Что такое оптическое явление. Jl

“Оптические явления в природе”

Введение

а) Понятие оптики

б) Классификация оптики

в) Оптика в развитии современной физики

Явления, связанные с отражением света

4. Полярные сияния

Введение

Понятие оптики

Весьма наивными были первые представления древних ученых о свете. Они думали, что зрительные впечатления возникают при ощупывании предметов особыми тонкыми щупальцами, которые выходят из глаз. Оптика была наука о зрении, именно так наиболее точно можно перевести это слово.

Постепенно в средние века оптика из науки о зрении превратилась в науку о свете, способствовало этому изобретение линз и камеры-обскуры. На настоящий момент времени оптика - это раздел физики, исследующий испускание света и его распространение в различных средах, а также взаимодействие его с веществом. Вопросы, связанные со зрением, устройством и функционированием глаза, выделились в отдельное научное направление - физиологическая оптика.

Классификация оптики

Cветовые лучи – геометрические линии, вдоль которых распространяется световая энергия, при рассмотрении многих оптических явлений можно пользоваться представлением о них. В этом случае говорят о геометрической (лучевой) оптике. Широкое распространение геометрическая оптика получила в светотехнике, а также при рассмотрении действий многочисленных приборов и устройств – от лупы и очков до сложнейших оптических телескопов и микроскопов.

Интенсивные исследования открытых ранее явлений интерференции, дифракции и поляризации света развернулись в начале XIX века. Данные процессы не объяснялись в рамках геометрической оптики, поэтому необходимо было рассматривать свет в виде поперечных волн. В следствии этого появилась волновая оптика. Изначально считали, что свет - это упругие волны в некоторой среде (мировом эфире), заполняющей мировое пространство.

Но английский физик Джеймс Максвелл в 1864 году создал электромагнитную теорию света, по которой волны света – это электромагнитные волны с соответствующим диапазоном длин.

А уже в начале XX века, новые проведенные исследования показали, что для объяснения некоторых явлений, например фотоэффекта, существует необходимость представить световой пучок в виде потока своеобразных частиц – световых квантов. Исаак Ньютон имел аналогичную точку зрения на природу света еще 200 лет назад в своей “теории истечения света”. Сейчас этим занимается квантовая оптика.

Роль оптики в развитии современной физики.

В развитии современной физики немалую роль сыграла и оптика. С оптическими исследованиями связано в приципе возникновение двух наиболее важных и революционных теорий двадцатого столетия (квантовой механики и теории относительности). Оптические методы анализа вещества на молекулярном уровне породили специальное научное направление – молекулярную оптику, к ней также относится оптическая спектроскопия, применяемая в современном материаловедении, при исследованиях плазмы, в астрофизике. Также существуют электронная и нейтронная оптики.

На современном этапе развития созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало, разработаны оптические модели атомных ядер.

Оптика, влияя на развитие разных направлений современной физики, и сама сегодня находится в периоде бурного развития. Главным толчком к этому развитию послужило изобретение лазеров - интенсивных источников когерентного света. В итоге волновая оптика поднялась на более высокую ступень, ступень когерентной оптики.

Благодаря появлению лазеров появилось очень много научно-технических развивающихся направлений. Среди которых находятся такие, как нелинейная оптика, голография, радиооптика, пикосекундная оптика, адаптивная оптика и др.

Радиооптика зародилась на стыке радиотехники и оптики и занимается исследованием оптических методов передачи и обработки информации. Данные методы находятся в сочетании с традиционными электронными методами; в итоге получилось научно-техническое направление, называемое оптоэлектронникой.

Предмет волоконной оптики, представляет передача световых сигналов по диэлектрическим волокнам. Применяя достижения нелинейной оптики, можно изменять волновой фронт светового пучка, модифицирующийся при распространении света в той или иной среде, например в атмосфере или в воде. Следовательно, возникла и интенсивно развивается адоптивная оптика. К которой тесно примыкает зарождающаяся на наших глазах фотоэнергетика, занимающаяся, в частности, вопросами эффективной передачи световой энергии по лучу света. Современная лазерная техника позволяет получать световые импульсы длительностью порядка всего лишь пикосекунды. Такие импульсы оказываются уникальным “инструментом” для исследования целого ряда быстропротекающих процессов в веществе, и в частности в биологических структурах. Возникло и развивается специальное направление – пикосекундная оптика; к нему тесно примыкает фотобиология. Можно без преувеличения сказать, что широкое практическое использование достижений современной оптики – обязательное условие научно-технического прогресса. Оптика открыла человеческому разуму дорогу в микромир, она же позволила ему проникнуть в тайны звездных миров. Оптика охватывает все стороны нашей практической деятельности.

Явления, связанные с отражением света.

Предмет и его отражение

То, что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут “вверх ногами” далеко не так.

Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем “исчезнет”, если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.

Пейзаж видится наблюдателю таким, как если бы на него смотрели из точки, находящейся на столько глубже поверхности воды, насколько глаз наблюдателя находится выше поверхности. Разница между пейзажем и его изображением уменьшается по мере приближения глаза к поверхности воды, а так же по мере удаления объекта.

Зависимость коэффициента отражения от угла падения света.

На границе двух прозрачных сред свет частично отражается, частично проходит в другую среду и преломляется, частично поглощается средой. Отношение отраженной энергии к падающей называют коэффициентом отражения. Отношение энергии света, прошедшего через вещество, к энергии падающего света называют коэффициентом пропускания.

Коэффициенты отражения и пропускания зависят от оптических свойств, граничащих между собой сред и угла падения света. Так, если свет падает на стеклянную пластинку перпендикулярно (угол падения α=0), то отражается всего лишь 5% световой энергии, а 95% проходит через границу раздела. При увеличении угла падения доля отраженной энергии возрастает. При угле падения α=90˚ она равна единице.

Зависимость интенсивности отраженного и проходящего через стеклянную пластинку света можно проследить, располагая пластинку под различными углами к световым лучам и оценивая интенсивность на глаз.

Интересно также оценить на глаз интенсивность света, отраженного от поверхности водоема, в зависимости от угла падения, пронаблюдать отражение солнечных лучей от окон дома при различных углах падения днем, при закате, восходе светила.

Защитные стекла

Обычные оконные стекла частично пропускают тепловые лучи. Это хорошо для использования их в северных районах, а также для парников. На юге же помещения настолько перегреваются, что работать в них тяжело. Защита от Солнца сводится либо к затемнению здания деревьями, либо к выбору благоприятной ориентации здания при перестройке. И то и другое иногда бывает затруднительным и не всегда выполнимым.

Для того чтобы стекло не пропускало тепловые лучи, его покрывают тонкими прозрачными пленками окислов металлов. Так, оловянно-сурьмяная пленка не пропускает более половины тепловых лучей, а покрытия содержащие окись железа, полностью отражают ультрафиолетовые лучи и 35-55% тепловых.

Растворы пленкообразующих солей наносят из пульверизатора на горячую поверхность стекла во время его тепловой обработки или формования. При высокой температуре соли переходят в окиси, крепко связанные с поверхностью стекла.

Подобным образом изготовляют стекла для светозащитных очков.

Полное внутреннее отражение света

Красивое зрелище представляет собой фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаются изнутри. Это можно изобразить в обычных условиях, проделав следующий опыт (рис. 1). В высокой консервной банке на высоте 5 см от дна надо просверлить круглое отверстие ( а ) диаметром 5-6 мм. Электрическую лампочку с патроном надо аккуратно обернуть целлофановой бумагой и расположить ее напротив отверстия. В банку надо налить воды. Открыв отверстие а, получим струю, которая будет освещена изнутри. В темной комнате она ярко светится и опят выглядит очень эффектно. Струе можно придать любую окраску, поместив на пути лучей света цветное стекло б . Если на пути струи подставить палец, то вода разбрызгивается и эти капельки ярко светятся.

Объяснение этого явления довольно простое. Луч света проходит вдоль струи воды и попадает на изогнутую поверхность под углом, большим предельного, испытывает полное внутреннее отражение, а затем опять попадает на противоположную сторону струи под углом опять больше предельного. Так луч проходит вдоль струи изгибаясь вместе с ней.

Но если бы свет полностью отражался внутри струи, то она не была бы видна извне. Часть света рассеивается водой, пузырьками воздуха и различными примесями, имеющимися в ней, а также вследствие неровностей поверхности струи, поэтому она видна снаружи.

Цилиндрический световод

Если направить световой пучок в один торец сплошного стеклянного изогнутого цилиндра, можно заметить, что свет будет выходить из его другого торца (рис. 2); через боковую поверхность цилиндра свет почти не выходит. Прохождение света по стеклянному цилиндру объясняется тем, что, падая на внутреннюю поверхность цилиндра под углом, больше предельного, свет многократно испытывает полное отражение и достигает конца.

Чем тоньше цилиндр, тем чаще будут происходить отражения луча и тем большая часть света будет падать на внутреннюю поверхность цилиндра под углами, большими предельного.

Алмазы и самоцветы

В Кремле существует выставка алмазного фонда России.

В зале свет слегка приглушен. В витринах сверкают творения ювелиров. Здесь можно увидеть такие алмазы, как “Орлов”, “Шах”, “Мария”, “Валентина Терешкова”.

Секрет прелестной игры света в алмазах, заключается в том, что этот камень имеет высокий показатель преломления (n=2,4173) и вследствие этого малый угол полного внутреннего отражения (α=24˚30′) и обладает большей дисперсией, вызывающей разложение белого света на простые цвета.

Кроме того, игра света в алмазе зависит от правильности его огранки. Грани алмаза многократно отражают свет внутри кристалла. Вследствие большой прозрачности алмазов высокого класса свет внутри них почти не теряет своей энергии, а только разлагается на простые цвета, лучи которых затем вырываются наружу в различных, самых неожиданных направлениях. При повороте камня меняются цвета, исходящие из камня, и кажется, что сам он является источником многих ярких разноцветных лучей.

Встречаются алмазы, окрашенные в красный, голубоватый и сиреневый цвета. Сияние алмаза зависит от его огранки. Если смотреть сквозь хорошо ограненный водяно-прозрачный бриллиант на свет, то камень кажется совершенно непрозрачным, а некоторые его грани выглядят просто черными. Это происходит потому, что свет, претерпевая полное внутреннее отражение, выходит в обратном направлении или в стороны.

Если смотреть на верхнюю огранку со стороны света, она сияет многими цветами, а местами блестит. Яркое сверкание верхних граней бриллианта называют алмазным блеском. Нижняя сторона бриллианта снаружи кажется как бы посеребренной и отливает металлическим блеском.

Наиболее прозрачные и крупные алмазы служат украшением. Мелкие алмазы находят широкое применение в технике в качестве режущего или шлифующего инструмента для металлообрабатывающих станков. Алмазами армируют головки бурильного инструмента для проходки скважин в твердых породах. Такое применение алмаза возможно из-за большой отличающей его твердости. Другие драгоценные камни в большинстве случаев являются кристаллами окиси алюминия с примесью окислов окрашивающих элементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они также отличаются твердостью, прочностью и обладают красивой окраской и “игрой света”. В настоящее время умеют получать искусственным путем крупные кристаллы окиси алюминия и окрашивать их в желаемый цвет.

Явления дисперсии света объясняют многообразием красок природы. Целый комплекс оптических экспериментов с призмами в XVII веке провел английский ученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной (“неоднородный”); основными же являются различные цвета (“однородные” лучи, или “монохроматические” лучи). Разложение белого света на различные цвета происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Эти выводы, сделанные Ньютоном, согласуются с современными научными представлениями.

Наряду с дисперсией коэффициента преломления наблюдается дисперсия коэффициентов поглощения, пропускания и отражения света. Этим объясняются разнообразные эффекты при освещении тел. Например, если имеется какое-то прозрачное для света тело, у которого для красного света коэффициент пропускания велик, а коэффициент отражения мал, для зеленого же света наоборот: коэффициент пропускания мал, а коэффициент отражения велик, тогда в проходящем свете тело будет казаться красным, а в отраженном свете – зеленым. Такими свойствами обладает, например, хлорофилл – зеленое вещество, содержащееся в листьях растений и обуславливающее зеленый цвет. Раствор хлорофилла в спирту при рассматривании на просвет оказывается красным. В отраженном свете этот же раствор выглядит зеленым.

Если у какого-то тела коэффициент поглощения велик, а коэффициенты пропускания и отражения малы, то такое тело будет казаться черным и непрозрачным (например, сажа). Очень белое, непрозрачное тело (например, окись магния) имеет коэффициент отражения близкий к единице для всех длин волн, и очень малые коэффициенты пропускания и поглощения. Вполне прозрачное для света тело (стекло) имеет малые коэффициенты отражения и поглощения и близкий к единицы для всех длин волн коэффициент пропускания. У окрашенного стекла для некоторых длин волн коэффициенты пропускания и отражения практически равны нулю и, соответственно, значение коэффициента поглощения для этих же длин волн близко к единице.

Явления, связанные с преломлением света

Некоторые виды миражей. Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: “озерные” миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

Нижние (“озерные”) миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и степях, то верхние наблюдают в северных широтах.

Верхние миражи отличаются разнообразием. В одних случаях они дают прямое изображение, в других случаях в воздухе появляется перевернутое изображение. Миражи могут быть двойными, когда наблюдаются два изображения, простое и перевернутое. Эти изображения могут быть разделены полосой воздуха (одно может оказаться над линией горизонта, другое под ней), но могут непосредственно смыкаться друг с другом. Иногда возникает еще одно - третье изображение.

Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге “Атмосфера” описывает пример подобного миража: “Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!” Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. “Летучего голландца” следует отнести именно к таким миражам.

Объяснение нижнего (“озерного”) миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности для рассматриваемого случая показано на рисунке 3, а.

В соответствии с установленным правилом, световые лучи вблизи поверхности земли будут в данном случае изгибаться так, чтобы их траектория была обращена выпуклостью вниз. Пусть в точке A находится наблюдатель. Световой луч от некоторого участка голубого неба попадет в глаз наблюдателя, испытав указанное искривление. А это означает, что наблюдатель увидит соответствующий участок небосвода не над линией горизонта, а ниже ее. Ему будет казаться, что он видит воду, хотя на самом деле перед ним изображение голубого неба. Если представить себе, что у линии горизонта находятся холмы, пальмы или иные объекты, то наблюдатель увидит и их перевернутыми, благодаря отмеченному искривлению лучей, и воспримет как отражения соответствующих объектов в несуществующей воде. Так возникает иллюзия, представляющая собой “озерный” мираж.

Простые верхние миражи. Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями; изменение n с высотой h показано на рисунке 4, а. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Верхний мираж может давать как прямое, так и перевернутое изображение. Показанное на рисунке прямое изображение возникает, когда показатель преломления воздуха уменьшается с высотой относительно медленно. При быстром уменьшении показателя преломления образуется перевернутое изображение. В этом можно убедится, рассмотрев гипотетический случай – показатель преломления на некоторой высоте h уменьшается скачком (рис. 5). Лучи объекта, прежде чем попасть к наблюдателю А испытывают полное внутреннее отражение от границы ВС ниже которой в данном случае находится более плотный воздух. Видно, что верхний мираж дает перевернутое изображение объекта. В действительности нет скачкообразной границы между слоями воздуха, переход совершается постепенно. Но если он совершается достаточно резко, то верхний мираж даст перевернутое изображение (рис. 5).

Двойные и тройные миражи. Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области I будут искривляться быстрее, чем в области II. В результате возникают два изображения (рис. 6, 7). Световые лучи 1, распространяющиеся в пределах воздушной области I, формируют перевернутое изображение объекта. Лучи 2, распространяющиеся в основном в пределах области II, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Чтобы понять как появляется тройной мираж, нужно представить три последовательный воздушные области: первая (у самой поверхности), где показатель преломления уменьшается с высотой медленно, следующая, где показатель преломления уменьшается быстро, и третья область, где показатель преломления снова уменьшается медленно. На рисунке представлено рассматриваемое изменение показателя преломления с высотой. На рисунке показано, как возникает тройной мираж. Лучи 1 формируют нижнее изображение объекта, они распространяются в пределах воздушной области I. Лучи 2 формируют перевернутое изображение; попадаю в воздушную область II, эти лучи испытывают сильное искривление. Лучи 3 формируют верхнее прямое изображение объекта.

Мираж сверхдальнего видения. Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча на рисунке 8 все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных “световодов”, которые иногда создает природа.

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали “небесным знамением”. Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды.

Радуга наблюдается в стороне, противоположной Солнцу, на фоне дождевых облаков или дождя. Разноцветная дуга обычно находится от наблюдателя на расстоянии 1-2 км, а иногда ее можно наблюдать на расстоянии 2-3 м на фоне водяных капель, образованных фонтанами или распылителями воды.

Центр радуги находится на продолжении прямой, соединяющей Солнце и глаз наблюдателя – на противосолнечной линии. Угол между направлением на главную радугу и противосолнечной линией составляет 41-42º(рис. 9).

В момент восхода солнца противосолнечная точка (точка М) находится на линии горизонта и радуга имеет вид полуокружности. По мере поднятия Солнца противосолнечная точка опускается под горизонт и размер радуги уменьшается. Она представляет собой лишь часть окружности.

Часто наблюдается побочная радуга, концентрическая с первой, с угловым радиусом около 52º и обратным расположением цветов.

При высоте Солнца 41º главная радуга перестает быть видимой и над горизонтом выступает лишь часть побочной радуги, а при высоте Солнца более 52º не видна и побочная радуга. Поэтому в средних экваториальных широтах в околополуденные часы это явление природы никогда не наблюдается.

У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой.

Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяющимися цветами, малые – дугу расплывчатую, блеклую и даже белую. Вот почему яркая узкая радуга видна летом после грозового дождя, во время которого падают крупные капли.

Впервые теория радуги была дана в 1637 году Рене Декартом. Он объяснил радугу, как явление, связанное с отражением и преломлением света в дождевых каплях.

Образование цветов и их последовательность были объяснены позже, после разгадки сложной природы белого света и его дисперсии в среде. Дифракционная теория радуги разработана Эри и Партнером.

Можно рассмотреть простейший случай: пусть на капли, имеющих форму шара, падает пучок параллельных солнечных лучей (рис. 10). Луч, падающий на поверхность капли в точке А, преломляется внутри нее по закону преломления:

n sin α=n sin β , где n=1, n≈1,33 –

соответственно показатели преломления воздуха и воды, α – угол падения, а β – угол преломления света.

Внутри капли идет по прямой луч АВ. В точке В происходит частичное преломление луча и частичное его отражение. Надо заметить, что, чем меньше угол падения в точке В, а следовательно и в точке А, тем меньше интенсивность отраженного луча и тем больше интенсивность преломленного луча.

Луч АВ после отражения в точке В происходит под углом β`= β b попадает в точку С, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли под углом γ, а отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая часть лучей света выходит наружу и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупности на фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке D дают вторичную радугу, которая менее интенсивна, чем первичная.

При рассмотрении образования радуги нужно учесть еще одно явление – неодинаковое преломление волн света различной длины, то есть световых лучей разного цвета. Это явление носит название дисперсии. Вследствие дисперсии углы преломления γ и угла отклонения лучей Θ в капле различны для лучей различной окраски.

Чаще всего мы наблюдаем одну радугу. Нередки случаи, когда на небосводе появляются одновременно две радужные полосы, расположенные одна за другой; наблюдают и еще большее число небесных дуг – три, четыре и даже пять одновременно. Это интересное явление наблюдали ленинградцы 24 сентября 1948 года, когда во второй половине дня среди туч над Невой появились четыре радуги. Оказывается, что радуга может возникать не только от прямых лучей; нередко она появляется и в отраженных лучах Солнца. Это можно видеть на берегу морских заливов, больших рек и озер. Три-четыре радуги – обыкновенные и отраженные – создают подчас красивую картину. Так как отраженные от водной поверхности лучи Солнца идут снизу вверх, то радуга образующаяся в лучах, может выглядеть иногда совершенно необычно.

Не следует думать, что радугу можно наблюдать только днем. Она бывает и ночью, правда, всегда слабая. Увидеть такую радугу можно после ночного дождя, когда из-за туч выглянет Луна.

Некоторой подобие радуги можно получить на таком опыте: Нужно колбу, наполненную водой, осветить солнечных светом или лампой через отверстие в белой доске. Тогда на доске отчетливо станет видна радуга, причем угол расхождения лучей по сравнению с начальным направлением составит около 41-42°. В естественных условиях экрана нет, изображение возникает на сетчатке глаза, и глаз проецирует это изображение на облака.

Если радуга появляется вечером перед заходом Солнца, то наблюдают красную радугу. В последние пять или десять минут перед закатом все цвета радуги, кроме красного, исчезают, она становится очень яркой и видимой даже спустя десять минут после заката.

Красивое зрелище представляет собой радуга на росе. Ее можно наблюдать при восходе Солнца на траве, покрытой росой. Эта радуга имеет форму гиперболы.

Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярные сияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота этого занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает нескольких сотен метров, причем так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно резко и отчетливо очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Различают четыре типа полярных сияний:

Однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

Лучистая дуга – лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

Лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

При повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров, нижний край ленты ярко сияет розовым свечением. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленой шапки. Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так ярко, как полная Луна.

Надо отметить, что возникшее сияние распространяется на запад со скоростью 1 км/сек. Верхние слои атмосферы в области вспышек сияний разогреваются и устремляются вверх, что сказалось на усиленном торможении искусственных спутников Земли, проходящих эти зоны.

Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают магнитные бури, так называемые дополнительные неустойчивые магнитные поля. Когда атмосфера сияет, она излучает рентгеновские лучи, являющиеся, скорей всего результатом торможения электронов в атмосфере.

Частые вспышки сияния практически всегда сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния оказывают большое влияние на сильные изменения в ионосфере, влияющие в свою очередь на условия радиосвязи, т. е. радиосвязь сильно ухудшается, в результате чего возникают сильные помехи, или даже полная потеря приема.

Возникновение полярных сияний.

Земля - это огромный магнит, северный полюс которого находится вблизи южного географического полюса, а южный – вблизи северного. А силовые линии магнитного поля Земли - это геомагнитные линии, выходящие из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли. Они охватывают весь земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Считалось в течение длительного периода времени, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Но на самом деле оказалось, что так называемый “солнечный ветер”, т. е. поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетает на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км. Он оттягивает ее в сторону от Солнца, тем самым у Земли образуется своеобразный магнитный “хвост”.

Попавшие в магнитное поле Земли, электрон или протон движутся по спирали, навиваясь на геомагнитную линию. Эти частицы, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части: одна часть вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли, а другая - попадает внутрь тероида и движется внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС. В конце концов, эти протоны и электроны по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где появляется их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они обладают достаточной энергией. Поскольку протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20эв. А для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, для возбуждения же еще меньше.

По принципу того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов, возбужденные атомы газов отдают обратно полученную энергию в виде света.

Зеленое и красное свечение, по результатам спектрального исследования принадлежит возбужденным атомам кислорода, а инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400 км. Следующим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Такой протон, после захвата электрона, превращается в возбужденный атом водорода и дает излучение красным светом.

После вспышек на Солнце обычно через день-два происходят вспышки сияний. Это указывает на связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности сияний сохраняется более высокий уровень ионизации газов электронами. По мнению ученых, максимальная интенсивность полярных сияний достигается у берегов океанов и морей.

Существует ряд трудностей для научного объяснения всех явлений, связанных с полярными сияниями. То есть, неизвестен полностью механизм ускорения частиц до определенных энергий, не ясны их траектории движения в околоземном пространстве, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц.

Используемая литература:

“Физика в природе”, автор - Л. В. Тарасов, издательство “Просвещение”, Москва, 1988 год.
“Оптические явления в природе”, автор - В. Л. Булат, издательство “Просвещение”, Москва, 1974 год.
“Беседы по физике, часть II” , автор - М. И. Блудов, издательство “Просвещение”, Москва, 1985 год.
“Физика 10”, авторы - Г. Я. Мякишев Б. Б. Буховцев, издательство “Просвещение”, Москва, 1987 год.
“Энциклопедический словарь юного физика”, составитель В. А. Чуянов, издательство “Педагогика”, Москва, 1984 год.
“Справочник школьника по физике”, составитель - , филологическое общество “Слово”, Москва, 1995 год.
“Физика 11”, Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, издательство “Просвещение”, Москва, 1991 год.
“Решение задач по физике”, В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград, 1999 год.

МОУ «Средняя общеобразовательная школа №3»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

на тему: «ОПТИКА. ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПРИРОДЕ»

по физике

Ученик 8 б класса Кендик Михаил Александрович

Руководитель: Базалей Наталия Дмитриевна

г. Воскресенск 2014

Содержание

где n - абсолютный показатель преломления данного вещества.

Этот результат принципиально отличался от результата корпускулярной теории, согласно которой свет в более плотной среде должен распространяться быстрее, чем в вакууме. Однако в XVII-XVIII вв. проверить это соотношение экспериментально не удавалось. Лишь в 1850 г. Ж. Фуко поставил опыты по сравнению скорости света в воздухе и воде и доказал, что в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в воздухе. Это было серьезным аргументом в пользу волновой теории.

4 .Исследования явлений интерференции и дифракции света, которые весьма просто объясняются на основе волновых представлений, проведенные Т. Юнгом и особенно О. Френелем (1818-1821), привели к окончательному утверждению волновой природы света. Вместе с тем возникла новая трудность - проблема эфира, т. е. той упругой среды, в которой, как предполагалось, распространяются световые волны. Теория упругого эфира приводила к ряду неразрешимых противоречий, в частности она не согласовывалась с тем экспериментальным фактом, что свет - чисто поперечная волна, не содержащая продольной составляющей (это обнаружилось в явлении поляризации света,). Между тем упругая волна должна обязательно иметь продольную составляющую.

Не удавалось также объяснить, почему планеты и другие небесные тела, двигаясь в упругом эфире, не испытывают сил сопротивления. Именно эти соображения и вызывали у Ньютона критическое отношение к волновой теории, основанной на идее упругого эфира.

5 . Эту трудность теоретически удалось разрешить Дж. К. Максвеллу, который в 1863-1864 гг. пришел к выводу, что свет - это электромагнитные волны в диапазоне примерно от 780 до 400 нм, а Г. Герц доказал это экспериментально. При этом Максвелл исходил из двух твердо установленных фактов: во-первых, скорость света в вакууме совпадает со скоростью электромагнитных волн, во-вторых, световые волны, как и электромагнитные, строго поперечные.

Трудами Максвелла был заложен фундамент современных представлений о природе света, а само учение о свете - оптика - оказалось разделом электромагнетизма. За сто с лишним лет, прошедших со дня открытия Максвелла, на основе электромагнитных представлений были объяснены все известные в оптике волновые явления.

6 . В начале XX в. было обнаружено, что свет обладает квантовыми свойствами; он состоит из отдельных порций - квантов, или фотонов, причем в некоторых отношениях фотоны ведут себя как частицы. Однако это не есть возврат к старой корпускулярной теории - фотоны не являются обычными механическими частицами, они обладают двойственными корпускулярно-волновыми свойствами, характеризующими их квантовую природу. Открытие квантовых свойств света нисколько не препятствует применению электромагнитной волновой теории для объяснения ряда оптических явлений.

Превращения света

Сделаем простой и эффектный оптический опыт. Положим на дно пустого стеклянного стакана металлическое кольцо или монету и поставим стакан так, чтобы его край мешал нам видеть их сверху. Начнем наливать в стакан воду. Мы с удивлением обнаружим, что кольцо или монета начнут появляться из-за края стакана. Трудно удержаться, чтобы не посмотреть на стакан сбоку: нет, кольцо или монета по-прежнему спокойно лежат на дне, а ведь нам казалось, что они всплывают. Всплывают, повинуясь таинственному оптическому закону преломления света. Только что рассказанный опыт впервые описал великий геометр Евклид в III веке до нашей эры.

Размышляли об искажении пути световых лучей при переходе из воздуха в воду, из воды в стекло (и наоборот) и другие крупные ученые древности - Аристотель, Птолемей, Клеомед. Они первыми начали изучать отражение и преломление лучей на границе двух оптических сред. Птолемей даже измерил, как отклоняется световой луч от первоначального пути при переходе из воздуха в воду, с помощью опущенного в воду диска с делениями и подвижными линейками, вращающимися вокруг центра диска. По данным Птолемея, если падающий луч отклоняется в воздухе от вертикали на 50 градусов, то угол между вертикалью к поверхности раздела двух сред и преломленным лучом в воде составляет 35 градусов. Измерения, сделанные в наше время, через 18 веков после исследований Птолемея, дали для преломленного луча цифру 34 градуса и 3 минуты. Неплохой точности измерений достигли древнегреческие ученые!

Еще до нашей эры был установлен закон отражения от зеркальной поверхности: угол падения равен углу отражения (оба угла отсчитываются от вертикали к поверхности). Этому закону подчиняются любые зеркала: металлические и стеклянные, плоские, выпуклые и вогнутые. С помощью этого закона, впервые сформулированного в труде Евклида «Катоптрика» (от греческого слова «катоптрон» - зеркало), ученые научились рассчитывать форму и размер изображений в зеркалах, определять фокус вогнутых зеркал - жаркую точку, где сходятся отраженные таким зеркалом солнечные лучи.

Древнегреческие исследователи природы доказали, что при переходе из менее плотной среды (воздуха) в более плотную (стекло, воду) световой луч отклоняется от вертикали к поверхности раздела двух сред на меньший угол, чем луч падающий. Они понимали, что уловленную ими закономерность можно выразить в виде четко сформулированного простого закона, но сделать это удалось лишь в первой половине XVII века Виллебро- ду, Снеллиусу и Рене Декарту.

Падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости для всех углов падения. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная и равная показателю преломления одной среды по отношению к другой. Например, относительно воздуха вода имеет показатель преломления - 1,33, а кварцевое стекло - 1,52.

Прошло еще полвека, и ученые открыли, что явление преломления света связано с изменением скорости света при переходе из одной среды в другую.

Показатель преломления больше единицы означает, что луч света, попадая в более плотную среду, немного замедляет свой стремительный бег.

Почему уменьшение скорости приводит к изменению направления лучей?

На первый взгляд это не кажется очевидным, и на помощь полезно призвать образное сравнение. Например, с автомобилем, прямолинейный путь которого, как свидетельствует печальный опыт некоторых водителей, заметно искажается при резком торможении на скользкой дороге... Или часто приводимая аналогия с отрядом солдат, идущих по ровной гладкой дороге, после которой (под большим углом к дороге) внезапно начинается рыхлое поле. Солдаты, вступившие на поле, естественно, замедляют ход, и те, кто еще идет по ровной дороге, начинают их догонять. Затем и они вступят на поле, скорость всех снова сравняется, но идти вся колонна будет уже немного отклонившись от первоначального направления. Как говорил в своей речи при получении Нобелевской премии в 1933 году известный физик Э. Шредингер, описывая движение светового луча в среде с переменной плотностью с помощью того же примера с отрядом солдат: «...и поворот фронта осуществится сам собой».

Преломление лучей на границе двух прозрачных сред полностью обратимо: когда луч переходит из более плотной среды, например воды, льда, стекла, в менее плотную, в воздух, то он сильнее отклонится от вертикали, чем первоначальный луч.

Вы догадываетесь, что здесь скрывается одна очень интересная техническая возможность, которую только во второй половине XX века научились по-настоящему использовать. Если луч из стекла в воздух направлять под все большим углом к вертикали, то можно наконец добиться такого положения, что преломленный луч сначала заскользит вдоль поверхности раздела, а затем и вовсе останется в стекле, начнет отражаться обратно. То же самое произойдет при переходе луча из стекла с высоким показателем преломления в стекло с низким показателем преломления.

Явление полного отражения лучей от границы двух прозрачных сред сначала воспринималось просто как забавный оптический парадокс. Ведь мы привыкли к тому, что сильно отражать свет могут только хорошо отполированные металлы и блестящие пленки, например, алюминия или серебра. И вдруг, соединив два прозрачных стекла, получаем поверхность, которая не на 89%, как алюминий, и не на 94%, как серебро, а на все 100% отражает солнечные лучи! С этим оптическим явлением можно познакомиться не только в физической лаборатории. Для этого достаточно... нырнуть в морскую или речную воду (лучше в летний солнечный день), открыть под водой глаза и посмотреть из воды наверх - на зыбкую, волнующуюся водную поверхность. Мы увидим серебристые блики, которые на некотором расстоянии от нас сольются в переливающийся блестящий слой, будто к поверхности воды над нами кто-то прислонил серебряное зеркало.

Древнеримский ученый Плиний в своей «Естественной истории», написанной девятнадцать веков тому назад, рассказывает, что ловцы жемчуга, которым мешали серебристые блики, набирали перед погружением в рот оливковое масло и на дне выпускали его изо рта. Пленка масла растекалась по поверхности моря, яркость бликов резко уменьшалась, и ныряльщики гораздо лучше видели все, что лежит на дне моря. Сейчас мы можем объяснить эту интуитивную техническую находку с научной точки зрения: показатель преломления оливкового масла больше показателя преломления воды, а при переходе лучей из менее плотной среды в более плотную полного отражения света не происходит даже при очень больших углах падения света. Обычное же отражение от границы вода - воздух или вода - оливковое масло совсем невелико, не больше 3 - 4%.

Явления, связанные с отражением света

Предмет и его отражение

Часто людям кажется, что отражение в пруду кустов и деревьев отличается большей яркостью красок и насыщенностью тонов. Эту особенность также можно заметить, наблюдая отражение предметов в зеркале. Здесь большую роль играет психологическое восприятие, чем физическая сторона явления. Рама зеркала, берега пруда ограничивают небольшой участок пейзажа, ограждая боковое зрение человека от избыточного рассеянного света, поступающего со всего небосвода и ослепляющего наблюдателя, то есть он смотрит на небольшой участок пейзажа как бы через темную узкую трубу. Уменьшение яркости отраженного света по сравнению с прямым облегчает людям наблюдение неба, облаков и других яркоосвещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза. Отражают свет любые поверхности, не только гладкие. Именно благодаря этому мы видим все тела. Поверхности, которые отражают большую часть светового потока, выглядят светлыми или белыми. Поверхности, которые поглощают большую часть света, выглядят тёмными или черными. Если пучок параллельных световых лучей падает на шершавую поверхность (даже если шероховатости микроскопически малы, как на поверхности листка бумаги) свет отражается в различных направлениях, то есть отраженные лучи не будут параллельными, поскольку углы падения лучей на неровности поверхности разные. Такое отражение света называют рассеянным или диффузным. Закон отражения выполняется и в этом случае, но на каждом маленьком участке поверхности. Из-за диффузного отражения во всех направлениях обычный предмет можно наблюдать под разными углами. Стоит сдвинуть голову в сторону, как из каждой точки предмета в глаз будет попадать другой пучок отраженных лучей. Но если узкий пучок света падает на зеркало, то вы увидите его только в том случае, если глаз занимает положение, для которого выполняется отражения. Этим и объясняются необычные свойства зеркал. (Используя аналогичные аргументы, Галилей показал, что поверхность Луны должна быть шероховатой, а не зеркально гладкой, как полагали некоторые.)

Все несветящиеся тела, освещаемые каким-нибудь источником, становятся видимыми только благодаря рассеиваемому ими свету. Хорошо отшлифованную поверхность стекла, поверхность спокойной воды трудно увидеть потому, что такие поверхности рассеивают очень мало света. Мы видим в них чёткие изображения окружающих освещенных предметов. Однако стоит только поверхности зеркала покрыться пылью, а поверхности воды зарябить, как они становятся хорошо видимыми.

Солнечный «зайчик»

Известно, что в солнечный день при помощи зеркала можно получить световой «зайчик» на стене, на полу или потолке.

Объясняется это тем, что пучок света, падая на зеркало, отражается от него, то есть изменяет направление. Световой «зайчик» - это след отражённого пучка света на каком-либо экране. Опыт показывает, что свет всегда отражается от границы, разделяющей две среды разной оптической плотности.

Сверкание алмазов и самоцветов

В Кремле существует выставка алмазного фонда России.

В зале свет слегка приглушен. В витринах сверкают творения ювелиров. Здесь можно увидеть такие алмазы, как «Орлов», «Шах», «Мария», «Валентина Терешкова».

Секрет прелестной игры света в алмазах, заключается в том, что этот камень имеет высокий показатель преломления и вызывает разложение белого света на простые цвета. Это явление называется дисперсией.

Явления дисперсии света объясняют многообразием красок природы. Целый комплекс оптических экспериментов с призмами в XVII веке провел английский ученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной («неоднородный»); основными же являются различные цвета («однородные» лучи, или «монохроматические» лучи). Разложение белого света на различные цвета происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Эти выводы, сделанные Ньютоном, согласуются с современными научными представлениями.

Появление «призрака» на сцене театра

На передней части сцены ставится огромное плоское зеркало. Актёр, облачённый в костюм привидения, находится в углублении под сценой. При сильном освещении актёра отражённый свет будет падать на зеркало и почти целиком отражаться в зрительный зал. Зрители в слабо освещённом зале зеркала не видят, а замечают только отражение актёра, принимая его за призрак.

Цвет неба и зорь.

Изменение спектрального состава света, отраженного или рассеянного поверхностью тел, связано с наличием избирательного поглощения и отражения.

В природе играет большую роль еще одно явление, ведущее к изменению спектрального состава солнечного света. Свет, доходящий до наблюдателя от участков безоблачного небесного свода, далеких от Солнца, характеризуется довольно насыщенным голубым или даже синим оттенком. Несомненно, что свет неба есть солнечный свет, рассеиваемый в толще воздушной атмосферы и поэтому доходящий до наблюдателя со всех сторон, даже по направлениям, далеким от направления на Солнце. Рисунок поясняет происхождение рассеянного света неба.

Теоретическое исследование и опыты показали, что такое рассеяние происходит благодаря молекулярному строению воздуха; даже вполне свободный от пыли воздух рассеивает солнечный свет.

Происхождение цвета неба (свет Солнца, рассеянный атмосферой). До поверхности Земли (например, точки А) доходит как прямой свет Солнца, так и свет, рассеянный в толще атмосферы. Цвет этого рассеянного света и называется цветом неба.

Спектр рассеянного воздухом света заметно отличается от спектра прямого солнечного света: в солнечном свете максимум энергии приходится на желто- зеленую часть спектра, а в свете неба максимум передвинут к голубой части. Причина лежит в том, что короткие световые волны рассеиваются значительно сильнее длинных. По расчетам английского физика Джона Стретта лорда Рэлея (1842-1919), подтвержденным измерениями, интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, если рассеивающие частицы малы по сравнению с длиной волны света, следовательно, фиолетовые лучи рассеиваются почти в 9 раз сильнее красных. Поэтому желтоватый свет Солнца при рассеянии превращается в голубой цвет неба.Так обстоит дело при рассеянии в чистом воздухе (в горах, над океаном). Наличие в воздухе сравнительно крупных частичек пыли (в городах) добавляет к рассеянному голубому свету свет, отраженный частичками пыли, т. е. почти неизмененный свет Солнца. Благодаря этой примеси цвет неба становится в этих условиях более белесоватым.

Преимущественное рассеяние коротких волн приводит к тому, что доходящий до Земли прямой свет Солнца оказывается более желтым, чем при наблюдении с большой высоты. На пути через толщу воздуха свет Солнца частично рассеивается в стороны, причем сильнее рассеиваются короткие волны, так что достигший Земли свет становится относительно богаче излучением длинноволновой части спектра. Это явление особенно резко сказывается при восходе и закате Солнца (или Луны), когда прямой свет проходит значительно большую толщу воздуха). Благодаря этому Солнце и Луна на восходе (или закате) имеют медножелтый, иногда даже красноватый оттенок. В тех случаях,

Объяснение красного цвета Луны и Солнца на восходе и закате: «Si - светило в зените - короткий путь в атмосфере (АВ)\ S2 - светило на горизонте - длинный путь в атмосфере (СВ)

когда в воздухе имеются очень мелкие (значительно меньшие длины волны) частички пыли или капельки влаги (туман), рассеяние, вызываемое ими, также идет по закону,

Белый

Рассеяние света мутной жидкостью: падающий свет - белый, рассеянный свет - синеватый, проходящий свет - красноватый

близкому к закону Рэлея, т. е. по преимуществу рассеиваются короткие волны. В этих случаях восходящее и заходящее Солнце может быть совершенно красным. В красный же цвет окрашиваются и плавающие в атмосфере облака. Таково происхождение прекрасных розовых и красных оттенков утренней и вечерней зорь.

Можно наблюдать описанное изменение цвета при рассеянии, если пропустить пучок света от фонаря через сосуд, наполненный мутной жидкостью, т. е. жидкостью, содержащей мелкие взвешенные частицы (например, водой с несколькими каплями молока). Свет, идущий в стороны (рассеянный), заметно синее, чем прямой свет фонаря. Если толща мутной жидкости довольно значительна, то свет, прошедший сквозь сосуд, теряет при рассеянии столь значительную часть коротковолновых лучей (синих и фиолетовых), что оказывается оранжевым и даже красным.

В 1883 г. произошло сильнейшее извержение вулкана на острове Кракатау, наполовину разрушившее остров и выбросившее в атмосферу огромное количество мельчайшей пыли. На протяжении нескольких лет пыль эта, развеянная воздушными течениями на огромные расстояния, засоряла атмосферу, обусловливая интенсивные красные зори.

Явления, связанные с преломлением света

Радуга

Радуга - это оптическое явление, связанное с преломлением световых лучей на многочисленных капельках дождя. Однако далеко не все знают, как именно преломление света на капельках дождя приводит к возникновению на небосводе гигантской многоцветной дуги.

Прежде всего, заметим, что радуга может наблюдаться только в стороне, противоположной Солнцу. Если встать лицом к радуге, то Солнце окажется сзади. Радуга возникает, когда Солнце освещает завесу дождя. По мере того как дождь стихает, а затем прекращается, радуга блекнет и постепенно исчезает. Наблюдаемые в радуге цвета чередуются в такой же последовательности, как и в спектре, получаемом при пропускании пучка солнечных лучей через призму. При этом внутренняя (обращенная к поверхности Земли) крайняя область радуги окрашена в фиолетовый цвет, а внешняя крайняя область - в красный. Нередко над основной радугой возникает еще одна (вторичная) радуга - более широкая и размытая. Цвета во вторичной радуге чередуются в обратном порядке: от красного (крайняя внутренняя область дуги) до фиолетового (крайняя внешняя область). Для наблюдателя, находящегося на относительно ровной земной поверхности, радуга появляется при условии, что угловая высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 42°. Чем ниже Солнце, тем больше угловая высота вершины радуги и тем, следовательно, больше наблюдаемый участок радуги. Вторичная радуга может наблюдаться, если высота Солнца над горизонтом не превышает примерно 52. Радуга может рассматриваться как гигантское колесо, которое как на ось надето на воображаемую прямую линию, проходящую через Солнце и наблюдателя.

Таким образом, положение радуги по отношению к окружающему ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к Солнцу, а угловые размеры радуги определяются высотой Солнца над горизонтом. Наблюдатель есть вершина конуса, ось которого направлена по линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем. Радуга есть находящаяся над линией горизонта часть окружности основания этого конуса. При передвижениях наблюдателя указанный конус, а значит, и радуга, соответствующим образом перемещаются. Здесь необходимо сделать два пояснения. Во-первых, когда мы говорим о прямой линии, соединяющей наблюдателя с Солнцем, то имеем в виду не истинное, а наблюдаемое направление на Солнце. Во-вторых, когда мы говорим о радуге над линией горизонта, то имеем в виду относительно далекую радугу - когда завеса дождя удалена от нас на несколько километров. Можно наблюдать также и близкую радугу, например радугу, возникающую на фоне большого фонтана. В этом случае концы радуги как бы уходят в землю.

Гало

Гало - это более редкое оптическое явление, поэтому многие из вас, наверное, не только не видели его, но и не слышали о нём. Между тем, гало и радуга имеют одну и ту же физическую природу. Гало - это светящийся круг вокруг Солнца или Луны.

Гало возникает в результате преломления света в шестигранных ледяных кристалликах, застилающих пеленою светило. Такие круги света возникают в морозную ночь около уличных фонарей.

Наибольшей яркостью обладают лучи, отклонённые кристалликами льда на 22° от начального направления. Такие лучи попадают в глаз наблюдателя, и он видит светило смещённым на 22°. При непрерывном движении большого числа кристалликов глаз видит круг из этих лучей.

Глория

Одно из впечатляющих явлений природы - брокенский призрак;- впервые описано в 1891 г. по наблюдениям на горе Брокен в горном массиве Гарц. Утром, когда солнечные лучи падают почти горизонтально, можно подняться на холм и увидеть свою собственную тень на слое тумана или облаке, окутывающих горные вершины. Тень окружена ярко окрашенными концентрическими кольцами - красное кольцо в наружной области и фиолетовое во внутренней. Это есть глория (от лат. gloria - украшение).

Громадные призрачные фигуры людей, окружённые многоцветными кольцами, иногда наблюдают альпинисты в горах. Они производят мистическое впечатление. Суеверным людям эти тени кажутся выходцами из потустороннего мира.

Между тем, это тени самих альпинистов. Они возникают, когда солнце находится позади людей, а впереди - густые облака. Тогда на облаках, как на экране, появляются огромные фигуры.

Жители небольшого бельгийского городка Вервье со страхом и удивлением наблюдали однажды утром изображение на небе военного сражения. Позже они узнали, что это было утро сражения при Ватерлоо (июнь, 1815 г.). По прямой между Вервье и Ватерлоо более 100 км. Облако пыли и дыма с поля боя послужило экраном, видимым на большом расстоянии.

Глория возникает при рассеянии света назад. Невозможно объяснить эффект глории в рамках геометрической оптики. В 1957 г. голландец ван де Хюлст предположил, что глория возникает при почти скользящем падении луча. После преломления и одного отражения образуется преломленная волна, которая распространяется по небольшому участку поверхности капли и покидает ее.

Миражи

Слово «мираж» французского происхождения и имеет два значения: отражение и обманчивое явление (mirage). Подобно сказке, мираж восхищает людей, влечёт к себе и бесследно исчезает, когда к нему пробуют приблизиться.

Мираж представляет собой изображение реально существующего на земле предмета, часто увеличенное и сильно искажённое. Миражи бывают верхние, нижние и сложные...

Миражи - это отражения каких-то вещей или явлений на поверхности раскаленного песка, асфальта, моря и т.д.

Как мне стало известно, что это происходит от того, что в разных слоях воздуха температура разная, а разность температуры действует как зеркало.

Мираж - это нечто иное, как отраженные предметы или явления, которые мы принимаем за реальность.

Нижний мираж

Наблюдается при очень большом вертикальном градиенте температуры (падении её с высотой) над перегретой ровной поверхностью, часто пустыней или дорогой. Мнимое изображение неба создаёт при этом иллюзию воды на поверхности. Так, уходящая вдаль дорога в жаркий летний день кажется мокрой.

Верхний мираж

Наблюдается над холодной земной поверхностью при инверсионном распределении температуры (температура воздуха понижается с повышением высоты).

Верхние миражи случаются в целом реже, чем нижние, но чаще всего бывают более стабильными, поскольку холодный воздух .

Верхние миражи являются наиболее распространенными в полярных регионах, особенно на больших ровных льдинах со стабильной низкой температурой. Они также наблюдаются в более умеренных широтах, хотя в этих случаях, они слабее, менее четкие и стабильные. Верхний мираж может быть прямым или перевернутым, в зависимости от расстояния до истинного объекта и градиента температуры. Часто изображение выглядит как фрагментарная мозаика прямых и перевернутых частей.

Верхние миражи могут иметь поразительный эффект за счет кривизны Земли. Если изгиб лучей примерно такой же, как кривизна Земли, лучи света могут перемещаться на большие расстояния, в результате чего наблюдатель видит объекты, находящиеся далеко за горизонтом. Это наблюдалось и задокументировано в первый раз в 1596 году, когда судно под командованием в поисках застряло во льдах на . Экипаж был вынужден пережидать . При этом восход Солнца после полярной ночи наблюдался на две недели раньше, чем ожидалось. В 20-м веке это явление было объяснено, и получило название " ".

Таким же образом, корабли, находящиеся на самом деле так далеко, что они не должны быть видны над горизонтом, могут появиться на горизонте, и даже над горизонтом, как верхние миражи. Это может объяснить некоторые истории о полетах кораблей или прибрежных городов в небе, как описано некоторыми полярниками.

Боковой мираж

О существовании бокового миража обычно даже не подозревают. Это - отражение от нагретой отвесной стены.

Такой случай описан одним французским автором. Приближаясь к форту крепости, он заметил, что ровная бетонная стена форта вдруг заблистала, как зеркало, отражая в себе окружающий ландшафт, почву, небо. Сделав еще несколько шагов, он заметил ту же перемену и с другой стеной форта. Казалось, будто серая неровная поверхность внезапно заменяется полированной. Стоял знойный день, и стены должны были сильно накалиться, в чем и заключалась разгадка их зеркальности. Оказалось, что мираж наблюдается всякий раз, когда стена достаточно нагреется солнечными лучами. Удалось даже сфотографировать это явление.

В знойные летние дни следовало бы обращать внимание на накалившиеся стены больших зданий и искать, не обнаружатся ли явления миража. Без сомнения, при некотором внимании число замеченных случаев бокового миража должно участиться.

Фата-моргана

Сложные явления миража с резким искажением вида предметов носят название .

Фата-моргана (итал. fata morgana), сложное оптическое явление в атмосфере, состоящее из нескольких форм миражей, при котором отдалённые предметы видны многократно и с разнообразными искажениями. Фата-моргана возникает, когда в нижних слоях атмосферы образуется несколько чередующихся слоев воздуха различной плотности, способных давать зеркальные отражения. В результате отражения, а также и преломления лучей реально существующие предметы дают на горизонте или над ним по нескольку

искажённых изображений, частично налагающихся друг на друга и быстро меняющихся во времени, что и создаёт причудливую картину такого миража.

Объёмный мираж

В горах очень редко, при стечении определённых условий, можно увидеть «искажённого себя» на довольно близком расстоянии. Объясняется это явление наличием в воздухе «стоячих» паров воды.

Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса. Выявлением причин, приводящим к высыпаниям заряженных частиц из плазменного слоя, занимается космическая физика. Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпаний играет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмы солнечного ветра.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосферы планеты: так, например, для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне. Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400 км. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет

Вспышки сияний происходят обычно через день-два после вспышек на Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. Исследование при помощи ракет показало, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительная ионизация газов электронами.

В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей

Но научное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения различных видов, неясно происхождение звуков.

Выводы

Я выполнил исследовательский проект по физике на тему «Оптика и оптические явления в природе», так как эта тема показалась мне интересной и увлекательной, ведь Оптика окружает нас везде.

Осуществление данного проекта позволило мне развить свои навыки работы с дополнительной литературой, умение проводить эксперименты, проводить анализ полученных результатов, обосновывать итоги исследований.

Сделав, этот проект я многое узнал - что такое Оптика, какие оптические явления бывают в природе и выяснил: почему появляется солнечный «зайчик», что такое радуга, гало, миражи, полярные сияния, чем объясняется цвет неба и зорь. Этот проект открыл во мне новые интересы к физике как увлекательной науке, которая привлекает необычными явлениями и интересными опытами.

Цель – исследовать оптические явления в природе – была мною достигнута. Я расширил свой кругозор и совершил интересное путешествие в мир Оптики. Научное познание природы, ее поэтическое восприятие идут рука об руку, взаимно обогащая друг друга. Знание физики природных явлений позволяет нам еще сильнее ощутить их внутреннюю гармонию и красоту; в свою очередь, ощущение этой красоты есть дополнительный и притом мощный стимул к дальнейшему исследованию, пробуждению интереса к такому предмету как физика.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные материалы могут быть использованы при проведении недели физики в школе, физических турниров, КВНов и т.п. – а также для занятий по ознакомлению с окружающим миром.

Литература

Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия, 2006г., CD

Википедия (Свободная энциклопедия),

Загадки природных явлений,

Колтун М., Мир физики, издательство «Детская литература», 1987г.

Ландсберг Г.С., Элементарный учебник физики, издательство «Физматлит», 2003г. Можно ли получить Радугу дома? Какого цвета небо?

Почему небо голубого цвета?

Какого цвета небо на Заре?

Почему небо красное на Заре?

Что такое Гало?

Что такое Глория?

Со световыми явлениями человек сталкивается постоянно. Все, что связано с возникновением света, его распространением и взаимодействием с веществом, называют световыми явлениями. Яркими примерами оптических явлений могут быть: радуга после дождя, молния во время грозы, мерцание звезд в ночном небе, игра света в потоке воды, изменчивость океана и неба и многие другие.

Школьники получают научное объяснение физическим явлениям и оптическим примерам в 7 классе, когда начинают изучать физику. Для многих оптика станет самым увлекательным и загадочным разделом в школьной программе физики.

Что видит человек?

Глаза человека устроены так, что он может воспринимать только цвета радуги. Сегодня уже известно, что спектр радуги не ограничивается красным цветом с одной стороны и фиолетовым с другой. За красным идет инфракрасный цвет, за фиолетовым находится ультрафиолетовый. Многие животные и насекомые способны видеть эти цвета, но люди, к сожалению, не могут. Но зато человек может создавать приборы, которые принимают и излучают световые волны соответствующей длины.

Преломление лучей

Видимый свет - это радуга цветов, а свет белого цвета, например, солнечный, является простым сочетанием этих цветов. Если поместить призму в луч яркого белого света, то он распадется на цвета или на волны разной длины, из которых состоит. Сначала появится красный с большей длиной волны, потом оранжевый, желтый, зеленый, синий и напоследок фиолетовый, который имеет наименьшую длину волны в видимом свете.

Если взять другую призму, чтобы поймать свет радуги и перевернуть с ног на голову, она соединит все цвета в белый. Примеров оптических явлений в физике множество, рассмотрим некоторые из них.

Почему небо голубое?

Молодых родителей часто ставят в тупик самые простые, на первый взгляд, вопросы их маленький почемучек. Иногда сложнее всего на них отвечать. Практически все примеры оптических явлений в природе может объяснить современная наука.

Солнечный свет, который освещает небо днем, белого цвета, а значит, теоретически небо тоже должно быть ярко белым. Для того чтобы оно смотрелось голубым, необходимы какие-то процессы со светом в момент его прохождения через атмосферу Земли. Вот что происходит: некоторая часть света проходит через свободное пространство между молекулами газа в атмосфере, достигая земной поверхности и оставаясь такого же белого цвета, как в начале пути. Но солнечный свет наталкивается на молекулы газов, которые, как и кислород, поглощаются, а потом рассеиваются во все стороны.

Атомы в молекулах газа активизируются поглощаемым светом и снова излучают фотоны света волнами различной длины - от красного до фиолетового цвета. Таким образом, некоторая часть света направляется к земле, остальная часть отправляется назад к Солнцу. Яркость излучаемого света зависит от цвета. Восемь фотонов синего света выпускаются на каждый фотон красного. Поэтому синий свет в восемь раз ярче красного. Интенсивный синий свет излучается со всех сторон из миллиардов молекул газа и достигает наших глаз.

Разноцветная арка

Когда-то люди думали, что радуги - это знаки, которые посылают им боги. Действительно, прекрасные разноцветные ленты всегда появляются в небе из ниоткуда, и потом так же таинственно исчезают. Сегодня мы знаем, что радуга - один из примеров оптических явлений в физике, но не перестаем ею восхищаться каждый раз, когда наблюдаем ее на небе. Интересно то, что каждый наблюдатель видит другую радугу, сотворенную лучиками света, идущими сзади него, и из дождевых капель перед ним.

Из чего состоят радуги?

Рецепт этих оптических явлений в природе простой: капельки воды в воздухе, свет и наблюдатель. Но недостаточно того, чтобы во время дождя появилось солнце. Оно должно находиться низко, а наблюдатель должен стоять так, чтобы солнце было за ним, и смотреть на место, где идет или только что прошел дождь.

Солнечный луч, идущий из далекого космоса, настигает дождевую каплю. Действуя как призма, дождевая капля преломляет каждый цвет, спрятанный в белом свете. Таким образом, когда белый луч проходит через дождевую каплю, он внезапно расщепляется на красивые разноцветные лучики. Внутри капли они наталкиваются на внутреннюю ее стенку, которая действует, как зеркало, и лучи отражаются в том же направлении, откуда проникли в каплю.

В итоге глаза видят радугу цветов в виде арки через небо - свет, согнутый и отраженный миллионами крошечных дождевых капель. Они могут действовать, как маленькие призмы, расщепляя белый свет на спектр цветов. Но и дождь не всегда необходим, чтобы увидеть радугу. Свет может также преломляться от тумана или испарений с моря.

Какого цвета вода?

Ответ очевиден - вода имеет голубой цвет. Если налить чистую воду в стакан, все увидят ее прозрачность. Это из-за того, что в стакане слишком мало воды и ее цвет слишком бледный, чтобы увидеть его.

При наполнении большой стеклянной емкости можно увидеть натуральный голубой оттенок воды. Цвет ее зависит от того, каким образом молекулы воды поглощают или отражают свет. Белый свет сложен из радуги цветов, и молекулы воды поглощают большую часть цветов спектра с красного по зеленый, который проходит сквозь них. А синяя часть отражается обратно. Таким образом, мы видим синий цвет.

Рассветы и закаты

Это также примеры оптических явлений, которые человек наблюдает каждый день. Когда солнце всходит и заходит, оно направляет свои лучи под углом к тому месту, где находится наблюдатель. Они имеют более длительный путь, чем когда солнце находится в зените.

Слои воздуха над поверхностью Земли часто вмещают много пыли или микроскопических частиц влаги. Солнечные лучи проходят под углом к поверхности и фильтруются. Лучи красного цвета имеют самую длинную волну излучения и поэтому легче пробиваются к земле, чем голубые, имеющие короткие волны, которые отбиваются частичками пыли и воды. Поэтому во время утренней и вечерней зари человек наблюдает только часть солнечных лучей, которые достигают земли, а именно красные.

Световое шоу планеты

Типичное полярное сияние - это разноцветное сияние на ночном небе, которое можно наблюдать каждую ночь на Северном полюсе. Меняющиеся в причудливых формах огромные полосы сине-зеленого света с оранжевыми и красными пятнами иногда достигают более 160 км в ширину и могут простираться на 1600 км в длину.

Как объяснить это оптическое явление, представляющее собой такое захватывающее зрелище? Сияния появляются на Земле, но вызываются они процессами, происходящими на далеком Солнце.

Как все происходит?

Солнце представляет собой огромный газовый шар, состоящий, в основном, из атомов водорода и гелия. Все они имеют протоны с позитивным зарядом и вращающиеся вокруг них электроны с отрицательным зарядом. Постоянно ореол раскаленного газа распространяется в космос в виде солнечного ветра. Это бесчисленное множество протонов и электронов несется со скоростью 1000 км в секунду.

Когда частицы солнечного ветра достигают Земли, они притягиваются сильным магнитным полем планеты. Земля - это гигантский магнит с магнитными линиями, которые сходятся у Северного и Южного полюсов. Притянутые частицы потоками располагаются вдоль этих невидимых линий неподалеку от полюсов и сталкиваются с атомами азота и кислорода, из которых состоит атмосфера Земли.

Некоторые из земных атомов теряют свои электроны, другие заряжаются новой энергией. После столкновения с протонами и электронами Солнца они отдают фотоны света. Например, потерявший электроны азот притягивает фиолетовый и синий свет, а заряженный азот сияет темно-красным светом. Заряженный кислород отдает зеленый и красный свет. Таким образом, заряженные частицы заставляют воздух переливаться многими цветами. Это и есть полярное сияние.

Миражи

Сразу следует определить, что миражи - не плод человеческого воображения, их можно даже сфотографировать, они являются почти мистическими примерами оптических физических явлений.

Свидетельств о наблюдении миражей очень много, но наука может дать научное объяснение этому чуду. Они могут быть простыми, как например, клочок воды среди раскаленных песков, а могут быть потрясающе сложными, сооружая видения висящих замков с колоннами или фрегатов. Все эти примеры оптических явлений создаются игрой света и воздуха.

Световые волны искривляются, когда проходят сначала сквозь теплый, затем холодный воздух. Горячий воздух более разрежен, чем холодный, поэтому его молекулы более активные и расходятся на более далекие расстояния. С понижением температуры уменьшается и движение молекул.

Видения, наблюдаемые сквозь линзы земной атмосферы, могут быть сильно измененными, сжатыми, расширенными или перевернутыми. Это потому, что лучи света искривляются, проходя сквозь теплый, а затем холодный воздух, и наоборот. И те образы, которые несет с собой световой поток, например небо, могут отразиться на раскаленном песке и казаться клочком воды, который всегда отдаляется при приближении.

Чаще всего миражи можно наблюдать на больших расстояниях: в пустынях, морях и океанах, где одновременно могут находиться горячий и холодный слои воздуха с разной плотностью. Именно прохождение через разные температурные слои способно перекрутить световую волну и получить в итоге видение, являющееся отражением чего-либо и преподнесенное фантазией как реальное явление.

Гало

Для большинства оптических иллюзий, которые можно наблюдать невооруженным глазом, объяснением является преломление солнечных лучей в атмосфере. Одним среди самых необычных примеров оптических явлений выступает солнечное гало. По сути, гало - радуга вокруг солнца. Однако она отличается от обычной радуги как по внешнему виду, так и по своим свойствам.

Это явление имеет немало разновидностей, каждая из которых красива по-своему. Но для возникновения любого вида этой оптической иллюзии необходимы определенные условия.

Гало возникает на небе при совпадении нескольких факторов. Чаще всего его можно увидеть в морозную погоду при высокой влажности. В воздухе при этом присутствует большое количество ледяных кристаллов. Пробиваясь сквозь них, солнечный свет преломляется таким образом, что образует дугу вокруг Солнца.

И хотя последних 3 примера оптических явлений легко объясняются современной наукой, для обыкновенного наблюдателя они часто остаются мистикой и загадкой.

Рассмотрев основные примеры оптических явлений, можно с уверенностью полагать, что многие из них объясняются современной наукой, несмотря на свою мистичность и загадочность. Но впереди у ученых еще очень много открытий, разгадок таинственных явлений, которые происходят на планете Земля и за ее пределами.

Фараджова Лейла

Часто мы наблюдаем в небе необъяснимые явления. Данная работа раскрывает суть явления происходящих в атмосфере земли.

Скачать:

Предварительный просмотр:

МОУ «Песчановская средняя общеобразовательная школа»

VI районная научно-практическая конференция

Оптические явления в атмосфере

6 класс МОУ «Песчановская СОШ»

Руководитель:

Маковчук Татьяна Геннадьевна

Учитель физики

С. Песчаное

2010 г.

Введение 3

Земная атмосфера как оптическая система 4

Виды оптических явлений 5

Вывод 12

Литературы 13

Приложение 14

Введение

Целью данной работы является рассмотрение оптических атмосферных явлений, их физической природы. Наиболее доступными и вместе с тем, наиболее красочными оптическими явлениями являются, атмосферные. Огромные по своим масштабам, это - порождение взаимодействия света и атмосферы земли.

31 декабря в канун Нового года, в южной части неба не высоко над горизонтом можно было наблюдать необычное явление. В центре диск солнца и по бокам ещё два, а над ними радужное сияние. Это было очень красивое и завораживающее зрелище. Сразу стало интересно, что это, как оно образуется, почему и какие ещё явления могут происходить в атмосфере? Это необычное атмосферное явление и легло в основу моей работы.

Земная атмосфера как оптическая система

Наша планета окружена газовой оболочкой, которую мы называем атмосферой. Обладая наибольшей плотностью у земной поверхности и постепенно разрежаясь с поднятием вверх, она достигает толщины более сотни километров. И это не застывшая газовая среда с однородными физическими данными. Наоборот, атмосфера Земли находится в постоянном движении. Под воздействием различных факторов, её слои перемешиваются, меняют плотность, температуру, прозрачность, перемещаются на большие расстояния с различной скоростью.

Для лучей света, идущих от Солнца или других небесных светил, земная атмосфера представляет собой своеобразную оптическую систему с постоянно меняющимися параметрами. Оказываясь на их пути, она и отражает часть света, рассеивает его, пропускает его сквозь всю толщу атмосферы, обеспечивая освещённость земной поверхности, в определённых условиях, разлагает его на составляющие и искривляет ход лучей, вызывая, тем самим, различные атмосферные явления. Наиболее необычные красочные из них это солнечный закат, радуга, северное сияние, миражи, солнечное и лунное гало и многое другое.

Виды оптических явлений

Существует очень много видов оптических явлений. Остановимся на некоторых из них.

Гало

(от греч. χαλοσ — «круг», «диск»; также а́ура, нимб, орео́л) - это явление преломления и отражения света в ледяных кристалликах облаков верхнего яруса. Представляют собой светлые или радужные круги вокруг Солнца или Луны, отделенные от светила темным промежутком. Гало часто наблюдаются в передней части циклонов и поэтому могут служить признаком их приближения. Иногда можно наблюдать и лунные гало.

Появляясь в воздухе при замерзании водяных капелек, ледяные кристаллы принимают обыкновенно одну из трех форм шестисторонних правильных призм (рис.1 А): призмы, в которых длина очень велика по сравнению с их сечением; это — всем известные ледяные иголочки, в морозные зимние дни массами реющие в самых нижних слоях атмосферы.

А. Б. В.

(рис.1)

Падая свободно в воздухе, такие иголочки располагаются длинной осью вертикально. Плоскости этих кристаллов, которые кружась, постепенно опускаются на землю, большую часть времени ориентированы параллельно поверхности. На восходе или закате, луч зрения наблюдателя может проходить через эту самую плоскость, и каждый кристалл может вести как миниатюрная линза, преломляющая солнечный свет.

В другого рода призмах высота очень мала сравнительно с сечением; тогда получаются шестисторонние плоские таблички (рис.1Б.). Иногда, наконец, ледяные кристаллики принимают форму призмы, сечение которой представляет собой шестилучевую звезду (рис.1 В.). Падая на ледяные кристаллики, луч света, в зависимости от вида кристалла и его положения относительно луча, может прямо или пройти через него без преломления, или лучи должны претерпеть в них не только преломление, но и целый ряд полных внутренних отражений. В действительности очень редко, конечно, удается наблюдать явление, все части которого были бы одинаково ярки и отчетливо видны: обыкновенно то та, то другая его часть развита ярче и характернее, остальные или наблюдаются весьма слабо, или даже отсутствуют.

Обыкновенный круг или малое гало — это блестящий круг, окружающий светило, его радиус — около 22°. Он окрашен в красноватый цвет с внутренней стороны, затем слабо заметен желтый, далее цвет переходит в белый и постепенно сливается с общим голубоватым тоном неба. Пространство внутри круга кажется сравнительно темным; внутренняя граница круга резко очерчена. Круг этот образуется преломлением света в ледяных иглах, носящихся во всевозможных положениях в воздухе. Угол наименьшего отклонения лучей в ледяной призме — приблизительно 22°, поэтому все лучи, прошедшие сквозь кристаллики, должны показаться наблюдателю отклоненными от источника света по крайней мере на 22°; отсюда — темнота внутреннего пространства. Красный цвет, как наименее преломляемый, покажется и наименее отклоненным от светила; за ним идет желтый; остальные лучи, смешиваясь между собой, дадут впечатление белого цвета. Реже встречается гало с угловым радиусом 46°, располагающееся концентрически вокруг 22-градусного гало. Его внутренняя сторона тоже имеет красноватый оттенок. Причиной этого также является преломление света, происходящее в этом случае в ледяных иглах, обращенных к светилу углами в 90°; круг этот обыкновенно бледнее малого, но цвета в нем разделены резче. Ширина кольца такого гало превышает 2,5 градуса. Как 46-градусные, так и 22-градусные гало, как правило, имеют наибольшую яркость в верхней и нижней частях кольца. Изредка встречающееся 90-градусное гало представляет собой слабо светящееся, почти бесцветное кольцо, имеющее общий центр с двумя другими гало. Если оно окрашено, то имеет красный цвет на внешней стороне кольца. Механизм возникновения такого типа гало до конца не выяснен.

Нередко можно пронаблюдать и за лунным гало. Это довольно частое зрелище и возникает оно, если небо затянуто высокими тонкими облаками с миллионами крошечных кристалликов льда. Каждый ледяной кристалл выступает в роли миниатюрной призмы. Большинство кристаллов имеют форму вытянутых шестигранников. Свет входит через одну лицевую поверхность такого кристалла и выходит через противоположную с углом преломления 22 º .

Наблюдая зимой за уличными фонарями, можно, увидеть гало, порожденное их светом, при определенных, конечно, условиях, а именно в морозном воздухе, насыщенном ледяными кристалликами или снежинками. Кстати говоря, гало от Солнца в виде большого светлого столба может возникнуть и во время снегопада. Случаются зимой такие дни, когда снежинки как бы плавают в воздухе, а сквозь неплотные облака упрямо пробивается солнечный свет. На фоне вечерней зари этот столб выглядит иногда красноватым - будто отблеск далекого пожара. В прошлом такое вполне, как видим, безобидное явление приводило в ужас суеверных людей.

Можно видеть и такое гало: светлое, окрашенное в радужные тона кольцо вокруг Солнца. Этот вертикальный круг возникает тогда, когда в атмосфере находится много шестигранных ледяных кристалликов, не отражающих, а преломляющих солнечные лучи подобно стеклянной призме. При этом большинство лучей, естественно, рассеивается и до наших глаз не доходит. Но какая-то их часть, пройдя сквозь эти находящиеся в воздухе призмочки и преломившись, до нас доходит, вот мы и видим радужный круг вокруг Солнца. Радиус его около двадцати двух градусов. Бывает и больше - в сорок шесть градусов.

Замечено, что гало-круг всегда более ярок по бокам. Это потому, что здесь пересекаются два гало - вертикальное и горизонтальное. И ложные солнца образуются чаще всего именно в месте пересечения. Наиболее благоприятные условия для появления ложных солнц складываются тогда, когда Солнце стоит невысоко над горизонтом и часть вертикального круга уже нам не видна.

Какие же кристаллики участвуют в этом «представлении»?

Ответ на вопрос дали специальные эксперименты. Оказалось, что ложные Солнца появляются благодаря шестигранным кристаллам льда, по своей форме напоминающим... гвозди. Они плавают в воздухе вертикально, преломляя свет своими боковыми гранями.

Третье «солнце» появляется, когда над настоящим солнцем видна лишь одна верхняя часть гало-круга. Порой это отрезок дуги, иной раз светлое пятно неопределенной формы. Иногда ложные солнца не уступают по яркости самому Солнцу. Наблюдая их, древние летописцы и писали о трех солнцах, об отрубленных огненных головах и т.п.

В связи с этим явлением в истории человечества зафиксирован любопытный факт. В 1551 году немецкий город Магдебург был осажден войсками испанского короля Карла V. Стойко держались защитники города, уже больше года длилась осада. Наконец раздраженный король отдал приказ готовиться к решительной атаке. Но тут произошло невиданное: за несколько часов до штурма над осажденным городом засияли три солнца. Смертельно напуганный король решил, что Магдебург защищают небеса, и приказал снять осаду.

Радуга - это оптическое явление, возникающее в атмосфере и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде.

В религиозных представлениях народов древности радуге приписывалась роль моста между землей и небом. В греко-римской мифологии известна даже особая богиня радуги - Ирида. Греческие ученые Анаксимен и Анаксагор считали, что радуга возникает за счет отражения Солнца в темном облаке. Аристотель изложил представления о радуге в специальном разделе своей «Метеорологии». Он считал, что радуга возникает благодаря отражению света, но не просто от всего облака, а от его капель.

В 1637 году знаменитый французский философ и ученый Декарт дал математическую теорию радуги, основанную на преломлении света. Впоследствии эта теория была дополнена Ньютоном на основании его опытов по разложению света на цвета с помощью призмы. Дополненная Ньютоном теория Декарта не могла объяснить одновременного существования нескольких радуг, различной их ширины, обязательного отсутствия в цветных полосах некоторых цветов, влияния размеров капель облака на внешний вид явления. Точную теорию радуги на основе представлений о дифракции света дал в 1836 году английский астроном Д. Эри. Рассматривая пелену дождя как пространственную структуру, обеспечивающую возникновение дифракции, Эри объяснил все особенности радуги. Его теория полностью сохранила свое значение и для нашего времени.

Радуга - это оптическое явление, возникающее в атмосфере и имеющее вид разноцветной дуги на небесном своде. Наблюдается она в тех случаях, когда солнечные лучи освещают завесу дождя, расположенную на противоположной Солнцу стороне неба. Центр дуги радуги находится в направлении прямой, проходящей через солнечный диск (хотя бы и скрытый от наблюдения тучами) и глаз наблюдателя, т.е. в точке, противоположной Солнцу. Дуга радуги представляет собой часть круга, описанного вокруг этой точки радиусом в 42°30" (в угловом измерении).

Интересно расположение цветов в радуге. Оно всегда постоянно. Красный цвет главной радуги расположен на ее верхнем крае, фиолетовый - на нижнем. Между этими крайними цветами следуют друг за другом остальные цвета в такой же последовательности, как в солнечном спектре. В принципе в радуге никогда не бывают представлены все цвета спектра. Чаще всего в ней отсутствуют или слабо выражены синий, темно-синий и насыщенный чисто красный цвета. С увеличением размеров капель дождя происходит сужение цветных полос радуги, сами же цвета становятся более насыщенными. Преобладание в явлении зеленых тонов обычно указывает на последующий переход к хорошей погоде. Общая картина цветов радуги имеет размытый характер, так как образуется она протяженным источником света.

При искусственном воспроизведении явления в лаборатории удавалось получать до 19 радуг. Над водоемом могут наблюдаться дополнительные радуги, расположенные друг относительно друга неконцентрично. Для одной из них источником света является Солнце, для другой - его отражение от водной поверхности. В этих условиях могут встречаться и радуги, расположенные «вверх ногами». Ночью при лунном освещении и туманной погоде в горах и на берегах морей можно наблюдать белую радугу. Такой тип радуги может возникать и при воздействии солнечного света на туман. Она имеет вид блестящей белой дуги, с внешней стороны окрашенной в желтоватый и оранжево-красный цвета, а изнутри - в сине-фиолетовый. Радуга наблюдается не только на пелене дождя. В меньших масштабах ее можно увидеть на каплях воды у водопадов, фонтанов и в морском прибое. При этом в качестве источника света могут служить не только Солнце и Луна, но и прожектор.

Полярное сияние — свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосферы планеты, обладающей магнитосферой, вследствие её взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра. В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета. Полярные сияния наблюдают в двух основных формах - в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Мираж - простейшие видел любой из нас. Например, когда едешь по нагретой асфальтированной дороге, далеко впереди она выглядит как водная поверхность. И подобное уже давно никого не удивляет, ибо мираж - не что иное, как атмосферное оптическое явление, благодаря которому в зоне видимости появляются изображения предметов, которые при обычных условиях скрыты от наблюдения. Происходит это потому, что свет при прохождении через слои воздуха разной плотности преломляется. Удаленные объекты при этом могут оказаться поднятыми или опущенными относительно их действительного положения, а также могут исказиться и приобрести неправильные, фантастические формы.

Призраки Броккена - в некоторых районах земного шара, когда тень находящегося на возвышенности наблюдателя при восходе или заходе Солнца сзади него падает на облака, расположенные на небольшом расстоянии, обнаруживается поразительный эффект: тень приобретает колоссальные размеры. Это происходит из-за отражения и преломления света мельчайшими капельками воды в тумане. Описанное явление носит название по имени вершины в горах Гарц в Германии.

Огни святого Эльма - светящиеся бледно-голубые или фиолетовые кисти длиной от 30 см до 1 м и более, обычно на верхушках мачт или концах рей находящихся в море судов. Иногда кажется, что весь такелаж судна покрыт фосфором и светится. Огни святого Эльма порой возникают на горных вершинах, а также на шпилях и острых углах высоких зданий. Это явление представляет собой кистевые электрические разряды на концах электропроводников, когда в атмосфере вокруг них сильно повышается напряженность электрического поля.

Вывод

Физическая природа света интересовала людей с незапамятных времён. Но, прежде чем утвердился совремённый взгляд на природу света, и световой луч нашёл своё применение в жизни человека, были выявлены, описаны, научно обоснованы и экспериментально подтверждены многие оптические явления, повсеместно возникающие в атмосфере Земли, от известной каждому радуги, до сложных, периодических миражей. Но, не смотря на это, причудливая игра света всегда привлекала и привлекает человека. Никого не оставляет равнодушным ни созерцание зимнего гало, ни яркого солнечного заката, ни широкой, в пол неба, полосы северного сияния, ни скромной лунной дорожки на водной глади. Световой луч, проходя сквозь атмосферу нашей планеты, не просто освещает её, но и придаёт ей неповторимый вид, делая прекрасной.

Конечно, в атмосфере нашей планеты происходит значительно больше оптических явлений, о которых говориться в этой работе. Среди них есть как хорошо знакомые нам и разгаданные учёными, так и те, которые ещё ждут своих первооткрывателей. И нам остаётся лишь надеяться, что, со временем, мы станем свидетелями всё новых и новых открытий в области оптических атмосферных явлений, свидетельствующих о многогранности обыкновенного светового луча.

Литература

Блудов М.И.«Беседы по физике, часть II» - М.: Просвещение, 1985 г.

Булат В.Л.«Оптические явления в природе» - М.: Просвещение, 1974 г.

Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. «Курс общей физики» - М.: Просвещение, 1988 г.

Королев Ф.А. «Курс физики» М., «Просвещение» 1988 г.

Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б.«Физика 10 - М.: Просвещение, 1987 г.

Тарасов Л.В. «Физика в природе» - М.: Просвещение, 1988 г.

Трубников П.Р. ПокусаевН.В.«Оптика и атмосфера - Санкт-Петербург: Просвещение, 2002 г.

ШахмаевН.М. Шодиев Д.Ш. «Физика 11 - М.: Просвещение, 1991 г.

Ресурсы интернета

Приложение

Вид дуги, яркость цветов, ширина полос зависят от размеров капелек воды и их количества. Большие капли создают более узкую радугу, с резко выделяющимися цветами, малые - дугу расплывчатую, блеклую и даже белую.

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

Озерные, или нижние миражи - самые распространенные

мираж, давно всем известное природное явление...

фотография, призрак Броккена, тень горы, наблюдаемая на фоне вечерних облаков:

Гало - одно из красивейших и необычных явлений природы

Волгоградская муниципальная гимназия №1

Экзаменационная работа

по физике на тему:

«Оптические явления в природе»

Выполнили

ученицы 9класса «Б»

Покусаева В.О.

Трубникова М.В.

План

1. Введение

а) Что такое оптика?

б) Виды оптики

в) Роль оптики в развитии современной физики

2. Явления, связанные с отражением света

а) Предмет и его отражение

б) Зависимость коэффициента отражения от угла падения света

в) Защитные стекла

д) Полное отражение света

е) Цилиндрический световод

ж) Алмазы и самоцветы

3. Явления, связанные с преломлением света

б) Радуга

4. Полярные сияния

Введение

Что такое оптика?

Первые представления древних ученых о свете были весьма наивны. Считалось, что из глаз выходят особые тонкие щупальцы и зрительные впечатления возникают при ощупывании ими предметов. Тогда под оптикой понимали науку о зрении. Именно такой точный смысл слова «оптика». В средние века оптика постепенно из науки о зрении превратилась в науку о свете, этому способствовало изобретение линз и камеры-обскуры. В современное время оптика - это раздел физики, в котором исследуется испускание света, его распространение в различных средах и взаимодействие с веществом. Что же касается вопросов, связанных со зрением, устройство и функционирование глаза, то они выделились в специальное научное направление, называемое физиологической оптикой.

Виды оптики

При рассмотрении многих оптических явлений можно пользоваться представлением о световых лучах – геометрических линиях, вдоль которых распространяется световая энергия. В этом случае говорят о геометрической (лучевой) оптике.

Геометрическая оптика широко используется в светотехнике и при рассмотрении действий многочисленных приборов и устройств – начиная от лупы и очков и кончая сложнейшими оптическими микроскопами и телескопами.

В начале XIX века развернулись интенсивные исследования открытых ранее явлений интерференции, дифракции и поляризации света. Эти явления не находили объяснения в рамках геометрической оптики, необходимо было рассматривать свет в виде поперечных волн. Так возникла волновая оптика. Первоначально полагали, что свет - это упругие волны в некоторой среде (мировом эфире), которая будто бы заполняет все мировое пространство.

В 1864 году английский физик Джеймс Максвелл создал электромагнитную теорию света, согласно которой волны света – это электромагнитные волны с соответствующим диапазоном длин.

Исследования, выполненные в начале XX века, показали, что для объяснения некоторых явлений, например фотоэффекта, необходимо представить световой пучок в виде потока своеобразных частиц – световых квантов (фотонов). Еще 200 лет назад Исаак Ньютон придерживался аналогичной точки зрения на природу света в своей «теории истечения света». Теперь представление о световых квантах изучает квантовая оптика.

Роль оптики в развитии современной физики.

Роль оптики в развитии современной физики велика. Возникновение двух наиболее важных и революционных теорий двадцатого столетия (квантовой механики и теории относительности) в существенной мере связано с оптическими исследованиями. Оптические методы анализа вещества на молекулярном уровне породили специальное научное направление – молекулярную оптику. К ней тесно примыкает оптическая спектроскопия, применяемая в современном материаловедении, при исследованиях плазмы, в астрофизике. Существуют также электронная и нейтронная оптики; созданы электронный микроскоп и нейтронное зеркало. Разработаны оптические модели атомных ядер.

Способствуя развитию разных направлений современной физики, оптика в то же время и сама переживает сегодня период бурного развития. Основной толчок этому развитию дало изобретение интенсивных источников когерентного света – лазеров. В результате волновая оптика поднялась на более высокую ступень, соответствующую когерентной оптике. Трудно даже перечислить все новейшие научно-технические направления, развивающиеся благодаря появлению лазеров. Среди них нелинейная оптика, голография, радиооптика, пикосекундная оптика, адаптивная оптика и другие. Радиооптика возникла на стыке радиотехники и оптики; она исследует оптические методы передачи и обработки информации. Эти методы обычно сочетают с традиционными электронными методами; в результате сложилось научно-техническое направление, называемое оптоэлектронникой. Передача световых сигналов по диэлектрическим волокнам составляет предмет волоконной оптики. Используя достижения нелинейной оптики, можно исправлять волновой фронт светового пучка, искажающийся при распространении света в той или иной среде, например в атмосфере или в воде. В результате возникла и интенсивно развивается так называемая адоптивная оптика. К ней тесно примыкает зарождающаяся на наших глазах фотоэнергетика, занимающаяся, в частности, вопросами эффективной передачи световой энергии по лучу света. Современная лазерная техника позволяет получать световые импульсы длительностью порядка всего лишь пикосекунды. Такие импульсы оказываются уникальным «инструментом» для исследования целого ряда быстропротекающих процессов в веществе, и в частности в биологических структурах. Возникло и развивается специальное направление – пикосекундная оптика; к нему тесно примыкает фотобиология. Можно без преувеличения сказать, что широкое практическое использование достижений современной оптики – обязательное условие научно-технического прогресса. Оптика открыла человеческому разуму дорогу в микромир, она же позволила ему проникнуть в тайны звездных миров. Оптика охватывает все стороны нашей практической деятельности.

Явления, связанные с отражением света.

Предмет и его отражение

То, что отраженный в стоячей воде пейзаж не отличается от реального, а только перевернут «вверх ногами» далеко не так.

Если человек посмотрит поздним вечером, как отражаются в воде светильники или как отражается берег, спускающийся к воде, то отражение покажется ему укороченным и совсем «исчезнет», если наблюдатель находится высоко над поверхностью воды. Также никогда нельзя увидеть отражение верхушки камня, часть которого погружена в воду.

Зависимость коэффициента отражения от угла падения света.

Защитные стекла

Подобным образом изготовляют стекла для светозащитных очков.

Полное внутреннее отражение света

Красивое зрелище представляет собой фонтан, у которого выбрасываемые струи освещаются изнутри. Это можно изобразить в обычных условиях, проделав следующий опыт (рис. 1). В высокой консервной банке на высоте 5 см от дна надо просверлить круглое отверстие (а ) диаметром 5-6 мм. Электрическую лампочку с патроном надо аккуратно обернуть целлофановой бумагой и расположить ее напротив отверстия. В банку надо налить воды. Открыв отверстие а , получим струю, которая будет освещена изнутри. В темной комнате она ярко светится и опят выглядит очень эффектно. Струе можно придать любую окраску, поместив на пути лучей света цветное стекло б . Если на пути струи подставить палец, то вода разбрызгивается и эти капельки ярко светятся.

Цилиндрический световод

Алмазы и самоцветы

В Кремле существует выставка алмазного фонда России.

Наиболее прозрачные и крупные алмазы служат украшением. Мелкие алмазы находят широкое применение в технике в качестве режущего или шлифующего инструмента для металлообрабатывающих станков. Алмазами армируют головки бурильного инструмента для проходки скважин в твердых породах. Такое применение алмаза возможно из-за большой отличающей его твердости. Другие драгоценные камни в большинстве случаев являются кристаллами окиси алюминия с примесью окислов окрашивающих элементов – хрома (рубин), меди (изумруд), марганца (аметист). Они также отличаются твердостью, прочностью и обладают красивой окраской и «игрой света». В настоящее время умеют получать искусственным путем крупные кристаллы окиси алюминия и окрашивать их в желаемый цвет.

Явления дисперсии света объясняют многообразием красок природы. Целый комплекс оптических экспериментов с призмами в XVII веке провел английский ученый Исаак Ньютон. Эти эксперименты показали, что белый свет не является основным, его надо рассматривать как составной («неоднородный»); основными же являются различные цвета («однородные» лучи, или «монохроматические» лучи). Разложение белого света на различные цвета происходит по той причине, что каждому цвету соответствует своя степень преломляемости. Эти выводы, сделанные Ньютоном, согласуются с современными научными представлениями.

Явления, связанные с преломлением света

Мираж

Некоторые виды миражей. Из большего многообразие миражей выделим несколько видов: «озерные» миражи, называемые также нижними миражами, верхние миражи, двойные и тройные миражи, миражи сверхдальнего видения.

Нижние («озерные») миражи возникают над сильно нагретой поверхностью. Верхние миражи возникают, наоборот, над сильно охлажденной поверхностью, например над холодной водой. Если нижние миражи наблюдают, как правило, в пустынях и степях, то верхние наблюдают в северных широтах.

Особенно удивительны миражи сверхдальнего видения. К. Фламмарион в своей книге «Атмосфера» описывает пример подобного миража: «Опираясь на свидетельства нескольких лиц, заслуживающих доверия, я могу сообщить про мираж, который видели в городе Вервье (Бельгия) в июне 1815 г. Однажды утром жители города увидели в небе войско, и так ясно, что можно было различить костюмы артиллеристов и даже, например, пушку со сломанным колесом, которое вот-вот отвалится… Это было утро сражения при Ватерлоо!» Описанный мираж изображен в виде цветной акварели одним из очевидцев. Расстояние от Ватерлоо до Вервье по прямой линии составляет более 100км. Известны случаи, когда подобные миражи наблюдались и на больших расстояниях – до 1000км. «Летучего голландца» следует отнести именно к таким миражам.

Объяснение нижнего («озерного») миража. Если воздух у самой поверхности земли сильно нагрет и, следовательно, его плотность относительно мала, то показатель преломления у поверхности будет меньше, чем в более высоких воздушных слоях. Изменение показателя преломления воздуха n с высотой h вблизи земной поверхности для рассматриваемого случая показано на рисунке 3, а.

Простые верхние миражи. Можно предположить, что воздух у самой поверхности земли или воды не нагрет, а, напротив, заметно охлажден по сравнению с более высокими воздушными слоями; изменение n с высотой h показано на рисунке 4, а. Световые лучи в рассматриваемом случае изгибаются так, что их траектория обращена выпуклостью вверх. Поэтому теперь наблюдатель может видеть объекты, скрытые от него за горизонтом, причем он будет видеть их вверху как бы висящими над линией горизонта. Поэтому такие миражи называют верхними.

Двойные и тройные миражи. Если показатель преломления воздуха изменяется сначала быстро, а затем медленно, то в этом случае лучи в области I будут искривляться быстрее, чем в области II. В результате возникают два изображения (рис. 6, 7). Световые лучи 1, распространяющиеся в пределах воздушной области I, формируют перевернутое изображение объекта. Лучи 2, распространяющиеся в основном в пределах области II, искривляются в меньшей степени и формируют прямое изображение.

Мираж сверхдальнего видения. Природа этих миражей изучена менее всего. Ясно, что атмосфера должна быть прозрачной, свободной от водяных паров и загрязнений. Но этого мало. Должен образоваться устойчивый слой охлажденного воздуха на некоторой высоте над поверхностью земли. Ниже и выше этого слоя воздух должен быть более теплым. Световой луч, попавший внутрь плотного холодного слоя воздуха, как бы “запертым” внутри него и распространяется в нем как по своеобразному световоду. Траектория луча на рисунке 8 все время обращена выпуклостью в сторону менее плотных областей воздуха.

Возникновение сверхдальних миражей можно объяснить распространением лучей внутри подобных «световодов», которые иногда создает природа.

Радуга

Радуга – это красивое небесное явление – всегда привлекала внимание человека. В прежние времена, когда люди еще мало знали об окружающем мире, радугу считали «небесным знамением». Так, древние греки думали, что радуга - это улыбка богини Ириды.

У радуги различают семь основных цветов, плавно переходящих один в другой.

n sin α=n sin β, где n=1, n≈1,33 –

соответственно показатели преломления воздуха и воды, α – угол падения, а β – угол преломления света.

Луч АВ после отражения в точке В происходит под углом β`=β b попадает в точку С, где также происходит частичное отражение и частичное преломление света. Преломленный луч выходит из капли под углом γ, а отраженный может пройти дальше, в точку D и т. д. Таким образом, луч света в капле претерпевает многократное отражение и преломление. При каждом отражении некоторая часть лучей света выходит наружу и интенсивность их внутри капли уменьшается. Наиболее интенсивным из выходящих в воздух лучей является луч, вышедший из капли в точке В. Но наблюдать его трудно, так как он теряется на фоне ярких прямых солнечных лучей. Лучи же, преломленные в точке С, создают в совокупности на фоне темной тучи первичную радугу, а лучи, испытывающие преломление в точке D дают вторичную радугу, которая менее интенсивна, чем первичная.

Полярные сияния

Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние.

Различают четыре типа полярных сияний:

Лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитные поля, так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Как возникают полярные сияния. Земля представляет собой огромный магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного. Силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывает земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя тороидальную решетку вокруг Земли.

Долго считалось, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» – поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем, налетаю на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию. Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадают внутрь тероида и движутся внутри него, как это можно по правилу левой руки, вдоль замкнутой кривой АВС. Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями 10000-20000эв (1эв= 1.6 10 дж), а электроны с энергиями 10-20эв. Для ионизации же атомов нужно: для водорода – 13,56 эв, для кислорода - 13,56 эв, для азота – 124,47 эв, а для возбуждения еще меньше.

Возбужденные атомов газов отдают обратно полученную энергию в виде света, наподобие того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода – на высоте 200-400 км. Другим слабым источником красного света являются атомы водорода, образовавшие в верхних слоях атмосферы из протонов прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет.

В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.

Литература:

5. «Энциклопедический словарь юного физика», составитель В. А. Чуянов, издательство «Педагогика», Москва, 1984 год.

6. «Справочник школьника по физике», составитель - , филологическое общество «Слово», Москва, 1995 год.

7. «Физика 11», Н. М. Шахмаев, С. Н. Шахмаев, Д. Ш. Шодиев, издательство «Просвещение», Москва, 1991 год.

8. «Решение задач по физике», В. А. Шевцов, Нижне-Волжское книжное издательство, Волгоград, 1999 год.