Физика - Каплун С. В. - Страница 47

Наверное, вы умеете пускать «солнечный зайчик» с помощью зеркальца. Тогда вы наверняка знаете из собственного опыта, что для того чтобы направить «зайчик» в нужное место, следует изменить угол, под которым солнечный свет падает на зеркало. Вследствие этого изменится и направление, в котором отражается свет от зеркала.

В свое время было замечено, что в природе реализуется закон отражения света: угол, под которым световой луч падает на зеркало, равен углу, под которым луч отражается.

Световой луч – это такое физическое упрощение (еще говорят – идеализация), которое помогает выяснить, как ведет себя свет при распространении в веществе, отражении от зеркальных поверхностей или преломлении при переходе из одного вещества в другое. Световые лучи изображают прямыми со стрелками, которые показывают направление распространения света. С помощью графического изображения световых лучей удобно определять, как распространяется свет в различных случаях, как возникают, или не возникают изображения предметов в различных оптических устройствах. Раздел оптики, который это изучает, называют геометрической оптикой.

Вернемся к зеркалам. Считают, что они начали выполнять свое назначение с тех пор, когда было замечено свойство спокойной поверхности воды отражать свет. Природа не имеет специальных зеркал, поэтому озера, реки и пруды были единственными отражателями, пока люди не научились добывать металлы из руд и мастерить из них грубые искусственные отражатели.

Древнеримский историк Плиний сообщает о стеклянных зеркалах, которые делали финикийцы более чем за 1500 лет до новой эры. Но металлы уже применялись, поэтому почти наверняка металлические зеркала существовали еще раньше.

Зеркала времен древнегреческой и римской цивилизаций были изготовлены из полированной бронзы. Самая известная легенда об Архимеде, который с помощью вогнутых зеркал сжег римский флот, тоже свидетельствует о применении зеркал и определенных знаниях об их действии.

Полированные зеркала из золота и серебра были предметом гордости богатых дам во времена раннего христианства.

В средние века был изобретен способ покрытия стекла тонким слоем серебра, что сделало зеркала доступными более широкому кругу людей.

Но только в эпоху итальянского Возрождения, золотой век развития искусств, началось массовое изготовление стеклянных зеркал. Признанным центром производства зеркал стала Венеция. Для покрытия стекла в Венеции пользовались оловом и ртутью. Изготовленная из них паста – амальгама – наносилась на стекло, благодаря чему получали отражающую металлическую поверхность.

Создание мнимого изображения в плоском зеркале

Сначала так изготавливали только маленькие зеркала. То небольшое количество зеркал большего размера стоило так дорого, что за эти деньги можно было купить, например, картины кого-то из мастеров Возрождения. Большое научное значение зеркала приобрели позже в связи с изобретением телескопа в начале XVII в. Первые телескопы состояли только из линз (поэтому их называют телескопы-рефракторы) и имели определенные недостатки по качеству изображения. Но когда Ньютон создал свой первый телескоп-рефлектор, в состав которого вошло зеркало, качество изображения стало значительно лучше.

Заметим, что в те времена довольно часто применяли так называемое зеркальное написание текста: зашифрованный таким образом текст мог прочитать только тот, кто тоже имел зеркало.

Зеркала стали применять в различных аттракционах и игрушках. Известный всем калейдоскоп был изобретен в Англии в 1816 г. Через год-полтора он попал уже в Россию, где его встретили с восторгом.

Самый простой калейдоскоп состоит из трех плоских, создающих призму, зеркал, размещенных в трубочке-цилиндре. Если со стороны одного основания положить горсть осколков цветного стекла, то с другой стороны можно увидеть чрезвычайно причудливые фигуры, которые меняются при малейшем повороте трубочки вокруг оси.

В 1818 г. даже появились стихи, которые А. Измайлов посвятил калейдоскопу:

Техника изготовления зеркал значительно продвинулась вперед в 1840 г., когда немецкий химик Либих изобрел способ нанесения слоя серебра на стекло. Это важное изобретение удешевило производство зеркал и расширило их использование в повседневной жизни и в научных лабораториях.

Многих физиков-экспериментаторов того времени увлекала идея измерения скорости света. Методы, которые применялись для этого, были основаны на многократном отражении света от зеркал – неподвижных или подвижных.

Изображение в калейдоскопе

В 1849 г. французский физик Анри Физо провел первое прямое измерение скорости света с помощью зеркал и вращательного зубчатого колеса. Физо использовал пучок света, отражающийся от полупрозрачного зеркала и проходящий через прорезь между зубцами колеса до второго зеркала, которое было размещено на расстоянии 8,66 км. Если колесо было неподвижно, наблюдатель видел отражение света в далеком зеркале. Когда колесо начинали быстро вращать, то при определенной частоте вращения можно было добиться того, чтобы свет все же проходил сквозь тот же самый проем. По частоте вращения и расстоянию, которое проходил свет, рассчитали скорость света. По результатам Физо скорость света составляла 312 000 км/с. Эта цифра превышает правильный результат, но она показала, что свет распространяется не с бесконечной скоростью, как считали ранее, а с имеющей определенное значение.

Схема телескопа-рефлектора

Позже, в 1862 г., другой французский физик Жан Фуко провел независимое измерение скорости света. При этом он тоже применял зеркало. Наиболее известные эксперименты по измерению скорости света проводил Альберт Майкельсон, которые начались в 1879 г. и продолжались почти до его смерти в 1932 г. (Многие серии опытов Майкельсон провел совместно с Эдвардом Морли.) В этих опытах также применялось вращение зеркал. Именно из-за того, что скорость света очень и очень большая, то есть обычные «земные» расстояния он проходит за очень короткое время, исследователям нужно было придумать нечто такое, что позволяло бы рассчитать эту скорость. И здесь пригодились зеркала, по частоте вращения которых и осуществили задуманное.

Другим инструментом, в котором используется вращающееся зеркало, является дальномер. В этом приборе применяется полупрозрачное зеркало, с помощью которого наблюдатель видит два изображения объекта. Одно он видит прямо через это «частичное» зеркало, а второе – после двух отражений: сначала во вращающемся зеркале, а затем – в полупрозрачном. Шкала, с помощью которой можно следить за поворотом подвижного зеркала, проградуирована в единицах расстояния. Для того чтобы определить расстояние до объекта, наблюдатель должен совмещать два его изображения.