И  ВСЁ  ЭТО  ДЕЛАЮТ  ЗЕРКАЛА

Скотарев  Иван  Николаевич

студент  1  курса,  кафедра  физики  СтГАУ,  г.  Ставрополь

E-mail:  dragon_007.ru@mail.ru

Хащенко  Андрей  Александрович

научный  руководитель,  кан.  физ.-мат.  наук,  доцент  СтГАУ,  г.  Ставрополь

Зеркала  сыграли  свою  роль  и  в  реальной  жизни,  и  художественной  литературе.  Они  начали  выполнять  своё  назначение  с  тех  пор,  как  была  замечена  способность  спокойной  воды  отражать.  В  природе  нет  зеркал,  так  что  озера  и  реки  служили  единственными  отражателями,  пока  люди  не  научились  добывать  блестящие  металлы  из  руд  и  мастерить  из  них  грубые  отражатели  [4].

Зеркала  времён  древнегреческой  и  римской  цивилизации  были  изготовлены  большей  частью  из  полированной  бронзы,  хотя  были  известны  и  стеклянные  зеркала. 

В  ранние  времена  христианства,  когда  женщины  заботились  о  своей  внешности  не  меньше,  чем  сегодня,  они  носили  с  собой  маленькие  зеркала  в  качестве  обязательной  принадлежности  туалета.  Такие  зеркала  делались  из  золота  и  серебра,  были  предметом  гордости  богатых  дам.  В  средние  века  был  изобретён  способ  покрывать  стекло  тонким  слоем  серебра  или  стали,  что  делало  зеркала  доступными  более  широкому  кругу  людей  [3].

Но  лишь  в  эпоху  итальянского  Возрождения,  золотой  век  развития  искусств,  началось  массовое  изготовление  стеклянных  зеркал,  особенно  в  Венеции.  Венецианская  стекольная  промышленность  и  по  сей  день  пользуется  мировой  известностью.  Для  покрытия  стекла  в  Венеции  пользовались  смесью  олова  и  ртути.  Эта  пастообразная  смесь  называется  амальгамой;  её  намазывают  на  стекло  и  получают  отражающую  металлическую  поверхность.  Такая  техника  изготовления  зеркал  применяется  во  многих  местах  и  сегодня.

Высококачественные  зеркала  для  научных  целей  сложны  в  изготовлении.  Оптическая  поверхность  хорошего  отражателя  должна  быть  прежде  всего  хорошо  отшлифована  и  отполирована  так,  чтобы  не  сохранилось  неровностей,  превышающих  длину  световой  волны.  После  изготовления  она  должна  поглощать  как  можно  меньше  света.  По  своим  физическим  свойствам  для  этого  лучше  всего  подходят  такие  металлы,  как  серебро  и  алюминий.

В  наши  дни  серебрение  зеркал,  предназначенных  для  научных  целей,  производится  обычно  по  методу  Брешира.  В  этом  видоизменённом  первоначальном  методе  Либиха  используется  азотнокислотное  серебро,  аммиак  и  едкий  натрий.  В  качестве  восстановителя  берётся  сахар,  превращающий  азотнокислотное  серебро  в  металлическое.

В  последние  годы  алюминий  вытеснил  серебро  при  изготовлении  покрытий  многих  зеркал  (лицевое  покрытие),  особенно  тех,  которые  служат  объективами  телескопов.  Алюминий  даёт  более  плотное  покрытие,  чем  серебро,  при  этом  оказывается  более  мягким  и  устойчивым  по  отношению  к  коррозии  [1].

Луч  света  падающий  на  зеркало  отражается  в  соответствии  с  законом  отражения:  угол  падения  каждого  луча  света  равен  углу  его  отражения  (рисунок  1).

Рисунок  1.  Закон  отражения  света

Плоские  зеркала  дают  мнимые  изображения  предметов,  они  к  тому  же  ещё  и  поворачивают  его  в  разные,  не  соответствующие  действительности,  стороны.  Если  вы,  например,  посмотрите  на  себя  в  зеркало,  то  правая  сторона  вашего  тела  на  изображении  будет  перед  вами  справа.  В  жизни  же  правая  сторона  того,  кто  стоит  перед  вами,  находится  слева  от  вас.  В  оптике  это  изображение  называется  зеркальным  или  инверсией.  Изображение  в  плоском  зеркале  всегда  имеет  те  же  размеры,  что  и  объект,  если  их  обоих  рассматривать  с  поверхности  [5].

Сферические  зеркала  —  это  зеркала,  отражающая  поверхность  которых  является  частично  сферой.  Сферические  зеркала  бывают  вогнутые  и  выпуклые.

У  вогнутого  зеркала  отражающей  поверхностью  является  внутренняя  поверхность  сферы.  Если  на  такое  зеркало  направить  несколько  параллельных  пучков  света,  то  отразившись  от  него,  они  пересекутся  в  одной  очке  (фокус  зеркала).

У  выпуклого  зеркала  отражающей  поверхностью  является  внешняя  поверхность  сферы.  Если  на  это  зеркало  направить  параллельные  пучки  света,  то  они  отразятся  по  разным  направлениям.

  Если  зеркало  искривить,  у  него  появится  множество  интересных  и  полезных  свойств.  Так  вогнутое  зеркало  даёт  увеличенное  изображение  предмета  и  используется  в  повседневной  жизни  как  неотъемлемая  часть  женского  туалета.  Такие  зеркала  применяются  так  же  в  телескопах,  прожекторах,  микроскопах,  фотокамерах,  солнечных  нагревателях,  а  в  последние  время  —  в  лазерах  и  на  космических  кораблях.

Выпуклое  зеркало  даёт  уменьшенное  изображение  предметов.  При  этом  наше  поле  зрения  увеличивается,  что  позволяет  охватить  взглядом  сразу  большой  угол,  чем  может  наш  невооруженный  глаз.  Такие  зеркала  используются  в  телескопах  некоторых  типов,  в  фотокамерах,  в  качестве  зеркала  заднего  вида  у  автомобилей.

Не  все  знают,  что  искривлённое  зеркало  часто  может  играть  роль  линзы.  Как  и  линза,  оно  изменяет  ход  световых  лучей.  Однако,  во  многих  случаях  использование  зеркал  в  качестве  оптических  устройств  является  более  предпочтительным,  так  как  они  проще  дешевле  в  изготовлении.

Даваемые  вогнутым  зеркалом  действительные  изображения  могут  быть  любых  размеров  в  зависимости  от  расстояния  до  проекции.

Выпуклое  зеркало  даёт  только  уменьшенные  и  прямые  изображения,  так  как  его  поверхность  искривлена  наружу  [5].

Зеркала  являются  основной  частью  сотен  приспособлений,  полезных  и  необходимых  в  жизни  современного  общества.  В  фотоаппаратах,  телескопах,  микроскопах,  биноклях,  увеличителях,  дальномерах  —  везде  используются  зеркала  [2].

Моряки  используют  зеркала  в  секстантах,  которыми  они  нацеливаются  на  солнце,  чтобы  определить  широту  и  долготу,  т.е.  положение  своего  корабля.

Зеркалами  оснащены  перископы  подводных  лодок,  чтобы  можно  было  следить  за  поверхностью  воды.  В  солнцезащитных  очках,  смотровых  глазках,  в  приборах  для  измерений,  при  цветной  киносъёмке  используются  такие  зеркала,  которые  одновременно  и  отражают,  и  пропускают  свет  [4].

В  зависимости  от  своего  расположения  зеркала  «поворачивают»  изображение  либо  в  горизонтальной,  либо  в  вертикальной  плоскости.  Иногда  изображение  оказывается  повёрнутым  так,  что  мы  не  можем  решить,  где  на  самом  деле  находится  и  как  повёрнут  сам  объект.  Фокусники  и  маги  часто  пользуются  этими  удобными  для  них  свойствами  зеркал,  чтобы  обвести  зрителя  вокруг  пальца,  поскольку  наши  глаза  не  могут  отличить  реального  предмета  от  его  изображения.  Например,  старым  классическим  трюком  является  демонстрация  человеческой  головы,  лежащей  на  блюде  на  столе  [3].

Одно  из  чудесных  свойств  зеркал  состоит  в  том,  что  они  позволяют  переносить  изображения  куда  угодно,  если  они  образуются  в  неудобном  для  наблюдения  месте,  или  находится  там,  где  мы  не  можем  его  непосредственно  увидеть.  С  помощью  зеркал  можно  перенести  изображение  в  более  удобное  место,  что  и  делается  во  многих  оптических  приборах.

Зеркала  издавна  употребляются  в  целях  сигнализации.  Ими  пользуются  маленькие  дети,  туристы,  путешественники  в  пустыне  или  океане,  военные  и  т.  д.

Глазные  врачи,  не  располагающие  кабинетами  достаточной  длины,  чтобы  проверить  остроту  зрения  на  стандартном  расстоянии  5  м  от  таблицы,  часто  «удлиняют»  свой  кабинет,  используя  отражения  этой  таблицы,  висящей  на  задней  стене  кабинета,  в  зеркале  на  передней  стене.  Тогда  пациент  видит  таблицу  так,  как  если  бы  он  глядел  на  неё  с  расстояния  удвоенной  длины  кабинета  [2].

Иллюзионист  может  так  же  использовать  зеркала,  чтобы  прятать  от  зрителей  предметы  —  целиком  или  частично.  Отражённые  зеркалами  изображения  маскируют  присутствие  самих  зеркал,  внушая  зрителям  ложное  представление  о  расстановке  предметов.

Другой  увлекательный,  хотя  и  ставящий  многих  в  тупик,  аттракцион,  —  это  зеркальный  лабиринт,  представляющий  собой  комнату,  стены  которой  увешаны  плоскими  зеркалами.  Все  зеркала  повёрнуты  под  разными  углами,  и  в  них  многократно  отражаются  все  проходы  и  двери.  Попавший  в  лабиринт  посетитель  теряется,  увидев  несусветное  количество  выходов,  которые  он  не  может  отличить  от  истинных  [3].

Проблема  использования  искривлённых  зеркал  для  собирания  обильного  потока  энергии,  который  непрерывно  испускается  нашим  солнцем,  уже  давно  привлекает  к  себе  внимание  инженеров  и  учёных.

По  современным  оценкам  количество  солнечной  энергии,  падающей  на  Землю,  в  3000  раз  больше,  чем  употребляет  в  настоящие  время  человечество  для  всех  своих  нужд.

Проекты  использования  зеркал  для  собирания  солнечной  энергии  корнями  в  древность,  к  легендарной  попытке  Архимеда  поджечь  римский  флот  в  212  году  до  нашей  эры.  В  1747  году  французский  естествоиспытатель  Ж.Л.  Бюффон  расположил  40  небольших  плоских  зеркал  в  параболоид  и  пожёг  с  их  помощью  штабель  дров  на  расстоянии  60  метров,  подтвердив  тем  самым  правдоподобность  легенды  об  Архимеде.  В  конце  XVIII  столетия  французский  химик  Антуан  Лавуазье  и  английский  химик  Джозеф  Пристли  нагревали  химические  вещества  с  помощью  вогнутых  зеркал,  так  как  при  изучении  законов  химических  превращений  они  не  хотели  загрязнять  продукты  реакции  выделениями  газовой  горелки.

Позднее  французское  правительство  установило  экспериментальное  зеркало  на  вершине  Пиренеев.  Это  зеркало  представляет  собой  параболический  отражатель,  дающий  температуру  3000°  и  мощность  75  киловатт.  Подобный  же  рефлектор  был  построен  в  Натике  (штат  Массачусетс,  США).  В  дальнейшем  от  цилиндрического  отражателя  удалось  получить  мощность  100  лошадиных  сил  [3].

За  последние  несколько  лет  были  разработаны  способы  преобразования  энергии  света  в  значительные  количества  электроэнергии  с  помощью  солнечных  батарей  и  термоэлементов.  Это  вновь  привлекло  внимание  к  отражателям  как  «сгустителям»  солнечной  энергии.

В  настоящее  время  построены  большие  рефлекторы,  по  форме  напоминающие  зонтик,  которые  используются  в  качестве  печей  на  открытом  воздухе  в  бедных  горючим,  но  изобилующим  солнцем  районах,  таких  как  Индия  и  Африка.

В  1672  году  Исаак  Ньютон,  крупнейший  научный  мыслитель  своего  времени,  пришёл  к  заключению,  что  невозможно  построить  телескоп  рефрактор,  который  бы  удовлетворил  бы  запросы  астрономов  при  наблюдении  далёких  соседей  —  планет  и  их  спутников.  У  Ньютона  родилась  мысль:  применить  в  качестве  объектива  вогнутое  зеркало  вместо  выпуклой  линзы  (рисунок  2).

Рисунок  2.  Рефлектор  Ньютона

С  течением  времени  создавались  всё  более  крупные  телескопы-рефлекторы,  так  как  астрономы  поняли,  что  только  очень  большие  зеркала  могут  собрать  заметное  количество  света,  доходящего  до  нас  от  далёких  областей  бесконечной  Вселенной  [5].

В  1957  году,  после  стремительного  наступления  космической  эры,  представители  космической  науки  естественно  обратились  к  проблеме  использования  вогнутых  зеркал  для  собирания  мощного  и  непрерывного  в  условиях  космоса  солнечного  излучения.  Примерно  в  это  время  немецкий  учёный-ракетчик,  работавший  в  США,  Краффт  Эрике,  предложил  использовать  два  больших  вогнутых  отражателя  для  разогревания  двигателя  с  жидким  водородом,  дающего  тягу  ракете  [3].

Для  испытания  эффективности  различных  зеркальных  собирателей  света,  производящих  электроэнергию,  корпорация  «Сандстрэнд»  в  Денвере  построила  крупнейшую  в  мире  следящую  систему.  Эта  система  оснащена  13  м  параболическим  зеркалом,  автоматически  следящем  за  солнцем  при  его  движению  по  небу.

Это  13  метровое  зеркало  собирает  солнечные  лучи  в  пятно  в  20  см,  температура  в  котором  достигает  2000°.

Такие  зеркала  можно  будет  упаковывать  весьма  компактно  в  космических  кораблях,  так  как  они  сделаны  из  пластмассовой  плёнки  и  пенопласта.  На  орбите  их  можно  будет  легко  надувать  газом  и  устанавливать  в  нужном  направлении.

Корпорация  «Вестингауз»  исследует  вопрос  о  применении  огромных  параболических  рефлекторов  в  качестве  солнечных  парусов.  Эти  паруса  подобны  обычным  парусам  на  лодках,  только  вместо  ветра  давление  на  зеркальные  паруса  будет  оказывать  свет.  Как  и  другие  зеркала,  предназначенные  для  космических  исследований,  солнечные  паруса  позволяют  значительно  снизить  вес  космического  корабля  [5].

Чтобы  ясно  и  подробно  рассмотреть  внутреннее  устройство  человеческого  глаза,  нужно  направить  в  него  свет  с  помощью  маленького  плоского  или  вогнутого  зеркал.

Все  кому  доводилось  бывать  в  комнате  смеха,  наверняка  потешались  над  своим  уродливым  изображением  в  кривых  зеркалах.  Такие  зеркала  используются  в  популярных  аттракционах,  на  морских  курортах,  в  парках  и  других  местах  отдыха.  Чудные  превращения,  которым  подвергается  ваше  изображение  в  кривых  зеркалах,  объясняется  их  формой  —  вогнутой,  выпуклой  или  цилиндрической.  Поэтому  в  зависимости  от  кривизны  зеркала  вы  выглядите,  то  высоким,  то  низким,  то  худым,  то  толстым,  но  только  не  такими,  как  на  самом  деле  [1].

Проблема  измерения  скорости  света  захватила  воображение  ученых-экспериментаторов  того  времени,  как  в  предыдущие  века  она  властвовала  над  умами  астрономов  (рисунок  3).

Преимущества  зеркал  при  прецизионных  измерениях  были  продемонстрированы  в  1884  г.  американским  физиком  Альбертом  Майкельсоном,  измерившим  с  их  помощью  скорость  света.  Майкельсон  позднее  был  удостоен  за  свои  эксперименты  Нобелевской  премии.  Его  работы  заняли  своё  место  среди  величайших  достижений  науки  [2].

Рисунок  3.  История  измерения  скорости  света

Таким  образом,  обобщая  рассмотренный  материал  можно  сделать  общий  вывод  о  том,  что  оптические  приборы  и  устройства,  использующие  различные  виды  зеркал,  в  дальнейшем  будут  находить  всё  большее  применение  в  различных  областях  техники,  что  приведёт  к  созданию  в  ближайшем.

Список  литературы:

1.Артамонов  И.Д.  Иллюзии  зрения:  изд.  3-е.  М.:  Наука,  1969.  —  234  c.

2.Блудов  М.И.  Беседы  по  физике  Часть  II:  научн.  изд.  М.:  Просвещение,  1985.  —  208  с.

3.Глюк  И.  И  всё  это  делают  зеркала:  изд.  М.:  Мир,  1970.  —  191  с.

4.Енохович  А.С.  Хрестоматия  по  физике:  изд.  М.:  Просвещение,  1982.  —  223  с.

5.Шосток  В.И.  Природа  наших  ощущений:  изд.  М.:  Просвещение,  1983.  —  127  с.