Номер 1045, страница 138 - гдз по физике 10-11 класс задачник Рымкевич

1045. Возьмите неглубокую чайную чашку, поставьте на стол и положите на её дно монету. После этого отойдите от стола так, чтобы край чашки закрывал монету. Теперь, не меняя положения головы, попросите товарища налить в чашку воды. Монета станет снова видна. Сделайте чертёж, объясните явление.

Объяснение явления и чертёж

Наблюдаемое явление — это преломление света на границе двух сред: воды и воздуха. Когда чашка пуста, свет от монеты распространяется прямолинейно. Если наблюдатель находится в положении, когда край чашки заслоняет монету, это означает, что прямая линия между глазом и монетой перекрыта. Когда в чашку наливают воду, световые лучи от монеты, прежде чем попасть в глаз, проходят из воды в воздух. Вода является оптически более плотной средой, чем воздух (её показатель преломления $n_{воды} \approx 1,33$ больше, чем показатель преломления воздуха $n_{воздуха} \approx 1,0$).

При переходе из оптически более плотной среды в менее плотную луч света преломляется, то есть изменяет свое направление. Согласно закону преломления, $n_{воды} \cdot \sin \alpha = n_{воздуха} \cdot \sin \beta$, где $\alpha$ — угол падения, а $\beta$ — угол преломления. Так как $n_{воды} > n_{воздуха}$, то угол преломления $\beta$ будет больше угла падения $\alpha$. Это означает, что луч света, выходя из воды, отклоняется от перпендикуляра к поверхности. Этот излом траектории позволяет лучу света «обогнуть» край чашки и попасть в глаз наблюдателя. Нашему мозгу кажется, что лучи света пришли по прямой, поэтому мы видим мнимое изображение монеты, расположенное выше её реального положения. Кажется, что дно чашки «поднялось», и монета стала видна.

На чертеже необходимо показать поперечное сечение чашки, глаз наблюдателя и монету в двух ситуациях:

1. Чашка без воды: Прямой луч, идущий от монеты к глазу, перекрывается краем чашки. Монета не видна.
2. Чашка с водой: Луч света от монеты (точка М) доходит до поверхности воды, преломляется на границе вода-воздух (угол преломления больше угла падения) и попадает в глаз наблюдателя, пройдя над краем чашки. Мнимое изображение монеты (точка М') находится на продолжении преломленного луча (если его мысленно провести в обратном направлении в воду) и располагается выше реальной монеты М.

Ответ: Явление объясняется преломлением света на границе вода-воздух. Свет от монеты, выходя из воды (оптически более плотной среды) в воздух (менее плотную среду), преломляется и отклоняется таким образом, что «огибает» край чашки и попадает в глаз наблюдателя. Из-за этого наблюдатель видит мнимое изображение монеты, которое кажется расположенным выше, чем реальная монета.