В опытах участвуют:
• зеркала разных размеров и форм (от зеркала в ванной комнате до зеркала в маминой косметичке);
• два больших квадратных куска стекла, цветные стеклышки, бусинки, металлические крышки и пуговицы, фольга;
• две свечи, фонарик, солнце и другие источники света (включая спички);
• листы плотной и писчей бумаги, картон, лист копировальной и пергаментной бумаги, ножницы, цветные карандаши, краски, черная тушь, кисточка, клей;
• альбом-тетрадь для эскизов, шариковая ручка, линейка, транспортир, ластик, три булавки, скрепки, пластилин;
• спиртовой термометр, тонкостенный стакан;
• шар или мяч, веревка, гвоздь, крючок, круглая коробочка;
• зубная щетка, паста или порошок;
• юные читатели, их друзья, родители и педагоги.
Человеку всегда было интересно узнать, как он выглядит, но в природе нет зеркал. Возможно, первым зеркалом для человека стала лужица воды.
Мифы Древней Греции говорят, что когда-то, в глубокой древности, увидев свое отражение на зеркальной поверхности воды, прекрасный юноша Нарцисс был настолько им очарован, что никак не мог оторвать свой взгляд. Боги проявили сострадание и превратили юношу в прекрасный и ароматный цветок – как вы догадываетесь – нарцисс.
Но ведь лужицу не унесешь в кармане, а значит, не увидишь себя, когда захочешь. И люди стали думать, как бы сделать так, чтобы лужица всегда была под рукой.
Древние египтяне, жившие пять тысяч лет тому назад, уже тогда придумали зеркало. Правда, оно было совсем не таким, каким пользуемся мы. Представьте себе небольшой кружок из бронзы, одна сторона которого очень гладкая. Если в него всмотреться, то можно увидеть себя.
Возьмите металлическую крышку или пуговицу, смочите ее поверхность водой, а затем зубной щеткой с пастой или порошком потрите ее. Даже опытным зеркальщикам надо делать это достаточно долго. В конце концов отполированная поверхность превращается в зеркало.
Зеркало, похожее на то, которым мы пользуемся сегодня, придумали стеклоделы древней Венеции. Это именно они догадались на стеклянную пластинку нанести слой металла. Производство было долгим, сложным и опасным для здоровья. Зато зеркала получались изумительные – они сверкали, отражая блеск свечей. Люди могли видеть в них себя во весь рост. А главное – зеркала не тускнели и не темнели на воздухе, как это было с бронзовыми.
Мастера, изготовлявшие зеркала, пользовались в Венеции большим уважением, но им под страхом смертной казни запрещалось разглашать секреты своего ремесла. Все мастеровые жили на острове Мурано, в двух километрах от Венеции, куда никто из посторонних не мог попасть. Долгое время просуществовала эта монополия на производство стеклянных зеркал. Но однажды французский посол в Венеции получил из Парижа секретное письмо. В нем требовалось немедленно найти рабочих для строящейся королевской зеркальной фабрики. Задача непростая – сманить мастеровых из Мурано. Посол хорошо знал венецианские законы. В одном из них писалось:
«Если стекольщик перенесет свое ремесло в другую страну, его родственники будут отправлены в тюрьму, а к нему будут посланы люди, чтобы его убить». И все же французам удалось сманить вначале четырех мастеров зеркального дела, а через некоторое время еще двух. Мастеров поселили чуть ли не во дворце. Деньги им платили огромные. Исполняли все их прихоти и желания. И через несколько лет во дворцах – Версальском, Фонтебло, Лувре – появились прекрасные зеркала, сделанные во Франции. С той поры зеркалами украшали дворцы королей и зáмки богатых людей. Зеркала, стоившие очень дорого, служили символом богатства и достатка. Теперь зеркала стали доступны всем. Припомни, сколько в вашем доме зеркал? Мы уже привыкли к ним, не обращаем на них внимания, не замечаем их свойств.
Подойдите к зеркалу. Смотрите, вам навстречу идет ваше собственное изображение со всеми мельчайшими подробностями, которые ни один художник не в состоянии изобразить с такой точностью. Мы каждое утро подходим к зеркалу, не обращая особого внимания на изображение. А сегодня постарайтесь очень внимательно всмотреться в него. Слегка поклонитесь зеркалу. Вы видите, что изображение в зеркале делает то же самое? Покачайте головой, подмигните.
Прикоснитесь левой рукой к холодной поверхности зеркала. Но – стоп! Что это? Ваше изображение навстречу левой руке протянуло правую руку. Это легко понять, мысленно представив, что ваша свободная правая рука, если бы она могла попасть за зеркало, точно бы совпала с тем изображением, которое мы видим в зеркале. А если прикоснуться правой рукой? Теперь вы убедились, что изображение в зеркале меняет левое на правое. Помните из сказки А.С. Пушкина: «Свет мой, зеркальце, скажи, да всю правду доложи».
Как видим, зеркало не может доложить всю правду. Нельзя говорить, что зеркало не лжет. Это не соответствует истине. Зеркала говорят полуправду. Они искажают, меняют левое на правое.
Подумайте, где надо поставить зажженную свечу, чтобы рельефнее увидеть свое лицо в зеркале? Ваш ответ проверьте на опыте.
Один из двух одинаковых кусочков фольги хорошо разгладьте ногтем. Возьмите два прозрачных стекла. Одно положите на очень хорошо разглаженную, а другое – на не совсем гладкую фольгу. Посмотрите в них как в зеркало. Какое изображение больше похоже на вас? Попытайтесь найти причину этого.
Тела, которые сами не светятся, становятся видимыми, если на них направить луч света. Можно понаблюдать беспорядочное движение множества пылинок, попавших в луч от фонарика. Включайте и выключайте фонарик несколько раз. Вы поймете, почему только в лучах света видна пыль? Совсем не потому, что пыли нет там, где нет световых лучей.
Если взять большое прямоугольное зеркало и отразить световой луч на пол и на далеко стоящую стену, то следы отражения у вас под ногами и на удаленном экране будут отличаться. Проверьте самостоятельно. Обратите внимание на яркость светового пятна, его размеры, на очертания зеркала. Интересно, не меняя направления солнечного зайчика, получить его след на близко и далеко расположенных плоскостях. Далекие изображения больше по площади, зато бледнее, их очертания размыты и напоминают окружность.
Забавно ловить зеркальцем солнечный луч и передавать его на зеркало товарища. Образно это можно представить так: при каждой передаче часть могущества луча теряется, и он, расширяясь, покрывает большую поверхность. На острых очертаниях границ потери энергии значительнее, чем в центре, где все лучи вместе.
Человеческий мозг обладает удивительным свойством: мысленно возвращать обратно расходящийся пучок света, попадающий в глаз. А расходящийся пучок непременно при возвращении должен собраться в одной точке. Она и воспринимается нами как изображение, состоящее из таких точек. И поскольку в самом деле реально изображение не существует, такое кажущееся изображение источника света в нашем сознании называется мнимым. Плоские зеркала создают мнимые изображения. В его создании большую роль играют устройство и работа нашего мозга. Но мы так привыкли к изображению в зеркале, что даже не замечаем роли нашего сознания в этом. Докажем?
Поставьте перед собой вертикально зеркало на столе. Положите перед ним лист бумаги. Попробуйте, глядя только в зеркало, нарисовать на бумаге прямоугольник и соединить его вершины, но не смотрите при этом прямо на свою руку, а следите лишь за движением руки, отраженной в зеркале. Вам легче будет это сделать, если одной рукой вы будете придерживать экран, расположенный между вами и бумагой.
Зрительные впечатления и двигательные ощущения человека вашего возраста уже успели прийти в определенное соответствие. Зеркало нарушает эту связь, так как представляет глазам движения вашей руки в искаженном виде.
Нужны многоразовые тренировки, пока привычка видеть в зеркале обращенное изображение и рисунок, который следует нарисовать, придут в соответствие. Тогда вы сможете выиграть в соревновании на лучший рисунок, созданный глядя в зеркало.
Всякая наука начинается с измерений. Толщину зеркала можно легко установить, не производя никаких измерений. Изображение в зеркале всегда кажется находящимся на таком же расстоянии позади зеркала, на каком сам предмет находится перед зеркалом.
Приложите карандаш вертикально к поверхности зеркала так, чтобы кончик графита касался стекла. Вы заметили, что между концом карандаша и его изображением есть некоторое расстояние? Если бы зеркало было металлическим, карандаш в этом месте касался бы своего изображения. В нашем зеркале отражающий слой находится на обратной стороне стеклянной пластинки. Поэтому толщина зеркала в точности равна половине расстояния между карандашом, прислоненным вплотную к зеркалу, и его изображением в нем. Свет отражается от непрозрачного металлического слоя в зеркале. Поэтому в металлическом зеркале изображение кончика карандаша практически сливается с реальным, а в стеклянном – их разделяют толщина стекла и его отражение. Истинная толщина стеклянной прокладки вдвое меньше видимого расстояния.
Положите на стол лист бумаги. Нарисуйте на нем большую цифру 1. Расположите зеркало так, чтобы изображение единицы в зеркале было вертикальным. А как расположить зеркало, чтобы нарисованная на листе единица изображалась вертикально, не перевернутой, стоящей вниз головой? (Молодцы, если вы догадались наклонить зеркало на угол, равный половине прямого.)
Кстати, так можно без транспортира поделить прямой угол на две равные части. Зеркало всегда делит по-честному на две равные части и расстояние между предметом и изображением, и углы между ними.
Учение о свете назвали оптикой, и как в каждой науке, в оптике есть свои законы.
А хотите встретить Новый год с красивым снегопадом, не выходя из квартиры?! Снежную метелицу вокруг вашей елки создать очень просто. Наклейте маленькие зеркальца, блестящие металлические кружочки или просто замазанные черной тушью с обратной стороны небольшие стеклышки или, в крайнем случае, кусочки фольги на круглый мяч или шар. Подвесьте шар на прочной нити над елкой и раскрутите его. Заклейте переднее стекло фонарика картонкой с прорезью. Остается только направить луч фонарика на вращающиеся зеркальца – и снегопад на стенах вашей комнаты пойдет в заданном вами темпе. Хотите сильную метель – вращайте сильнее. Если взять упругую нить, снегопад будет менять свое направление. Ничего, что это только впечатление и снег не тает. Движущиеся зеркальца, на которые падает свет под разными углами, так же под разными углами их и отражает. Чем больше зеркал, тем больше снежинок, чем меньше их размеры, тем гуще падает снег. Подумайте, почему это так? Как лучше освещать шар – сбоку или снизу? Попробуйте освещать шар под разными углами. Сохраните все оборудование для новогоднего праздника.
С помощью солнечного зайчика можно греть воду, готовить пищу, плавить металл. Конечно, для этого нужны специальные приспособления.
Наверное, первым употребил зеркало для технических целей (точнее – для военных) древнегреческий математик и физик Архимед. Предание гласит, что когда в 212 г. до н. э. неприятельский римский флот подошел к греческому городу Сиракузы, пытаясь захватить его, ученый обратился к жительницам Сиракуз: «Женщины! Что дороже вам: ежедневно следить за своей красотой или быть свободными? Если вам ненавистно рабство, бейте свои дорогие и красивые зеркала на части и несите их осколки на обрыв, ведущий к гавани». Ученый расставил женщин с зеркалами в руках на склонах крутого берега так, что из маленьких плоских зеркал образовалось огромное вогнутое зеркало, Сотни солнечных зайчиков, направленных на парусники деревянных судов, подожгли корабли римлян. Город остался свободным.
В тонкостенный стакан с водой опустите спиртовой термометр. (Наверное, он сохранился в ванных комнатах квартир, где купали малышей. Таким термометром еще измеряют температуру воды в аквариуме). С помощью большого плоского зеркала постарайтесь постоянно некоторое время направлять солнечный зайчик на воду. Внимательно рассмотрите и зарисуйте шкалу термометра до начала эксперимента и после его окончания. Если спиртовой столбик пополз вверх, значит, вода нагрелась. А зеркало? Прикоснувшись к поверхности зеркала щекой, вы сможете дать правильный ответ.
Не замечали ли вы во время купания в ванной комнате, как поверхность зеркала становится матовой, и вы уже не видите свое изображение в нем. Попробуйте на поверхности этого зеркала указательным пальцем, как кисточкой, написать большими буквами слово «тайна». Через некоторое время после купания зеркало просохнет и снова будет отражать свет, а ваша надпись исчезнет. Каким же будет удивление, когда в следующий раз, купаясь в ванне, вы снова увидите на запотевшем зеркале прежнюю надпись. «Тайна» вновь станет зримой. Сразу нелегко сообразить, в чем тут дело. Если всякий раз, купаясь в ванной, вам захочется повторить этот эксперимент, а однажды злополучную надпись вы догадаетесь сделать чистой от красок кисточкой, то, возможно, поймете секрет исчезновения и появления «тайны».
Вы уже знаете, что отражающие пленки, покрывающие заднюю поверхность стекла в зеркалах, содержат сплавы металлов ртути, хрома, алюминия, свинца, серебра. Со временем состав этих сплавов изменяется. Кислород и водяные пары из воздуха, проникая сквозь щели и царапины в защитном слое лака, окисляют металлы и разрушают сплавы. Зеркало постепенно тускнеет, на нем начинают появляться трещины и «морщины». А чем больше «морщин», тем старше зеркало, тем хуже оно может работать (отражать свет).
Берегите зеркала от влаги и перепада температур. Не снимайте и не царапайте заднюю стенку!
Чтобы комната казалась больше, в ней часто ставят большое зеркало. Вся комната отражается в нем и таким образом как бы удваивается. Конечно, для полной иллюзии нужно, чтобы зеркало было очень хорошим и совершенно чистым, чтобы оно ничем не выдавало себя. Если и противоположную стену комнаты сделать зеркальной, то она покажется бесконечной.
Отражение одного зеркала повторится в другом, затем опять в первом – и так, пока лучи совершенно не ослабеют и не сольются где-то в бесконечной дали. Вы могли наблюдать подобное в фойе театра, салоне парикмахерской, гостиницах. Давайте воспроизведем описанную ситуацию в небольшом масштабе.
Подберите два одинаковых, но не очень маленьких зеркала. Закрепите их на столе одно против другого, а между ними установите свечу. Чем больше размеры зеркал, тем большее количество свечей вы видите в каждом зеркале. В первом зеркале, в которое мы смотрим, видно не только зеркальное отражение поставленной свечи, но и второе зеркало с отраженной в нем картиной. Так возникают попеременно все новые и новые зеркальные отражения.
Долгую и интересную жизнь прожил шотландский физик Дэвид Брюстер. Почти двадцать лет он редактировал «Эдинбургскую энциклопедию» (энциклопедия – справочное научное издание, содержащее упорядоченный свод разнообразных знаний). Много лет он преподавал в университете. Д. Брюстер участвовал в организации Британской ассоциации развития наук и свыше 30 лет был ее президентом. Его избрали почетным членом Французской и Российской академий наук.
Долгие годы его занимали загадки света. В физике хорошо известен закон Брюстера. Но немногие знают, что Дэвид Брюстер наряду с линзами для маяков, подковообразным электромагнитом и стереоскопом в 1817 г. изобрел очень интересную, простую и занимательную детскую игрушку, основанную на принципе многократных отражений в плоских зеркалах, – калейдоскоп. Название происходит от двух греческих слов и буквально означает красивый вид. Действительно, когда смотришь в торец трубки, внутри которой узкие зеркальные пластинки, то разноцветные стеклышки между зеркалами, отражаясь в них, создают великолепные цветные картинки. Вращая трубку, вы меняете взаимное расположение стеклышек, и «живые» картины симметричных узоров сменяют друг друга.
Сделать калейдоскоп несложно. Особенно с помощью старших. Сделайте картонную трубку длиной 25 см и внутренним диаметром 8 см. Три полоски тонкого стекла такой же длины и шириной 7 см закрасьте черной тушью или заклейте фольгой (если нет плоского зеркала). Вставьте в трубку три полоски так, чтобы одна из них была повернута вовнутрь треугольника. Эта черная стенка вставляется для того, чтобы не слишком путать картину бесчисленными отражениями. Закрепите стекла, чтобы они не двигались во время вращения трубки. Один конец трубки заклейте кружком с маленьким отверстием посередине для глаза. Подыщите круглую коробочку с диаметром немного большим, чем диаметр трубки. В крышке и дне этой коробочки следует вырезать круглые отверстия на всю их величину. Оставьте только узкие края. Дно коробочки заклейте прозрачной, но крепкой бумагой, а крышку – стеклянным кружочком. Коробочка получится с прозрачной стеклянной крышкой и с пропускающим свет дном. Крышку наденьте на трубку калейдоскопа. Теперь насыпьте в коробочку разной пестрой мелочи – разноцветные бусинки, цветные стеклышки, маленькие пуговицы – и направьте трубку на свет. Посмотрите в маленькое отверстие и попробуйте изменять наклон и вращать трубку вокруг оси. Если же вам купили готовый калейдоскоп и вы достаточно поиграли с ним, очень полезно разобрать его и собрать снова. Можно наполнить его новым содержимым. Как следует из нашего предыдущего рассказа, самостоятельное изготовление даже простой детской игрушки явится серьезным научным достижением, за которым непременно последует открытие собственных законов.