81 Почему луч поворачивает в стекле, или Как работает линза?

81

Почему луч поворачивает в стекле, или Как работает линза?

Сейчас я поясню, почему стекло преломляет свет, то есть почему лучи «поворачиваются», изменяют свое направление, попадая в линзу или призму. Сразу надо сказать, что лучи поворачиваются или преломляются не всегда. А только если попадают на стекло под некоторым углом.

Давайте представим себе очень простую картину. По хорошей асфальтовой площади идет быстрым шагом, сохраняя строй, ряд солдат. Я нарисовал их кружочками на рисунке. Они стараются и держат строй, направление фронта, или линия строя ровная, и все хорошо. И тут прямо перпендикулярно движению солдат попадается край пашни, в которой вязнут ноги, и все солдаты начинают идти в два раза медленнее, увязая в глине. Что произойдет с направлением строя? Да ничего. Все одновременно наступят на край пашни и все одновременно станут двигаться медленнее.

Как на рисунке.

Но представим теперь, что край пашни попался не ровно по линии строя, а под углом! Что произойдет?

Произойдет занятная вещь. Каждый солдат будет продолжать двигаться в том же направлении, что и двигался. Но одни солдаты (внизу рисунка) попадут на пашню раньше, а другие – позже. И окажется, что часть солдат уже увязла и движется медленнее, а другие еще идут быстро! Так что линия фронта, или передний ряд, образованный солдатами, как бы начнет поворачиваться!

На рисунке мы видим, что солдаты внизу, наткнувшись на границу пашни, стали двигаться медленнее, теперь за одно и то же время они проходят вдвое меньшее расстояние, чем солдаты, которые продолжают идти по асфальту. И фронт повернулся.

Что же происходит в стекле со светом? Когда луч света (фронт) попадает на стекло, он начинает двигаться медленнее, потому что скорость света в воздухе выше (это как асфальт для солдат), чем в стекле (это как вязкая пашня). И свет поворачивает свой «фронт», луч его преломляется!

Понятно теперь, что чем больше разница в скорости движения света между двумя веществами, тем сильнее поворачивает луч.

Теперь мы можем понять, как устроена линза, и проделать занятный опыт – своими собственными глазами увидеть, как преломляются лучи!

Выпуклая линза, которая действует как увеличительное стекло, устроена так, что проходящие по центру лучи (если линза стоит перпендикулярно лучу) встречают стекло «перпендикулярно» и не поворачиваются. Но чем дальше от центра линзы, тем больше наклон стекла и тем сильнее поворачиваются (преломляются) лучи! Поэтому они все рано или поздно пересекутся в одной точке.

Так что везде, где есть разница в скорости света (это называется «граница сред»), лучи поворачивают. Например, знаменитый мираж в пустыне, когда кажется, что прямо на горячем песке появляется вода, происходит оттого, что скорость прохождения света в горячем воздухе отличается от скорости прохождения в холодном. Лучи поворачивают, и мы видим… небо. Нам кажется, что в песке озеро – а это мираж.

Попробуйте, лежа на пляже, посмотреть на пейзаж вдаль над песком в жаркий день. Вы увидите, как дрожит воздух, – так же дрожит он над костром или нагретой плитой. Это лучи, попадая в завихрения с разной температурой, «пляшут» и изгибаются в разных направлениях, работая как воздушная линза.