Савченко · Глава 13. Геометрическая оптика. Фотометрия. Квантовая природа света · § 13.1. Прямолинейное распространение и отражение света

Савченко, задача 13.1.1

Задача 13.1.1тень карандаша от лампы
Условие

Определите область полной тени от круглого карандаша, если источником света служит цилиндрическая газосветная лампа. Карандаш и лампа расположены параллельно друг другу.

лампа карандаш умбра полутень
К задаче 13.1.1. Внешние касательные к двум цилиндрам ограничивают полную тень.
▶Посмотреть решениеСкрыть решение
Решение
Идея Лампа — протяжённый цилиндр, карандаш — тоже цилиндр, оси параллельны. Полная тень — это область, куда не попадает ни один луч ни от одной точки лампы. Её границы — общие внешние касательные к сечениям лампы и карандаша.

В любом поперечном сечении задача плоская: светящийся круг (лампа) и непрозрачный круг (карандаш). Луч, который ещё касается обоих кругов «с одной стороны», отделяет полную тень от полутени.

Две внешние касательные либо сходятся за карандашом, либо расходятся — это решает сравнение диаметров.

Пусть \(D_\text{л}\) — диаметр лампы, \(D_\text{к}\) — диаметр карандаша.

Если \(D_\text{л}>D_\text{к}\), касательные сходятся. Полная тень — конечная клиновидная призма (в сечении — треугольник). Она обрывается на расстоянии

\[ L=\frac{D_\text{к}}{D_\text{л}-D_\text{к}}\,a \]

от карандаша, где \(a\) — расстояние между осями. Дальше есть только полутень.

Если \(D_\text{л}<D_\text{к}\), касательные расходятся. Полная тень уходит на бесконечность и расширяется — бесконечная клиновидная призма.

Если диаметры равны, касательные параллельны, и полная тень — бесконечная полоса той же ширины, что карандаш.

Газосветная лампа обычно толще карандаша, так что в комнате тень карандаша на столе уже полутень: полной тени до стола не хватает.

Проверка. Точечная лампа — предельный случай \(D_\text{л}\to0\): тень бесконечна и подобна карандашу, как в школьной «теневой» картинке. Солнце гораздо больше карандаша — поэтому уличный карандаш полной тени на земле не даёт, только размытую полутень. Размерность \(L\) — длина.
ОтветПолная тень ограничена общими внешними касательными к лампе и карандашу. При \(D_\text{л}>D_\text{к}\) это конечный клин длины \(L=a D_\text{к}/(D_\text{л}-D_\text{к})\); при \(D_\text{л}\le D_\text{к}\) — бесконечная расширяющаяся (или постоянная) полоса.
Следующая задача 13.1.2 →