Номер 3, страница 125 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

3. Объясните, почему карандаш, опущенный в воду, кажется сломанным
(см. рис. 129).

3.

Эффект "сломанного" карандаша, опущенного в воду, является оптической иллюзией, которая возникает из-за физического явления, называемого преломлением света.

Решение

Мы видим окружающие нас предметы, потому что световые лучи, отражаясь от их поверхности, попадают в наши глаза. Рассмотрим, как это происходит с карандашом, частично погруженным в воду.

1. Свет от надводной части. Лучи света, отраженные от части карандаша, которая находится в воздухе, движутся по прямой через однородную среду (воздух) и попадают в глаз наблюдателя. Эту часть мы видим в ее истинном положении.

2. Свет от подводной части. Лучи света, отраженные от части карандаша, которая находится под водой, проходят через две среды с разной оптической плотностью: сначала через воду, а затем через воздух. Вода является оптически более плотной средой, чем воздух.

3. Преломление света. Когда свет переходит из одной среды в другую на границе их раздела, он изменяет направление своего распространения. Это явление называется преломлением. При переходе из оптически более плотной среды (воды) в менее плотную (воздух) световые лучи отклоняются от перпендикуляра к границе раздела сред. Другими словами, угол преломления оказывается больше угла падения.

4. Восприятие мозгом. Наш мозг не воспринимает искривление световых лучей. Он обрабатывает поступающую информацию так, как будто свет всегда распространялся по прямой. Поэтому мозг "продолжает" преломленные лучи, идущие от подводной части карандаша, в обратном направлении по прямой линии. Точка, в которой эти мнимые прямые пересекаются, создает изображение подводной части карандаша. Это мнимое изображение оказывается расположенным выше и ближе к поверхности, чем реальная часть карандаша.

Из-за этого кажущегося смещения подводной части вверх, на границе воды и воздуха мы видим излом, и карандаш кажется сломанным.

Это явление описывается законом преломления света (законом Снеллиуса): $ n_1 \sin{\alpha} = n_2 \sin{\beta} $, где $n_1$ и $n_2$ — показатели преломления воды и воздуха соответственно, $\alpha$ — угол падения луча, а $\beta$ — угол преломления. Так как показатель преломления воды ( $n_1 \approx 1,33$ ) больше, чем у воздуха ( $n_2 \approx 1,00$ ), то для равенства угол преломления $\beta$ должен быть больше угла падения $\alpha$.

Ответ: Карандаш кажется сломанным из-за явления преломления света на границе раздела двух сред (воды и воздуха). Лучи света от подводной части карандаша, выходя в воздух, изменяют свое направление. В результате наш мозг воспринимает эту часть карандаша как находящуюся выше своего реального положения, что и создает оптическую иллюзию излома на поверхности воды.