Решение на момент правки #20232 от , автор Valter. Это не текущая версия.

Условие

13.1.4. В шторах, затемняющих комнату, образовалось маленькое отверстие. В отверстие заглянуло солнце, и по стене пополз круглый «зайчик». Почему форма зайчика не зависит от формы отверстия (треугольное, квадратное)? В каком случае появится зависимость от формы отверстия? (Тот же эффект можно наблюдать при помощи маленького осколка зеркала.)

Решение

Форма «зайчика» не зависит от формы отверстия, поскольку в данном случае работает принцип камеры-обскуры, а источник света (Солнце) является протяжённым.

Угловой размер Солнца при наблюдении с Земли составляет рад. Каждую точку отверстия в шторе можно рассматривать как точечный источник, который проецирует на стену изображение солнечного диска. Диаметр этого диска на стене равен , где — расстояние от шторы до стены.

Полное светлое пятно на стене формируется как наложение (суперпозиция) множества таких круглых дисков, центры которых смещены друг относительно друга в пределах размеров самого отверстия .
Характерный размер пятна на стене можно оценить как сумму: полн.

Отсюда возникают два предельных случая:

  1. (отверстие маленькое или стена далеко). В этом случае размер самого отверстия пренебрежимо мал по сравнению с проекцией Солнца. Множество солнечных дисков сливаются почти в один, и на стене мы видим четкое круглое изображение Солнца. Форма самого отверстия лишь создает микроскопическую размытость на краях пятна, незаметную глазу.
  2. (отверстие большое или стена близко). В этом случае размер проекции Солнца мал по сравнению с размером отверстия. Теперь уже форма пятна в точности повторяет форму отверстия (треугольник, квадрат), а угловой размер Солнца лишь создает на краях этого пятна небольшую полутень (размытость) шириной . Именно в этом случае форма зайчика начнет зависеть от формы отверстия.

Абсолютно аналогичная логика применима и к осколку зеркала: если размер зеркала , то зайчик будет круглым (изображение Солнца). Если взять большое зеркало (), форма зайчика повторит форму зеркала.

Ответ

При малых размерах отверстия () на стене формируется круглое изображение самого Солнца (эффект камеры-обскуры). Зависимость от формы отверстия появится, если размер отверстия станет соизмерим или больше проекции солнечного диска (), где — угловой размер Солнца, а — расстояние до стены.


P. S. Подробнее в книге — «Солнечный зайчик на старой стене» (Вл. Савицкий). Правда, оптики вы там не найдете, это сборник повестей о судьбах людей, но зато отлично поможет расслабится!