extracted_text:
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.

intro: Материал содержит подборку качественных задач с подробными ответами по физике к разделу "Оптика". Данный материал может быть использован преподавателями физики общеобразовательных школ и системы СПО с целью повышения мотивации к урокам физики, активизации познавательной деятельности на уроках и развития понимания практико-ориентированности данной дисциплины.

title: Качественные задачи по физике. Оптика.


extracted_text:
Качественные задачи по теме «Электричество»
Поражение молнией.
Молния   не   раз   поражала   людей.   Бывали   случаи,   когда   при   этом   дыхание   человека
останавливалось   почти   на  20  мин,   но   затем   он   полностью   приходил   в   себя   −   у   него   не
обнаруживалось никаких остаточных мозговых повреждений изза кислородного голодания
или электрического шока. Предполагается, что во время такого шока потребность мозга в
кислороде   уменьшается.   Допустим,   но   разве   пораженный   молнией   человек   не   должен
получить   серьезные   ожоги   и   разве   сердце   его   не   останавливается?   Как   велика   энергия,
которая воздействует на человека, ставшего жертвой молнии?
Ответ: Когда через тело человека проходит значительный ток, смерть может наступить от
внутренних ожогов. Но если одежда и кожа мокрые, то разряд молнии может и не проникнуть
в тело: основная часть тока пройдет по слою воды на поверхности кожи. В этом случае у
человека в результате электрического шока могут прекратиться сердечная деятельность и
дыхание. Однако вовремя сделанное энергичное искусственное дыхание быстро возвращает
человека к жизни. Нередко человека поражает не прямой удар молнии, а ответвленные по
земле токи или вторичный разряд от предмета, в который попала молния. Утверждают даже,
что большинство жертв молнии погибают только потому, что их слишком рано начинают
считать умершими. Поэтому людям при поражении молнией, как и при любом поражении
электрическим током, следует немедленно оказывать помощь.
Огни Святого Эльма.
Огонь   св.   Эльма   −   довольно   продолжительный   светящийся   разряд,   который   во   время
грозы   можно   увидеть   на   корабельных   мачтах,   на   концах   крыльев   самолета   и   даже   на
кустарниках.  Голубое,   зеленое  или   фиолетовое  свечение   сопровождается  потрескиванием.
Чем вызвано это свечение и почему оно имеет именно такой цвет? «Когда воздух сильно
наэлектризован, проводники в горах любят изображать из себя Тора, размахивая ледорубом
над   головой.   Металлические   части   ледоруба   создают   чудеса   электрической   пиротехники.
Если держать геологический молоток в одном положении, из него вылетают длинные горячие
искры, если же его повернуть на 90°, искры исчезают... Нередко, чтобы определить, заряжен
ли воздух, над головой поднимают палец. Если воздух заряжен, из кончика пальца вылетают
  издавая
звук,
искры,
свинины».
Приведем еще один пример таких необычных разрядов: во время грозы  из вершин песчаных
  напоминающий   шипенье
  жарящейся

дюн   часто   вылетают   электрические   искры   длиной   в   несколько   метров.   Такие   искры,   по
видимому, должны быть както связаны с уносимым ветром песком. Но как именно? Свечение   в   Андах.   Одиночные   вспышки   света   и

  продолжительное   свечение   порой
возникают над вершинами некоторых горных хребтов. Этот свет «не только обволакивает
горные вершины, но и образует светящиеся столбы, которые можно видеть с открытого моря
за многие мили». Эти загадочные огни часто называют «свет Анд», но это не значит, что их
можно   увидеть   только   в   Андах.   Чем   вызвано   такое   свечение?   Огнями   св.   Эльма,
возникающими в различных местах горной вершины? Но огни св. Эльма обычно не превышают
по высоте  нескольких  сантиметров.  Как же можно их  увидеть  на расстоянии нескольких
миль?
Ответ: Огни св. Эльма и свет Анд − это примеры коронного разряда, который возникает,
когда электрическое поле вокруг предметов (обычно остроконечных) становится настолько
большим,   что   происходит   электрический   пробой   воздуха.   Свет   Анд   представляет   собой
особенно сильный коронный разряд, природа которого до конца еще не исследована. Огни св.
Эльма наблюдаются также на самолетах, летящих сквозь полосу дождя или снега.
Почему удар молнии так опасен для лежащего на земле человека и для коровы?
Если   вас   застигнет   гроза,   не   следует   укрываться   под   деревом.   Кроме   того,   нужно
укрыться   так,   чтобы   ваша   голова   находилась   ниже   окружающих   предметов.   Чем   опасны
деревья?   Разве   вы   не   находитесь   в   безопасности,   если   стоите   в   некотором   отдалении   от
ствола? Можно ли при грозе ложиться на землю? Голова при этом, конечно, будет находиться
на минимально возможной высоте; но не возникает ли при этом какаято другая опасность?
Молния нередко поражает коров. Это связано не только с тем, что коровы обычно находятся
на открытом воздухе, а в грозу укрываются под деревьями, но и с тем, что задние ноги коровы
далеко отстоят от передних. В этом у них есть нечто общее с человеком, лежащим на земле.
Почему удар молнии так опасен для лежащего на земле человека и для коровы?
Ответ: Попадая в землю, ток разряда молнии разветвляется и отчасти расходится по
поверхности земли. Если корова стоит, то значительный ток может ответвиться в ее передние
ноги и затем выйти из тела через задние ноги − корова пострадает от молнии. Если вас
застигнет гроза, не ложитесь на землю: при близком разряде молнии между головой и ногами
может возникнуть смертельно опасная разность потенциалов. Поскольку стоять тоже опасно,
лучше всего присесть на корточки: так и голова будет достаточно низко, и площадь контакта
с землей минимальна. При уменьшении площади контакта с землей снижается и максимально
возможная разность потенциалов между разнесенными участками контакта, так что
ответвляющийся в тело ток оказывается минимальным.
Почему молния не причиняет вреда ни транспорту, ни пассажирам? Удары молнии в самолет случаются довольно часто, однако лишь изредка они причиняют
какиелибо  серьезные повреждения − разве что несколько мелких отверстий в фюзеляже.
Автомобили, автобусы и другие транспортные средства тоже не страдают от ударов молнии.
Вскоре после старта в космический корабль «Аполлон12» ударили две молнии, не причинив
никакого   ущерба   ни   кораблю,   ни   его   экипажу.   Почему   молния   не   причиняет   вреда   ни
транспорту,   ни   пассажирам?   Более   того,   пассажиры   могут   вовсе   не   заметить   молнии.
 самолета может предвидеть удар молнии, обратив внимание на
Внимательный пассажир

резкое   усиление   огней   св.   Эльма   на  концах   крыльев   и   других   остроконечных   предметах.
Светящиеся полосы могут достигать 3 − 5 м в длину и 15 см в ширину.
Ответ:   Высокочастотный   ток   молнии   не   проникает   в   глубь   металлического   корпуса
автомобиля,   самолета   и   т.   д.,   а   течет   по   поверхности.   Поэтому,   если   только   молния   не
попадет в бак с горючим и не вызовет его взрыва, пассажиры вообще могут не заметить
разряда.
 Как выглядит шаровая молния?
Уже из самого названия следует, что эта молния имеет форму шара и, следовательно,
совершенно не похожа на обычную (линейную) молнию. Строго говоря, ее форма всего лишь
близка   к   шару;   молния   может   вытягиваться,   принимая   форму   эллипсоида   или   груши,   ее
поверхность может колыхаться.
Небольшое   число   наблюдателей   (0,3   %)   утверждают,   что   встретившаяся   им   шаровая
молния имела форму тора.
С учетом всех замечаний будем считать, что шаровая молния − это шар или почти шар. Он
светится   −   иногда   тускло,   а   иногда   достаточно   ярко.   Яркость   света   шаровой   молнии
сравнивают с яркостью света 100ваттной лампочки. Чаще всего (примерно в 60 % случаев)
шаровая молния имеет желтый, оранжевый или красноватый цвет. В  20 %  случаев − это
белый шар, в 20 % − синий, голубой. Иногда цвет молнии изменяется во время наблюдения.
Перед угасанием молнии внутри нее могут возникать темные области в виде пятен, каналов,
нитей.

Как правило, шаровая молния имеет достаточно четкую поверхность, отграничивающую
вещество молнии от окружающей ее воздушной среды. Это типичная граница раздела двух
разных фаз.
Наличие   такой   границы   говорит   о   том,   что   вещество   молнии

  находится   в   особом
фазовом состоянии. В отдельных случаях на поверхности молнии начинают плясать язычки пламени,  из нее выбрасываются  снопы искр. На рисунках показаны две шаровые молнии:
молния с четкой поверхностью и сильно искрящая («фейерверочная»).
Диаметр шаровых молний  находится в диапазоне от долей сантиметра до нескольких

метров. Чаще всего встречаются молнии диаметром 15...30 см.

Обычно шаровая молния
особенно когда она искрит.
 движется бесшумно. Но может издавать шипение или жужжание −
Шаровая молния может

 двигаться по весьма причудливой траектории. Вместе с тем в ее
Поведение шаровой молнии.

определенные
обнаруживаются
движении
закономерности.
 Вопервых,   возникнув   гдето   вверху,   в   тучах,   она   опускается   поближе   к   поверхности
земли. Вовторых,   оказавшись   у   поверхности   земли,   она   движется   далее   почти
горизонтально,   обычно   повторяя   рельеф   местности.  Втретьих,   молния,   как   правило,
обходит,   огибает   проводящие   ток   объекты   и,   в   частности,   людей.  Вчетвертых,   молния
обнаруживает
помещений.

«желание»
проникать

явное

внутрь

Когда молния плавает над поверхностью земли (обычно на
 высоте метра или несколько
больше),   она   напоминает   тело,   находящееся   в   состоянии   невесомости.   Повидимому,

вещество молнии имеет почти такую же плотность, что и воздух. Точнее, молния немного
тяжелее воздуха − недаром она, в конечном счете, всегда стремится опуститься вниз. Ее
плотность составляет  (1...2) × 103  г/см3. Разницу между силой  тяжести и выталкивающей
(архимедовой) силой компенсируют конвекционные воздушные потоки, а также сила, с какой
действует на молнию атмосферное электрическое поле. Последнее обстоятельство является
весьма  важным.  Как известно, человек  не имеет  органов, реагирующих  на напряженность
электрического поля. Иное дело шаровая молния. Вот она обходит железный вагончик по периметру, огибает
наблюдателя или груду металла, копирует в своем движении рельеф местности − во всех этих
случаях она перемещается вдоль эквипотенциальной поверхности. Во время грозы земля и
объекты на ней заряжаются положительно, значит, шаровая молния, обходящая объекты и
копирующая   рельеф,   также   заряжена   положительно.   Если,   однако,   встречается   предмет,
заряженный   отрицательно,   молния   притянется   к   нему   и   скорее   всего   взорвется.
С   течением   времени   заряд   в
  молнии   может   изменяться,   и   тогда   меняется   характер   ее
движения.  Одним  словом,  шаровая  молния  очень  чутко  реагирует  на  электрическое   поле

вблизи поверхности земли, на заряд, имеющийся на объектах, которые оказываются на ее
пути. Так, молния стремится переместиться в те области пространства, где напряженность
поля меньше; этим можно объяснить частое появление шаровых молний внутри помещений.
 помещение сквозь щели и
Вызывает удивление способность шаровой молнии проникать в

отверстия, размеры которых много меньше размеров самой молнии. Так, молния диаметром
40 см  может пройти сквозь отверстие диаметром всего в несколько миллиметров. Проходя
сквозь   малое   отверстие,   молния   очень   сильно   деформируется,   ее   вещество   как   бы
переливается   через   отверстие.   Еще   более   удивительна   способность   молнии   после
прохождения   сквозь   отверстие   восстанавливать   свою   шаровую   форму   (рис.).
 способность шаровой молнии сохранять форму шара, так
Следует обратить внимание на

как   это   явно   указывает   на   наличие   поверхностного   натяжения   у   вещества   молнии.
Скорость движения
1...10 м/с. За ней нетрудно следить. Внутри
помещений   молния  может   на  некоторое   время  даже   останавливаться,   зависая  над  полом.
 шаровой молнии невелика:

Живет шаровая молния примерно от 10 с до 1 мин. Меньше живут очень маленькие молнии
(диаметром   порядка   сантиметра   и   меньше)   и   очень   большие   (диаметром   около   метра   и
больше).  Наиболее  долго  живут  молнии
10...40 см.  Существуют   три  разных
способа   прекращения   существования   молнии.   Чаще   всего   (в  55   %  случаев)   молния
  диаметром

взрывается.   В  30   %  случаев   молния   спокойно   угасает   (изза   нехватки   запаса   энергии, накопленной   в   ней).   В  15  %  случаев   внутри   молнии   развиваются   неустойчивости,   и   она
распадается   на   части.   Маленькие   молнии   обычно   угасают   («сгорают»);   большие
«предпочитают» распадаться на части.
Вообще надо
 сказать, что в поведении шаровой молнии немало коварства. Мы не знаем,
обойдет она тот или иной объект или, напротив, притянется к нему. Неизвестно, взорвется

она или спокойно угаснет. Наконец, можно лишь гадать, в какой именно момент произойдет
взрыв. Ну а если взрыв все же происходит, то, спрашивается, насколько он разрушителен? Это
определяется, очевидно, запасом энергии молнии.
 Как возникает шаровая молния?
В подавляющем большинстве случаев (более  90 %) шаровая молния возникает в период
грозовой   активности,   когда   наблюдаются   обычные   молнии   и   когда   напряженность
атмосферного   электрического   поля   особенно   велика.   Но   есть   отдельные   сообщения   о
появлении шаровой молнии и в ясную погоду.
Вопрос о том, как возникает
 шаровая молния, является, пожалуй, наиболее сложным и
неясным. К сожалению, не так уж много людей оказалось свидетелями ее возникновения. В

большинстве своем наблюдатели утверждают, что шаровая молния возникла либо сразу после
разряда,
  что   бывает   реже.
  либо   перед   разрядом   обычной   молнии,
Как именно рождается
 шаровая молния при разряде обычной молнии? На этот счет ничего
определенного сказать пока нельзя. Имеются лишь разные предположения. Можно, например,

предположить,   что   шаровая   молния   возникает   в   момент,   когда   спускающийся   из   тучи
ступенчатый   лидер   встречается   в   нескольких   десятках   метров   над   землей   со   встречным
лидером (рис.а).
Возможно также, что шаровая молния возникает в месте особенно резкого излома обычной
молнии (рис.б) или в том месте, где произошло ее раздвоение (рис.в). Нельзя не принимать во
внимание и сообщения, что шаровая молния возникла из земли или воды в том месте, которое
было   только   что   поражено   обычной   молнией   (рис.г)   Наконец,   шаровая   молния   может
родиться при электрическом разряде между тучами (рис.д). Понятно, что во всех этих

 случаях шаровая молния образуется за счет энергии разряда
обычной молнии. А как быть с теми случаями (о них пишут некоторые очевидцы), когда
шаровая   молния   выскакивает   из   телефонных   аппаратов,   электрических   розеток   и   т.   д.   ?
Можно предположить, что она возникает за счет энергии разряда обычной молнии, которая
подводится к телефонному аппарату или розетке по подключенным к ним проводам.
«Блюз» высоковольтной линии.
Для   того   чтобы   более   эффективно   передавать   электрическую   энергию,   некоторые
электрические компании строят «сверхвысоковольтные» линии электропередачи  765000 В).
Может   быть,   в   общем,   такие   линии   целесообразны,   но   живущим   вблизи   них   людям   они
доставляют массу неприятностей. Эти линии часто докучают тем, что светятся в темноте
небесноголубым светом и заставляют таинственно светиться выключенные люминесцентные
лампы. Еще неприятнее то, что многие люди, прикасаясь к металлическим предметам вблизи
сверхвысоковольтных   линий,   получают   электрические   удары.   «Недавно   проведенное
исследование показало, что члены 18 семей, проживающих вблизи линии электропередачи
компании   «Огайо   Пауэр»,   не   раз   получали   электрические   удары   при   прикосновении   к
сельскохозяйственному   оборудованию,   проволочным   изгородям   и   даже   мокрым   бельевым
веревкам.   Две   женщины   жаловались,   что   их   ударило   током   в   туалете.   Другие   жалобы
касались плохого приема телевидения и шипящего звука электрических разрядов. Раглз, по
территории фермы которого проходит линия электропередачи, сказал: «Клянусь богом, мы
будто
Почему прикосновение к
живем

водопадом».
 предметам, находящимся вблизи такой высоковольтной линии,
рядом

с

может   привести   к   электрическому   удару?   Я   слышал,   что   некоторые   люди   запускают
электромоторы,   присоединяя   их   к   антеннам,   тайком   устроенным   вблизи   высоковольтных
линий. Действительно ли таким способом можно получать электроэнергию?
Ответ:   Переменный   ток   высокого   напряжения   индуцирует   переменный

  ток   в
близлежащих   металлических   предметах.   Человек   может   получить   электрический   удар,
неосторожно прикоснувшись к такому предмету и таким образом заземлив его. Электрическое поле Земли.
Основной вопрос, конечно, состоит в том, почему вообще возникает молния. В результате
чего создается электрическое поле между землей и облаками? На открытом воздухе разность
потенциалов   между   кончиком   вашего   носа   и   ногами   составляет  200   В.   Почему   же   вы,
несмотря на это, не получаете электрического удара? Может ли такое электрическое поле
питать электрический двигатель? (В некоторых случаях − может.)
Ответ: Электрическое поле Земли, которое существует между отрицательно заряженной
земной поверхностью и положительно заряженной верхней атмосферой, могло бы разрядиться
примерно   менее   чем   за  5   мин  благодаря   непрерывной   ионизации   молекул   воздуха   под
действием   космического   излучения   и   естественной   радиоактивности   Земли.   Часть
электронов, возникающих в результате ионизации, проходит в верхний слой атмосферы, где
(на высоте примерно  50 км) проводимость настолько высока, что этот слой можно считать
сферическим   проводником.   Приходящие   сюда   электроны   нейтрализуют   положительный
заряд. Соответственно положительные  ионы, опускаясь вниз, нейтрализуют отрицательный
заряд земной поверхности. Общий ток ионизации составляет примерно 1800 А, поэтому для
разряда Земли и верхней атмосферы понадобилось бы лишь несколько минут. Однако этого
не происходит, поскольку в результате грозовой активности существует постоянный приток
электронов   к   Земле.   Разность   потенциалов   между   поверхностью   Земли   и   вашим   носом
действительно могла бы достигать 200 В, но человеческое тело достаточно хорошо проводит
электрический ток, поэтому оно имеет примерно одинаковый потенциал. Красивое и небезопасное явление природы − молния − представляет собой

 искровой
разряд в атмосфере.
Уже   в   середине   XVIII   в.   обратили   внимание   на
  внешнее   сходство   молнии   с
электрической   искрой.   Высказывалось   предположение,   что   грозовые   облака   несут   в   себе

большие электрические заряды и что молния есть гигантская искра, ничем, кроме размеров,
не   отличающаяся   от   искры   между   шарами   электрической   машины.   На   это   указывал,
например,   М.   В.   Ломоносов   (Михаил   Васильевич   Ломоносов   (1711   −   1765   г.)   −
основоположник русской науки, великий русский физик и химик, член Российской Академии
наук и основатель первого в России Московского университета.), наряду с другими научными
вопросами
электричеством.
занимавшийся
атмосферным

Это   было   доказано   на   опыте   (в   1752
работавшими
одновременно

  −  1753   гг.)   М.   В.   Ломоносовым   и   Франклином),
и
друга.
независимо,
друг
от

извлекать

Ломоносов построил «громовую машину» −  конденсатор, находившийся в его лаборатории
и   заряжавшийся   атмосферным   электричеством  посредством  провода,   конец  которого  был
выведен из помещения и поднят на высоком шесте. Во время грозы из конденсатора можно
искры.
было
рукой

 снабжен железным острием;
Франклин во время грозы пустил на бечевке змея, который был
к нижнему концу бечевки был привязан дверной ключ. Когда бечевка намокла и сделалась
проводником электрического тока, Франклин смог извлечь из ключа электрические искры,
зарядить   лейденские   банки   и   проделать   другие   опыты,   производимые   с   электрической
машиной).
Таким образом, было

 показано, что грозовые облака действительно сильно заряжены
электричеством. Разные части грозового облака несут заряды различных знаков. Чаще всего
нижняя   часть   облака   (обращенная   к   земле)   бывает   заряжена   отрицательно,   а   верхняя   −
положительно. Поэтому, если два облака сближаются разноименно заряженными частями, то
между   ними   проскакивает   молния.   Однако   грозовой   разряд   может   произойти   и   иначе. Проходя   над   землей,   грозовое   облако   создает   на   ее   поверхности   большие   индукционные
заряды,   и   поэтому   облако   и   поверхность   земли   образуют   две   обкладки   большого
конденсатора. Разность потенциалов между облаком и землей достигает огромных значений,
измеряемых сотнями миллионов вольт, и в воздухе возникает сильное электрическое поле.
Если напряженность этого поля делается достаточно большой, то может произойти пробой, т.
е. молния, ударяющая в землю. При этом молния иногда поражает людей и вызывает пожары
зданий.
Согласно   многочисленным   исследованиям,   произведенным   над   молнией,   искровой

разряд в молнии характеризуется следующими примерными числами:

100 000 A.
 тока в молнии −
Напряжение между облаком и землей −    100 000 000 B.
Сила
Продолжительность молнии −    10−6 c.
Диаметр светящегося канала −    10 − 20 см.
Гром, возникающий после молнии, имеет такое же происхождение, как и
 треск при
проскакивании   лабораторной   искры.   Именно,   воздух   внутри   канала   молнии   сильно

разогревается и расширяется, отчего и возникают звуковые волны. Эти волны, отражаясь от
облаков, гор и т. п., часто создают длительное эхо − громовые раскаты.

 Почему в северной Канаде северное сияние бывает чаще, чем в Сибири?
Северное сияние.
«С наступлением темноты чуть раньше или позже на северном горизонте возникает слабая
прозрачнобелая световая дуга, центр которой иногда бывает несколько смещен к востоку.
Дуга   медленно   поднимается   по   небосклону   и   становится   ярче,   постепенно   приобретая
бледный желтозеленый цвет, напоминающий нежный цвет растения, проросшего в темноте.
По мере того как дуга поднимается, ее концы на горизонте расходятся к западу и востоку.
Ширина такой дуги раза в три больше, чем ширина радуги. Нижний край ее обычно очерчен
более резко, чем верхний. Медленно, почти незаметно она движется к зениту. Вслед за первой
дугой нередко появляется вторая, а иногда их возникает три, четыре, пять и даже больше.
Они поднимаются вместе, некоторые из них могут пересечь зенит и пройти в южную часть
неба.   Часто   этим   все   и   ограничивается;   но   бывают   ночи,   когда   северное   сияние   через
некоторое время переходит в новую фазу, гораздо более разнообразную и активную. Переход
от первой фазы ко второй может произойти быстро, даже неожиданно. Дуга становится уже и
начинает   испускать   лучи;   затем   она   изгибается,   образуя   мелкие   складки.   Дальше   она
превращается   в   непрерывно   меняющуюся   неправильной   формы   широкую   лучистую  ленту, которая, точно огромный занавес, закрывает небо. Она может оставаться желтозеленой, но
иногда на нижнем крае ее образуется пурпурнокрасная полоска, которая то исчезает, то
возникает   вновь.   Изредка   появляются   яркие   зеленые,   фиолетовые,   голубые   цвета.   Порой
кажется, что лучи стремительно, как пущенные сверху стрелы, падают вниз. Временами вдоль
лучей   или  вдоль  ленты   происходит   какоето  движение.  Вдруг   «занавес»   начинает   быстро
колыхаться  в небе, словно под порывами  ветра; он может неожиданно исчезнуть и вновь
появиться в том же или в другом месте. Это величественное зрелище продолжается долгие
минуты и даже часы, непрестанно меняя форму, положение, цвет, яркость. Иногда огромную
ленту сияния можно увидеть почти прямо над собой. Выходящие из ее разных частей лучи
сходятся   вместе,   образуя   так   называемую   корону.   Нередко   такая   корона   быстро   меняет
форму, ее лучи вспыхивают со всех сторон или кружатся вокруг центра. Под конец северное
сияние  принимает  совершенно  фантастические  формы:  это  уже   не  полотнища  и  ленты,   а
множество   разбросанных   по   всему   небу   маленьких   ленточек,   которые   попеременно
вспыхивают   и   гаснут.   В   иные   ночи   небо   покрывается   мягкими   пушистыми   «облачками»,
похожими на обычные рваные облака, которые появляются и исчезают в считанные секунды.
И наконец, небо становится чистым — сияние пропадает. Но затем все может начаться снова
и   продолжаться   до   тех   пор,   пока   восходящее   солнце   не   затмит   мягкий   свет   северного
сияния». Природа северного сияния еще не разгадана полностью, но, может быть, вы в общих
чертах попытаетесь объяснить, как оно образуется. Почему возникают цвета и волнообразные
структуры? Почему северное сияние гораздо чаще наблюдается в высоких широтах? Почему в
северной Канаде сияния бывают чаще, чем, например, в Сибири, расположенной на той же
географической широте?
Ответ:   Солнечные   электроны   низких   энергий   (порядка   сотен   электронвольт)
захватываются плазменным шлейфом с противоположной Солнцу стороны Земли; при этом их
энергия   увеличивается   до   нескольких   тысяч   электронвольт,   и   они   входят   в   атмосферу
вблизи   магнитных   полюсов   Земли   (которые   несколько   смещены   относительно
географических) вдоль силовых линий земного магнитного поля. Эти высокоэнергетические
электроны возбуждают при столкновениях молекулы азота и атомы кислорода в некоторой
овальной области вокруг магнитных полюсов. Возбужденные атомы кислорода, находящиеся
на   высоте  100  −  150 км,   излучают   яркий   зеленый   свет.   На   больших   высотах   атомарный
кислород излучает красный свет. Молекулы азота также излучают красный свет. Эти цвета
наблюдаются   в   овальных   областях   вокруг   магнитных   полюсов   на   геомагнитных   широтах
около  70°.   Поскольку   северный   геомагнитный   полюс   находится   на   территории   Канады, полярное сияние наблюдается на юге Канады и на севере США. Области Сибири, имеющие ту

полярные

же географическую широту, расположены в более низких геомагнитных широтах, поэтому
там
реже.
Координаты северного магнитного полюса −    75° с.ш. и 261° в.д.; южного −  66,5° ю.ш. и
140° в.д.
наблюдаются
сияния

Автомобильная антенна.
Почему   антенны   автомобильных   радиоприемников   устанавливаются   снаружи   и,   как
правило, вертикально? А можно ли установить антенну на ветровом стекле?
Ответ:   Антенны   АМрадиостанций   расположены   вертикально.   Если   автомобильный
приемник   принимает   прямой   сигнал   станции,   то   электрическое   поле   в   этой   радиоволне
поляризовано вдоль передающей антенны, то есть вертикально. Для того чтобы мощность
принимаемого сигнала была максимальна, приемная антенна тоже должна быть вертикальной.
Цепи на бензовозах.
Почему к бензовозам раньше прикрепляли цепи, которые волочились по земле? Следует
ли приделывать такую цепь к легковому автомобилю?
Ответ: Шины, соприкасаясь с дорогой, приобретают отрицательный заряд. Так как шины
вращаются и поэтому заряжаются довольно равномерно, создаваемое ими электрическое поле
будет   отталкивать   электроны   металлических   рамы   и   кузова.   В   результате   металлические части автомобиля, близкие к шине, окажутся заряженными положительно. Между какойлибо
из этих частей автомобиля и оказавшимся по соседству заземленным или противоположно
заряженным предметом может проскочить искра. В большинстве случаев эта искра не опасна.
Однако в бензовозе  такая искра  может воспламенить  пары  бензина. Раньше к бензовозам
прикрепляли волочащиеся по земле цепи, полагая, что они снимают с машины электрический
заряд. Действительно, часть электронов стекала бы по этим цепям в землю, но автомобиль не
становился бы при этом электрически нейтральным. Напротив, он приобретал положительный
заряд, и искры все равно могли возникать.
Что именно происходит с вами, когда вы прикасаетесь к проводу, который
находится под напряжением?
Что поражает вас и может даже убить? Напряжение? Ток? То и другое? Получаете ли вы
ожог? Нарушается ли у вас сердечный ритм? Как степень опасности зависит от частоты тока?
Почему,   в   частности,   утверждают,   что   ток   промышленной   частоты  50   Гц,   которым
пользуются в Европе, менее опасен, чем ток принятой в США частоты 60 Гц? Действительно
ли   постоянный   ток   опаснее,   чем   переменный,   или   все   зависит   от   обстоятельств?
Возможно, прикоснувшись к токонесущему проводу, вы не
 погибнете сразу, но если вы
будете долго держать его, то это в конце концов может привести к смерти: со временем

электрическое сопротивление вашего тела уменьшается, и поэтому величина протекающего
через вас тока может приблизиться к некоему критическому значению. Почему сопротивление
тела меняется со временем?
Ответ: Грубо говоря, электрический ток, протекающий через тело

 человека, оказывает
следующие
менее
воздействия:
   0,01   А  −   либо   совсем   не   ощущается,   либо   ощущается   очень   слабо;

0,02 А − вызывает болезненные ощущения, иногда рука как бы притягивается к проводу;
0,03 А − нарушает дыхание;
0,07 А − сильно затрудняет дыхание;
0,1 А − вызывает фибрилляцию сердца, что нередко приводит к смерти;
более
   0,2 А − вызывает сильный ожог и останавливает дыхание.
Как это ни странно, смертельный исход чаще всего вызывает ток в диапазоне 0,1 − 0,2 А,
так как при этом возникают беспорядочные неконтролируемые сокращения сердечной мышцы
(фибрилляция) и нарушение кровообращения, что быстро приводит к смерти. При силе тока
более  0,2 А  сердце просто останавливается, но если пострадавшему своевременно оказать помощь,   сердечный   ритм   восстанавливается.   Фибрилляцию   же   можно   остановить   только
хорошо рассчитанным повторным электрическим шоком. Поэтому ток в диапазоне 0,1 − 0,2 А
опаснее, чем более сильный.
Величина   тока,

  проходящего   через   тело   человека,   зависит   от   сопротивления   кожи,
которое обычно изменяется в пределах от  1000 Ом  (влажная кожа) до  500 000 Ом  (сухая
кожа).   Сопротивление   тканей   тела   значительно   меньше:  100   −   500   Ом.   Когда   человек
касается   провода,   находящегося   под   напряжением   выше   примерно  240   В,   ток   пробивает
кожу. Если по проводу течет ток, величина которого еще не смертельна, но достаточна для
того,  чтобы  вызвать  непроизвольное  сокращение  мышц руки  (рука  как  бы  «прилипает»   к
проводу), то сопротивление кожи постепенно уменьшается, и в конце концов ток достигает
смертельной   для   человека   величины   в  0,1   А.   Человеку,   попавшему   в   такую   опасную
ситуацию, нужно как можно скорее помочь, стараясь «оторвать» его от провода, не подвергая
при этом опасности себя.

file_name: Электричество.doc

intro: Материал содержит подборку качественных задач с подробными ответами по физике к разделу "Электричество". Данный материал может быть использован преподавателями физики общеобразовательных школ и системы СПО с целью повышения мотивации к урокам физики, активизации познавательной деятельности на уроках и развития понимания практико-ориентированности данной дисциплины.

физика

group: Дисциплины

title: Качественные задачи с ответами по физике к разделу"Электричество".


extracted_text:
Гоночные машины «в хвосте» друг у друга.
Почему гонщики часто стараются пристроиться вплотную к впереди идущей машине (как
говорят, «сесть на хвост»)?
Как это влияет на переднюю машину? Почему

 идущая на обгон задняя машина, выходя
изза передней, получает резкий толчок вперед?
Ответ:   Гоночная   машина,   «сидящая   на   хвосте»   другой,   увлекается

вперед   вихревым
потоком,   который   оставляет   впереди   идущая   машина,   и   испытывает   меньшее   лобовое
сопротивление,   поскольку   передняя   машина   рассекает   воздушный   поток.   Когда   задняя
машина идет на обгон, возникает мощный толчок. Часть воздуха, обтекающего со стороны
обгона   переднюю   машину,   направляется   в   довольно   узкое   пространство   между   двумя
машинами,   ускоряется,   и   давление   в   этой   области   понижается.   Тогда   давление   позади
обгоняющей машины (с той стороны, с которой она ближе к передней) оказывается больше,
чем впереди нее. Эта разность давлений и создает толчок, который задняя машина получает в
тот момент, когда она выходит изза передней. Передняя машина получает такой же толчок
назад.
Торможение по мокрой дороге.
Если, двигаясь на автомобиле по мокрой дороге с большой скоростью, резко затормозить,
то автомобиль поведет себя как глиссер; шины его начнут скользить по тонкой пленке воды,
практически   не   касаясь   дороги.   Почему   это   происходит?   Почему   автомобиль   не   всегда

на
скользит
Существует   ли   такой   рисунок   протектора,   который   уменьшает
  мокрой   дороге,
тормоз

  даже
если

не
нажат?
  этот   эффект?   В
действительности аналогичный эффект возникает и при равномерном движении автомобиля
со скоростью 90 − 120 км/ч, если на дороге имеется слой воды толщиной около 1 см.
Ответ:   Предлагалось   несколько   рисунков   протектора,   уменьшающего

  вероятность
«аквапланирования».   Например,   канавка   может   отводить   воду   к   задней   точке   контакта
протектора с дорогой, откуда вода будет выбрасываться наружу. По другим, более мелким
канавкам вода может отводиться в стороны. Наконец, небольшие углубления на протекторе
могут как бы «промокать» водяной слой на дороге, прикасаясь к нему непосредственно перед
зоной   основного   контакта   протектора   с   дорожным   покрытием.   Во   всех   случаях   задача
состоит   в   том,   чтобы   как   можно   скорее   убрать   воду   из   зоны   контакта   и   не   допустить
аквапланирования. Аквапланирование  −  это  скольжение   по   воде.   При   движении   автомобиля   по   мокрой
поверхности   создаётся   так   называемый   "водяной   вал",   который   возникает   перед   каждым
колесом за счёт того, что автомобиль вытесняет воду при контакте колеса с дорогой. Пятно
контакта это четыре точки касания дороги шинами. В каждой точке касания колеса с дорогой
и возникает вал из вытесненной воды.
Автомобиль   толкает   водный   вал перед   собой,   преодолевая   дополнительное
сопротивление  качению.  Но в  один  из  моментов  скорость  превышает  некую максимально

допустимую   величину   для   данного   покрытия   и   данной   толщины   водяного   покрова,   и
начинается   аквапланирование   −   свободный   "полёт"   автомобиля   по   поверхности   мокрого
дорожного полотна.
Коррозия хромированной поверхности.
Вы,   наверное,   замечали,   что   хромированные   детали   вашего   автомобиля   со   временем
подвергаются коррозии (правда, сейчас эту проблему в какойто степени удалось решить).
Она обычно возникает на дефектах внешнего слоя хромированного покрытия (рис.), поэтому
в прежние времена такое покрытие старались делать достаточно толстым и равномерным,
чтобы   снизить   вероятность   образования   дефектов.   Однако   даже   при   нормальной
эксплуатации   автомобиля   ржавчина   все   равно   появлялась.   Тогда   было   обнаружено,   что коррозия,   напротив,   снижается,   если   хромированная   поверхность   изобилует   мелкими
дефектами.   Поэтому   теперь   на   хромированных   поверхностях   специально   создают   мелкие
дефекты. Почему дефекты в слое хрома приводят к коррозии и почему, когда их много,
коррозия, напротив, уменьшается?
Ответ:   Коррозия   начинается   тогда,   когда   электроны,   отдаваемые
туннелируют  сквозь окисный  слой  на поверхности хрома к атомам металла,  образующего
окисел. В результате никель в месте дефекта медленно растворяется. Скорость этой реакции
  влажным   никелем,

определяется   притоком   электронов.   Если   в   хромированной   поверхности   имеется,   лишь
небольшое   количество   довольно   крупных   дефектов,   все   электроны   идут   оттуда,   никель
быстро растворяется, и обнажающееся железо начинает  ржаветь. Если же на поверхности
много   мелких   дефектов,   то   каждый   из   них   отдает   небольшое   количество   электронов,
растворение   никеля   происходит   медленнее,   и   тогда   бампер   вашего   автомобиля   служит
дольше.

file_name: Физика и автомобиль.doc

intro: Материал содержит подборку качественных задач с подробными ответами по физике. Данный материал может быть использован преподавателями физики общеобразовательных школ и системы СПО с целью повышения мотивации к урокам физики, активизации познавательной деятельности на уроках и развития понимания практико-ориентированности данной дисциплины.

доп. образование детей

group: Другое

title: Физика и автомобиль. Качественные задачи по физике.