Страница 222 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

64.11 [н] К какому типу источников света вы отнесёте лазерную указку?

Лазерную указку следует отнести к особому классу источников света, называемых квантовыми генераторами или лазерами. Классификация источников света может проводиться по разным критериям, и лазерная указка характеризуется следующим образом.

Во-первых, по происхождению это искусственный источник света, так как он создан человеком, а не природой.

Во-вторых, по принципу действия это люминесцентный (холодный) источник. В отличие от тепловых источников, таких как лампа накаливания или Солнце, которые излучают свет вследствие нагрева до высокой температуры (тепловое излучение), в лазере свет генерируется в результате процесса вынужденного (стимулированного) излучения. Энергия для свечения обеспечивается не нагревом, а, как правило, электрическим током, что является разновидностью электролюминесценции.

В-третьих, и это самое главное, по свойствам излучаемого света лазер является когерентным и монохроматическим источником. Когерентность означает, что все испускаемые световые волны согласованы во времени и пространстве (имеют постоянную разность фаз). Это делает лазерный свет строго упорядоченным, в отличие от хаотичного (некогерентного) излучения обычных ламп. Монохроматичность означает, что лазер излучает свет в очень узком диапазоне длин волн, то есть свет имеет практически один чистый цвет (например, красный или зеленый). Большинство других источников излучают полихроматический свет (смесь волн разной длины).

Также важным свойством лазерного излучения является его высокая направленность — свет распространяется в виде узкого пучка, который очень слабо расходится с расстоянием.

Ответ: Лазерная указка является искусственным, когерентным и монохроматическим источником света. По принципу действия его относят к люминесцентным (холодным) источникам, так как его работа основана на явлении вынужденного излучения, а не на тепловом возбуждении.

64.12 [1493] Каким действием света вызывается образование хлорофилла в листьях растений, загар тела человека и потемнение фотоплёнки?

Все перечисленные явления — образование хлорофилла в листьях растений, загар тела человека и потемнение фотоплёнки — вызываются химическим действием света. Это означает, что энергия световых квантов (фотонов) поглощается веществом и запускает в нём химические реакции, которые приводят к изменению его химического состава и свойств.

Образование хлорофилла в листьях растений
Синтез хлорофилла — зелёного пигмента, необходимого для фотосинтеза, — это сложный биохимический процесс, который требует света. Свет активирует ключевые ферменты, участвующие в цепи реакций по превращению протохлорофиллида в хлорофилл. Таким образом, свет выступает в качестве инициатора химических превращений в клетках листа. Без света этот процесс не идёт, и проростки остаются бледными (этиолированными).

Ответ: химическое действие света.

Загар тела человека
Загар является защитной реакцией кожи на воздействие ультрафиолетового (УФ) излучения, которое является частью спектра солнечного света. Фотоны УФ-света запускают в клетках кожи (меланоцитах) химические реакции, приводящие к синтезу тёмного пигмента — меланина. Меланин поглощает УФ-излучение, защищая более глубокие слои кожи от повреждения. Усиленная выработка меланина и есть фотохимический процесс, внешне проявляющийся как загар.

Ответ: химическое действие света.

Потемнение фотоплёнки
Это классический пример фотохимической реакции. Светочувствительный слой фотоплёнки содержит кристаллы галогенида серебра (чаще всего бромида серебра $AgBr$). Когда на кристалл попадает фотон света, он вызывает химическую реакцию разложения: ион серебра ($Ag^+$) восстанавливается до атома металлического серебра ($Ag$), которое имеет тёмный цвет. Чем больше света попадает на участок плёнки, тем больше атомов серебра образуется и тем темнее становится этот участок после проявки.

Ответ: химическое действие света.

64.13 [1494] Приведите пример химического действия света на физическое тело.

Решение

Химическое действие света, также известное как фотохимические реакции, — это химические превращения вещества, инициированные поглощением световой энергии (фотонов). Когда молекулы в физическом теле поглощают фотоны, они переходят в возбужденное состояние, что может привести к разрыву существующих и образованию новых химических связей. Ниже приведены несколько примеров этого явления.

Пример 1: Фотосинтез в растениях

Одним из самых важных и распространенных примеров химического действия света является фотосинтез. Физическим телом в данном случае выступает лист растения. В клетках листа содержится пигмент хлорофилл, который поглощает энергию солнечного света. Эта энергия используется для запуска сложной серии химических реакций, в результате которых из неорганических веществ — углекислого газа ($CO_2$) из воздуха и воды ($H_2O$) из почвы — синтезируются органические вещества, в основном глюкоза ($C_6H_{12}O_6$), и выделяется кислород ($O_2$). Световая энергия преобразуется в химическую энергию, запасенную в молекулах глюкозы.

Суммарное уравнение реакции фотосинтеза выглядит так:

$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{свет, хлорофилл} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$

Пример 2: Загар и синтез витамина D в коже человека

Кожа человека (физическое тело) также подвержена химическому действию света, в частности его ультрафиолетовой (УФ) составляющей. Под действием УФ-излучения в коже запускается химическая реакция, в результате которой из предшественника (7-дегидрохолестерина) синтезируется витамин D, необходимый для здоровья костей и иммунной системы. Одновременно, в качестве защитной реакции на повреждающее действие УФ-света, специальные клетки (меланоциты) начинают усиленно вырабатывать пигмент меланин. Накопление меланина в клетках кожи приводит к появлению загара. Это тоже химический процесс, инициированный светом.

Пример 3: Процесс фотографирования на пленку

Классическая пленочная фотография полностью основана на химическом действии света. Фотопленка (физическое тело) покрыта слоем эмульсии, содержащей микрокристаллы светочувствительного вещества, как правило, бромида серебра ($AgBr$). Когда на пленку через объектив попадает свет, фотоны вызывают химическую реакцию разложения бромида серебра на металлическое серебро и бром:

$2AgBr \xrightarrow{свет} 2Ag \downarrow + Br_2$

В тех участках пленки, куда попало больше света, образуется больше микроскопических частиц металлического серебра. Так формируется скрытое изображение, которое становится видимым после химического процесса проявки.

Ответ: Примером химического действия света на физическое тело является фотосинтез в листьях растений, где энергия света запускает реакцию образования органических веществ из углекислого газа и воды. Другие примеры — появление загара на коже человека под действием ультрафиолета или засвечивание фотопленки, приводящее к химическому разложению бромида серебра и формированию изображения.

64.14 [1495] Приведите пример, показывающий, что тела, на которые падает свет, нагреваются.

Свет, являясь формой электромагнитного излучения, переносит энергию. Когда свет падает на тело и поглощается им, эта энергия переходит во внутреннюю энергию тела. Внутренняя энергия — это, в основном, кинетическая энергия хаотического движения частиц (атомов, молекул), из которых состоит тело. Увеличение этой энергии воспринимается нами как нагревание, то есть повышение температуры тела.

Простейшим примером, демонстрирующим это явление, является нагревание предметов под лучами Солнца. В ясный солнечный день можно заметить, что скамейка в парке, асфальт на дороге или песок на пляже становятся теплыми, а иногда и горячими. Это прямое следствие поглощения ими солнечного света.

Особенно наглядно этот эффект проявляется при сравнении нагрева тел разного цвета. Если оставить на солнце два объекта, один из которых белый, а другой — черный, то черный объект нагреется значительно сильнее. Это связано с тем, что поверхности темных цветов поглощают большую часть видимого спектра излучения, в то время как светлые поверхности большую его часть отражают. Поэтому в черной футболке на солнце жарче, чем в белой.

Еще один яркий пример — это использование увеличительного стекла (собирающей линзы) для фокусировки солнечных лучей. Сконцентрировав свет в одной маленькой точке на поверхности, например, листа бумаги, можно передать ему достаточно энергии, чтобы он сильно нагрелся и воспламенился. Этот опыт прямо доказывает, что свет несет энергию, способную вызывать сильный нагрев.

Ответ: Простой пример, показывающий, что тела, на которые падает свет, нагреваются — это нагревание асфальта или песка в солнечный день. Также можно привести в пример опыт с увеличительным стеклом, с помощью которого можно поджечь бумагу, сфокусировав на ней солнечные лучи, что демонстрирует превращение световой энергии в тепловую.

64.15[1496]

Назовите известные вам действия света на физические тела.

Свет, взаимодействуя с физическими телами, может оказывать на них различные действия, которые проявляются в изменении их физических, химических или биологических свойств.

Тепловое действие
Это наиболее очевидное действие света. Физические тела, поглощая световое излучение, нагреваются, так как энергия света переходит в их внутреннюю энергию (энергию хаотического движения атомов и молекул). Степень нагрева зависит от интенсивности света и поглощающей способности тела (его цвета). Например, темные поверхности нагреваются на солнце сильнее светлых, так как поглощают больше световой энергии. Это свойство используется в солнечных водонагревателях.

Ответ: Нагревание тел при поглощении света.

Механическое действие (световое давление)
Свет представляет собой поток частиц-фотонов, каждая из которых обладает импульсом. Падая на поверхность тела, фотоны передают ему свой импульс, создавая давление. Это явление, предсказанное теорией Максвелла и экспериментально подтвержденное П. Н. Лебедевым, называется световым давлением. Давление света очень мало, но оно играет существенную роль в космических масштабах (например, отклоняет хвосты комет от Солнца) и используется в технологиях "солнечного паруса". Давление на полностью поглощающую поверхность выражается формулой $p = \frac{I}{c}$, а на идеально отражающую — $p = \frac{2I}{c}$, где $I$ — интенсивность света, а $c$ — скорость света в вакууме.

Ответ: Оказание давления на тела.

Химическое действие
Энергия фотонов может быть достаточной для запуска или ускорения химических реакций. Такие реакции называются фотохимическими. К ним относятся:

• Фотосинтез: процесс в растениях и некоторых бактериях, при котором из углекислого газа и воды под действием света образуются органические вещества.
• Разложение веществ: например, выцветание красок на солнце или разложение бромида серебра в фотоэмульсии, что лежит в основе аналоговой фотографии.
• Образование загара: под действием ультрафиолетовых лучей в коже человека вырабатывается пигмент меланин.

Ответ: Инициирование и ускорение химических реакций.

Электрическое действие (фотоэффект)
Под действием света из вещества могут вырываться электроны. Это явление называется внешним фотоэлектрическим эффектом. Если же под действием света электроны не покидают тело, а перераспределяются внутри него, увеличивая его проводимость, то говорят о внутреннем фотоэффекте (фотопроводимости). Фотоэффект используется в солнечных элементах (для преобразования света в электричество), фотодиодах, фоторезисторах и множестве других датчиков и устройств.

Ответ: Выбивание электронов из вещества (фотоэффект) и изменение его электрической проводимости.

Биологическое действие
Это комплексное действие света на живые организмы, включающее в себя тепловые, химические и электрические эффекты. Помимо фотосинтеза и загара, важнейшими примерами являются зрение (свет вызывает химические реакции в светочувствительных клетках сетчатки глаза, что порождает нервный импульс) и синтез витамина D в организме человека. С другой стороны, интенсивное излучение (особенно ультрафиолетовое) может оказывать и вредное, разрушающее действие на живые клетки.

Ответ: Влияние на жизнедеятельность организмов (зрение, фотосинтез, синтез витаминов, а также возможное повреждающее действие).

64.16 [н] Приведите пример влияния солнечного излучения на атмосферные явления.

Солнечное излучение является основным источником энергии для подавляющего большинства явлений, происходящих в атмосфере Земли. Одним из наиболее наглядных и фундаментальных примеров влияния солнечного излучения является возникновение ветра и глобальная циркуляция атмосферы.

Механизм этого явления следующий:

1. Неравномерный нагрев поверхности. Солнечные лучи нагревают поверхность Земли, но делают это неравномерно. В экваториальных широтах лучи падают почти отвесно, концентрируя большое количество энергии на малой площади. В полярных широтах лучи падают под острым углом, и та же энергия распределяется по гораздо большей площади, что приводит к меньшему нагреву.
2. Образование областей разного давления. В результате неравномерного нагрева воздух над экватором становится теплее и, следовательно, менее плотным. Он поднимается вверх, создавая у поверхности Земли область пониженного давления. В то же время над холодными полярными регионами воздух остывает, становится более плотным, опускается вниз и создает у поверхности область высокого давления.
3. Движение воздушных масс. Воздух в атмосфере стремится перемещаться из областей с высоким давлением в области с низким давлением. Это движение воздушных масс и есть ветер. На вращающейся Земле это движение усложняется силой Кориолиса, что приводит к формированию устойчивых глобальных ветровых систем, таких как пассаты и западные ветры.

Таким образом, вся система ветров на планете — от легкого местного бриза на берегу моря (который также возникает из-за разницы в скорости нагрева суши и воды солнцем) до мощных глобальных воздушных течений — приводится в движение энергией Солнца.

Другими важными примерами влияния солнечного излучения являются круговорот воды в природе (испарение воды, образование облаков и выпадение осадков), а также различные оптические явления, такие как радуга и цвет неба.

Ответ: Примером влияния солнечного излучения на атмосферные явления является возникновение ветра. Солнце неравномерно нагревает поверхность Земли, из-за чего образуются области с разным атмосферным давлением. Перемещение воздуха из областей высокого давления в области низкого давления и представляет собой ветер.

64.17 [н] Какие физические явления лежат в основе применения дымовой завесы в военном деле?

Решение:

Применение дымовой завесы в военном деле основано на нескольких взаимосвязанных физических явлениях, связанных с взаимодействием света (и другого электромагнитного излучения) с частицами дыма. Дым представляет собой аэрозоль — взвесь мелких твёрдых или жидких частиц в газе (воздухе).

Основными физическими явлениями являются:

1. Рассеяние света. Это главный механизм, обеспечивающий непрозрачность дымовой завесы. Когда световые лучи, идущие от наблюдаемого объекта (например, танка) к наблюдателю, попадают в облако дыма, они сталкиваются с его частицами. Каждая частица дыма становится вторичным источником света, переизлучая (рассеивая) свет во всевозможных направлениях. В результате прямолинейный путь света от объекта к наблюдателю нарушается, и объект становится невидимым.

Эффективность рассеяния зависит от соотношения размера частиц $d$ и длины волны света $\lambda$. В дымовых завесах, предназначенных для маскировки в видимом диапазоне ($\lambda$ ~ 400-700 нм), размер частиц подбирается так, чтобы он был соизмерим с длиной волны света. В этом случае преобладает рассеяние Ми, которое слабо зависит от длины волны. Это приводит к тому, что дым одинаково хорошо рассеивает свет всех цветов и выглядит белым или серым.

2. Поглощение света. Частицы дыма могут не только рассеивать, но и поглощать энергию световых волн, превращая её в тепловую энергию. Это явление особенно выражено в дымах, содержащих частицы сажи (углерода), например, при сжигании нефтепродуктов. Такой дым имеет тёмный, почти чёрный цвет и эффективно "пожирает" свет, проходящий через него, что также способствует маскировке.

3. Отражение и дифракция света. Эти явления также вносят свой вклад. Свет может отражаться от поверхности частиц, особенно если они достаточно крупные. Дифракция — огибание световыми волнами препятствий (частиц дыма) — также приводит к отклонению света от первоначального направления.

Совокупность этих трёх явлений — рассеяния, поглощения и отражения/дифракции — приводит к ослаблению (аттенюации) света, проходящего через дымовую завесу. Объект за завесой становится неразличимым, так как до глаз наблюдателя доходит либо очень малая часть отражённого от объекта света, либо только рассеянный самим дымом свет, который не несёт информации об объекте.

В современной войне также важна маскировка от приборов, работающих в других диапазонах электромагнитного спектра, в первую очередь в инфракрасном (ИК) диапазоне (тепловизоры). Физические принципы здесь те же, но для эффективного рассеяния и поглощения ИК-излучения требуются частицы других размеров и состава (например, частицы металлов или фосфора), так как длина волны ИК-излучения больше, чем у видимого света.

Ответ: В основе применения дымовой завесы лежат явления взаимодействия электромагнитного излучения (света) с мелкими частицами дыма: рассеяние света (в основном рассеяние Ми), поглощение света и, в меньшей степени, отражение и дифракция. Эти процессы нарушают прямолинейное распространение света от объекта к наблюдателю, делая объект невидимым. Для маскировки в инфракрасном диапазоне используются те же явления, но с частицами другого размера и состава.

64.18 [н] Почему лампы в светильниках закрывают полупрозрачными плафонами, несмотря на то что часть энергии ими поглощается?

64.18 [н]

Решение

Лампы, особенно современные светодиодные или компактные люминесцентные, а также классические лампы накаливания, представляют собой источники света с очень высокой яркостью, сконцентрированной на малой площади. Прямой взгляд на такую лампу вызывает дискомфорт, ослепление и может быть вреден для зрения. Кроме того, свет от такого точечного или близкого к точечному источника создает резкие, глубокие тени, что делает общее освещение в помещении неравномерным и менее комфортным.

Полупрозрачные плафоны (например, из матового стекла или пластика) используются для решения этих проблем, выполняя несколько ключевых функций:

1. Рассеивание света: Материал плафона рассеивает световые лучи, идущие от лампы, во всех направлениях. В результате сам плафон становится вторичным источником света, но уже не точечным, а протяженным, имеющим значительно большую площадь поверхности.
2. Снижение яркости: Поскольку та же световая энергия излучается с гораздо большей поверхности, яркость (сила света на единицу площади) значительно уменьшается. Свет становится «мягким», не слепящим и безопасным для глаз.
3. Создание равномерного освещения: Рассеянный свет от большой поверхности плафона приходит в каждую точку пространства с разных направлений. Это помогает смягчить или полностью устранить резкие тени от предметов, делая освещение более равномерным и приятным.
4. Защитная и эстетическая функции: Плафон защищает лампу от пыли, влаги и механических повреждений, а также предотвращает случайное прикосновение к горячей поверхности лампы. Кроме того, он является важной частью дизайна светильника.

Таким образом, потеря части световой энергии, которая поглощается материалом плафона и преобразуется в тепло, является осознанным компромиссом. Выигрыш в качестве освещения — зрительный комфорт, безопасность и равномерность — считается более важным, чем небольшое снижение общей эффективности светильника.

Ответ: Полупрозрачные плафоны используют для рассеивания света. Они превращают маленький, но очень яркий источник света (лампу) в большой по площади, но менее яркий вторичный источник. Это делает освещение мягким, комфортным для глаз, устраняет резкие тени и слепящий эффект. Небольшая потеря энергии при этом является приемлемой платой за значительное повышение качества и безопасности освещения.

64.19 [н] Картины, книги, важные бумаги, продукты питания мы бережём от прямого попадания солнечных лучей. С каким действием света это связано?

Мы бережём картины, книги, важные бумаги и продукты питания от прямого попадания солнечных лучей, потому что свет оказывает на них разрушительное воздействие. Это связано в первую очередь с химическим действием света, а также с его тепловым действием.

Солнечный свет — это электромагнитное излучение, которое включает в себя видимый свет, а также невидимые ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК) излучения. Именно эти невидимые части спектра несут основную угрозу.

1. Химическое действие света (Фотохимические реакции)

Наиболее значительный вред наносит ультрафиолетовое излучение. Фотоны УФ-света обладают высокой энергией, достаточной для разрыва химических связей в молекулах. Это запускает необратимые химические реакции, называемые фотодеградацией.

• Картины, книги и бумаги: УФ-лучи разрушают молекулы пигментов в красках и чернилах, из-за чего они выцветают и теряют яркость. Бумага, состоящая из целлюлозы, под действием ультрафиолета желтеет и становится хрупкой, так как её длинные волокна распадаются.
• Продукты питания: Свет инициирует реакции окисления жиров, что приводит к их прогорканию (порче). Кроме того, свет разрушает многие полезные вещества, например, витамины A, C, B2 (рибофлавин).

2. Тепловое действие света

Инфракрасная часть солнечного спектра вызывает нагрев предметов. Повышение температуры, в свою очередь, значительно ускоряет все химические реакции, включая процессы разрушения, запущенные ультрафиолетом. Кроме того, постоянные циклы нагрева и охлаждения могут вызывать физические повреждения: деформацию и растрескивание бумаги, холста и слоя краски.

Таким образом, защита от прямого солнечного света является комплексной мерой, направленной на сохранение химического состава и физической структуры ценных предметов и продуктов.

Ответ: Это связано с химическим действием света (в особенности его ультрафиолетовой части), которое вызывает фотохимические реакции, разрушающие молекулы веществ (красителей, бумаги, питательных веществ). Также это связано с тепловым действием света, которое ускоряет эти разрушительные процессы и может вызывать физические повреждения.

65.1 [1497] В какой материальной среде свет распространяется с наибольшей в природе скоростью? Чему она равна?

65.1 [1497]

Наибольшая возможная скорость распространения любых взаимодействий и сигналов в природе — это скорость света в вакууме. Вакуум, по определению, не является материальной средой, так как представляет собой пространство, свободное от вещества.

Скорость света в любой материальной среде ($v$) всегда меньше скорости света в вакууме ($c$). Эта зависимость описывается формулой: $v = \frac{c}{n}$, где $n$ — абсолютный показатель преломления среды. Для любой материальной среды показатель преломления $n > 1$, следовательно, скорость света в ней $v < c$.

Таким образом, если отвечать на вопрос строго, то не существует материальной среды, в которой свет распространяется со своей наибольшей скоростью. Наибольшая скорость достигается в вакууме.

Однако, среди всех материальных сред наибольшая скорость света будет в той среде, у которой показатель преломления минимален, то есть наиболее близок к единице. Такой средой являются разреженные газы, например, воздух. Показатель преломления воздуха при нормальных условиях составляет примерно $1,000293$, поэтому скорость света в воздухе очень близка к скорости света в вакууме, но все же немного меньше.

Наибольшая же в природе скорость — это скорость света в вакууме, фундаментальная физическая постоянная, обозначаемая буквой $c$. Её точное значение составляет $c = 299\,792\,458$ м/с. Для большинства расчетов используется приближенное значение $c \approx 3 \times 10^8$ м/с.

Ответ: Наибольшей в природе скоростью свет распространяется в вакууме, который не является материальной средой. Среди материальных сред скорость света наибольшая в разреженных газах (например, в воздухе), где она лишь незначительно меньше, чем в вакууме. Эта наибольшая скорость (скорость света в вакууме) равна $c = 299\,792\,458$ м/с (приблизительно $3 \times 10^8$ м/с).

65.2 [1498] Чтобы проверить прямолинейность отструганной рейки, смотрят вдоль её кромки. Какое свойство светового луча используется при этом?

Для проверки прямолинейности отструганной рейки используется фундаментальное свойство света, известное как закон прямолинейного распространения света. Этот закон утверждает, что в однородной прозрачной среде (в данном случае, в воздухе) свет распространяется по прямым линиям.

Когда человек смотрит вдоль кромки рейки, он совмещает свой глаз с одним концом кромки и смотрит на другой ее конец. Таким образом, линия взгляда человека становится эталонной прямой линией. Эта линия взгляда возможна именно потому, что световые лучи от дальнего конца рейки до глаза наблюдателя движутся по прямой.

Если рейка идеально прямая, то все ее точки лежат на одной прямой линии. В этом случае все промежуточные точки кромки будут скрыты за ближайшей к глазу точкой, и вся кромка будет выглядеть как одна точка или очень короткий отрезок.

Если же на рейке есть какие-либо искривления (выпуклости или вогнутости), то ее кромка будет отклоняться от этой прямой линии визирования. Выпуклые участки станут видны, так как они будут выступать над прямой линией, а вогнутые участки создадут разрыв в видимой линии. Таким образом, сравнивая форму кромки с идеально прямой траекторией светового луча, можно легко и точно определить ее прямолинейность.

Ответ: При проверке прямолинейности рейки используется свойство прямолинейного распространения света в однородной среде.

65.3 [1499] У чертёжных линеек верхние боковые грани скошены, и на них нанесена шкала. Какое значение это имеет при выполнении измерений?

65.3 [1499] Скошенные грани у чертёжных линеек, на которые нанесена шкала, предназначены для уменьшения погрешности измерений, возникающей из-за явления параллакса. Параллакс — это кажущееся смещение объекта при изменении точки наблюдения.

При измерении линейкой всегда существует некоторое расстояние (зазор) между делениями шкалы и поверхностью измеряемого объекта. Если смотреть на шкалу не строго перпендикулярно, а под углом, то из-за этого зазора возникает визуальное смещение деления относительно измеряемой точки, что приводит к неверному считыванию показаний. Это и есть ошибка параллакса.

Скошенная грань (фаска) позволяет нанести деления шкалы максимально близко к измеряемой поверхности. Уменьшение зазора между шкалой и объектом сводит к минимуму эффект параллакса, что позволяет проводить измерения с более высокой точностью, так как показания меньше зависят от угла зрения.

Ответ: Скошенные грани на чертёжных линейках позволяют приблизить шкалу к измеряемой поверхности, что существенно уменьшает ошибку параллакса и, следовательно, повышает точность измерений.

65.4 [1500] Если глаз наблюдателя относительно непрозрачного экрана $Э$ расположен так, как показано на рисунке IX-1, то через отверстие в экране наблюдатель не может видеть источник света $S$. Чем это можно объяснить? (Сделайте чертёж.)

Рис. IX-1

Решение

Данное явление, при котором источник света S не виден через отверстие в экране Э, несмотря на кажущееся наличие прямого пути, объясняется волновой природой света, а именно явлением дифракции.

С точки зрения геометрической оптики, которая предполагает прямолинейное распространение света, наблюдатель должен был бы видеть источник. Если провести прямые линии от источника S через края отверстия, они образуют область, из которой источник виден. На рисунке глаз наблюдателя находится в этой области. Однако геометрическая оптика является приближением и не учитывает волновые эффекты.

Согласно принципу Гюйгенса–Френеля, каждая точка волнового фронта, достигшего отверстия, становится источником вторичных сферических волн. Эти вторичные волны распространяются от отверстия во всех направлениях, в том числе и в область за экраном. Свет, достигающий глаза наблюдателя, является результатом интерференции (сложения) всех этих вторичных волн, пришедших из разных точек отверстия.

Волны, пришедшие в точку наблюдения (где находится глаз) от разных участков отверстия, проходят разные расстояния. Из-за разности хода возникает разность фаз. В некоторых точках пространства эти волны, складываясь, усиливают друг друга (конструктивная интерференция), создавая светлые участки. В других точках они гасят друг друга (деструктивная интерференция), создавая тёмные участки. В результате за экраном с отверстием образуется сложная дифракционная картина из чередующихся светлых и тёмных полос или колец.

В данном случае глаз наблюдателя оказался в точке, соответствующей минимуму дифракционной картины (тёмной полосе). В этой точке вторичные волны от отверстия приходят в противофазе и гасят друг друга. Суммарная амплитуда световой волны оказывается близкой к нулю, и свет от источника не воспринимается.

Это можно также объяснить с помощью зон Френеля. Пространство, через которое свет проходит от источника к наблюдателю, можно разбить на зоны так, что разность хода лучей от соседних зон до точки наблюдения равна половине длины волны света. Вклады от соседних зон в результирующую амплитуду в точке наблюдения имеют противоположные знаки и почти равны по величине, поэтому они взаимно уничтожаются. Если отверстие открывает для наблюдателя чётное число зон Френеля (например, две или четыре), их действие почти полностью компенсируется, и в точке наблюдения будет темно.

Ниже представлен чертёж, иллюстрирующий это явление.

На чертеже показаны два возможных пути (Путь 1 и Путь 2), по которым свет от источника S может прийти в глаз наблюдателя O, пройдя через края отверстия. Вследствие разной длины этих и всех других возможных путей, приходящие в точку O волны интерферируют. Если в точке O наблюдается минимум дифракционной картины, то источник света виден не будет.

Ответ:

Наблюдатель не может видеть источник света, потому что его глаз находится в области дифракционного минимума (тёмной полосы). Это явление объясняется волновой природой света. Согласно принципу Гюйгенса–Френеля, каждая точка отверстия становится источником вторичных волн. Эти волны, распространяясь до глаза наблюдателя, интерферируют друг с другом. В данном положении глаза разность хода волн, пришедших от различных участков отверстия, такова, что они гасят друг друга (деструктивная интерференция), в результате чего суммарная освещённость в этой точке оказывается близкой к нулю, и источник света становится невидимым.