Странные тени
Александр Фишман, Андрей Скворцов
«Квантик» №7, 2025
Возьмите карандаш и тарелку с водой. Осветите тарелку сверху небольшой лампочкой. Пока карандаш находится над водой, на дне тарелки видна ровная тень от карандаша (рис. 1).
Погрузите карандаш в воду и пронаблюдайте за тенью на дне тарелки. При погружении карандаша тень меняется: образуется тёмный круг (рис. 2).
Рис. 2
А при подъёме — круг исчезает, и тень разрывается (рис. 3).
Рис. 3
Как объяснить такие странные изменения теней?1
Когда карандаш находится над водой, световые лучи от фонарика не могут попасть на те участки дна, которые находятся под карандашом (рис. 4). Здесь образуются неосвещённые места, тень.
Вспомним, как распространяются лучи света при переходе из воздуха в воду. Если световой луч падает под углом к поверхности, то его направление меняется. Говорят, что луч преломляется. При этом угол падения α всегда больше угла преломления β (углы отсчитываем от перпендикуляра к поверхности) (рис. 5).
Изменение теней связано с тем, как карандаш смачивается водой.
Когда карандаш входит в воду, поверхность воды около него немного вдавливается (рис. 6). В данном случае ситуация похожа на ту, когда вы пытаетесь проткнуть карандашом тонкую резиновую плёнку. Лучи света, падающие на такую поверхность под углом α, преломляются и отклоняются от карандаша (рис. 6). В этом случае под карандашом образуется большое тёмное пятно.
Когда карандаш поднимают, прилипшая к карандашу вода поднимается вместе с ним, образуя вогнутую поверхность (рис. 7). Световые лучи преломляются такой поверхностью так, что они отклоняются к оси карандаша. Свет попадает под карандаш, и под ним образуется светлое пятно.
Рис. 4–7
Художник Алексей Вайнер
1 Задача взята из книги: А. И. Буздин, В. А. Ильин, И. В. Кривченков, С. С. Кротов, Н. А. Свешников. Задачи московских физических олимпиад. Библиотечка «Квант». М.: Наука, 1988.
Рис. 1