Версия для копирования в MS Word
PDF-версии: горизонтальная · вертикальная · крупный шрифт · с большим полем
РЕШУ ВПР — физика–11
Электродинамика
1.  
i

Рас­смот­рим не­ко­то­рые по­греш­но­сти (абер­ра­ции), ко­то­рые дают оп­ти­че­ские при­бо­ры, ос­но­ван­ные на ис­поль­зо­ва­нии линз: сфе­ри­че­ские и хро­ма­ти­че­ские абер­ра­ции.

На прак­ти­ке часто при­хо­дит­ся при­ме­нять со­би­ра­ю­щие линзы боль­шо­го диа­мет­ра, поз­во­ля­ю­щие со­брать ши­ро­кие све­то­вые по­то­ки. Од­на­ко в этом слу­чае не удаётся по­лу­чить рез­кое изоб­ра­же­ние ис­точ­ни­ка (рис. 1). Как бы мы ни пе­ре­ме­ща­ли экран (Э), на нём по­лу­ча­ет­ся до­воль­но рас­плыв­ча­тое изоб­ра­же­ние. И толь­ко огра­ни­чив пучки, па­да­ю­щие на линзу, с по­мо­щью диа­фраг­мы Д (не­про­зрач­но­го экра­на с от­вер­сти­ем), можно по­лу­чить до­ста­точ­но рез­кое изоб­ра­же­ние ис­точ­ни­ка (рис. 2). По­греш­ность, свя­зан­ная с тем, что линза боль­шо­го диа­мет­ра даёт изоб­ра­же­ние то­чеч­но­го ис­точ­ни­ка S не в виде точки, а в виде рас­плыв­ча­то­го свет­ло­го пятна, на­зы­ва­ет­ся сфе­ри­че­ской абер­ра­ци­ей.

Рис. 1

Рис. 2

Хро­ма­ти­че­ская абер­ра­ция свя­за­на с тем, что по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния све­то­вых лучей в стек­ле за­ви­сит от длины волны: крас­ные лучи пре­лом­ля­ют­ся сла­бее, чем зелёные, зелёные – сла­бее, чем фи­о­ле­то­вые. Из-за этого изоб­ра­же­ние в линзе по­лу­ча­ет­ся окра­шен­ным.

Рас­смот­рим, как можно убрать хро­ма­ти­че­скую абер­ра­цию в оп­ти­че­ских те­ле­ско­пах. Те­ле­скоп со­сто­ит из двух ос­нов­ных ча­стей – объ­ек­ти­ва и оку­ля­ра. В пер­вых те­ле­ско­пах (т. н. ре­фрак­тор­ных) в ка­че­стве объ­ек­ти­ва ис­поль­зо­ва­лась со­би­ра­ю­щая линза. В фо­ку­се объ­ек­ти­ва фор­ми­ру­ет­ся дей­стви­тель­ное изоб­ра­же­ние весь­ма удалённого ис­точ­ни­ка света (на­при­мер, звез­ды). Чтобы раз­гля­деть по­лу­чен­ное с по­мо­щью объ­ек­ти­ва изоб­ра­же­ние, ис­поль­зу­ет­ся оку­ляр. В ка­че­стве оку­ля­ра может ис­поль­зо­вать­ся со­би­ра­ю­щая линза, дей­ству­ю­щая как лупа. На рис. 3 пред­став­лен ход лучей в те­ле­ско­пе И. Кепле­ра (1611 г.).

Рис. 3. Зри­тель­ная труба И. Кепле­ра. В её оп­ти­че­ской схеме две со­би­ра­ю­щие линзы.

С по­мо­щью те­ле­ско­па Кепле­ра яркие звёзды на­блю­да­тель уви­дит как сине-зелёные точки (к сине-зелёной части спек­тра че­ло­ве­че­ский глаз наи­бо­лее чув­стви­те­лен ночью), окружённые крас­ной и синей кай­мой.

Чтобы устра­нить ис­ка­же­ния изоб­ра­же­ния, свя­зан­ные с хро­ма­ти­че­ской абер­ра­ци­ей, И. Нью­тон в 1668 году пред­ло­жил новую мо­дель те­ле­ско­па – ре­флек­тор­ный те­ле­скоп, в ко­то­ром вме­сто со­би­ра­ю­щей линзы ис­поль­зо­ва­лось во­гну­тое зер­ка­ло (рис. 4).

Рис. 4. Оп­ти­че­ская схема те­ле­ско­па И. Нью­то­на (А - со­би­ра­ю­щая линза, В - плос­кое зер­ка­ло, С - во­гну­тое зер­ка­ло).

Можно ли по­лу­чить изоб­ра­же­ние звез­ды на экра­не, если его по­ме­стить на место глаза возле оку­ля­ра ре­флек­тор­но­го те­ле­ско­па И. Нью­то­на? Ответ по­яс­ни­те.

2.  
i

Кос­ми­че­ские об­сер­ва­то­рии

С по­верх­но­сти Земли че­ло­век из­дав­на на­блю­да­ет кос­ми­че­ские объ­ек­ты в ви­ди­мой части спек­тра элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (диа­па­зон ви­ди­мо­го света вклю­ча­ет волны с дли­ной при­мер­но от 380 нм до 760 нм).

При этом боль­шой объём ин­фор­ма­ции о не­бес­ных телах не до­хо­дит до по­верх­но­сти Земли, т. к. боль­шая часть ин­фра­крас­но­го и уль­тра­фи­о­ле­то­во­го диа­па­зо­на, а также рент­ге­нов­ские и гамма-лучи кос­ми­че­ско­го про­ис­хож­де­ния не­до­ступ­ны для на­блю­де­ний с по­верх­но­сти нашей пла­не­ты. Для изу­че­ния кос­ми­че­ских объ­ек­тов в этих лучах не­об­хо­ди­мо вы­ве­сти те­ле­ско­пы за пре­де­лы ат­мо­сфе­ры. Ре­зуль­та­ты, по­лу­чен­ные в кос­ми­че­ских об­сер­ва­то­ри­ях, пе­ре­вер­ну­ли пред­став­ле­ние че­ло­ве­ка о Все­лен­ной. Общее ко­ли­че­ство кос­ми­че­ских об­сер­ва­то­рий пре­вы­ша­ет уже не­сколь­ко де­сят­ков.

Так, с по­мо­щью на­блю­де­ний в ин­фра­крас­ном (ИК) диа­па­зо­не были от­кры­ты ты­ся­чи га­лак­тик с мощ­ным ин­фра­крас­ным из­лу­че­ни­ем, в том числе такие, ко­то­рые из­лу­ча­ют в ИК-диа­па­зо­не боль­ше энер­гии, чем во всех осталь­ных ча­стях спек­тра. Ак­тив­но изу­ча­ют­ся ин­фра­крас­ные ис­точ­ни­ки в га­зо­пы­ле­вых об­ла­ках. Ин­те­рес к га­зо­пы­ле­вым об­ла­кам свя­зан с тем, что, со­глас­но со­вре­мен­ным пред­став­ле­ни­ям, в них рож­да­ют­ся и вспы­хи­ва­ют звёзды.

Уль­тра­фи­о­ле­то­вый спектр раз­де­ля­ют на уль­тра­фи­о­лет-А (УФ-A) с дли­ной волны 315–400 нм, уль­тра­фи­о­лет-В (УФ-B) – 280–315 нм и уль­тра­фи­о­лет-С (УФ-С) – 100–280 нм. Прак­ти­че­ски весь УФ-C и при­бли­зи­тель­но 90% УФ-B по­гло­ща­ют­ся озо­но­вым слоем при про­хож­де­нии лучей через зем­ную ат­мо­сфе­ру. УФ-A не за­дер­жи­ва­ет­ся озо­но­вым слоем.

С по­мо­щью уль­тра­фи­о­ле­то­вых об­сер­ва­то­рий изу­ча­лись самые раз­ные объ­ек­ты: от комет и пла­нет до удалённых га­лак­тик. В УФ-диа­па­зо­не ис­сле­ду­ют­ся звёзды, в том числе, с не­обыч­ным хи­ми­че­ским со­ста­вом.

Гамма-лучи до­но­сят до нас ин­фор­ма­цию о мощ­ных кос­ми­че­ских про­цес­сах, свя­зан­ных с экс­тре­маль­ны­ми фи­зи­че­ски­ми усло­ви­я­ми, в том числе и ядер­ных ре­ак­ци­ях внут­ри звёзд. Де­тек­то­ры рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния от­но­си­тель­но легки в из­го­тов­ле­нии и имеют не­боль­шую массу. Рент­ге­нов­ские те­ле­ско­пы уста­нав­ли­ва­лись на мно­гих ор­би­таль­ных стан­ци­ях и меж­пла­нет­ных кос­ми­че­ских ко­раб­лях. Ока­за­лось, что рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние во Все­лен­ной яв­ле­ние такое же обыч­ное, как и из­лу­че­ние оп­ти­че­ско­го диа­па­зо­на. Боль­шое вни­ма­ние уде­ля­ет­ся изу­че­нию рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния ней­трон­ных звёзд и чёрных дыр, ак­тив­ных ядер га­лак­тик, го­ря­че­го газа в скоп­ле­нии га­лак­тик.

Учёные счи­та­ют, что внут­ри га­зо­пы­ле­вых ту­ман­но­стей на­хо­дят­ся вновь об­ра­зо­вав­ши­е­ся звез­ды. По­че­му на Земле эти объ­ек­ты на­блю­да­ют в ИК-диа­па­зо­не, а не в ви­ди­мом свете? Ответ обос­нуй­те.

3.  
i

Из­ме­нит­ся ли, и если из­ме­нит­ся, то как, яр­кость изоб­ра­же­ния пред­ме­та в со­би­ра­ю­щей линзе, если перед лин­зой раз­ме­стить диа­фраг­му (рис. 2)? Ответ по­яс­ни­те.

4.  
i

При ра­бо­те кос­ми­че­ской об­сер­ва­то­рии воз­мож­но на­гре­ва­ние ра­бо­та­ю­щих при­бо­ров. При ра­бо­те какой из рас­смот­рен­ных в тек­сте об­сер­ва­то­рий этот факт может ис­ка­зить ре­зуль­та­ты ис­сле­до­ва­ний? Ответ по­яс­ни­те.

5.  
i

Цве­то­вое зре­ние

Любой объ­ект из­лу­ча­ет элек­тро­маг­нит­ные волны в очень ши­ро­ком диа­па­зо­не ча­стот. При этом ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния на­пря­мую за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры объ­ек­та (рис. 1).

Рис. 1. Ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния аб­со­лют­но чёрного тела.(Аб­со­лют­но чёрное тело об­ла­да­ет свой­ством

по­гло­щать всю па­да­ю­щую на его по­верх­ность лу­чи­стую энер­гию лю­бо­го спек­траль­но­го со­ста­ва.)

Мак­си­мум из­лу­че­ния Солн­ца, по­верх­ность ко­то­ро­го имеет тем­пе­ра­ту­ру около 6000 К, при­хо­дит­ся на диа­па­зон длин волн, ко­то­рые в про­цес­се эво­лю­ции опре­де­ли­ли цве­то­вое зре­ние че­ло­ве­ка.

Среди ор­га­нов чувств глаз за­ни­ма­ет осо­бое место. На долю зре­ния при­хо­дит­ся до 80% ин­фор­ма­ции, вос­при­ни­ма­е­мой ор­га­низ­мом извне. Че­ло­век с по­мо­щью зре­ния вос­при­ни­ма­ет раз­ме­ры пред­ме­тов, их форму, рас­по­ло­же­ние в про­стран­стве, дви­же­ние, а, глав­ное, цвет.

При­ем­ни­ка­ми све­то­во­го из­лу­че­ния че­ло­ве­ка слу­жат кол­боч­ки (фо­то­ре­цеп­то­ры трёх типов) и па­лоч­ки (фо­то­ре­цеп­то­ры од­но­го типа).

Кол­боч­ки, в за­ви­си­мо­сти от их спек­траль­ной чув­стви­тель­но­сти, под­раз­де­ля­ют­ся на три типа и обо­зна­ча­ют­ся гре­че­ски­ми бук­ва­ми ρ, γ и β. Мак­си­му­мы спек­траль­ной чув­стви­тель­но­сти этих типов кол­бо­чек на­хо­дят­ся в трёх раз­ных спек­траль­ных участ­ках: крас­ном, зелёном и синем (рис. 2).

Рис. 2

Спек­тры по­гло­ще­ния по­ка­зы­ва­ют ве­ро­ят­ность по­гло­ще­ния фо­то­на для дан­ной длины волны. Спек­тры по­гло­ще­ния пе­ре­кры­ва­ют­ся, а это озна­ча­ет, что зри­тель­ная си­сте­ма в со­сто­я­нии раз­ли­чить ча­сто­ту волны, срав­ни­вая ко­ли­че­ства по­гло­ще­ния энер­гии раз­ных видов кол­бо­чек.

Па­лоч­ки, рас­по­ло­жен­ные по пе­ри­фе­рии сет­чат­ки, иг­ра­ют ос­нов­ную роль в со­зда­нии ахро­ма­ти­че­ских зри­тель­ных об­ра­зов. Па­лоч­ки об­ла­да­ют вы­со­кой чув­стви­тель­но­стью к свету, вос­при­ни­ма­ют волны с малой ам­пли­ту­дой, но не умеют раз­ли­чать их длину, то есть ре­зуль­тат вос­при­я­тия волн раз­ной длины у всех па­ло­чек оди­на­ков.

По­че­му ночью все окру­жа­ю­щие объ­ек­ты вы­гля­дят се­ры­ми, толь­ко свет­лее или тем­нее?

6.  
i

Кос­ми­че­ские об­сер­ва­то­рии

С по­верх­но­сти Земли че­ло­век из­дав­на на­блю­да­ет кос­ми­че­ские объ­ек­ты в ви­ди­мой части спек­тра элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (диа­па­зон ви­ди­мо­го света вклю­ча­ет волны с дли­ной при­мер­но от 380 нм до 760 нм).

При этом боль­шой объём ин­фор­ма­ции о не­бес­ных телах не до­хо­дит до по­верх­но­сти Земли, т. к. боль­шая часть ин­фра­крас­но­го и уль­тра­фи­о­ле­то­во­го диа­па­зо­на, а также рент­ге­нов­ские и гамма-лучи кос­ми­че­ско­го про­ис­хож­де­ния не­до­ступ­ны для на­блю­де­ний с по­верх­но­сти нашей пла­не­ты. Для изу­че­ния кос­ми­че­ских объ­ек­тов в этих лучах не­об­хо­ди­мо вы­ве­сти те­ле­ско­пы за пре­де­лы ат­мо­сфе­ры. Ре­зуль­та­ты, по­лу­чен­ные в кос­ми­че­ских об­сер­ва­то­ри­ях, пе­ре­вер­ну­ли пред­став­ле­ние че­ло­ве­ка о Все­лен­ной. Общее ко­ли­че­ство кос­ми­че­ских об­сер­ва­то­рий пре­вы­ша­ет уже не­сколь­ко де­сят­ков.

Так, с по­мо­щью на­блю­де­ний в ин­фра­крас­ном (ИК) диа­па­зо­не были от­кры­ты ты­ся­чи га­лак­тик с мощ­ным ин­фра­крас­ным из­лу­че­ни­ем, в том числе такие, ко­то­рые из­лу­ча­ют в ИК-диа­па­зо­не боль­ше энер­гии, чем во всех осталь­ных ча­стях спек­тра. Ак­тив­но изу­ча­ют­ся ин­фра­крас­ные ис­точ­ни­ки в га­зо­пы­ле­вых об­ла­ках. Ин­те­рес к га­зо­пы­ле­вым об­ла­кам свя­зан с тем, что, со­глас­но со­вре­мен­ным пред­став­ле­ни­ям, в них рож­да­ют­ся и вспы­хи­ва­ют звёзды.

Уль­тра­фи­о­ле­то­вый спектр раз­де­ля­ют на уль­тра­фи­о­лет-А (УФ-A) с дли­ной волны 315–400 нм, уль­тра­фи­о­лет-В (УФ-B) – 280–315 нм и уль­тра­фи­о­лет-С (УФ-С) – 100–280 нм. Прак­ти­че­ски весь УФ-C и при­бли­зи­тель­но 90% УФ-B по­гло­ща­ют­ся озо­но­вым слоем при про­хож­де­нии лучей через зем­ную ат­мо­сфе­ру. УФ-A не за­дер­жи­ва­ет­ся озо­но­вым слоем.

С по­мо­щью уль­тра­фи­о­ле­то­вых об­сер­ва­то­рий изу­ча­лись самые раз­ные объ­ек­ты: от комет и пла­нет до удалённых га­лак­тик. В УФ-диа­па­зо­не ис­сле­ду­ют­ся звёзды, в том числе, с не­обыч­ным хи­ми­че­ским со­ста­вом.

Гамма-лучи до­но­сят до нас ин­фор­ма­цию о мощ­ных кос­ми­че­ских про­цес­сах, свя­зан­ных с экс­тре­маль­ны­ми фи­зи­че­ски­ми усло­ви­я­ми, в том числе и ядер­ных ре­ак­ци­ях внут­ри звёзд. Де­тек­то­ры рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния от­но­си­тель­но легки в из­го­тов­ле­нии и имеют не­боль­шую массу. Рент­ге­нов­ские те­ле­ско­пы уста­нав­ли­ва­лись на мно­гих ор­би­таль­ных стан­ци­ях и меж­пла­нет­ных кос­ми­че­ских ко­раб­лях. Ока­за­лось, что рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние во Все­лен­ной яв­ле­ние такое же обыч­ное, как и из­лу­че­ние оп­ти­че­ско­го диа­па­зо­на. Боль­шое вни­ма­ние уде­ля­ет­ся изу­че­нию рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния нейтрон­ных звёзд и чёрных дыр, ак­тив­ных ядер га­лак­тик, го­ря­че­го газа в скоп­ле­нии га­лак­тик.

Ин­те­рес аст­ро­но­мов к УФ-из­лу­че­нию обу­слов­лен в боль­шой сте­пе­ни тем, что имен­но в этом диа­па­зо­не из­лу­ча­ет самая рас­про­стра­нённая мо­ле­ку­ла во Все­лен­ной – мо­ле­ку­ла во­до­ро­да – и на­хо­дит­ся самая яркая линия ато­мар­но­го во­до­ро­да, со­от­вет­ству­ю­щая длине волны 1216 анг­стрем (1 анг­стрем  =  10–10 м). Можно ли на­блю­дать эту спек­траль­ную линию с по­мо­щью те­ле­ско­па, уста­нов­лен­но­го на по­верх­но­сти Земли? Ответ обос­нуйте.

7.  
i

Цве­то­вое зре­ние

Любой объ­ект из­лу­ча­ет элек­тро­маг­нит­ные волны в очень ши­ро­ком диа­па­зо­не ча­стот. При этом ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния на­пря­мую за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры объ­ек­та (рис. 1).

Рис. 1. Ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния аб­со­лют­но чёрного тела.(Аб­со­лют­но чёрное тело об­ла­да­ет свой­ством

по­гло­щать всю па­да­ю­щую на его по­верх­ность лу­чи­стую энер­гию лю­бо­го спек­траль­но­го со­ста­ва.)

Мак­си­мум из­лу­че­ния Солн­ца, по­верх­ность ко­то­ро­го имеет тем­пе­ра­ту­ру около 6000 К, при­хо­дит­ся на диа­па­зон длин волн, ко­то­рые в про­цес­се эво­лю­ции опре­де­ли­ли цве­то­вое зре­ние че­ло­ве­ка.

Среди ор­га­нов чувств глаз за­ни­ма­ет осо­бое место. На долю зре­ния при­хо­дит­ся до 80% ин­фор­ма­ции, вос­при­ни­ма­е­мой ор­га­низ­мом извне. Че­ло­век с по­мо­щью зре­ния вос­при­ни­ма­ет раз­ме­ры пред­ме­тов, их форму, рас­по­ло­же­ние в про­стран­стве, дви­же­ние, а, глав­ное, цвет.

При­ем­ни­ка­ми све­то­во­го из­лу­че­ния че­ло­ве­ка слу­жат кол­боч­ки (фо­то­ре­цеп­то­ры трёх типов) и па­лоч­ки (фо­то­ре­цеп­то­ры од­но­го типа).

Кол­боч­ки, в за­ви­си­мо­сти от их спек­траль­ной чув­стви­тель­но­сти, под­раз­де­ля­ют­ся на три типа и обо­зна­ча­ют­ся гре­че­ски­ми бук­ва­ми ρ, γ и β. Мак­си­му­мы спек­траль­ной чув­стви­тель­но­сти этих типов кол­бо­чек на­хо­дят­ся в трёх раз­ных спек­траль­ных участ­ках: крас­ном, зелёном и синем (рис. 2).

Рис. 2

Спек­тры по­гло­ще­ния по­ка­зы­ва­ют ве­ро­ят­ность по­гло­ще­ния фо­то­на для дан­ной длины волны. Спек­тры по­гло­ще­ния пе­ре­кры­ва­ют­ся, а это озна­ча­ет, что зри­тель­ная си­сте­ма в со­сто­я­нии раз­ли­чить ча­сто­ту волны, срав­ни­вая ко­ли­че­ства по­гло­ще­ния энер­гии раз­ных видов кол­бо­чек.

Па­лоч­ки, рас­по­ло­жен­ные по пе­ри­фе­рии сет­чат­ки, иг­ра­ют ос­нов­ную роль в со­зда­нии ахро­ма­ти­че­ских зри­тель­ных об­ра­зов. Па­лоч­ки об­ла­да­ют вы­со­кой чув­стви­тель­но­стью к свету, вос­при­ни­ма­ют волны с малой ам­пли­ту­дой, но не умеют раз­ли­чать их длину, то есть ре­зуль­тат вос­при­я­тия волн раз­ной длины у всех па­ло­чек оди­на­ков.

Для изу­че­ния ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния на от­дель­ных участ­ках спек­тра от на­гре­тых тел ис­поль­зу­ют тер­мо­эле­мен­ты. Чув­стви­тель­ная часть фо­то­эле­мен­та по­кры­та налётом сажи, ко­то­рая по­гло­ща­ет все па­да­ю­щее на неё из­лу­че­ние. Из­ме­ряя на­гре­ва­ние фо­то­эле­мен­та на от­дель­ных участ­ках спек­тра, можно су­дить о рас­пре­де­ле­нии энер­гии по спек­тру.

Можно ли су­дить о рас­пре­де­ле­нии энер­гии, на­при­мер, в линейчатом спек­тре на­гре­то­го ато­мар­но­го газа, ви­зу­аль­но на­блю­дая и срав­ни­вая яр­кость от­дель­ных линий в ви­ди­мой части спек­тра? Ответ по­яс­ни­те.

8.  
i

Цве­то­вое зре­ние

Любой объ­ект из­лу­ча­ет элек­тро­маг­нит­ные волны в очень ши­ро­ком диа­па­зо­не ча­стот. При этом ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния на­пря­мую за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры объ­ек­та (рис. 1).

Рис. 1. Ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния аб­со­лют­но чёрного тела.(Аб­со­лют­но чёрное тело об­ла­да­ет свой­ством

по­гло­щать всю па­да­ю­щую на его по­верх­ность лу­чи­стую энер­гию лю­бо­го спек­траль­но­го со­ста­ва.)

Мак­си­мум из­лу­че­ния Солн­ца, по­верх­ность ко­то­ро­го имеет тем­пе­ра­ту­ру около 6000 К, при­хо­дит­ся на диа­па­зон длин волн, ко­то­рые в про­цес­се эво­лю­ции опре­де­ли­ли цве­то­вое зре­ние че­ло­ве­ка.

Среди ор­га­нов чувств глаз за­ни­ма­ет осо­бое место. На долю зре­ния при­хо­дит­ся до 80% ин­фор­ма­ции, вос­при­ни­ма­е­мой ор­га­низ­мом извне. Че­ло­век с по­мо­щью зре­ния вос­при­ни­ма­ет раз­ме­ры пред­ме­тов, их форму, рас­по­ло­же­ние в про­стран­стве, дви­же­ние, а, глав­ное, цвет.

Приёмни­ка­ми све­то­во­го из­лу­че­ния че­ло­ве­ка слу­жат кол­боч­ки (фо­то­ре­цеп­то­ры трёх типов) и па­лоч­ки (фо­то­ре­цеп­то­ры од­но­го типа).

Кол­боч­ки, в за­ви­си­мо­сти от их спек­траль­ной чув­стви­тель­но­сти, под­раз­де­ля­ют­ся на три типа. Мак­си­му­мы спек­траль­ной чув­стви­тель­но­сти этих типов кол­бо­чек на­хо­дят­ся в трёх раз­ных спек­траль­ных участ­ках: крас­ном, зелёном и синем.

При по­мо­щи кол­бо­чек зри­тель­ная си­сте­ма в со­сто­я­нии раз­ли­чить длину волны, срав­ни­вая ко­ли­че­ства по­гло­ще­ния энер­гии раз­ных видов кол­бо­чек.

Па­лоч­ки, рас­по­ло­жен­ные по пе­ри­фе­рии сет­чат­ки, иг­ра­ют ос­нов­ную роль в со­зда­нии ахро­ма­ти­че­ских зри­тель­ных об­ра­зов. Па­лоч­ки об­ла­да­ют вы­со­кой чув­стви­тель­но­стью к свету, вос­при­ни­ма­ют волны с малой ам­пли­ту­дой, но не умеют раз­ли­чать их длину, то есть ре­зуль­тат вос­при­я­тия волн раз­ной длины у всех па­ло­чек оди­на­ков.

Чув­стви­тель­ность че­ло­ве­че­ско­го глаза к раз­ным дли­нам волн ви­ди­мо­го света раз­лич­на в днев­ное время и в су­мер­ки. На ри­сун­ке 2 пред­став­ле­ны кри­вые спек­траль­ной чув­стви­тель­но­сти глаза (за­ви­си­мость ко­эф­фи­ци­ен­та по­гло­ще­ния от длины волны) в су­ме­реч­ное и днев­ное время.

Рис. 2

Если днём мак­си­мум чув­стви­тель­но­сти глаза па­да­ет на жёлто-зелёную часть спек­тра, то в су­мер­ках она сме­ня­ет­ся в об­ласть более ко­рот­ких длин волн.

В су­мер­ках цвет крас­ных маков ка­жет­ся почти чёрным, а цвет го­лу­бых пе­ту­ний ка­жет­ся более на­сы­щен­ным. Объ­яс­ни­те, по­че­му так про­ис­хо­дит.

9.  
i

Бен­джа­мин Фран­клин

Бен­джа­мин Фран­клин, аме­ри­кан­ский учёный, ди­пло­мат и по­ли­ти­че­ский де­я­тель, внёс огром­ный вклад в изу­че­ние элек­три­че­ских яв­ле­ний. Имен­но Фран­клин ввёл в науку новые тер­ми­ны, ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся и в со­вре­мен­ной элек­тро­тех­ни­ке. Речь идёт о «по­ло­жи­тель­ном» и «от­ри­ца­тель­ном» элек­три­че­стве, или, как он пишет, «пред­по­чти­тель­нее – «плюсе» и «ми­ну­се». Среди мно­гих за­ме­ча­тель­ных ис­сле­до­ва­ний Фран­кли­на наи­боль­шую славу при­нес­ли ему зна­ме­ни­тые опыты по изу­че­нию ат­мо­сфер­но­го элек­три­че­ства, поз­во­лив­шие экс­пе­ри­мен­таль­но до­ка­зать тож­де­ствен­ность яв­ле­ний «обык­но­вен­но­го» элек­три­че­ства и мол­нии.

Для этого Фран­клин решил вос­поль­зо­вать­ся ре­зуль­та­та­ми своих на­блю­де­ний о свой­ствах ост­ро­ко­неч­ных пред­ме­тов при­тя­ги­вать «элек­три­че­скую суб­стан­цию». Тогда и мол­ния долж­на при­тя­ги­вать­ся к остри­ям. Он пред­по­ло­жил, что для от­во­да удара мол­нии в землю можно ис­поль­зо­вать «за­ост­рен­ные же­лез­ные пруты».

Фран­клин из­го­то­вил воз­душ­но­го змея, но вме­сто бу­ма­ги на­тя­нул на де­ре­вян­ные план­ки шёлко­вый пла­ток, по­сколь­ку шёлк не на­мо­ка­ет от дождя так быст­ро, как бу­ма­га. Он писал: «К верх­не­му концу де­ре­вян­ной кре­сто­ви­ны змея

нужно при­кре­пить кусок про­во­ло­ки с ост­рым кон­цом, чтобы он вы­сту­пал за край не мень­ше, чем на фут. Конец бечёвки сле­ду­ет под­вя­зать шёлко­вой лен­той, за ко­то­рую бе­рут­ся рукой, а в месте со­еди­не­ния бечёвки с лен­той нужно при­вя­зать ключ. Во время грозы не­об­хо­ди­мо сле­дить за тем, чтобы шёлко­вая лента не на­мок­ла, а бечёвка не ка­са­лась двер­но­го ко­ся­ка или окон­ной рамы. Как толь­ко гро­зо­вая туча ока­жет­ся над змеем, за­ост­рен­ная про­во­ло­ка ста­нет из­вле­кать из неё элек­три­че­ский огонь, и змей вме­сте с бечёвкой на­элек­три­зу­ет­ся. А когда дождь смо­чит бечёвку, сде­лав её спо­соб­ной про­во­дить элек­три­че­ский огонь, Вы уви­ди­те, как он обиль­но сте­ка­ет с ключа при при­бли­же­нии ва­ше­го паль­ца. При этом от ключа можно за­ря­дить банку..., вос­пла­ме­нить спирт и про­во­дить про­чие элек­три­че­ские опыты, ко­то­рые обыч­но ста­вят­ся при по­мо­щи на­тер­то­го стек­лян­но­го шара или труб­ки».

Фран­клин пы­тал­ся про­ник­нуть в сущ­ность при­ро­ды элек­три­че­ства. С со­вре­мен­ной точки зре­ния, важ­ное зна­че­ние имело его утвер­жде­ние о том, что «элек­три­че­скую суб­стан­цию» нель­зя со­здать или уни­что­жить, а можно толь­ко пе­ре­рас­пре­де­лить.

В опи­са­нии опыта Фран­клин де­ла­ет пре­ду­пре­жде­ние о том, что бечёвка не долж­на ка­сать­ся двер­но­го ко­ся­ка или окон­ной рамы. Что про­изойдёт, если бе­чев­ка кос­нет­ся окон­ной рамы? Ответ по­яс­ни­те.

10.  
i

Бен­джа­мин Фран­клин

Бен­джа­мин Фран­клин, аме­ри­кан­ский учёный, ди­пло­мат и по­ли­ти­че­ский де­я­тель, внёс огром­ный вклад в изу­че­ние элек­три­че­ских яв­ле­ний. Имен­но Фран­клин ввёл в науку новые тер­ми­ны, ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся и в со­вре­мен­ной элек­тро­тех­ни­ке. Речь идёт о «по­ло­жи­тель­ном» и «от­ри­ца­тель­ном» элек­три­че­стве, или, как он пишет, «пред­по­чти­тель­нее – «плюсе» и «ми­ну­се». Среди мно­гих за­ме­ча­тель­ных ис­сле­до­ва­ний Фран­кли­на наи­боль­шую славу при­нес­ли ему зна­ме­ни­тые опыты по изу­че­нию ат­мо­сфер­но­го элек­три­че­ства, поз­во­лив­шие экс­пе­ри­мен­таль­но до­ка­зать тож­де­ствен­ность яв­ле­ний «обык­но­вен­но­го» элек­три­че­ства и мол­нии.

Для этого Фран­клин решил вос­поль­зо­вать­ся ре­зуль­та­та­ми своих на­блю­де­ний о свой­ствах ост­ро­ко­неч­ных пред­ме­тов при­тя­ги­вать «элек­три­че­скую суб­стан­цию». Тогда и мол­ния долж­на при­тя­ги­вать­ся к остри­ям. Он пред­по­ло­жил, что для от­во­да удара мол­нии в землю можно ис­поль­зо­вать «за­ост­рен­ные же­лез­ные пруты».

Фран­клин из­го­то­вил воз­душ­но­го змея, но вме­сто бу­ма­ги на­тя­нул на де­ре­вян­ные план­ки шёлко­вый пла­ток, по­сколь­ку шёлк не на­мо­ка­ет от дождя так быст­ро, как бу­ма­га. Он писал: «К верх­не­му концу де­ре­вян­ной кре­сто­ви­ны змея

нужно при­кре­пить кусок про­во­ло­ки с ост­рым кон­цом, чтобы он вы­сту­пал за край не мень­ше, чем на фут. Конец бечёвки сле­ду­ет под­вя­зать шёлко­вой лен­той, за ко­то­рую бе­рут­ся рукой, а в месте со­еди­не­ния бечёвки с лен­той нужно при­вя­зать ключ. Во время грозы не­об­хо­ди­мо сле­дить за тем, чтобы шёлко­вая лента не на­мок­ла, а бечёвка не ка­са­лась двер­но­го ко­ся­ка или окон­ной рамы. Как толь­ко гро­зо­вая туча ока­жет­ся над змеем, за­ост­рен­ная про­во­ло­ка ста­нет из­вле­кать из неё элек­три­че­ский огонь, и змей вме­сте с бечёвкой на­элек­три­зу­ет­ся. А когда дождь смо­чит бечёвку, сде­лав её спо­соб­ной про­во­дить элек­три­че­ский огонь, Вы уви­ди­те, как он обиль­но сте­ка­ет с ключа при при­бли­же­нии ва­ше­го паль­ца. При этом от ключа можно за­ря­дить банку..., вос­пла­ме­нить спирт и про­во­дить про­чие элек­три­че­ские опыты, ко­то­рые обыч­но ста­вят­ся при по­мо­щи на­тер­то­го стек­лян­но­го шара или труб­ки».

Фран­клин пы­тал­ся про­ник­нуть в сущ­ность при­ро­ды элек­три­че­ства. С со­вре­мен­ной точки зре­ния, важ­ное зна­че­ние имело его утвер­жде­ние о том, что «элек­три­че­скую суб­стан­цию» нель­зя со­здать или уни­что­жить, а можно толь­ко пе­ре­рас­пре­де­лить.

Для каких целей в опыте Фран­кли­на ис­поль­зо­ва­лась шёлко­вая лента? Ответ по­яс­ни­те.

11.  
i

По­че­му лёд про­зрач­ный, а снег белый

Че­ло­ве­че­ский глаз спо­со­бен остро ре­а­ги­ро­вать на элек­тро­маг­нит­ные волны ви­ди­мой части спек­тра. На ри­сун­ке по­ка­за­ны ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний ко­эф­фи­ци­ен­та по­гло­ще­ния льдом элек­тро­маг­нит­ных из­лу­че­ний раз­лич­ных диа­па­зо­нов.

В ви­ди­мой об­ла­сти спек­тра ко­эф­фи­ци­ент по­гло­ще­ния льда прак­ти­че­ски равен нулю, по­это­му лёд про­зра­чен. Од­на­ко в ин­фра­крас­ной и уль­тра­фи­о­ле­то­вой об­ла­стях ко­эф­фи­ци­ент по­гло­ще­ния при­ни­ма­ет очень боль­шие зна­че­ния.

Если бы лёд не был про­зрач­ным, то и снег не вы­гля­дел бы белым. Рас­смат­ри­вая снег под мик­ро­ско­пом, можно убе­дить­ся, что он со­сто­ит из ча­стиц про­зрач­но­го льда. Тем не менее комки снега имеют белый цвет.

Бе­лиз­на снега объ­яс­ня­ет­ся тем, что свет, в ко­то­ром пред­став­ле­ны все длины волн, ис­пы­тав мно­го­крат­ное от­ра­же­ние и пре­лом­ле­ние на по­верх­но­стях сне­жи­нок, не­смот­ря на слож­ный путь, почти не по­гло­ща­ет­ся и вновь вы­хо­дит на по­верх­ность. Если бы ча­сти­цы, из ко­то­рых со­сто­ит снег, хоть не­мно­го по­гло­ща­ли свет, снег не вы­гля­дел бы белым.

Вспом­ним, что эта­ло­ном аб­со­лют­но чёрного тела слу­жит пла­ти­но­вая чернь, ко­то­рая пред­став­ля­ет собой по­ро­шок пла­ти­ны. Дело в том, что пла­ти­но­вая чернь об­ла­да­ет чрез­вы­чай­но вы­со­ким ко­эф­фи­ци­ен­том по­гло­ще­ния света на всех дли­нах волн. В ре­зуль­та­те из-за силь­но­го по­гло­ще­ния па­да­ю­щий свет боль­ше не воз­вра­ща­ет­ся на по­верх­ность.

Про­зрач­ный стек­лян­ный ста­кан раз­бил­ся на очень мел­кие оскол­ки, ко­то­рые со­бра­ли в одну кучку. Ка­ко­го цвета будут эти оскол­ки ста­ка­на? Ответ по­яс­ни­те.

12.  
i

Ис­сле­до­ва­ние по­гло­ще­ния ин­фра­крас­ных лучей в XIX веке (по Дж. Тин­да­лю)

От­кры­тие термо-ЭДС, воз­ни­ка­ю­щей при на­гре­ве кон­так­та двух раз­но­род­ных ме­тал­лов (тер­мо­па­ры), сде­ла­ло воз­мож­ным ис­сле­до­ва­ние свойств ин­фра­крас­ных лучей. Тер­мо­элек­три­че­ский дат­чик (по­сле­до­ва­тель­но со­единённые тер­мо­па­ры) при на­гре­ва­нии ин­фра­крас­ны­ми лу­ча­ми вы­ра­ба­ты­ва­ет ЭДС, из­ме­ря­е­мую галь­ва­но­мет­ром. По от­кло­не­нию стрел­ки судят о сте­пе­ни на­гре­ва.

Рис. 1. Ис­сле­до­ва­ние про­зрач­но­сти твёрдых те

На рис. 1 по­ка­за­на схема ис­сле­до­ва­ния про­зрач­но­сти твёрдых тел в XIX в. для ин­фра­крас­ных лучей. Пред­по­ла­га­лось, что воз­дух для этих лучей про­зра­чен. В ка­че­стве ис­точ­ни­ка ин­фра­крас­ных лучей ис­поль­зо­ва­лись на­гре­тое тело, пламя лампы и т. п. Из­вест­но, что, по за­ко­ну Вина, с по­ни­же­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры тела мак­си­мум из­лу­че­ния сме­ща­ет­ся в сто­ро­ну длин­ных волн:

\lambda_max = дробь: чис­ли­тель: b, зна­ме­на­тель: T конец дроби ,

где b = 2897 мкм·К, T  — тем­пе­ра­ту­ра тела в кель­ви­нах.

В опыте ис­сле­ду­е­мая пла­сти­на тол­щи­ной l пе­ре­кры­ва­ла от­вер­стие диа­фраг­мы. Ока­за­лось, что про­зрач­ные для ви­ди­мо­го света лёд и стек­ло не­про­зрач­ны для теп­ло­вых лучей (см. таб­ли­цу). Гор­ный хру­сталь про­пус­ка­ет 6% из­лу­че­ния на­гре­той до 400 ºС меди и 3% из­лу­че­ния на­гре­той до 100 ºС меди. Таким об­ра­зом, про­зрач­ность хру­ста­ля за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры из­лу­ча­ю­ще­го тела. Длин­но­вол­но­вое из­лу­че­ние не про­хо­дит через стек­ло и лёд, а ка­мен­ная соль для этого из­лу­че­ния про­зрач­на. По этой при­чи­не при изу­че­нии про­зрач­но­сти газов кри­стал­лы ка­мен­ной соли ис­поль­зо­ва­лись в ка­че­стве «окон» в ци­лин­дре с ис­сле­ду­е­мым газом (рис. 2, торцы ци­лин­дра АВ). По­гло­ща­ю­щая спо­соб­ность газа за­ви­сит от дав­ле­ния. В опыте в пред­ва­ри­тель­но от­ка­чан­ный ци­линдр АВ (см. рис. 2) будем впус­кать эти­лен через кран Gʹ. Уберём экран Т, за­кры­ва­ю­щий за­чернённый сажей куб С, на­пол­нен­ный ки­пя­щей водой. Ре­зуль­та­ты опы­тов по изу­че­нию по­гло­ща­ю­щей спо­соб­но­сти эти­ле­на и ди­эти­ло­во­го эфира при­ве­де­ны на рис. 3.

Рис. 2. Ис­сле­до­ва­ние про­зрач­но­сти газов

Рис. 3.

Силь­ное по­гло­ще­ние теп­ло­вых лучей ха­рак­тер­но и для ряда дру­гих газов. Так, не­про­зрач­ность паров воды и уг­ле­кис­ло­го газа в ат­мо­сфе­ре для ин­фра­крас­ных лучей иг­ра­ет су­ще­ствен­ную роль в пар­ни­ко­вом эф­фек­те, на­блю­да­е­мом в XXI в.

Есть ли ос­но­ва­ния по дан­ным ис­сле­до­ва­ний про­зрач­но­сти эти­ле­на и ди­эти­ло­во­го эфира пред­по­ла­гать, что при дав­ле­нии 0,15 атм. эфир будет про­зрач­ней, чем эти­лен? Ответ по­яс­ни­те.

13.  
i

Ис­сле­до­ва­ние по­гло­ще­ния ин­фра­крас­ных лучей в XIX веке (по Дж. Тин­да­лю)

От­кры­тие термо-ЭДС, воз­ни­ка­ю­щей при на­гре­ве кон­так­та двух раз­но­род­ных ме­тал­лов (тер­мо­па­ры), сде­ла­ло воз­мож­ным ис­сле­до­ва­ние свойств ин­фра­крас­ных лучей. Тер­мо­элек­три­че­ский дат­чик (по­сле­до­ва­тель­но со­единённые тер­мо­па­ры) при на­гре­ва­нии ин­фра­крас­ны­ми лу­ча­ми вы­ра­ба­ты­ва­ет ЭДС, из­ме­ря­е­мую галь­ва­но­мет­ром. По от­кло­не­нию стрел­ки судят о сте­пе­ни на­гре­ва.

Рис. 1. Ис­сле­до­ва­ние про­зрач­но­сти твёрдых те

На рис. 1 по­ка­за­на схема ис­сле­до­ва­ния про­зрач­но­сти твёрдых тел в XIX в. для ин­фра­крас­ных лучей. Пред­по­ла­га­лось, что воз­дух для этих лучей про­зра­чен. В ка­че­стве ис­точ­ни­ка ин­фра­крас­ных лучей ис­поль­зо­ва­лись на­гре­тое тело, пламя лампы и т. п. Из­вест­но, что, по за­ко­ну Вина, с по­ни­же­ни­ем тем­пе­ра­ту­ры тела мак­си­мум из­лу­че­ния сме­ща­ет­ся в сто­ро­ну длин­ных волн:

\lambda_max = дробь: чис­ли­тель: b, зна­ме­на­тель: T конец дроби ,

где b = 2897 мкм·К, T  — тем­пе­ра­ту­ра тела в кель­ви­нах.

В опыте ис­сле­ду­е­мая пла­сти­на тол­щи­ной l пе­ре­кры­ва­ла от­вер­стие диа­фраг­мы. Ока­за­лось, что про­зрач­ные для ви­ди­мо­го света лёд и стек­ло не­про­зрач­ны для теп­ло­вых лучей (см. таб­ли­цу). Гор­ный хру­сталь про­пус­ка­ет 6% из­лу­че­ния на­гре­той до 400 ºС меди и 3% из­лу­че­ния на­гре­той до 100 ºС меди. Таким об­ра­зом, про­зрач­ность хру­ста­ля за­ви­сит от тем­пе­ра­ту­ры из­лу­ча­ю­ще­го тела. Длин­но­вол­но­вое из­лу­че­ние не про­хо­дит через стек­ло и лёд, а ка­мен­ная соль для этого из­лу­че­ния про­зрач­на. По этой при­чи­не при изу­че­нии про­зрач­но­сти газов кри­стал­лы ка­мен­ной соли ис­поль­зо­ва­лись в ка­че­стве «окон» в ци­лин­дре с ис­сле­ду­е­мым газом (рис. 2, торцы ци­лин­дра АВ). По­гло­ща­ю­щая спо­соб­ность газа за­ви­сит от дав­ле­ния. В опыте в пред­ва­ри­тель­но от­ка­чан­ный ци­линдр АВ (см. рис. 2) будем впус­кать эти­лен через кран Gʹ. Уберём экран Т, за­кры­ва­ю­щий за­чернённый сажей куб С, на­пол­нен­ный ки­пя­щей водой. Ре­зуль­та­ты опы­тов по изу­че­нию по­гло­ща­ю­щей спо­соб­но­сти эти­ле­на и ди­эти­ло­во­го эфира при­ве­де­ны на рис. 3.

Рис. 2. Ис­сле­до­ва­ние про­зрач­но­сти газов

Рис. 3.

Силь­ное по­гло­ще­ние теп­ло­вых лучей ха­рак­тер­но и для ряда дру­гих газов. Так, не­про­зрач­ность паров воды и уг­ле­кис­ло­го газа в ат­мо­сфе­ре для ин­фра­крас­ных лучей иг­ра­ет су­ще­ствен­ную роль в пар­ни­ко­вом эф­фек­те, на­блю­да­е­мом в XXI в.

Воз­мож­но ли при изу­че­нии про­зрач­но­сти газов в опыте по рис. 2 ис­поль­зо­вать обыч­ные стек­лян­ные окна в ци­лин­дре AB? Ответ по­яс­ни­те.

14.  
i

Рас­се­я­ние света

В при­ро­де мы по­сто­ян­но на­блю­да­ем яв­ле­ние, свя­зан­ное с из­ме­не­ни­ем спек­траль­но­го со­ста­ва сол­неч­но­го света. Свет, до­хо­дя­щий до нас от участ­ков не­бес­но­го свода в без­об­лач­ную по­го­ду, ха­рак­те­ри­зу­ет­ся до­воль­но на­сы­щен­ным го­лу­бым или даже синим от­тен­ком. Не­со­мнен­но, что свет неба есть сол­неч­ный свет, рас­се­и­ва­е­мый в толще воз­душ­ной ат­мо­сфе­ры и по­это­му до­хо­дя­щий до на­блю­да­те­ля со всех сто­рон, даже по на­прав­ле­ни­ям, далёким от на­прав­ле­ния на Солн­це (см. рис.).

Ри­су­нок. Про­ис­хож­де­ние цвета неба (свет Солн­ца, рас­се­ян­ный ат­мо­сфе­рой) (До по­верх­но­сти Земли (на­при­мер, точки А) до­хо­дит как пря­мой свет Солн­ца, так и свет, рас­се­ян­ный в толще ат­мо­сфе­ры. Цвет этого рас­се­ян­но­го света и на­зы­ва­ет­ся цве­том неба.)

 

Тео­ре­ти­че­ское ис­сле­до­ва­ние и опыты по­ка­за­ли, что такое рас­се­я­ние про­ис­хо­дит бла­го­да­ря мо­ле­ку­ляр­но­му стро­е­нию воз­ду­ха; даже впол­не сво­бод­ный от пыли воз­дух рас­се­и­ва­ет сол­неч­ный свет. Спектр рас­се­ян­но­го воз­ду­хом света за­мет­но от­ли­ча­ет­ся от спек­тра пря­мо­го сол­неч­но­го света: в сол­неч­ном свете мак­си­мум энер­гии при­хо­дит­ся на жёлто-зелёную часть спек­тра, а в свете неба мак­си­мум пе­ре­дви­нут к го­лу­бой части.

При­чи­на лежит в том, что ко­рот­кие све­то­вые волны рас­се­и­ва­ют­ся зна­чи­тель­но силь­нее длин­ных.

По расчётам ан­глий­ско­го фи­зи­ка Дж. Стрет­та (лорда Рэлея, 1842−1919), под­твер­ждённым из­ме­ре­ни­я­ми, ин­тен­сив­ность рас­се­ян­но­го света об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на четвёртой сте­пе­ни длины волны, если рас­се­и­ва­ю­щие ча­сти­цы малы по срав­не­нию с дли­ной волны света. По­это­му белый свет Солн­ца при рас­се­я­нии пре­вра­ща­ет­ся в го­лу­бой цвет неба. Так об­сто­ит дело при рас­се­я­нии в чи­стом воз­ду­хе (в горах, над оке­а­ном).

Закон рас­се­я­ния Рэлея вы­пол­ня­ет­ся и в том слу­чае, когда в воз­ду­хе име­ют­ся очень мел­кие (зна­чи­тель­но мень­шие длины волны) ча­стич­ки пыли или ка­пель­ки влаги (туман). Рас­се­я­ние, вы­зы­ва­е­мое ими, также идёт по за­ко­ну, близ­ко­му к за­ко­ну Рэлея, т. е. по пре­иму­ще­ству рас­се­и­ва­ют­ся ко­рот­кие волны.

На­ли­чие же в воз­ду­хе срав­ни­тель­но круп­ных по срав­не­нию с дли­ной све­то­вой волны ча­сти­чек пыли (в го­ро­дах) до­бав­ля­ет к рас­се­ян­но­му го­лу­бо­му свету свет всех длин волн, отражённый ча­стич­ка­ми пыли, т. е. почти не­из­менённый свет Солн­ца. Бла­го­да­ря этой при­ме­си цвет неба ста­но­вит­ся в этих усло­ви­ях более бе­ле­со­ва­тым.

Пре­иму­ще­ствен­ное рас­се­я­ние ко­рот­ких волн при­во­дит к тому, что до­хо­дя­щий до по­верх­но­сти Земли пря­мой свет Солн­ца в пол­день ока­зы­ва­ет­ся более жёлтым, чем при на­блю­де­нии с боль­шой вы­со­ты. На пути через толщу воз­ду­ха свет Солн­ца ча­стич­но рас­се­и­ва­ет­ся в сто­ро­ны, причём силь­нее рас­се­и­ва­ют­ся ко­рот­кие волны, так что до­стиг­ший Земли свет ста­но­вит­ся от­но­си­тель­но бо­га­че из­лу­че­ни­ем длин­но­вол­но­вой части спек­тра. Бла­го­да­ря этому Солн­це и Луна на вос­хо­де (или за­ка­те) имеют крас­но­ва­тый от­те­нок.

Про­пу­стим белый луч света от фо­на­ря через ак­ва­ри­ум, на­пол­нен­ный мут­ной жид­ко­стью (на­при­мер, водой с не­сколь­ки­ми кап­ля­ми мо­ло­ка). Если толща мут­ной жид­ко­сти до­воль­но зна­чи­тель­на, то луч на вы­хо­де (на тор­це­вой грани) ока­зы­ва­ет­ся оран­же­вым или даже крас­ным.

Ка­ко­го цвета будет вы­гля­деть вода, рас­смат­ри­ва­е­мая со сто­ро­ны бо­ко­вых гра­ней ак­ва­ри­ума? Ответ по­яс­ни­те.

15.  
i

Рас­се­я­ние света

В при­ро­де мы по­сто­ян­но на­блю­да­ем яв­ле­ние, свя­зан­ное с из­ме­не­ни­ем спек­траль­но­го со­ста­ва сол­неч­но­го света. Свет, до­хо­дя­щий до нас от участ­ков не­бес­но­го свода в без­об­лач­ную по­го­ду, ха­рак­те­ри­зу­ет­ся до­воль­но на­сы­щен­ным го­лу­бым или даже синим от­тен­ком. Не­со­мнен­но, что свет неба есть сол­неч­ный свет, рас­се­и­ва­е­мый в толще воз­душ­ной ат­мо­сфе­ры и по­это­му до­хо­дя­щий до на­блю­да­те­ля со всех сто­рон, даже по на­прав­ле­ни­ям, далёким от на­прав­ле­ния на Солн­це (см. рис.).

Ри­су­нок. Про­ис­хож­де­ние цвета неба (свет Солн­ца, рас­се­ян­ный ат­мо­сфе­рой) (До по­верх­но­сти Земли (на­при­мер, точки А) до­хо­дит как пря­мой свет Солн­ца, так и свет, рас­се­ян­ный в толще ат­мо­сфе­ры. Цвет этого рас­се­ян­но­го света и на­зы­ва­ет­ся цве­том неба.)

 

Тео­ре­ти­че­ское ис­сле­до­ва­ние и опыты по­ка­за­ли, что такое рас­се­я­ние про­ис­хо­дит бла­го­да­ря мо­ле­ку­ляр­но­му стро­е­нию воз­ду­ха; даже впол­не сво­бод­ный от пыли воз­дух рас­се­и­ва­ет сол­неч­ный свет. Спектр рас­се­ян­но­го воз­ду­хом света за­мет­но от­ли­ча­ет­ся от спек­тра пря­мо­го сол­неч­но­го света: в сол­неч­ном свете мак­си­мум энер­гии при­хо­дит­ся на жёлто-зелёную часть спек­тра, а в свете неба мак­си­мум пе­ре­дви­нут к го­лу­бой части.

При­чи­на лежит в том, что ко­рот­кие све­то­вые волны рас­се­и­ва­ют­ся зна­чи­тель­но силь­нее длин­ных.

По расчётам ан­глий­ско­го фи­зи­ка Дж. Стрет­та (лорда Рэлея, 1842−1919), под­твер­ждённым из­ме­ре­ни­я­ми, ин­тен­сив­ность рас­се­ян­но­го света об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на четвёртой сте­пе­ни длины волны, если рас­се­и­ва­ю­щие ча­сти­цы малы по срав­не­нию с дли­ной волны света. По­это­му белый свет Солн­ца при рас­се­я­нии пре­вра­ща­ет­ся в го­лу­бой цвет неба. Так об­сто­ит дело при рас­се­я­нии в чи­стом воз­ду­хе (в горах, над оке­а­ном).

Закон рас­се­я­ния Рэлея вы­пол­ня­ет­ся и в том слу­чае, когда в воз­ду­хе име­ют­ся очень мел­кие (зна­чи­тель­но мень­шие длины волны) ча­стич­ки пыли или ка­пель­ки влаги (туман). Рас­се­я­ние, вы­зы­ва­е­мое ими, также идёт по за­ко­ну, близ­ко­му к за­ко­ну Рэлея, т. е. по пре­иму­ще­ству рас­се­и­ва­ют­ся ко­рот­кие волны.

На­ли­чие же в воз­ду­хе срав­ни­тель­но круп­ных по срав­не­нию с дли­ной све­то­вой волны ча­сти­чек пыли (в го­ро­дах) до­бав­ля­ет к рас­се­ян­но­му го­лу­бо­му свету свет всех длин волн, отражённый ча­стич­ка­ми пыли, т. е. почти не­из­менённый свет Солн­ца. Бла­го­да­ря этой при­ме­си цвет неба ста­но­вит­ся в этих усло­ви­ях более бе­ле­со­ва­тым.

Пре­иму­ще­ствен­ное рас­се­я­ние ко­рот­ких волн при­во­дит к тому, что до­хо­дя­щий до по­верх­но­сти Земли пря­мой свет Солн­ца в пол­день ока­зы­ва­ет­ся более жёлтым, чем при на­блю­де­нии с боль­шой вы­со­ты. На пути через толщу воз­ду­ха свет Солн­ца ча­стич­но рас­се­и­ва­ет­ся в сто­ро­ны, причём силь­нее рас­се­и­ва­ют­ся ко­рот­кие волны, так что до­стиг­ший Земли свет ста­но­вит­ся от­но­си­тель­но бо­га­че из­лу­че­ни­ем длин­но­вол­но­вой части спек­тра. Бла­го­да­ря этому Солн­це и Луна на вос­хо­де (или за­ка­те) имеют крас­но­ва­тый от­те­нок.

В 1883 г. про­изо­шло силь­ней­шее из­вер­же­ние вул­ка­на на ост­ро­ве Кра­ка­тау, при ко­то­ром в ат­мо­сфе­ру было вы­бро­ше­но огром­ное ко­ли­че­ство мел­ко­го вул­ка­ни­че­ско­го пепла. По­че­му на про­тя­же­нии не­сколь­ких лет вб­ли­зи ост­ро­ва на­блю­да­лись зори не­обы­чай­но ин­тен­сив­но­го крас­но­го цвета?

16.  
i

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

По­греш­но­сти оп­ти­че­ских си­стем

Рас­смот­рим не­ко­то­рые по­греш­но­сти (абер­ра­ции), ко­то­рые дают оп­ти­че­ские при­бо­ры, ос­но­ван­ные на ис­поль­зо­ва­нии линз: сфе­ри­че­ские и хро­ма­ти­че­ские абер­ра­ции.

На прак­ти­ке часто при­хо­дит­ся при­ме­нять со­би­ра­ю­щие линзы боль­шо­го диа­мет­ра, поз­во­ля­ю­щие со­брать ши­ро­кие све­то­вые по­то­ки. Од­на­ко в этом слу­чае не удаётся по­лу­чить рез­кое изоб­ра­же­ние ис­точ­ни­ка (рис. 1). Как бы мы ни пе­ре­ме­ща­ли экран (Э), на нём по­лу­ча­ет­ся до­воль­но рас­плыв­ча­тое изоб­ра­же­ние. И толь­ко огра­ни­чив пучки, па­да­ю­щие на линзу, с по­мо­щью диа­фраг­мы Д (не­про­зрач­но­го экра­на с от­вер­сти­ем), можно по­лу­чить до­ста­точ­но рез­кое изоб­ра­же­ние ис­точ­ни­ка (рис. 2). По­греш­ность, свя­зан­ная с тем, что линза боль­шо­го диа­мет­ра даёт изоб­ра­же­ние то­чеч­но­го ис­точ­ни­ка S не в виде точки, а в виде рас­плыв­ча­то­го свет­ло­го пятна, на­зы­ва­ет­ся сфе­ри­че­ской абер­ра­ци­ей.

Рис. 1

Рис. 2

Хро­ма­ти­че­ская абер­ра­ция свя­за­на с тем, что по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния све­то­вых лучей в стек­ле за­ви­сит от длины волны: крас­ные лучи пре­лом­ля­ют­ся сла­бее, чем зелёные, зелёные – сла­бее, чем фи­о­ле­то­вые. Из-за этого изоб­ра­же­ние в линзе по­лу­ча­ет­ся окра­шен­ным.

Рас­смот­рим, как можно убрать хро­ма­ти­че­скую абер­ра­цию в оп­ти­че­ских те­ле­ско­пах. Те­ле­скоп со­сто­ит из двух ос­нов­ных ча­стей – объ­ек­ти­ва и оку­ля­ра. В пер­вых те­ле­ско­пах (т. н. ре­фрак­тор­ных) в ка­че­стве объ­ек­ти­ва ис­поль­зо­ва­лась со­би­ра­ю­щая линза. В фо­ку­се объ­ек­ти­ва фор­ми­ру­ет­ся дей­стви­тель­ное изоб­ра­же­ние весь­ма удалённого ис­точ­ни­ка света (на­при­мер, звез­ды). Чтобы раз­гля­деть по­лу­чен­ное с по­мо­щью объ­ек­ти­ва изоб­ра­же­ние, ис­поль­зу­ет­ся оку­ляр. В ка­че­стве оку­ля­ра может ис­поль­зо­вать­ся со­би­ра­ю­щая линза, дей­ству­ю­щая как лупа. На рис. 3 пред­став­лен ход лучей в те­ле­ско­пе И. Кепле­ра (1611 г.).

Рис. 3. Зри­тель­ная труба И. Кепле­ра. В её оп­ти­че­ской схеме две со­би­ра­ю­щие линзы.

С по­мо­щью те­ле­ско­па Кепле­ра яркие звёзды на­блю­да­тель уви­дит как сине-зелёные точки (к сине-зелёной части спек­тра че­ло­ве­че­ский глаз наи­бо­лее чув­стви­те­лен ночью), окружённые крас­ной и синей кай­мой.

Чтобы устра­нить ис­ка­же­ния изоб­ра­же­ния, свя­зан­ные с хро­ма­ти­че­ской абер­ра­ци­ей, И. Нью­тон в 1668 году пред­ло­жил новую мо­дель те­ле­ско­па – ре­флек­тор­ный те­ле­скоп, в ко­то­ром вме­сто со­би­ра­ю­щей линзы ис­поль­зо­ва­лось во­гну­тое зер­ка­ло (рис. 4).

Рис. 4. Оп­ти­че­ская схема те­ле­ско­па И. Нью­то­на (А - со­би­ра­ю­щая линза, В - плос­кое зер­ка­ло, С - во­гну­тое зер­ка­ло).

Можно ли по­лу­чить изоб­ра­же­ние звез­ды на экра­не, если его по­ме­стить на место глаза возле оку­ля­ра ре­флек­тор­но­го те­ле­ско­па И. Нью­то­на? Ответ по­яс­ни­те.

17.  
i

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

Есте­ствен­ный спут­ник Земли

Луна  — есте­ствен­ный спут­ник Земли, тёмный и хо­лод­ный, и с Земли видна толь­ко та часть лун­ной по­верх­но­сти, ко­то­рая осве­ще­на Солн­цем и об­ра­ще­на к Земле. Вслед­ствие этого вид Луны на небе ме­ня­ет­ся, про­ис­хо­дит смена лун­ных фаз. Луна про­хо­дит сле­ду­ю­щие фазы осве­ще­ния:

— но­во­лу­ние  — со­сто­я­ние, когда Луна не­вид­на;

— пер­вая чет­верть  — со­сто­я­ние, когда пер­вый раз после но­во­лу­ния осве­ще­на по­ло­ви­на обращённой к Земле по­верх­но­сти Луны;

— пол­но­лу­ние  — со­сто­я­ние, когда осве­ще­на вся обращённая к Земле по­верх­ность Луны;

— по­след­няя чет­верть – со­сто­я­ние, когда осве­ще­на дру­гая по­ло­ви­на обращённой к Земле по­верх­но­сти Луны.

На ри­сун­ке пред­став­лен ка­лен­дарь на­блю­де­ния фаз Луны в те­че­ние ян­ва­ря 2015 г.

Вли­я­ние Луны на Землю за­мет­но в целом ряде при­род­ных яв­ле­ний. Самое впе­чат­ля­ю­щее из них  — это сол­неч­ное за­тме­ние, когда Луна за­кры­ва­ет диск Солн­ца. Сей­час до­ста­точ­но труд­но пред­ста­вить ту бурю эмо­ций, ко­то­рую вы­зы­вал этот фе­но­мен в древ­но­сти. Ре­зуль­та­том дей­ствия сил гра­ви­та­ци­он­но­го при­тя­же­ния Луны яв­ля­ют­ся при­ли­вы и от­ли­вы. Причём при­ли­вы воз­ни­ка­ют не толь­ко на Земле. Наша пла­не­та таким же об­ра­зом воз­дей­ству­ет на спут­ник.

Про­хож­де­ние (тран­зит) пла­не­ты по диску Солн­ца  — это срав­ни­тель­но ред­кое яв­ле­ние. Для каких пла­нет Сол­неч­ной си­сте­мы можно на­блю­дать это яв­ле­ние, на­хо­дясь на Земле?

18.  
i

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

Есте­ствен­ный спут­ник Земли

Луна  — есте­ствен­ный спут­ник Земли, тёмный и хо­лод­ный, и с Земли видна толь­ко та часть лун­ной по­верх­но­сти, ко­то­рая осве­ще­на Солн­цем и об­ра­ще­на к Земле. Вслед­ствие этого вид Луны на небе ме­ня­ет­ся, про­ис­хо­дит смена лун­ных фаз.

Луна про­хо­дит сле­ду­ю­щие фазы осве­ще­ния:

• но­во­лу­ние  — со­сто­я­ние, когда Луна не­вид­на;

• пер­вая чет­верть  — со­сто­я­ние, когда пер­вый раз после но­во­лу­ния осве­ще­на по­ло­ви­на обращённой к Земле по­верх­но­сти Луны;

• пол­но­лу­ние  — со­сто­я­ние, когда осве­ще­на вся обращённая к Земле по­верх­ность Луны;

• по­след­няя чет­верть  — со­сто­я­ние, когда осве­ще­на дру­гая по­ло­ви­на обращённой к Земле по­верх­но­сти Луны.

 

На ри­сун­ке пред­став­лен ка­лен­дарь на­блю­де­ния фаз Луны в те­че­ние ян­ва­ря 2015 г.

Вли­я­ние Луны на Землю за­мет­но в целом ряде при­род­ных яв­ле­ний. Самое впе­чат­ля­ю­щее из них  — это сол­неч­ное за­тме­ние, когда Луна за­кры­ва­ет диск Солн­ца. Сей­час до­ста­точ­но труд­но пред­ста­вить ту бурю эмо­ций, ко­то­рую вы­зы­вал этот фе­но­мен в древ­но­сти. Ре­зуль­та­том дей­ствия сил гра­ви­та­ци­он­но­го при­тя­же­ния Луны яв­ля­ют­ся при­ли­вы и от­ли­вы. Причём при­ли­вы воз­ни­ка­ют не толь­ко на Земле. Наша пла­не­та таким же об­ра­зом воз­дей­ству­ет на спут­ник.

Про­хож­де­ние (тран­зит) пла­не­ты по диску Солн­ца  — это срав­ни­тель­но ред­кое яв­ле­ние. Для каких пла­нет Сол­неч­ной си­сте­мы можно на­блю­дать это яв­ле­ние, на­хо­дясь на Земле?

19.  
i

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

Звёзды

Звёзды пред­став­ля­ют собой мас­сив­ные све­тя­щи­е­ся га­зо­вые (плаз­мен­ные) шары. Об­ра­зу­ют­ся звёзды из га­зо­во-пы­ле­вой среды (глав­ным об­ра­зом из во­до­ро­да и гелия) в ре­зуль­та­те гра­ви­та­ци­он­но­го сжа­тия. Звез­да сжи­ма­ет­ся до тех пор, пока в её ядре не нач­нут­ся ядер­ные ре­ак­ции. Тем­пе­ра­ту­ра ве­ще­ства в нед­рах звёзд из­ме­ря­ет­ся мил­ли­о­на­ми кель­вин, а на их по­верх­но­сти  — ты­ся­ча­ми кель­вин.

Хи­ми­че­ский со­став ат­мо­сфе­ры звез­ды можно изу­чить с по­мо­щью спек­тро­гра­фа: свет, из­лу­ча­е­мый звез­дой, про­пус­ка­ет­ся через узкое от­вер­стие, по­за­ди ко­то­ро­го рас­по­ла­га­ет­ся приз­ма. Пре­ломлённый приз­мой свет на­прав­ля­ет­ся на экран или спе­ци­аль­ную фо­то­плёнку. По­лу­чен­ное изоб­ра­же­ние пред­став­ля­ет собой не­пре­рыв­ный спектр, на фоне ко­то­ро­го име­ют­ся чёрные линии по­гло­ще­ния. По на­бо­ру линий по­гло­ще­ния можно опре­де­лить хи­ми­че­ский со­став ат­мо­сфе­ры звез­ды.

При уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры фо­то­сфе­ры  — из­лу­ча­ю­ще­го слоя ат­мо­сфе­ры звез­ды  — мак­си­мум ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния в не­пре­рыв­ном спек­тре звез­ды сме­ща­ет­ся в сто­ро­ну ко­рот­ких длин волн. Звёзды с самой вы­со­кой тем­пе­ра­ту­рой фо­то­сфе­ры имеют го­лу­бой цвет. Со­глас­но за­ко­ну Вина длина волны λm, на ко­то­рую при­хо­дит­ся мак­си­мум энер­гии из­лу­че­ния аб­со­лют­но чёрного тела (звез­ды), об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на аб­со­лют­ной тем­пе­ра­ту­ре T:

λm = b / T, где по­сто­ян­ная Вина b = 2,898·10–3 м·К.

В таб­ли­це пред­став­ле­на спек­траль­ная клас­си­фи­ка­ция звёзд, раз­ра­бо­тан­ная в Гар­вард­ской об­сер­ва­то­рии в 1890–1924 гг. Клас­си­фи­ка­ция стро­ит­ся на от­но­си­тель­ной ин­тен­сив­но­сти линий по­гло­ще­ния, а также на цвете звёзд. Солн­це от­но­сит­ся к спек­траль­но­му клас­су G и имеет тем­пе­ра­ту­ру фо­то­сфе­ры около 6000 К.

 

Класс

OBAFGKM
Тем­пе­ра­ту­ра фо­то­сфе­ры (кель­вин)60 000–30 00030 000–10 00010 000–7 5007 500–6 5006 000–5 0005 000–3 5002 500–2 000
ЦветГо­лу­бойБелый, го­лу­бойБелыйБелый, жёлтыйЖёлтыйЖёлтый, оран­же­выйЖёлтый, оран­же­вый
Сол­неч­ных масс, в сред­нем60183,11,71,10,80,3
Сол­неч­ных ра­ди­у­сов, в сред­нем1572,11,31,10,90,4
Сол­неч­ных све­ти­мо­стей, в сред­нем1 400 00020 0008061,20,40,04
Линии во­до­ро­даСла­быеСред­ниеСиль­ныеСред­ниеСла­быеОчень сла­быеОчень сла­бые

На ри­сун­ке не­пре­рыв­ной ли­ни­ей пред­став­ле­ны не­пре­рыв­ные спек­тры из­лу­че­ния для трёх звёзд, ко­то­рые от­но­сят­ся к спек­траль­ным клас­сам G, M и A.

1)

2)

3)

Какой из гра­фи­ков 1–3 со­от­вет­ству­ет звез­де клас­са G? Ответ обос­нуй­те.

20.  
i

По­че­му лёд про­зрач­ный, а снег белый

Че­ло­ве­че­ский глаз спо­со­бен остро ре­а­ги­ро­вать на элек­тро­маг­нит­ные волны ви­ди­мой части спек­тра. На ри­сун­ке по­ка­за­ны ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний ко­эф­фи­ци­ен­та по­гло­ще­ния льдом элек­тро­маг­нит­ных из­лу­че­ний раз­лич­ных диа­па­зо­нов.

В ви­ди­мой об­ла­сти спек­тра ко­эф­фи­ци­ент по­гло­ще­ния льда прак­ти­че­ски равен нулю, по­это­му лёд про­зра­чен. Од­на­ко в ин­фра­крас­ной и уль­тра­фи­о­ле­то­вой об­ла­стях ко­эф­фи­ци­ент по­гло­ще­ния при­ни­ма­ет очень боль­шие зна­че­ния.

Если бы лёд не был про­зрач­ным, то и снег не вы­гля­дел бы белым. Рас­смат­ри­вая снег под мик­ро­ско­пом, можно убе­дить­ся, что он со­сто­ит из ча­стиц про­зрач­но­го льда. Тем не менее комки снега имеют белый цвет.

Бе­лиз­на снега объ­яс­ня­ет­ся тем, что свет, в ко­то­ром пред­став­ле­ны все длины волн, ис­пы­тав мно­го­крат­ное от­ра­же­ние и пре­лом­ле­ние на по­верх­но­стях сне­жи­нок, не­смот­ря на слож­ный путь, почти не по­гло­ща­ет­ся и вновь вы­хо­дит на по­верх­ность. Если бы ча­сти­цы, из ко­то­рых со­сто­ит снег, хоть не­мно­го по­гло­ща­ли свет, снег не вы­гля­дел бы белым.

Вспом­ним, что эта­ло­ном аб­со­лют­но чёрного тела слу­жит пла­ти­но­вая чернь, ко­то­рая пред­став­ля­ет собой по­ро­шок пла­ти­ны. Дело в том, что пла­ти­но­вая чернь об­ла­да­ет чрез­вы­чай­но вы­со­ким ко­эф­фи­ци­ен­том по­гло­ще­ния света на всех дли­нах волн. В ре­зуль­та­те из-за силь­но­го по­гло­ще­ния па­да­ю­щий свет боль­ше не воз­вра­ща­ет­ся на по­верх­ность.

Из­де­лие из по­ли­эти­ле­на почти про­зрач­но. Как будет вы­гля­деть вы­сы­пан­ная на стол кучка гра­нул по­ли­эти­ле­на? Ответ по­яс­ни­те.

21.  
i

Цвет пред­ме­тов

Во­прос о при­чи­не раз­лич­ной окрас­ки тел за­ни­мал ум че­ло­ве­ка уже давно. Боль­шое зна­че­ние в по­ни­ма­нии этого во­про­са имели ра­бо­ты Нью­то­на (на­чав­ши­е­ся около 1666 г.) по раз­ло­же­нию бе­ло­го света в спектр (см. рис.).

Свет от фо­на­ря осве­ща­ет узкое пря­мо­уголь­ное от­вер­стие S (щель). При по­мо­щи линзы L изоб­ра­же­ние щели по­лу­ча­ет­ся на экра­не MN в виде уз­ко­го бе­ло­го пря­мо­уголь­ни­ка S'. По­ме­стив на пути лучей приз­му Р, об­на­ру­жим, что изоб­ра­же­ние щели сме­стит­ся и пре­вра­тит­ся в окра­шен­ную по­лос­ку, пе­ре­хо­ды цве­тов в ко­то­рой от крас­но­го к фи­о­ле­то­во­му по­доб­ны на­блю­да­е­мым в ра­ду­ге. Это ра­дуж­ное изоб­ра­же­ние Нью­тон на­звал спек­тром.

 

Рис. На­блю­де­ние дис­пер­сии света

В таб­ли­це при­ве­де­ны в ка­че­стве при­ме­ра зна­че­ния по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния в за­ви­си­мо­сти от длины волны для двух сор­тов стек­ла и воды.

 

Длина волны, нм

(цвет)

По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния
Стек­ло, тяжёлый

флинт

Стек­ло, лёгкий кронВода
656,3 (крас­ный)1,64441,51451,3311
589,3 (жёлтый)1,64991,51701,3330
486,1 (го­лу­бой)1,66571,52301,3371
404,7 (фи­о­ле­то­вый)1,68521,53181,3428

 

Цвет окру­жа­ю­щих нас пред­ме­тов может быть раз­лич­ным бла­го­да­ря тому, что све­то­вые волны раз­ной длины в луче бе­ло­го цвета рас­се­и­ва­ют­ся, по­гло­ща­ют­ся и про­пус­ка­ют­ся пред­ме­та­ми по-раз­но­му. Доля све­то­во­го по­то­ка, участ­ву­ю­щая в каж­дом из этих про­цес­сов, опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью со­от­вет­ству­ю­щих ко­эф­фи­ци­ен­тов: от­ра­же­ния ρ, про­пус­ка­ния \tau и по­гло­ще­ния α.

Если, на­при­мер, у ка­ко­го-либо тела для крас­но­го света ко­эф­фи­ци­ент про­пус­ка­ния велик, ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния мал, а для зелёного  — на­о­бо­рот, то это тело будет ка­зать­ся крас­ным в про­хо­дя­щем свете и зелёным в отражённом. Та­ки­ми свой­ства­ми об­ла­да­ет, на­при­мер, хло­ро­филл  — ве­ще­ство, со­дер­жа­ще­е­ся в ли­стьях рас­те­ний и обу­слов­ли­ва­ю­щее их цвет. Рас­твор (вы­тяж­ка) хло­ро­фил­ла в спир­ту ока­зы­ва­ет­ся на про­свет крас­ным, а на от­ра­же­ние  — зелёным.

Для очень бе­ло­го не­про­зрач­но­го тела ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния бли­зок к еди­ни­це для всех длин волн, а ко­эф­фи­ци­ен­ты по­гло­ще­ния и про­пус­ка­ния очень малы. Про­зрач­ное стек­ло имеет малые ко­эф­фи­ци­ен­ты от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния, а ко­эф­фи­ци­ент про­пус­ка­ния близ­кий к еди­ни­це для всех длин волн.

Раз­ли­чие в зна­че­ни­ях ко­эф­фи­ци­ен­тов альфа ,\tau и ρ и их за­ви­си­мость от цвета (длины волны) па­да­ю­ще­го света обу­слов­ли­ва­ют чрез­вы­чай­ное раз­но­об­ра­зие в цве­тах и от­тен­ках раз­лич­ных тел.

Из двух сор­тов стек­ла  — тяжёлый флинт и лёгкий крон  — сде­ла­ли оди­на­ко­вые по раз­ме­рам приз­мы, ко­то­рые ис­поль­зо­ва­ли в опыте по дис­пер­сии света (см. рис. в тек­сте). Как будут раз­ли­чать­ся спек­тры, по­лу­чен­ные от двух раз­ных призм? Ответ по­яс­ни­те.

22.  
i

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

Ат­мо­сфер­ная ре­фрак­ция

Пре­жде чем луч света от удалённого кос­ми­че­ско­го объ­ек­та (на­при­мер, звез­ды) попадёт в глаз на­блю­да­те­ля, он дол­жен прой­ти сквозь зем­ную ат­мо­сфе­ру. При этом све­то­вой луч под­вер­га­ет­ся про­цес­сам ре­фрак­ции, по­гло­ще­ния и рас­се­я­ния. Ре­фрак­ция света в ат­мо­сфе­ре  — оп­ти­че­ское яв­ле­ние, пред­став­ля­ю­щее собой пре­лом­ле­ние све­то­вых лучей в ат­мо­сфе­ре и про­яв­ля­ю­ще­е­ся в ка­жу­щем­ся сме­ще­нии удалённых объ­ек­тов (на­при­мер, на­блю­да­е­мых на небе звёзд). По мере при­бли­же­ния све­то­во­го луча от не­бес­но­го тела к по­верх­но­сти Земли плот­ность ат­мо­сфе­ры растёт (рис. 1) и лучи пре­лом­ля­ют­ся всё силь­нее. Про­цесс рас­про­стра­не­ния све­то­во­го луча через зем­ную ат­мо­сфе­ру можно смо­де­ли­ро­вать с по­мо­щью стоп­ки про­зрач­ных пла­стин, оп­ти­че­ская плот­ность ко­то­рых из­ме­ня­ет­ся по ходу рас­про­стра­не­ния луча (рис. 2).

Рис. 1. Из­ме­не­ние плот­но­сти воз­ду­ха с вы­со­той от­но­си­тель­но уров­ня моря.

Рис. 2

Из-за ре­фрак­ции на­блю­да­тель видит объ­ек­ты не в на­прав­ле­нии их дей­стви­тель­но­го по­ло­же­ния, а вдоль ка­са­тель­ной к тра­ек­то­рии луча в точке на­блю­де­ния (рис. 3). Угол α между ис­тин­ным и ви­ди­мым на­прав­ле­ни­я­ми на объ­ект на­зы­ва­ет­ся угол ре­фрак­ции. Звёзды вб­ли­зи го­ри­зон­та, свет ко­то­рых дол­жен прой­ти через самую боль­шую толщу ат­мо­сфе­ры, силь­нее всего под­вер­же­ны дей­ствию ат­мо­сфер­ной ре­фрак­ции (угол ре­фрак­ции со­став­ля­ет по­ряд­ка 1/6 уг­ло­во­го гра­ду­са). По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния воз­ду­ха раз­ли­чен для раз­ных длин волн: для све­то­вых волн ви­ди­мо­го диа­па­зо­на он не­мно­го умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем длины волны.

Рис. 3. Кри­во­ли­ней­ное рас­про­стра­не­ние све­то­во­го луча в ат­мо­сфе­ре (сплош­ная линия) и ка­жу­ще­е­ся сме­ще­ние объ­ек­та (пунк­тир­ная линия).

Какую форму (сплюс­ну­тую или вы­тя­ну­тую по пер­пен­ди­ку­ля­ру к го­ри­зон­ту) при­об­ре­та­ют ви­ди­мые диски Луны и Солн­ца вб­ли­зи го­ри­зон­та? Ответ по­яс­ни­те.

23.  
i

Рас­се­я­ние света

В при­ро­де мы по­сто­ян­но на­блю­да­ем яв­ле­ние, свя­зан­ное с из­ме­не­ни­ем спек­траль­но­го со­ста­ва сол­неч­но­го света. Свет, до­хо­дя­щий до нас от участ­ков не­бес­но­го свода в без­об­лач­ную по­го­ду, ха­рак­те­ри­зу­ет­ся до­воль­но на­сы­щен­ным го­лу­бым или даже синим от­тен­ком. Не­со­мнен­но, что свет неба есть сол­неч­ный свет, рас­се­и­ва­е­мый в толще воз­душ­ной ат­мо­сфе­ры и по­это­му до­хо­дя­щий до на­блю­да­те­ля со всех сто­рон, даже по на­прав­ле­ни­ям, далёким от на­прав­ле­ния на Солн­це (см. рис.).

Ри­су­нок. Про­ис­хож­де­ние цвета неба (свет Солн­ца, рас­се­ян­ный ат­мо­сфе­рой) (До по­верх­но­сти Земли (на­при­мер, точки А) до­хо­дит как пря­мой свет Солн­ца, так и свет, рас­се­ян­ный в толще ат­мо­сфе­ры. Цвет этого рас­се­ян­но­го света и на­зы­ва­ет­ся цве­том неба.)

 

Тео­ре­ти­че­ское ис­сле­до­ва­ние и опыты по­ка­за­ли, что такое рас­се­я­ние про­ис­хо­дит бла­го­да­ря мо­ле­ку­ляр­но­му стро­е­нию воз­ду­ха; даже впол­не сво­бод­ный от пыли воз­дух рас­се­и­ва­ет сол­неч­ный свет. Спектр рас­се­ян­но­го воз­ду­хом света за­мет­но от­ли­ча­ет­ся от спек­тра пря­мо­го сол­неч­но­го света: в сол­неч­ном свете мак­си­мум энер­гии при­хо­дит­ся на жёлто-зелёную часть спек­тра, а в свете неба мак­си­мум пе­ре­дви­нут к го­лу­бой части.

При­чи­на лежит в том, что ко­рот­кие све­то­вые волны рас­се­и­ва­ют­ся зна­чи­тель­но силь­нее длин­ных.

По расчётам ан­глий­ско­го фи­зи­ка Дж. Стрет­та (лорда Рэлея, 1842−1919), под­твер­ждённым из­ме­ре­ни­я­ми, ин­тен­сив­ность рас­се­ян­но­го света об­рат­но про­пор­ци­о­наль­на четвёртой сте­пе­ни длины волны, если рас­се­и­ва­ю­щие ча­сти­цы малы по срав­не­нию с дли­ной волны света. По­это­му белый свет Солн­ца при рас­се­я­нии пре­вра­ща­ет­ся в го­лу­бой цвет неба. Так об­сто­ит дело при рас­се­я­нии в чи­стом воз­ду­хе (в горах, над оке­а­ном).

Закон рас­се­я­ния Рэлея вы­пол­ня­ет­ся и в том слу­чае, когда в воз­ду­хе име­ют­ся очень мел­кие (зна­чи­тель­но мень­шие длины волны) ча­стич­ки пыли или ка­пель­ки влаги (туман). Рас­се­я­ние, вы­зы­ва­е­мое ими, также идёт по за­ко­ну, близ­ко­му к за­ко­ну Рэлея, т. е. по пре­иму­ще­ству рас­се­и­ва­ют­ся ко­рот­кие волны.

На­ли­чие же в воз­ду­хе срав­ни­тель­но круп­ных по срав­не­нию с дли­ной све­то­вой волны ча­сти­чек пыли (в го­ро­дах) до­бав­ля­ет к рас­се­ян­но­му го­лу­бо­му свету свет всех длин волн, отражённый ча­стич­ка­ми пыли, т. е. почти не­из­менённый свет Солн­ца. Бла­го­да­ря этой при­ме­си цвет неба ста­но­вит­ся в этих усло­ви­ях более бе­ле­со­ва­тым.

Пре­иму­ще­ствен­ное рас­се­я­ние ко­рот­ких волн при­во­дит к тому, что до­хо­дя­щий до по­верх­но­сти Земли пря­мой свет Солн­ца в пол­день ока­зы­ва­ет­ся более жёлтым, чем при на­блю­де­нии с боль­шой вы­со­ты. На пути через толщу воз­ду­ха свет Солн­ца ча­стич­но рас­се­и­ва­ет­ся в сто­ро­ны, причём силь­нее рас­се­и­ва­ют­ся ко­рот­кие волны, так что до­стиг­ший Земли свет ста­но­вит­ся от­но­си­тель­но бо­га­че из­лу­че­ни­ем длин­но­вол­но­вой части спек­тра. Бла­го­да­ря этому Солн­це и Луна на вос­хо­де (или за­ка­те) имеют крас­но­ва­тый от­те­нок.

По­че­му сиг­наль­ные огни, раз­ме­ща­е­мые на вы­со­ких ды­мо­вых тру­бах и кры­шах вы­сот­ных зда­ний, имеют крас­ный цвет?