Оптика — одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна народам Месопотамии за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах.
Два закона геометрической оптики — закон прямолинейного распространения света и закон отражения света — были описаны знаменитым греческим ученым Евклидом, жившим в III в. до н. э. С помощью этих законов Евклид объяснил целый ряд наблюдаемых явлений, и в частности, явлений отражения света от плоских и даже сферических зеркал. Ученые древности имели также представление о преломлении света и даже пытались установить закон преломления.
Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) — автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии, — создал еще книгу «Оптика», в которой описал, в частности, явление преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звезды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звездный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по кривой линии, то есть наблюдается рефракция. Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой. Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провел следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на его оси линейки l1 и l2 так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг нее (см. рис.).
Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра AB и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.
Эксперимент Птолемея был поставлен правильно, ученый получил достаточно хорошие численные значения для углов падения и преломления, однако закона он установить не сумел.
| № опыта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Угол падения α, град. | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 |
| Угол преломления β, град. | 8 | 15,5 | 22,5 | 28 | 35 | 40,5 | 45 | 50 |
В спокойной атмосфере наблюдают положение звезд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли в точке A, где располагается наблюдатель. На рисунке схематично показаны истинное и видимое положения для одной из звезд. Какое положение (S1 или S2) может соответствовать истинному положению звезды, а какое - видимому? Ответ поясните.
1. Истинному положению звезды соответствует положение S1, видимому — S2.
2. Видимое положение строится на прямолинейном продолжении луча, приходящего от звезды в глаз наблюдателя (S2). Истинное положение звезды находится ниже видимого, так как луч, проходя неоднородную атмосферу, постоянно преломляется.
Примечание.
Обоснование является достаточным, если в ответе присутствует указание на то, как формируется видимое положение, и на то, что истинное положение звезды из-за преломления в атмосфере находится ниже видимого положения.
Выберите два верных утверждения, которые соответствуют содержанию текста. Запишите в ответ их номера.
1) Согласно опытам Птолемея с увеличением угла падения линейно увеличивается угол преломления.
2) Все законы геометрической оптики были открыты в III в. до н. э.
3) Птолемей установил, что при переходе луча света из воздуха в воду угол преломления меньше угла падения.
4) Под рефракцией в тексте понимается явление изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли.
5) Рефракция проявляется в огибании световым лучом препятствий и, тем самым, в отклонении от прямолинейного распространения.