Почему ложка в воде кажется сломанной?
Прямая ручка ложки может выглядеть изогнутой или сдвинутой на границе воды. Ручка остаётся прямой: свет меняет направление по дороге от погружённой части к глазу. Это преломление света.
Опыт: ложка остаётся неподвижной
Возьмите ложку с прямым участком ручки, прозрачный стакан, воду комнатной температуры и широкую миску. Подойдёт и жёсткая палочка для еды. Выберите хорошо освещённое место и однотонный фон.
- Сначала рассмотрите сухую ручку. Наклонно поставьте ложку в частично наполненный стакан: часть прямого участка ручки должна быть над водой, а часть — под ней.
- Удерживайте ложку неподвижно. Посмотрите сбоку на уровень воды, затем немного поднимите голову и сместитесь в сторону. Отметьте, совпадают ли две части ручки, сдвигаются ли относительно друг друга, появляется ли излом.
- Выньте ложку и снова рассмотрите тот же участок. Сравните его настоящую форму с тем, что было видно через воду.
- Повторите опыт в широкой миске, глядя сверху через открытую поверхность воды. Выберите положение, в котором свет от погружённой ручки идёт к глазу через поверхность воды, а не через стенку. Снова оставьте ложку неподвижной и поменяйте угол наблюдения. Перед сравнением дождитесь, пока рябь уляжется.
Что записать
Сделайте две записи: «форма сухой ручки» и «вид из этой точки». Это разные наблюдения. Если эффект слабый, измените наклон ложки или положение головы, а затем снова зафиксируйте ложку для сравнения. Слабый эффект в одном положении не означает, что вода перестала преломлять свет.
Проследите путь света к глазу
Рассмотрим взгляд в миску через открытую поверхность. Свет, отражённый от погружённой точки, проходит через воду, выходит в воздух и попадает в глаз. При наклонном падении прошедший через границу луч отклоняется от нормали — воображаемой линии, перпендикулярной поверхности. В воздухе свет распространяется быстрее, чем в воде. Луч, идущий точно вдоль нормали, сохраняет направление.
От сухой и погружённой частей свет приходит к глазу разными путями. Поэтому видимые контуры этих частей могут не совпадать, хотя сама ручка не изменилась.
Почему подводная часть видна в другом месте
На схеме продолжим вышедшие из воды лучи назад прямыми пунктирными линиями. Для узкого пучка лучей такие продолжения указывают кажущееся положение ближе к поверхности. Сам свет идёт по сплошным линиям; по пунктирным продолжениям он не проходит.
Такое кажущееся положение называют мнимым изображением. На схеме показаны плоская спокойная поверхность воды и небольшой пучок лучей. Это модель для объяснения сдвига, а не точный контур любой ложки при любом угле наблюдения.
Что добавляет круглый стакан
Если смотреть через боковую стенку стакана, свет проходит ещё и через стекло. Изогнутые поверхности могут менять видимую ширину и положение ручки. Сравнение с миской помогает наблюдать преломление на открытой поверхности воды без пути через боковую стенку.
Одинакового излома во всех сосудах и из всех точек ждать не стоит. На картину влияют глубина воды, положение ручки, угол наблюдения и форма сосуда.
Проверьте объяснение
Выберите объяснение наблюдения или откройте ответы ниже.
Ответы и пояснения
- При смене точки наблюдения меняются пути света, попадающего в глаз: Да. Из разных точек вы видите свет, прошедший через воду и воздух разными путями. Видимое совмещение частей меняется, хотя ручка остаётся прямой.
- Когда я двигаю головой, вода сгибает металл то в одну, то в другую сторону: Для изменения картинки ручке не нужно менять форму. Преломление меняет видимое положение погружённого участка.
- Вода должна создавать совершенно одинаковый видимый излом при любом угле: Кажущийся сдвиг зависит от геометрии наблюдения. Стенка стакана может добавлять искажения.
Что позволяет узнать этот опыт
Сравнение связывает кажущийся излом с направлением взгляда и позволяет проверить, что ручка осталась прямой. Оно не измеряет скорость света или показатель преломления воды. Для этого нужны контролируемые измерения углов или другой подходящий эксперимент.