероятно, помогают, если дымка образована относительно   мелкими   частицами,   радиусом   меньше  0,4   мкм.   Столь   малые   частицы рассеивают коротковолновое излучение сильнее,  чем длинноволновое.  Поэтому красный  и желтый свет падает на землю относительно прямо, тогда как синий и зеленый, претерпевая в дымке более сильное рассеяние, дает диффузное освещение. Убирая из видимого света синюю и зеленую составляющие, наблюдатель может лучше видеть отбрасываемую предметом тень. Можно ли звезды увидеть днем? Со времен Аристотеля считается, что звезды можно увидеть и днем, если посмотреть на небо   через   длинную   трубу,   например   печную.   Труба   уменьшает   общее   количество   света, попадающего в глаз, и поэтому якобы позволяет различить звезды на том небольшом кусочке неба, который виден в трубу; этому может также способствовать частичная адаптация глаза к малой освещенности. Действительно ли такой способ позволяет видеть звезды днем?   Ответ: Хотя при наблюдении в трубу большая часть неба закрыта, небо вокруг звезды, как через   трубу,   так   и   без   нее,   выглядит   одинаково   ярким.   Сама   звезда,   конечно,   также   не становится   ярче.   Экспериментальные   исследования   способности   различать   небольшой светящийся участок на темном фоне показали, что пороговый уровень чувствительности глаза понижается по мере увеличения яркости фона, пока яркость фона не становится примерно равной яркости светящейся точки. Поэтому через трубу звезды различать не легче, а труднее, так как, закрывая часть неба, мы увеличиваем пороговый уровень способности глаза различать звезды. Попробуйте разобраться, почему в телескоп звезды можно увидеть и днем. Почему в этом случае большая яркость неба не оказывается помехой?  Какого цвета чистое, прозрачное горное озеро? Зависит ли его цвет от облачности? Как влияют на цвет характер дна и глубина озера? Чем объясняется открытом море? В какие цвета «окрашены» морские волны?  различие в цвете разных озер? Каков цвет морской воды у берегов и в   Плавая   на   глубоком   месте,   протяните   вперед   руку,   держа   ладонь   горизонтально,   и присмотритесь к ней. Вы заметите, что тыльная сторона руки отличается по цвету от ладони. Чем объясняется это различие? Ответ:   Если   вода   глубокая   и   чистая,   то   она   кажется   голубой   благодаря   отражению голубого неба ее поверхностью. Мелкая вода кажется зеленоватой из­за отражения света от дна.   Загрязнения   могут   придавать   воде   различные   оттенки   вследствие   избирательного поглощения или рассеяния света (если в воде имеются взвешенные мельчайшие частицы). Последний эффект аналогичен рассеянию, рассмотренному в задачах.  Почему облака в основном белые, а не голубые, как небо?  Почему грозовые тучи черные? Ответ:   Рассеяние   света   на   объектах,   много   меньших   длины   волны   видимого   света, описывается   рэлеевской   моделью   рассеяния.   Размеры   водяных   капель   в   облаке   обычно   больше, и свет просто отражается от их внешней поверхности. При таком отражении свет не разлагается   на   составляющие   цвета,   а   остается   белым.   Очень   плотные   облака   кажутся черными потому, что они пропускают мало солнечного света − он либо поглощается каплями воды в облаке, либо отражается вверх. Почему цвет дыма изменяется? Капнув несколько капель молока в стакан с водой, посмотрите сквозь него на источник белого   света,   например   на   лампочку.   Лампочка   покажется   вам   красной   или   бледно­ оранжевой. Теперь посмотрите на свет, отраженный от стакана, − он кажется голубым. Чем объяснить такую удивительную разницу в цвете? Цвет табачного дыма. Присмотревшись к дыму, идущему от сигареты, вы обнаружите, что он светло­голубой, тогда как изо рта курящего после затяжки выходит белый дым. Почему меняется цвет дыма? Это происходит не потому, что из дыма удаляются смолы и никотин. Цвет   дыма   костра.   Аналогично   изменяется   и   цвет   дыма   костра.   На     темном   фоне (например, на фоне деревьев) дым кажется синим. Однако над верхушками деревьев (на фоне светлого неба) он выглядит желтым. Почему цвет дыма изменяется? Ответ: Во всех этих случаях свет рассеивается на очень малых частицах. Здесь также применима модель Рэлея, справедливая для частиц, размер которых много меньше длины волны видимого света. Поскольку при таких условиях синяя компонента света рассеивается сильнее  красной, взвешенные частицы молока и частицы дыма со стороны источника или сбоку кажутся синими. Если же смотреть на просвет, они становятся желтыми или красными. (Внизу дым костра виден в свете, идущем от неба из­за спины смотрящего, а выше − на фоне неба.) Если размер частиц близок к длине волны видимого света, то при анализе процесса рассеяния   нужно   пользоваться   теорией   рассеяния   Ми.   Когда   дым   сигареты   вдыхают, конденсация паров воды, выходящих изо рта при дыхании, на частицах дыма увеличивает радиус последних, и они становятся по размеру сравнимы с длиной волны света, так что лучше рассеивают уже не синий, а желтый свет. Почему автомобильные фары иногда вдруг становятся звездообразными, «лучистыми»?  Вряд ли это можно целиком объяснить физиологией вашего зрения, поскольку «лучи» видны и на фотографиях автомобильных фар. Почему звезды на фотографиях также бывают окружены   лучами?   Произвольно   ли   число   лучей   на   фотографии   фары   или   звезды?   В частности, можно ли увидеть фотографию звезды с нечетным числом лучей? Ответ: Если фотография сделана с надлежащей экспозицией, то лучи могут появиться на ней из­за мерцания звезды. Лучи могут быть также обусловлены дифракцией света звезды на прямых участках края диафрагмы объектива. Диафрагмы объективов обычно не совершенно круглые,   а   состоят   из   большого   числа   прямых   отрезков,   что   позволяет   регулировать отверстие диафрагмы. Зрачок человеческого глаза также не идеально круглый, и дифракция света на прямых участках края отверстия может создавать впечатление звездных лучей. Такие лучи всегда появляются парами. Автомобильные фары выглядят по­разному, когда вы смотрите на них сквозь оконные жалюзи и прямо (рис.). Чем обусловлено такое различие? Ответ: Светлые и темные полосы возникают в результате дифракции света на жалюзи. Подобную, но более красочную картину можно наблюдать, глядя на автомобильную фару сквозь ткань зонтика.  Что именно вызывает загар и солнечные ожоги? Обусловлены ли эти два эффекта светом одной и той же длины волны? Почему риск получить солнечные ожоги уменьшается, когда ваше тело уже покрыто загаром? Может ли человек с темной кожей получить солнечный ожог с той же легкостью, что и человек со светлой кожей? Каким образом различные кремы и лосьоны для загара предотвращают ожоги и способствуют загару? Действительно ли их действие таково, как в этом убеждает реклама? Если подобные средства не пропускают ту часть солнечного излучения, которая вызывает ожог, то не препятствуют ли они тем самым и получению загара? Почему ожоги и загар менее вероятны, если солнце находится низко над горизонтом или вы защищены от него стеклом? Почему загореть (и получить ожоги) легче на пляже, чем на лужайке? Ответ:   Загар   и   ожоги   обусловлены   ультрафиолетовым   излучением Солнца.   При длительном   или   интенсивном   воздействии   ультрафиолетового   излучения   страдают   как поверхностный   (эпидермис),   так   и   более   глубокие   слои   открытой   кожи.   В   результате   капиллярные   сосуды   расширяются   и   приток   крови   к   коже   усиливается,   кожа   краснеет   и возникает   ощущение   тепла.   При   более   слабом   действии   ультрафиолета   на   светлой   коже появляется загар; вначале пигмент, прежде бесцветный, окисляется, а затем активируется (быть может, косвенным путем − посредством прекращения действия какого­то ингибитора) тироксиназой. Действие тироксиназы повышает содержание меланина − пигмента черной или коричневой   окраски,   который   образует   защитный   слой,   препятствующий   проникновению ультрафиолетового излучения. Средства, предохраняющие кожу от ожогов и способствующие загару,   в   основном   бывают   трех   видов.   Одни   (содержащие   окислы   цинка   или   титана)   не пропускают ультрафиолетовый и видимый свет, защищая тем самым чувствительную кожу и препятствуя   загару.   Другие   (например,   содержащие   бензофенон)   поглощают   весь ультрафиолет и также препятствуют загару. Третья группа средств (в которых содержится, в частности,   аминобензойная   кислота)   защищает   кожу   от   ожогов,   но,   обеспечивая избирательное   поглощение,   не   мешает   загару.   Длина   волны   ультрафиолетового   излучения лежит в интервале  0,28 − 0,40 мкм. Более короткие волны не проходят через атмосферу, а более  длинные  уже относятся  к области  видимого  света. Волны длиной  0,29 − 0,32 мкм производят   главным   образом   ожоги,   а   волны   в  диапазоне  0,31 − 0,40 мкм  способствуют загару. Средства для загара третьего типа преграждают путь волнам короче 0,31 мкм. Утром или   в   конце   дня   ожоги   и   загар   значительно   слабее,   поскольку   солнечный   свет   проходит больший путь сквозь атмосферу и ультрафиолетовое излучение ослабляется сильнее. Стекло также   поглощает   ультрафиолетовое   излучение.   В   горах   опасность   солнечного   ожога возрастает, так как путь солнечного света через атмосферу короче. На пляже риск получить ожог увеличивается из­за отражения ультрафиолетовых лучей от песка. Существуют солнечные очки, которые меняют свою прозрачность в зависимости от освещения: в помещении они светлые, но стоит выйти на солнечный свет, как они темнеют. Однако в отсутствие солнечного освещения прозрачность быстро восстанавливается. Чем вызваны эти обратимые изменения светопропускания стекла? Ответ:   В   стекле,   из   которого   сделаны   такие   очки,   имеются     маленькие   кристаллы, чувствительные к освещению, например кристаллы бромистого серебра. Под действием света ионы   серебра   превращаются   в   атомы,   и   стекло   темнеет.   Но   атомы   серебра   по­прежнему остаются поблизости от ионов брома, поэтому, как только свет становится  менее ярким, происходит рекомбинация, и прозрачность стекла восстанавливается. Некоторые плакаты светятся в невидимом ультрафиолетовом свете. Подобный же эффект позволяет производителям моющих средств утверждать, что выстиранное в созданных ими порошках белье становится «белее белого». Как объяснить эти явления? Ответ:   Плакаты   светятся   потому,   что   краски,   которыми   они     написаны,   поглощают ультрафиолетовый   свет,   а   излучают   видимый.   При   освещении   ультрафиолетом   плакат светится без всякой видимой подсветки. Отбеливающие порошки действуют примерно таким же образом. Они преобразуют естественный ультрафиолетовый свет в голубой, тем самым усиливая излучение выстиранных с их помощью тканей в видимой области спектра. Поэтому интенсивность   отраженного   света   оказывается   больше,   чем   интенсивность   естественного фона. В лампе дневного света сначала возникает ультрафиолетовое излучение, которое затем преобразуется в видимый свет. Как это происходит? Как быстро должен протекать процесс  преобразования света? Очевидно, не настолько быстро, чтобы свет лампы мерцал в соответствии с частотой питающего ее напряжения. Но лампа не должна и долго светиться после того, как ее выключат. Ответ: Электроны, вылетающие с электрода лампы, сталкиваются с атомом паров ртути, возбуждая   один   из   электронов   его   внешней   оболочки.   Возбужденный   электрон   быстро возвращается   на   свой   прежний   энергетический   уровень.   В   результате   атом   излучает ультрафиолетовый   свет,   который   поглощается   кристаллом   люминофора,   покрывающего внутреннюю поверхность трубки. Кристаллы переизлучают свет в видимой области спектра. Излучение света  кристаллом  должно продолжаться  по крайней  мере  на протяжении  двух полупериодов тока промышленной частоты. Если бы кристаллы люминофора испускали свет мгновенно, то лампа стала бы неприятно мигать. Эти мигания были бы, конечно, незаметны из­за большого    числа излучающих кристаллов и сравнительно медленной реакции глаза. Лампа дневного света представляет собой цилиндрическую стеклянную трубку, по концам которой   впаяны   стеклянные   ножки   с   укрепленными   на   них  электродами.   На  внутреннюю поверхность трубки наносится тонкий слой люминофора. Лампа наполняется инертным газом −   аргоном,   неоном,   криптоном   или   их   смесью.   Внутрь   лампы   вводится   дозированное количество ртути, которая при работе лампы переходит в парообразное состояние. Газовый разряд   происходит   в   парах   ртути   при   низком   давлении.   В   этих   условиях   атомы   ртути генерируют   главным   образом   ультрафиолетовое   излучение   и   в   небольшом   количестве видимый свет. Преобразование ультрафиолетового излучения в видимый свет основано на люминесценции таких веществ, как фтор, хлор, сурьма, марганец, которые, находясь в составе люминофора,   поглощают   ультрафиолетовое   испускание   и   за   счет   полученной   энергии начинают испускать видимый свет. В зависимости от природы и параметров люминофорного света. слоя испускаемого спектр меняется         им     составу   к Спектр   испускания   лампы   дневного   света   ближе   по   своему   спектральному видимому свету, чем свет лампы накаливания. Отсюда они и получили свое бытовое название   − лампы дневного света.  Мычание у телевизора. Попробуйте, глядя на экран телевизора с некоторого расстояния, промычать «мм­м» с закрытым   ртом,   и   вы   увидите,   что   на   экране   появятся   темные   линии.   «Мыча» соответствующим   тоном,   вы   можете   заставить   эти   полосы   двигаться   вверх,   вниз   или   же стоять на месте. Вы можете провести и другой аналогичный опыт. Поставьте на вращающийся проигрыватель   диск,   разделенный   на   черные   и   белые   секторы.   Освещая   диск стробоскопическим   источником   с   различной   частотой   вспышек,   вы   можете   «заморозить» секторы или заставить их медленно двигаться в ту или иную сторону. Такого же эффекта можно добиться и «мычанием» на определенной частоте. Почему же «мычание» так влияет на ваше зрение? Ответ: В рассмотренных случаях «мычание» приводит к появлению на    сетчатке глаза стробоскопического   изображения   телеэкрана   или   вращающегося   диска.   Каждый   из   этих объектов  претерпевает  периодические  изменения: диск  вращается,  изображение  на экране телевизора   «мигает»,   так   как   оно   образуется   в   результате   построчной   горизонтальной развертки электронным лучом, возбуждающим свечение экрана. «Мычание» соответствующей частоты вызывает колебания  головы, а следовательно,  и глаз. При этом в один и тот же участок  сетчатки  периодически   попадает  одно и  то же  повторяющееся   изображение.  Это приводит как бы к «замораживанию» изображения. Если же частота «мычания» окажется «неподходящей», синхронность колебаний головы и глаз с вращением диска или миганием экрана нарушится, и изображение будет двигаться. Если, например, частота «мычания» чуть выше той, которая необходима для «замораживания» изображения, то узор на диске движется в сторону, противоположную направлению вращения диска. Восприятие глазом скорости движения. Закрыв темным фильтром (например, стеклом от солнечных очков) один глаз, посмотрите на   качание   простого   маятника.   Хотя   вы   точно   знаете,   что   маятник   качается   в   одной плоскости, у вас создается впечатление, что он описывает эллипс (рис.). Непосвященному   это   наблюдение   может   показаться   удивительным,   даже   загадочным. Кажущееся трехмерное движение  можно еще более  подчеркнуть, если прицепить к точке подвеса маятника нитку: возникает иллюзия, что маятник крутится вокруг нитки. Если бы вам как­нибудь пришлось сидеть за рулем автомобиля в солнечных очках с одним стеклом, то вы бы обнаружили, что скорость автомобиля, идущего слева от вас, заметно отличается от скорости автомобиля, идущего справа, хотя на самом деле они двигались бы с одинаковой скоростью.   Скорость   обоих   этих   автомобилей   вы   оцениваете   неверно.   Более   того,   в рассмотренном   случае   вы   также   неправильно   оцениваете   расстояние   до   окружающих предметов,  и ошибка  в оценке зависит  даже  от того, справа  или  слева  от вас  находится предмет. Чем объясняется кажущееся трехмерное движение маятника? Какую роль играет темный   фильтр   или   стекло   очков   в   оценке   этого   движения,   скорости   автомобиля   и расстояния до предметов?  Ответ:   Кажущееся   движение   маятника   по   эллипсу   объясняется   тем,   что   восприятие маятника   глазом,   закрытым   темным   фильтром,   на   несколько   миллисекунд   отстает   от действительного   положения   маятника.   Мозг,   обычно   определяя   положение   маятника   на основе   информации,   поступающей   от   обоих   глаз,   «помещает»   маятник   либо   ближе,   либо дальше   его   истинного   положения.   Поэтому   колебание   маятника   кажется   двумерным. Предположим, к примеру, что маятник совершает качание вправо, а фильтром закрыт левый глаз. Правый глаз воспринимает действительное положение маятника, в то время как левый видит его в том положении, в котором маятник был несколько миллисекунд назад. Мысленно вы проводите линии до пересечения лучей, воспринятых каждым глазом так, как если бы они исходили из одной точки. Получается, что маятник оказывается дальше от вас, чем на самом деле. Когда маятник совершает качание влево, то вследствие той же задержки в восприятии левым   глазом   маятник   кажется   теперь   ближе,   чем   на   самом   деле.   В   целом   создается впечатление,   будто   маятник   движется   по   эллипсу,   как   показано   справа   на   рис.   Причина задержки восприятия пока еще до конца не выяснена. В основе одной из моделей системы зрительного восприятия лежит последовательность линий задержки, временное разрешение которых   улучшается   при   увеличении   количества   попадающего   в   глаз   света.   Уменьшение количества света, попадающего в глаз, приводит к ухудшению его временной разрешающей способности. Утренние тени в глазах.  Поглядев в ясное небо, вы увидите перед глазами множество движущихся точек. Они  имеются всегда, но обычно вы их не замечаете. Почему? Эти точки движутся рывками и, казалось бы, случайным образом, однако, нащупав свой пульс, вы можете связать их движение с ударами пульса; вы также обнаружите, что точки в пределах поля зрения движутся по определенным траекториям. Что представляют собой эти точки? Почему они движутся рывками и по определенной траектории? Открыв утром глаза в залитой солнцем комнате, вы почему­то некоторое время будете видеть темные тени. Почему же? Если это тени каких­то частичек, находящихся внутри глаза, то почему они не видны постоянно, а вскоре после того, как вы открыли глаза, исчезают? Ответ: Запутанная сеть кровеносных сосудов в сетчатке отбрасывает на нее тень, которую мы обычно не замечаем. Мозг «игнорирует» всякое неподвижное изображение в глазу, сосуды же   и   их   тени   неподвижны   относительно   сетчатки.   Исключения   представляют   два   случая. Когда утром мы открываем глаза, внезапно отброшенные на сетчатку тени будут видны какое­ то   время,   пока   мозг   не   перестанет   обращать   внимание   на   это   изображение   как   на неподвижное.   Другое   исключение   представляют   собой   тени   от   клеток   крови,   которые рывками   движутся   по   капиллярам.   Если   смотреть   на   равномерно   освещенную   гладкую поверхность, то эти тени будут видны как прерывисто движущиеся точки. Представьте себе, что вы едете на машине по ночной улице; в это время идущий на квартал впереди вас автомобиль подъезжает к красному светофору, но вам кажется, что его красный стоп­сигнал горит где­то за перекрестком. Однако, подъехав к светофору, вы убеждаетесь, что автомобиль, как и положено, остановился перед светофором. Как объяснить этот обман зрения? Ответ:   Объяснить   эту   зрительную   иллюзию,   по­видимому,   пока   не     удалось. Удивительно,   что   до   того,   как   этот   эффект   был   описан,   считалось,   будто   из   двух равноудаленных от наблюдателя предметов более далеким кажется тот, который находится выше. Противотуманные фары. Почему «противотуманные» фары автомобиля делают желтого цвета? Помогает ли то, что они желтые на самом деле? Имеет ли при этом значение, где вы едете: в городе или за его пределами? Ответ: Несмотря на соответствующие исследования, смысл желтых    противотуманных фар   до   сих   пор   остается   неясным.   Если   радиус   частиц   меньше  0,4   мкм,   то   синий   свет рассеивается   сильнее,   чем  красный.   В таком  случае  желтый   свет  будет лучше  проходить сквозь туман, так как он имеет большую длину волны, чем синий и зеленый. Для частиц еще большего   размера,   какие   обычно   составляют   туман,   желтый   свет   не   имеет   никаких преимуществ.   Впрочем,   возможно,   что   здесь   играет   роль   поглощение   света   каким­то конкретным типом взвешенных частиц. Полоски света на ветровом стекле. Когда ночью в дождь вы едете на автомобиле, то на ветровом стекле можете увидеть полоски света, которые создают уличные огни (фото). Каждая полоска кажется проходящей через   источник   света,   причем   чем   меньше   источник   (например,   уличный   фонарь),   тем отчетливей   полоска.   При   движении   автомобиля   полоска   тоже   движется.   Однако   если   вы выйдете из машины или посмотрите на стекло другого автомобиля, то полоски «исчезнут». Почему возникают такие полоски? Наблюдаются ли они так же отчетливо без дождя? Ответ: Щетка стеклоочистителя образует дугообразные бороздки в покрывающей стекло липкой   грязи,   которые   затем   отражают   свет   к   водителю.   Наиболее   сильное   отражение происходит в случае, когда падающий луч света перпендикулярен касательной к бороздкам. Все вместе эти яркие отражения образуют полоску света, направленную по радиусу дуги, описываемой «дворником».  Глянцевая черная ткань. Почему   одни   ткани   блестят,   а   другие   −   нет?   Почему   черный   фетр   с   одной   стороны выглядит глянцевым, а с другой − матовым, тусклым? Черные краски для стен бывают как глянцевые, так и матовые. Как черная поверхность может блестеть, если предмет черного цвета поглощает свет в видимом спектре? Ответ: Ткань блестит, если нити в ней расположены в правильном порядке параллельно друг другу и как бы образуют на поверхности ткани бороздки. Под определенными углами такая   ткань   довольно   сильно   отражает   падающий   на   нее   свет.   Под   другими   углами   это отражение слабее. Поэтому когда ткань поворачивают в лучах света, она отражает то лучше, то   хуже,   иначе   говоря,   блестит.   Наилучшее   отражение   наблюдается   тогда,   когда   линия, перпендикулярная бороздкам ткани, делит пополам угол (является его биссектрисой) между падающим   лучом   света   и   лучом,   отраженным   от   поверхности   в   направлении   глаза наблюдателя. Действительно ли солнечные вспышки и космическая радиация представляют реальную опасность для человека, находящегося в высоко летящем самолете? Почему,   когда   самолет   взлетает   и   набирает   высоту,   общий   уровень   радиации   сначала (примерно   на   первых  500   м  подъема)   уменьшается,   а   затем   начинает   возрастать?   Если космическое излучение как­то меняется с высотой, то с чем это связано? Ответ: Согласно последним публикациям, уровень радиации в высоко летящих самолетах не представляет опасности. Повышенная солнечная радиация возникает главным образом в период сильных вспышек, за которыми ведется наблюдение. Более серьезная опасность, как считалось, обусловлена тяжелыми ядрами в космическом излучении. В конце пробега они, попав в тело человека, могут создать дозу облучения до  1000 рад. Для сравнения следует указать,   что   допустимый   уровень   облучения   для   людей,   работающих   с   радиоактивными веществами, составляет 100 рад в неделю. Однако на той высоте, где летают самолеты; поток тяжелых   частиц   составляет   всего   несколько   процентов   от   потока   в   открытом   космосе, поэтому особого беспокойства он не вызывает. (Гораздо более серьезной опасности могут подвергаться   астронавты,   если   их   биологическая   защита   окажется   недостаточной.)   Хотя первичное космическое излучение, по­видимому, не должно волновать пассажиров самолетов, биологическое   действие   образующихся   в   атмосфере   под   его   воздействием   вторичных нейтронов, протонов низких энергий и альфа­частиц пока еще не выяснено. Излучения и искусство Нередко ультрафиолетовое, инфракрасное и рентгеновское излучения используются для обнаружения живописных полотен старых мастеров, скрытых под более поздними картинами, написанными на том же полотне. Это метод позволяет отыскивать утерянные полотна, дает возможность   проследить   процесс   работы   художника   над   картиной,   а   также   служит   для обнаружения различных подделок. Так, например, рентгеновский анализ помог разоблачить мошенничества   известного   фальсификатора   Ганса   ван   Меегрена,   который   писал   свои подражания   известным   мастерам   на   старых,   не   представляющих   ценности   полотнах,   что придавало   его   подделкам   больше   подлинности.   По­видимому,   ультрафиолетовое, инфракрасное и рентгеновское излучения как­то взаимодействуют с нижними слоями краски, помогая   их   «увидеть».   Но   в   таком   случае   они   должны   взаимодействовать   и   с   верхними слоями. Как же тогда удается различить слои? Ответ: Рентгеновское, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения можно использовать для обнаружения нижележащих слоев краски на полотне потому, что различные краски и материалы, используемые в живописи, по­разному отражают эти излучения. Например, при исследовании   в   инфракрасном   свете   картины   Ван   Эйка   «Свадьба   Арнольфини»   был обнаружен оригинальный набросок правой руки Арнольфини, сделанный художником углем по мелованному холсту. Этот набросок был закрыт изображением руки, написанным маслом. На фотографии, сделанной в инфракрасном свете, угольный набросок стал виден, так как уголь хорошо поглощает ИК­излучение, а мел − плохо; это изображение руки на фотографии получилось   темным.   Под   ультрафиолетовыми   лучами   разные   краски   по­разному люминесцируют, что позволяет увидеть изменения, которым подвергалась картина. Высокочастотная печь. В   обычной   газовой   духовке   мясо   вначале   поджаривается   снаружи,   а   уже   потом прожаривается  внутри. В высокочастотной (микроволновой)  печи мясо, наоборот, сначала прожаривается   внутри,   так   что   приготовленный   в   ней   ростбиф   вполне   может   быть прожаренным внутри и розовым снаружи. Если вы окажетесь рядом с работающей антенной мощного радиолокатора или засунете руку в высокочастотную печь, то тоже можете хорошо прожариться   внутри,   оставшись   розовым   снаружи.   Почему   токи   высокой   частоты (микроволны) обладают тепловым действием? И вообще почему они способны жарить мясо? Ответ: Мясо (главным образом содержащаяся в нем вода) поглощает высокочастотное излучение, которое проникает в него на глубину порядка нескольких сантиметров, причем глубина   проникновения   тем   больше,   чем   ниже   частота   излучения.   Большинство высокочастотных печей работает на частоте  2450 МГц; волны такой частоты проникают в мясо на глубину примерно  2 см  и хорошо прогревают его. Внутри печь сконструирована таким образом, что микроволны «охватывают» мясо со всех сторон. Если кусок не слишком велик, то количество излучения, доходящее до его центра со всех сторон, может оказаться больше,   чем   излучение,   которое   поглощает   мясо   на   глубине  1   см  с   любой   из   сторон.   В результате   мясо   внутри   прожаривается   быстрее,   чем   снаружи.   Однако   возможен   и противоположный эффект, если кусок слишком велик или микроволны проникают в него не равномерно со всех сторон, либо недостаточно глубоко. Почему цветные ткани выцветают на солнце? Зависит   ли   быстрота   выцветания   от   цвета?   Почему   на   солнечном   свету   и   при   свете люминесцентных ламп блекнут краски на картинах, написанных маслом? Почему некоторые продукты и напитки, например пиво, следует оберегать от воздействия солнечного света? Оказывает   ли   подобное   разрушающее   действие   преимущественно   какая­то   составляющая солнечного спектра или весь спектр в целом? Ответ:   Ультрафиолетовое   излучение,   поглощаясь   органическими   молекулами   красок, нарушает   молекулярные   связи.   Это,   в   конце   концов,   приводит   к   потере   пигментом   его окраски. Выцветание красок под действием ультрафиолетового излучения, как выяснилось, представляет серьезную опасность для картин, экспонируемых в современных музеях, где для создания равномерного освещения широко используются обычные люминесцентные лампы, свет которых содержит известную долю ультрафиолетового излучения. Теперь картины или лампы закрывают ультрафиолетовыми фильтрами или же вновь начинают использовать для освещения обычные лампы накаливания.