Стеклянный ящик с водой и капля молока помогали увидеть ход лучей. Нелепый, казалось бы, вопрос, но представьте, вы поставили лампу, собрали ее свет увеличительным стеклом и в «фокусе» получили изображение лампы. И лампа, и ее изображение видны хорошо, а вот сам свет… Его лучи видны хорошо только в задымленном или туманном воздухе и в мутной воде.
Этим и пользовались для демонстрации законов распространения света. Ящик со стеклянными стенками наполняли водой и при помощи плоского зеркала направляли в него солнечный луч. А чтобы свет стал заметен, добавляли в воду несколько капель молока. Так удавалось показать преломление света и его отражение от застекленного дна аквариума.
Но все же вода была мутной, и разглядеть подробности опыта, да еще с заднего ряда школьной аудитории, не удавалось. А нельзя ли сделать так, чтобы вода оставалась прозрачной, но луч света в ней был бы ярко заметен? Эту, казалось бы, неразрешимую задачу решили в школах Германии. Помогло открытие, которое сделал… немецкий поэт, философ и естествоиспытатель И.В. Гёте (1749–1832).
Стеклянный ящик с кодой и капля молока помогали увидеть ход лучей.
В 1810 г. в своем сочинении о природе цвета он поделился таким наблюдением: «Надо взять свежую полосу коры лошадиного каштана, опустить ее в стакан с водой, и в самое короткое время мы увидим великолепный небесно-голубой цвет, если стакан, освещенный издали, стоит на темной подставке, и, наоборот, прекрасный желтый цвет, когда мы держим стакан против света».
Это явление, названное впоследствии флюоресценцией, и применили для демонстрации законов оптики.
В воду добавили флюоросцеин, вещество, родственное экстракту коры каштана, и произошло маленькое чудо. Вода осталась прозрачной, но проходящий сквозь нее луч белого света возбуждал молекулы растворенного в ней вещества, и те испускали яркий, хорошо заметный желто-зеленый свет. Ход лучей в воде становился прекрасно виден.
Ящики с водой были довольно громоздки. Поэтому их всячески пытались уменьшить, придав, например, более компактную форму «барабана».
Первый такой прибор был выпущен в 1873 г. В отлитую из чугуна раму был вмонтирован стеклянный сосуд, наполняемый флюоресцирующей водой и дымом. Установленная на оси сосуда система зеркал направляла в него через боковую стенку тонкий солнечный луч. Сначала он был отчетливо виден в воздухе благодаря рассеянию на частицах дыма. А затем становился виден за счет флюоресценции вещества, растворенного в воде.
Может показаться странным, что в качестве источника света применяли солнце. Но в то время иных достаточно ярких и доступных для школы источников света просто не было, и солнечный свет продолжали использовать в демонстрациях по оптике вплоть до 1910-х годов, пока электрическое освещение не перестало быть редкостью.
А теперь несколько слов об изобретателе, обессмертившем свое имя прибором, который есть в любом кабинете физики.
Все демонстрационные приборы с водой мало того, что неудобны. Они позволяли показать лишь простейшие случаи прохождения света через границу двух сред. Когда же в них пытались показывать ход световых лучей через линзу, то результаты получались невразумительные — объемные пучки световых лучей загораживали друг друга.
Первым на игру красок светящихся жидкостей обратил внимание поэт И.В. Гёте .
Шайба Гартля — первый прибор, позволивший показать ход световых лучей без воды.
Барабан Маха , 1874 г. Дым и вода с флюоросцеином заменили ученым воду с молоком.
Точные измерения, а с них и начинается наука, произвести не удавалось.
Все эти трудности разрешил немецкий изобретатель Гартль. Во-первых, он отказался от воды. Во-вторых, он стал показывать самое сложное, то, что не удавалось никому другому, — ход лучей в линзах, вогнутых зеркалах и составленных из них оптических системах. Но практически ни в одном учебнике их полное изображение не встречается. Для всех пояснений используются лишь их крохотные кусочки, поперечные сечения. Их достаточно, для того чтобы пояснить все, что происходит на целой линзе. Вот Гартль и сделал «революционный» шаг.
Он отказался от обычных линз и вогнутых зеркал, а изготовил из стекла их поперечные срезы (они назывались «хрустальными пластинами»). Боковая поверхность каждого из срезов была сделана матовой, прохождение света через каждую такую модель было прекрасно видно во всех особенностях.
Изготовление срезов обходилось в десятки раз дешевле, чем соответствующей по размерам линзы. Ну а далее изобретатель укрепил на белом плоском диске с угловыми делениями по окружности хрустальную пластину и направил на нее скользящий по поверхности диска луч света.
Оптическая схема из учебника ожила. Стоило приложить линейку, и можно было проследить не только сам луч света, но и место, откуда он как бы появлялся, например, мнимый фокус рассеивающей линзы. В итоге появилась шайба Гартля — прибор, без которого не обходится ни один физический кабинет. А для наблюдения криволинейных лучей света Гартль в 1896 году создал специальный прибор.
Это был плоский застекленный с боков ящик. В него сначала наливали воду, а затем через специальную воронку со шлангом снизу, на дно ящика, аккуратно вводили смесь воды с глицерином. Свет, как вы знаете, распространяется прямолинейно только в однородной среде, где его скорость везде одинакова. Если же среда неоднородна, коэффициент преломления, а значит, и скорость света в ней меняются от точки к точке, и свет выбирает путь, кратчайший по времени, и распространяется криволинейно.
В ящике Гартля свет идет по кривой!
В ящике Гартля скорость света в верхнем слое была больше, чем в нижнем, и луч света, пущенный под небольшим углом к горизонту, выгибался дугой.
Вы можете повторить этот эксперимент, но есть более простой путь.
Заклейте дырки в нижней половинке коробочки от дискет изнутри прозрачным скотчем, налейте воду и добавьте в нее несколько капель молока. Затем включите лазерную указку и пошлите ее луч от стенки до стенки. Обратите внимание: луч в воде совершенно прямой. Аккуратно положите в кювету кусок сахара и подождите 2–3 минуты. Вы увидите, как луч выгнется дугой…
А. ВАРГИН
Рисунки автора