Страница 226 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

66.1 [1522] Почему тени даже при одном источнике света никогда не бывают совершенно тёмными?

66.1 [1522]

Тени, даже при одном источнике света, никогда не бывают совершенно тёмными (абсолютно чёрными) из-за нескольких физических явлений, которые приводят к тому, что в область тени всё равно попадает некоторое количество света. В идеальных условиях (точечный источник света, непрозрачный объект и отсутствие окружающей среды и отражающих поверхностей) тень была бы абсолютно тёмной. Однако в реальности это не так.

Основными причинами являются:

1. Рассеяние света. Свет, проходя через среду, например, воздух, взаимодействует с её частицами (молекулами газов, пылинками, капельками воды). В результате этого взаимодействия световые лучи отклоняются от своего первоначального прямолинейного направления и рассеиваются во все стороны. Часть этих рассеянных лучей попадает в область геометрической тени, подсвечивая её. Именно благодаря рассеянию света в атмосфере мы видим голубое небо и можем видеть предметы в тени днём.

2. Отражение света от окружающих предметов. Лучи света от источника попадают не только на предмет, отбрасывающий тень, но и на все окружающие поверхности (стены, потолок, пол, другие предметы). Эти поверхности отражают свет, причём большинство из них делают это диффузно, то есть во всех направлениях. Часть этого отражённого света достигает области тени и освещает её. В комнате с белыми стенами тени всегда будут светлее, чем в комнате с чёрными, так как белые стены отражают больше света.

3. Дифракция света. Свет обладает волновыми свойствами. Проходя мимо края непрозрачного предмета, световые волны способны огибать это препятствие и проникать в область тени. Это явление называется дифракцией. Хотя для крупных объектов и обычных источников света вклад дифракции в освещённость тени невелик по сравнению с рассеянием и отражением, она также способствует тому, что граница тени не является абсолютно резкой и в тень проникает некоторое количество света.

Таким образом, в область тени всегда проникает свет от вторичных источников: рассеянный атмосферой и отражённый от соседних объектов. Эти явления не позволяют тени быть абсолютно тёмной.

Ответ: Тени не бывают совершенно тёмными, потому что в область тени всегда попадает свет, рассеянный частицами воздуха, а также свет, отражённый от окружающих предметов (стен, пола и т.д.). Эти вторичные источники света подсвечивают тень, не давая ей быть абсолютно чёрной.

66.2 [1523] Почему в комнате светло и тогда, когда прямые солнечные лучи в её окна не попадают?

В комнате светло даже тогда, когда прямые солнечные лучи в неё не попадают, благодаря двум основным физическим явлениям: рассеянию света в атмосфере и его отражению от различных поверхностей.

1. Рассеяние света в атмосфере. Когда солнечный свет проходит через атмосферу Земли, он сталкивается с мельчайшими частицами, такими как молекулы воздуха, пылинки и капельки воды. Каждая такая частица становится вторичным источником света, переизлучая (рассеивая) солнечный свет во всех направлениях. Этот процесс называется диффузным рассеянием. В результате весь небосвод, а не только диск Солнца, становится источником света. Именно этот рассеянный свет, идущий со всего неба, попадает в окна комнаты и освещает её.

2. Отражение света от окружающих объектов. Рассеянный свет от неба, а также прямой солнечный свет (если он освещает пространство за окном) падают на поверхность Земли, стены соседних зданий, деревья и другие объекты. Эти объекты, в свою очередь, отражают свет. Часть этого отражённого света также направляется в окна комнаты, внося свой вклад в её освещённость. Например, свет, отражённый от светлой стены противоположного дома или от снега зимой, может значительно увеличить яркость в помещении.

Таким образом, даже если комната находится в тени, в неё проникает большое количество света, который был рассеян атмосферой и отражён от окружающего пространства. Попав внутрь, этот свет дополнительно многократно отражается от стен, потолка и мебели, что и создаёт общую освещённость.

Ответ: В комнате светло даже без прямых солнечных лучей, потому что свет рассеивается в атмосфере Земли, превращая весь небосвод в источник света. Этот рассеянный свет, а также свет, отражённый от окружающих объектов (других зданий, земли), попадает в окна и освещает помещение.

66.3 [1524] В ясный солнечный зимний день деревья дают на снегу чёткие тени, а в пасмурный день теней нет. Почему?

Разница в образовании теней в ясный и пасмурный день связана с характером источника света, освещающего предметы на земле.

В ясный солнечный день главным источником света является Солнце. Так как Солнце находится на очень большом расстоянии от Земли, его можно рассматривать как точечный источник света. Световые лучи, исходящие от него, падают на земную поверхность практически параллельно друг другу. Когда на пути этих лучей встречается непрозрачный объект, такой как дерево, он блокирует свет, создавая за собой четко очерченную область, куда свет не проникает. Эта область и есть тень. Из-за одного направленного источника света граница между светом и тенью получается резкой и контрастной, особенно на фоне яркого снега.

В пасмурный день небо затянуто сплошным слоем облаков. Прямой солнечный свет не достигает земли. Вместо этого свет многократно рассеивается на частицах воды или кристаллах льда в облаках. В результате источником света становится вся поверхность облачного неба. Такой источник является не точечным, а протяженным или рассеянным (диффузным). Свет падает на объекты на земле не с одного направления, а со всех сторон. Дерево в этом случае по-прежнему является препятствием для света, но оно блокирует лишь малую часть лучей, идущих с разных точек неба. В область за деревом продолжают попадать лучи со всех остальных направлений. Из-за этого не образуется единой тёмной тени. Вместо этого создается очень большая и слабая полутень, которая практически не отличается по освещенности от окружающего пространства и незаметна для глаза.

Ответ: В ясный день Солнце действует как точечный источник света, отбрасывая от предметов резкие и чёткие тени. В пасмурный день свет рассеивается облаками, и весь небосвод становится огромным рассеянным источником, освещающим предметы со всех сторон, что препятствует образованию заметных теней.

66.4 [1525] Почему при одном и том же освещении одни обои кажутся светлыми, а другие — более тёмными?

66.4 Восприятие поверхности как светлой или тёмной зависит от того, какая доля падающего на неё света отражается и попадает в наши глаза. Хотя освещение, то есть количество света, падающего на разные обои, одинаково, сами обои по-разному взаимодействуют с этим светом из-за различий в их материале и цвете.

Это различие в взаимодействии описывается физической величиной, называемой коэффициентом отражения (или альбедо). Коэффициент отражения показывает, какую долю падающего света отражает поверхность.

Обои, которые кажутся светлыми, имеют высокий коэффициент отражения. Они отражают большую часть падающих на них световых лучей, как правило, диффузно (то есть рассеивая их во все стороны). В результате в глаз наблюдателя попадает значительный световой поток, и поверхность воспринимается как яркая.

Обои, которые кажутся тёмными, наоборот, имеют низкий коэффициент отражения. Они поглощают большую часть энергии падающего света, превращая её в тепло, и отражают лишь незначительную долю. Следовательно, в глаз попадает малый световой поток, и такая поверхность воспринимается как тёмная.

Таким образом, при одинаковой освещённости мы видим обои по-разному из-за их неодинаковой способности отражать свет.

Ответ: Разные обои обладают разной отражательной способностью (разным коэффициентом отражения). Светлые обои отражают большую часть падающего на них света, а тёмные — большую часть поглощают и, соответственно, отражают меньше света. Поэтому при одинаковом освещении от светлых обоев в наши глаза попадает больше света, чем от тёмных, и они кажутся нам светлее.

66.5 [1526] Почему фотограф при наличии белых облаков делает меньшую выдержку, чем при совершенно ясном небе?

Это явление объясняется физикой рассеяния света и основами фотографии, а именно понятием экспозиции.

При совершенно ясном, безоблачном небе основными источниками света являются:

1. Прямой солнечный свет – очень яркий, направленный источник, создающий резкие и глубокие тени.
2. Рассеянный свет от атмосферы – молекулы воздуха рассеивают солнечный свет (преимущественно в синей части спектра, что и делает небо голубым), создавая дополнительную, но менее интенсивную подсветку.

Когда на небе появляются белые облака, ситуация с освещением кардинально меняется. Белые облака состоят из огромного количества микроскопических капель воды или кристалликов льда. Эти частицы значительно крупнее длин волн видимого света, поэтому они рассеивают все длины волн примерно одинаково (рассеяние Ми). Из-за этого облака кажутся нам белыми.

Ключевой момент заключается в том, что облака действуют как огромный естественный рассеиватель (диффузор или софтбокс). Они перехватывают интенсивный прямой солнечный свет и рассеивают его во всех направлениях. В результате:

• Общая освещенность сцены возрастает. К свету от ясного неба и прямому солнечному свету (если он не полностью перекрыт) добавляется мощный поток рассеянного света от всей поверхности облаков. В итоге суммарное количество света, достигающее земли, становится больше, чем при ясном небе.
• Свет становится мягче. Так как свет приходит с большой площади (от всего облака), а не из одной точки (Солнца), тени становятся менее резкими и более светлыми.

В фотографии выдержка – это промежуток времени, в течение которого затвор камеры открыт и свет попадает на светочувствительный элемент (матрицу или плёнку). Чтобы получить правильно экспонированный снимок (не слишком тёмный и не слишком светлый), нужно, чтобы на матрицу попало строго определённое количество света. Это количество зависит от яркости сцены.

Поскольку при наличии белых облаков общая яркость сцены выше, за ту же единицу времени на матрицу попадает больше света. Чтобы компенсировать эту повышенную яркость и не получить пересвеченный (переэкспонированный) кадр, фотограф должен уменьшить общее количество света, попадающего на матрицу. Один из основных способов это сделать — сократить время, на которое открыт затвор, то есть установить меньшую выдержку.

Ответ: Белые облака работают как гигантский естественный рассеиватель, который эффективно рассеивает прямой солнечный свет. Это приводит к значительному увеличению общей освещенности (яркости) фотографируемой сцены по сравнению с ясным небом. Для получения правильно экспонированного кадра при более ярком освещении требуется, чтобы на светочувствительный элемент попало меньше света, что достигается за счет сокращения времени открытия затвора, то есть установки меньшей выдержки.

66.6 [1527] Для чего при съёмках внутри зданий фотографы применяют белые экраны и дополнительные источники света?

При съёмках внутри зданий фотографы применяют белые экраны и дополнительные источники света для управления освещением, решения проблемы его недостатка и достижения желаемого художественного эффекта. Эти инструменты выполняют разные, но взаимодополняющие функции.

Для чего применяют дополнительные источники света

Дополнительные источники света (вспышки, студийные моноблоки, светодиодные панели) — это активные инструменты, которые создают свет. Их основные задачи:

• Компенсация недостатка света: В помещениях часто темно. Чтобы получить технически качественный снимок (без смаза, с низким уровнем шума, с достаточной глубиной резкости), необходимо больше света. Искусственные источники позволяют осветить сцену до нужного уровня, давая фотографу свободу в выборе настроек камеры (выдержки, диафрагмы, ISO).
• Создание светового рисунка: Свет — главный инструмент фотографа. Дополнительные источники позволяют не просто осветить объект, а «нарисовать» светом: выделить главное, подчеркнуть форму и текстуру, создать объём, отделить модель от фона, передать определённое настроение. Фотограф может контролировать всё: направление, интенсивность, цвет и жёсткость (контрастность) света.
• Обеспечение правильного цвета: Бытовые лампы (накаливания, люминесцентные) придают свету сильный цветовой оттенок (жёлтый или зелёный). Профессиональные источники света имеют стабильную и предсказуемую цветовую температуру, что позволяет получать на фотографиях чистые и естественные цвета без искажений.

Для чего применяют белые экраны

Белые экраны (отражатели) — это пассивные инструменты. Они не генерируют свет, а лишь отражают и модифицируют уже существующий (от окна или от вспышки). Их цели:

• Смягчение и заполнение теней: Любой направленный источник света создаёт тени. Иногда они получаются слишком глубокими и резкими, скрывая детали. Белый экран, размещённый напротив источника света, отражает его лучи и направляет их в теневые участки. Это делает тени более мягкими, светлыми и проработанными, снижая общий контраст сцены. Такой свет называют «заполняющим».
• Создание мягкого, рассеянного света: Белая матовая поверхность отражает свет диффузно, то есть равномерно во все стороны. В результате отражённый свет становится очень мягким, что особенно ценно в портретной фотографии. Он сглаживает неровности кожи и создаёт плавные светотеневые переходы. По сути, большой белый отражатель превращается в большой источник мягкого света.
• Простое управление светом: Отражатель — это простой, доступный и эффективный способ управлять светом. Например, при съёмке у окна можно использовать свет из него как основной, а отражателем подсветить тени с другой стороны, получив профессиональный световой рисунок без использования вспышек.

Ответ:

Дополнительные источники света необходимы для того, чтобы компенсировать недостаток освещения в помещении и дать фотографу полный контроль над созданием светотеневого рисунка (его направлением, интенсивностью и характером). Белые экраны используются для отражения существующего света с целью смягчения резких теней и создания более мягкого, рассеянного и равномерного освещения объекта съёмки.

66.7 [1528] Почему пучки света автомобильных фар видны в тумане? в пыльном воздухе?

Пучки света от автомобильных фар становятся видимыми в тумане или в пыльном воздухе благодаря физическому явлению, называемому рассеянием света. Сам по себе свет невидим, мы можем видеть либо его источник, либо объекты, от которых он отразился и попал нам в глаза.

В идеально чистом воздухе, где нет взвешенных частиц (пыли, капель воды и т.д.), световой луч от фар распространяется прямолинейно и невидим для наблюдателя, смотрящего на него сбоку. Свет просто проходит сквозь воздух, не взаимодействуя с ним таким образом, чтобы стать видимым со стороны.

Однако туман состоит из огромного количества мельчайших капелек воды, а пыльный воздух — из частиц пыли. Эти частицы, находясь на пути светового луча, становятся для него препятствиями. Когда фотоны света сталкиваются с этими частицами, они меняют свое направление, то есть рассеиваются. Каждая капелька воды или пылинка начинает работать как крошечный вторичный источник света, излучая свет во все стороны.

Часть этого рассеянного света от множества частиц, находящихся вдоль всего пути луча, попадает в глаза наблюдателя. Поскольку наш глаз и мозг воспринимают этот свет, приходящий со всех точек траектории луча, мы видим эту траекторию как светящийся конус или столб. Таким образом, мы видим не сам луч света, а свечение бесчисленного множества частиц, освещённых этим лучом.

Ответ: Пучки света автомобильных фар видны в тумане и в пыльном воздухе из-за рассеяния света на мельчайших частицах, взвешенных в воздухе. В тумане это капельки воды, в пыльном воздухе — частицы пыли. Эти частицы, попадая в луч света, рассеивают его во все стороны. Часть рассеянного света попадает в глаза наблюдателя, находящегося сбоку, в результате чего путь светового луча становится видимым.

66.8 [1529] Почему лица спортсмена-фехтовальщика, смотрящего через частую сетку, снаружи не видно, а фехтовальщик все предметы через сетку видит хорошо?

Это явление объясняется совокупностью оптических и психофизиологических факторов, в основе которых лежит разница в освещенности и особенности работы человеческого зрения.

Почему лица спортсмена-фехтовальщика снаружи не видно. Пространство снаружи маски (фехтовальный зал) обычно ярко освещено. Свет от многочисленных источников отражается от внешней поверхности сетки. В то же время лицо спортсмена внутри маски находится в тени и, следовательно, отражает очень мало света. Для внешнего наблюдателя яркий свет, отраженный от самой сетки, оказывается намного интенсивнее, чем тусклый свет, прошедший через ее ячейки от лица фехтовальщика. В результате глаз наблюдателя воспринимает в основном отраженный от сетки свет, а слабое изображение лица теряется на этом ярком фоне. Это аналогично попытке заглянуть в темную комнату через окно в солнечный день – отражение в стекле мешает рассмотреть то, что находится внутри.

Почему фехтовальщик все предметы через сетку видит хорошо. В данном случае ситуация обратная. Фехтовальщик смотрит из темного пространства (из-под маски) в хорошо освещенное пространство. Свет от предметов снаружи свободно проходит через ячейки сетки и попадает в глаза спортсмену. Сама сетка находится очень близко к глазам, из-за чего она оказывается не в фокусе, когда зрение сконцентрировано на удаленных объектах (например, на противнике). Зрительная система человека, особенно при бинокулярном зрении, способна «игнорировать» или «отфильтровывать» расфокусированные близкие объекты. Мозг «достраивает» целостную картину из информации, прошедшей через ячейки, делая саму сетку практически незаметной.

Ответ: Лицо фехтовальщика не видно снаружи из-за того, что яркий свет, отраженный от внешней поверхности сетки, маскирует слабый свет, идущий от находящегося в тени лица. Фехтовальщик же хорошо видит окружающие предметы, потому что он смотрит из темноты на ярко освещенные объекты, а его мозг игнорирует находящуюся очень близко и не в фокусе сетку.

66.9 [1530] Сквозь чистое стекло, смоченное водой, мы хорошо видим предметы. Почему же резко падает видимость, если подышать на стекло?

Это явление объясняется различием в том, как вода распределяется по поверхности стекла в двух случаях.

Когда стекло смочено водой, на его поверхности образуется тонкая, сплошная и оптически однородная пленка. Эта пленка сглаживает микронеровности стекла. Свет, проходя через такую гладкую границу раздела сред (воздух-вода-стекло), практически не рассеивается и не искажается, поэтому мы продолжаем хорошо видеть предметы.

Когда мы дышим на холодное стекло, теплый и влажный выдыхаемый воздух соприкасается с его поверхностью. Из-за разницы температур водяной пар, содержащийся в воздухе, конденсируется на стекле. Важно, что этот процесс происходит не с образованием сплошной пленки, а с формированием множества мельчайших, отдельных друг от друга капелек воды.

Каждая из этих микроскопических капелек имеет искривленную поверхность и действует как крошечная линза. Свет, идущий от предметов за стеклом, попадая на этот слой капель, многократно преломляется и отражается на границах "воздух-капля" под всевозможными углами. Происходит явление, называемое диффузным рассеянием света. В результате вместо направленного пучка света, формирующего четкое изображение, мы получаем хаотично рассеянный свет. Стекло становится матовым (запотевшим), и видимость сквозь него резко ухудшается.

Ответ: Видимость резко падает потому, что при дыхании на стекле вода конденсируется в виде множества мельчайших капелек. Эти капельки, в отличие от сплошной водяной пленки, сильно рассеивают свет, что делает стекло непрозрачным и разрушает изображение предметов за ним.

66.10 [1531] Являетесь ли вы сейчас источником света? Какого?

Являетесь ли вы сейчас источником света?
Да, человек является источником света. Любое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, является источником электромагнитного излучения. Так как тело человека обладает определенной температурой, оно непрерывно излучает энергию в окружающее пространство.

Ответ: Да.

Какого?
Человек является источником света двух типов.

Во-первых, человек — это тепловой источник. Тело человека имеет постоянную температуру около $36,6 \text{ °C}$ (что примерно равно $310 \text{ К}$). Согласно законам физики, любое нагретое тело испускает тепловое электромагнитное излучение. Однако максимум этого излучения для человеческого тела приходится на инфракрасную часть спектра, которая невидима для человеческого глаза. Длину волны, соответствующую максимуму излучения ($\lambda_{max}$), можно найти по закону смещения Вина:
$\lambda_{max} = \frac{b}{T}$
где $b$ — постоянная Вина, равная примерно $2,9 \cdot 10^{-3} \text{ м} \cdot \text{К}$, а $T$ — абсолютная температура тела в кельвинах.
Расчет для человеческого тела дает:
$\lambda_{max} \approx \frac{2,9 \cdot 10^{-3} \text{ м} \cdot \text{К}}{310 \text{ К}} \approx 9,4 \cdot 10^{-6} \text{ м} = 9400 \text{ нм}$.
Видимый свет находится в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, поэтому собственное излучение человека мы не видим, но его можно зафиксировать специальными приборами, например, тепловизорами.

Во-вторых, человек является вторичным (или отраженным) источником видимого света. Мы можем видеть друг друга и окружающие предметы, потому что они отражают свет, падающий на них от первичных источников, таких как Солнце, лампы накаливания или светодиоды.

Ответ: Человек является первичным тепловым источником невидимого инфракрасного излучения и одновременно вторичным источником видимого света, который он отражает от других источников.

66.11 [1532] Каким источником света является сейчас эта книга?

Решение

Источники света в физике делятся на два основных типа:

1. Первичные (самосветящиеся) источники — это тела, которые сами излучают свет в результате происходящих в них процессов. Примерами являются Солнце (термоядерный синтез), огонь (химическая реакция горения), раскаленная нить лампы накаливания (тепловое излучение).
2. Вторичные (освещаемые) источники — это тела, которые не создают свет самостоятельно, а лишь отражают или рассеивают свет, падающий на них от первичных источников. Именно благодаря отраженному свету мы видим большинство окружающих нас предметов: Луну, планеты, здания, мебель и, конечно же, страницы книги.

Книга, о которой идет речь в вопросе, сделана из бумаги. Бумага не способна самостоятельно генерировать световое излучение. Мы можем видеть и читать эту книгу только тогда, когда она освещена каким-либо первичным источником света, например, солнцем или электрической лампой. Свет от этого источника падает на страницы книги, отражается от них во все стороны и попадает в наши глаза. Таким образом, книга выступает в роли отражателя света.

Следовательно, данная книга является вторичным источником света.

Ответ: Эта книга является вторичным (освещаемым) источником света, так как она не излучает свет сама, а только отражает свет, падающий на нее от первичных источников (например, от Солнца или лампы).

66.12[н] С какой целью плафоны ламп для рабочего стола делают непрозрачными и окрашивают изнутри белой матовой краской?

Решение

Конструкция настольной лампы, включающая непрозрачный плафон с белой матовой внутренней поверхностью, продиктована необходимостью создать оптимальные условия освещения для работы и чтения. Каждый элемент выполняет свою специфическую функцию.

Непрозрачный плафон служит для того, чтобы направить световой поток от лампочки строго вниз, на рабочую зону (например, на стол или книгу). Это позволяет, во-первых, сконцентрировать свет там, где он нужен, повышая освещенность и эффективность лампы. Во-вторых, он защищает глаза пользователя от прямого попадания яркого света от источника (нити накала или светодиодов), что предотвращает ослепление, дискомфорт и быструю утомляемость глаз.

Внутренняя поверхность, окрашенная белой матовой краской, отвечает за качество света. Белый цвет выбран потому, что он обладает высокой отражающей способностью — он отражает почти весь падающий на него свет, не поглощая его и не изменяя его цветовой оттенок. Это делает лампу максимально яркой при той же мощности. Матовая фактура поверхности обеспечивает диффузное, то есть рассеянное, отражение света. В отличие от глянцевой (зеркальной) поверхности, которая создала бы яркие блики и четкое отражение самой лампочки, матовая поверхность равномерно рассеивает отраженный свет во всех направлениях. В результате вся внутренняя поверхность плафона сама становится источником мягкого, равномерного света, который освещает рабочее место без резких теней и слепящих пятен.

Таким образом, сочетание этих двух характеристик плафона позволяет получить направленное, интенсивное, но при этом комфортное для глаз, рассеянное освещение.

Ответ: Плафоны делают непрозрачными, чтобы сконцентрировать свет на рабочей поверхности и защитить глаза от прямого света лампы. Внутреннюю поверхность окрашивают в белый матовый цвет для того, чтобы максимально эффективно отражать свет (белый цвет) и делать его рассеянным, мягким и равномерным (матовая поверхность), избегая бликов и резких теней.

66.13[н] Современные дизайнеры рекомендуют размещать потолочные светильники по периметру потолка помещения вместо люстры с тем же количеством ламп, но в центре потолка. С какой целью (кроме эстетической) они это делают?

Современные дизайнеры рекомендуют размещать потолочные светильники по периметру потолка по нескольким причинам, связанным с физикой распространения света и зрительным комфортом. Основная цель, помимо эстетической, — добиться более качественного и функционального освещения помещения.

Рассмотрим ключевые физические аспекты:

1. Равномерность освещённости

Освещённость ($E$) — это световой поток, падающий на единицу площади поверхности. Для точечного источника света она убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Формула освещённости для поверхности, расположенной под углом к лучам, выглядит так:

$E = \frac{I \cos(\alpha)}{r^2}$

где $I$ — сила света источника, $r$ — расстояние от источника до точки на поверхности, а $\alpha$ — угол падения света (угол между перпендикуляром к поверхности и направлением луча).

В случае с одной люстрой в центре потолка, зона непосредственно под ней получает максимальную освещённость. Однако по мере удаления от центра к стенам расстояние $r$ увеличивается, а угол падения $\alpha$ (для горизонтальных поверхностей, как пол или стол) также растёт, что приводит к резкому падению освещённости. В результате центр комнаты оказывается ярко освещён, а углы и зоны у стен остаются тёмными.

Размещение светильников по периметру решает эту проблему. Световые потоки от нескольких распределённых источников накладываются друг на друга. Каждая точка в комнате освещается несколькими светильниками, что сглаживает перепады яркости и создаёт значительно более равномерное освещение по всей площади помещения.

2. Уменьшение резких теней

Один мощный источник света (люстра) создаёт резкие и глубокие тени от предметов и людей в комнате. Это может мешать, например, при чтении или работе за столом, когда тень от собственной головы или руки падает на рабочую поверхность.

Система из нескольких светильников, расположенных по периметру, освещает объекты с разных сторон. Это приводит к смягчению или почти полному исчезновению резких теней. Свет становится более рассеянным и комфортным для глаз, что улучшает общую видимость и снижает зрительное напряжение.

3. Освещение вертикальных поверхностей

При центральном расположении люстры стены освещаются слабо и под скользящим углом. Из-за этого они могут казаться тусклыми, а само пространство — визуально меньше.

Светильники по периметру расположены близко к стенам, что обеспечивает их эффективное вертикальное освещение. Это позволяет выделить фактуру отделочных материалов, картины, полки или другие элементы декора на стенах. Хорошо освещённые стены создают ощущение большего объёма и «воздуха» в помещении.

Ответ: Размещение светильников по периметру потолка вместо одной центральной люстры делается для достижения более равномерной освещённости по всей площади помещения, что позволяет избежать тёмных углов и переосвещённого центра. Кроме того, такая схема освещения значительно уменьшает резкость теней от предметов и людей, а также лучше освещает вертикальные поверхности (стены), что визуально расширяет пространство и повышает общий зрительный комфорт.

66.14 [н] В высокоточных оптических приборах используют не стеклянные, а металлические, тщательно отполированные зеркала.

С какой целью это делается?

Решение

Использование в высокоточных оптических приборах металлических, тщательно отполированных зеркал вместо традиционных стеклянных с напылением на задней поверхности обусловлено несколькими ключевыми причинами, направленными на повышение качества и точности изображения.

1. Устранение паразитных отражений и двоения изображения.
В обычном бытовом или лабораторном зеркале отражающий слой нанесен на заднюю поверхность стеклянной подложки. Когда свет падает на такое зеркало, он сначала частично отражается от передней, внешней поверхности стекла (около 4% интенсивности) и лишь затем, пройдя сквозь стекло, отражается от основного металлического слоя. В результате образуются два изображения: одно слабое, от передней поверхности, и одно яркое, основное. Для высокоточных приборов, таких как телескопы или спектрометры, это "двоение" (или "ghosting") недопустимо, так как оно снижает контрастность и четкость. Металлические зеркала, у которых отражающей является сама передняя поверхность (так называемые зеркала первого отражения), создают только одно отражение, обеспечивая максимально резкое и чистое изображение.

2. Отсутствие хроматической аберрации.
При прохождении света через любую прозрачную среду, в том числе стекло, возникает явление дисперсии: показатель преломления среды зависит от длины волны света. Это приводит к тому, что лучи разных цветов (например, синий и красный) преломляются под немного разными углами. В стеклянном зеркале этот эффект, известный как хроматическая аберрация, искажает изображение, так как фокусное расстояние для разных цветов оказывается разным. Это проявляется в виде цветных контуров у объектов. Металлические зеркала полностью лишены этого недостатка, поскольку свет отражается от их поверхности, не проходя через преломляющую среду. Угол отражения не зависит от длины волны, что гарантирует одинаковое качество изображения во всем спектре.

3. Снижение потерь света и работа в широком спектральном диапазоне.
Проходя через толщу стекла дважды (к отражающему слою и обратно), свет частично поглощается. Это уменьшает яркость финального изображения, что критично при работе со слабыми источниками света (например, в астрономии). Кроме того, обычное силикатное стекло непрозрачно для ультрафиолетового и значительной части инфракрасного излучения. Металлические же зеркала (с покрытиями из алюминия, серебра, золота и др.) могут иметь очень высокий коэффициент отражения в широчайшем диапазоне длин волн, от далекого УФ до радиоволн, что значительно расширяет их научное применение.

4. Лучшая термическая стабильность.
Металлы обладают значительно более высокой теплопроводностью по сравнению со стеклом. Это позволяет металлическому зеркалу быстрее достигать теплового равновесия с окружающей средой и более равномерно распределять тепло по своему объему. В результате при изменении температуры форма зеркала искажается меньше, чем у стеклянного, которое из-за низкой теплопроводности деформируется неравномерно. Сохранение идеальной оптической формы критически важно для получения неискаженного изображения в высокоточных системах.

Ответ: Металлические зеркала в высокоточных приборах используют с целью получения максимально качественного изображения за счет устранения паразитных отражений и хроматической аберрации, свойственных стеклянным зеркалам. Кроме того, они обеспечивают меньшие потери света, лучшую термическую стабильность и возможность работы в более широком диапазоне длин волн (включая УФ и ИК).

66.15[н] Почему вместо одной царапины на поверхности зеркала мы видим ещё одну, не существующую царапину на его внутренней поверхности?

Это оптическое явление возникает из-за специфической конструкции большинства бытовых зеркал. Они состоят не просто из отражающей поверхности, а из листа стекла, на заднюю сторону которого нанесён тонкий отражающий слой (например, амальгама серебра).

Когда на передней, внешней поверхности такого зеркала есть царапина, мы видим её дважды по следующим причинам:

1. Первое изображение — это сама реальная царапина. Мы видим её напрямую, так как свет от источников в комнате рассеивается на её неровных краях и попадает нам в глаза. Это изображение находится на поверхности стекла.
2. Второе, "несуществующее" изображение, является мнимым. Часть света, рассеянного царапиной, проходит сквозь толщу стекла, достигает заднего отражающего слоя, отражается от него и возвращается обратно к нашим глазам, снова пройдя через стекло. Наш мозг интерпретирует эти отражённые лучи так, будто они исходят из точки, расположенной за зеркальной поверхностью. Это и есть мнимое изображение. Поскольку свету пришлось пройти через толщу стекла до отражающего слоя и обратно, это мнимое изображение кажется нам расположенным глубже, как бы на "внутренней" (задней) поверхности зеркала.

Таким образом, мы видим и саму царапину на передней поверхности, и её мнимое отражение, созданное задней отражающей поверхностью зеркала.

Ответ: Мы видим два изображения: первое — это сама царапина на внешней поверхности стекла, видимая за счет рассеяния света; второе — это её мнимое изображение, которое формируется светом, прошедшим сквозь стекло, отразившимся от заднего зеркального слоя и вернувшимся к наблюдателю. Это второе изображение кажется расположенным глубже, создавая иллюзию царапины на "внутренней" поверхности.

66.16 [1533] Для чего стекло для изготовления зеркал шлифуется и полируется с особой тщательностью?

Стекло для изготовления зеркал шлифуется и полируется с особой тщательностью для того, чтобы обеспечить зеркальное отражение света, а не диффузное (рассеянное). Качество изображения, которое дает зеркало, напрямую зависит от гладкости его отражающей поверхности.

Существует два основных вида отражения света:

• Зеркальное отражение происходит от очень гладких поверхностей. При таком отражении пучок параллельных лучей света, падающих на поверхность, остается параллельным и после отражения. Именно это позволяет нам видеть в зеркале четкое, неискаженное изображение предметов.
• Диффузное (рассеянное) отражение происходит от шероховатых, неровных поверхностей. Пучок параллельных лучей света, падающих на такую поверхность, отражается в самых разных направлениях. В результате мы видим саму освещенную поверхность, но не изображение источников света или других предметов.

Поверхность считается оптически гладкой, если размеры ее неровностей значительно меньше длины волны падающего света ($ \lambda $). Длина волны видимого света находится в диапазоне примерно от 400 до 700 нанометров. Следовательно, чтобы отражение было зеркальным, а не диффузным, неровности на поверхности стекла должны быть намного меньше этих величин.

Процессы шлифовки и последующей полировки как раз и предназначены для последовательного уменьшения этих микроскопических неровностей. Если пренебречь тщательностью этих операций, на поверхности останутся дефекты, соизмеримые с длиной волны света. Эти дефекты будут рассеивать свет, что приведет к появлению мутного, размытого и искаженного изображения в зеркале.

Ответ: Стекло для зеркал тщательно шлифуют и полируют для того, чтобы его поверхность стала максимально гладкой в оптическом смысле (неровности много меньше длины волны света). Это необходимо для получения зеркального отражения света, которое формирует четкое и неискаженное изображение, а не диффузного (рассеянного), при котором изображение не образуется.

66.17 [1534] Какое получается освещение от киноэкрана: направленное или рассеянное?

Освещение, получаемое от киноэкрана, является рассеянным. Это связано с тем, что киноэкран должен быть виден большому количеству зрителей, сидящих в разных местах кинозала. Свет от проектора, падая на экран, отражается от его поверхности. Если бы отражение было направленным (или зеркальным), то только зрители, находящиеся в строго определённом месте (где угол падения равен углу отражения), смогли бы увидеть чёткое изображение. Поверхность киноэкрана специально делают матовой и шероховатой, чтобы она рассеивала (диффузно отражала) свет во всех направлениях. Благодаря этому, каждая точка экрана сама становится источником света, который излучается равномерно в широком диапазоне углов, что позволяет всем зрителям в зале видеть изображение на экране.

Ответ: рассеянное.