что такое оптические явления примеры
10 оптических иллюзий, созданных самой природой
Знаете ли вы, что природа легко может обмануть человеческий мозг?
На нашей планете множество оптических иллюзий, которые благодаря особенности восприятия нашего мозга и богатому воображению воспринимаются нами, как иллюстрация к фантастическому фильму.
Давайте разберемся, что же это такое?
1. Оптические иллюзии, создающие восприятие изображения, которое отличается от реального объекта;
2. Физиологические иллюзии, которые представляют собой воздействие на глаза и мозг чрезмерной стимуляции различного типа. Например, яркость света, цвет, перспектива, наклон и движение.
3. Когнитивные иллюзии, возникающие в результате умозаключений.
Полярное сияние наблюдается преимущественно в высоких широтах обоих полушарий. Так, на острове Новой Зеландии сияние происходит регулярно, местное население даже назвали его «Пылающие небеса». Конечно, чтобы увидеть это природное явление, совсем не обязательно ехать в Норвегию, Исландию и Финляндию. На территории РФ полярное сияние есть в Мурманской и Архангельской областях, в Республике Коми, Карелии, в Хибинских горах, на Таймырском полуострове, в Якутии и на Ямале.
Удивительно, но некоторые иллюзии способны испугать нас, например, иллюзия «Брокенский призрак». Эта иллюзия представляет собой тень на поверхности облаков или тумана. Призрак может показаться очень большим, он может шевелиться и передвигаться из-за движения облачного слоя. Голова призрака часто окружена цветным ореолом, когда капли воды одинакового размера в облаках преломляют и рассеивают солнечный свет.
Известность «Брокенский призрак» обрел благодаря одноименному пику «Брокен» в горах Гарц в Германии, где постоянные туманы и доступность малых высот позволяют наблюдать его особенно часто.
Подводный водопад на Маврикии. Эта иллюзия создаётся песчаными отложениями вдоль побережья. Если смотреть на побережье с высоты птичьего полета, то создается впечатление, будто под водой находится огромная расщелина в леднике, в которую течет вода, образуя подводный водопад. 
Красная река в Испании, Рио Тинто. Благодаря тому, что вода реки богата металлами, обычная фотография реки обманывает человеческий глаз, заставляя его думать, что он видит огненные потоки.
Застывшие волны Аризоны. Этот уникальный ландшафт можно увидеть на границе штатов Аризона и Юта в США. Замерзшие волны скал были сформированы ветром и дождем в течение миллионов лет. Уникальная картина сложилась из-за неравномерного выветривания гор. Из-за хрупкости пород посещение достопримечательности ограничено всего 20 человек в день.
Невероятные световые явления
Атмосферные оптические явления поражают воображение красотой и многообразием создаваемых иллюзий. Наиболее эффектными являются столбы света, ложные солнца, огненные кресты, глория и брокенский призрак, которые часто люди незнающие принимают за Чудо или Богоявление.
Окологоризонтальная дуга, или «огненная радуга». Свет проходит через кристаллы льда в перистых облаках. Очень редкое явление, так как и кристаллы льда, и солнечный свет должны оказаться под определенным углом друг к другу, чтобы создать эффект «огненной радуги».
«Призрак Броккена». Своё название явление получило по имени вершины Броккен в Германии, где можно регулярно наблюдать этот эффект: человек, стоящий на холме или горе, за спиной которого восходит или заходит солнце, обнаруживает, что его тень, упавшая на облака, становится неправдоподобно огромной. Это происходит из-за того, что мельчайшие капли тумана особым образом преломляют и отражают солнечный свет.
Околозенитная дуга. Дуга с центром в точке зенита, расположенная выше Солнца приблизительно на 46°. Она видна редко и только в течение нескольких минут, имеет яркие цвета, четкие очертания и всегда параллельна горизонту. Стороннему наблюдателю она напомнит улыбку Чеширского Кота или перевернутую радугу.
«Туманная» радуга. Туманный ореол похож на бесцветную радугу. Туман, рождающий этот ореол, состоит из более мелких частиц воды, и свет, преломляясь в крошечных капельках, не расцвечивает его.
Глория. Наблюдать этот эффект можно только на облаках, которые находятся прямо перед зрителем или ниже его, в точке, которая находится на противоположной стороне к источнику света. Таким образом, увидеть Глорию можно только с горы или из самолета, причем источники света (Солнце или Луна) должны находиться прямо за спиной наблюдателя.
Гало в 22º. Белые световые окружности вокруг Солнца или Луны, которые возникают в результате преломления или отражения света находящимися в атмосфере кристаллами льда или снега, называются гало. В холодное время года гало, образованные кристаллами льда и снега на поверхности земли, отражают солнечный свет и рассеивают его в разных направлениях, образуя эффект под названием «бриллиантовая пыль».
Радужные облака. Когда Солнце располагается под определенным углом к капелькам воды, из которых состоит облако, эти капли преломляют солнечный свет и создают необычный эффект «радужного облака», окрашивая его во все цвета радуги.
Лунная радуга (ночная радуга) — радуга, порождаемая луной в большей степени, чем солнцем. Лунная радуга сравнительно более бледная, чем обычная. Это объясняется тем, что луна производит меньше света, чем солнце. Лунная радуга всегда находится на противоположной от луны стороне неба.
Паргелий — одна из форм гало, при которой на небе наблюдается одно или несколько дополнительных изображений Солнца.
В «Слове о полку Игореве» упоминается, что перед наступлением половцев и пленением Игоря «четыре солнца засияли над русской землей». Воины восприняли это как знак надвигающейся большой беды.
Северное (Полярное) сияние — свечение верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.
Огни святого Эльма — разряд в форме светящихся пучков или кисточек, возникающих на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, острые вершины скал и т. п.) при большой напряжённости электрического поля в атмосфере.
Зодиакальный свет. Рассеянное свечение ночного неба, создаваемого солнечным светом, отраженным от частиц межпланетной пыли, называют еще зодиакальным светом. Зодиакальный свет можно наблюдать вечером на западе или утром на востоке.
Столбы света. Плоские кристаллы льда отражают свет в верхних слоях атмосферы и образуют вертикальные столбы света, словно выходящие из земной поверхности. Источниками света могут являться Луна, Солнце или огни искусственного происхождения.
Звездный след. Невидим невооруженным глазом, его можно запечатлеть на фотокамеру.
Белая радуга. Фото сделано на мосту Золотые Ворота в Сан-Франциско
Свет Будды. Явление схоже с Призраком Броккена. Солнечные лучи отражаются от атмосферных капелек воды над морем и тень самолёта посреди радужного круга.
Зелёный луч. «Когда заходящее Солнце полностью скрывается из виду, последний проблеск выглядит поразительно зеленым. Эффект можно наблюдать только из мест, где горизонт низок и далек. Он продолжается всего несколько секунд.»
Ложное Солнце. Научное объяснение такое: «По мере того как вода замерзает в верхних слоях атмосферы, создает маленькие, плоские, шестиугольные ледяные кристаллы льда. Плоскости этих кристаллов, кружась, постепенно опускаются на землю, основную часть времени ориентированы параллельно поверхности.»
Мираж, давно всем известное природное явление.
Тень горы, наблюдаемая на фоне вечерних облаков:
Больше нравится читать с телефона или планшета? Тогда сканируйте этот QR-код прямо с монитора своего компа и читайте статью. Для этого на вашем мобильном устройстве должно быть установлено любое приложение «Сканер QR кода».
Совсем недавно один из блогеров опубликовал материал о том, как быстро тают ледники. Разница между первыми и современными снимками поразительна. Буквально за десятки лет с нашей планеты исчезают глыбы льда. Мне же удалось найти несколько видеороликов, на которых запечатлены не только вышеуказанные
В Арктике существует невероятно красивое явление — ледяные цветы. Так ученые называют кристаллы высотой в несколько сантиметров, которые образуются на поверхности тонкого слоя льда.
Срубленная новогодняя ёлочка, увешанная игрушками и сладостями — явление сравнительно недавнее. В таком виде оно начало распространятся в 17 веке с Эльзаса. А повсеместно в Европе и Америке ёлки в домах устанавливаются лишь с конца 19 века, когда изобрели ёлочные свечи.
Народные приметы, по которым наши предки определяли погоду.
Проект на тему: «Оптика и оптические явления в природе».
Ищем педагогов в команду «Инфоурок»
Министерство общего и профессионального образования Ростовской области Государственного бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ростовской области
«Каменский техникум строительство и автосервиса»
на тему «Оптика и оптические явления в природе»
Оформление согласно локального акта
обучающаяся на 1 курсе
1.Оптика. Виды оптики. 4стр.
1.1 Роль оптики в развитии современной физики…………………………….4стр.
2. Явления, связанные с отражением света……………………………………5стр.
2.1 Предмет и его отражение………………………………………………. 5стр.
2.2 Зависимость коэффициента отражения от угла падения света…………..6стр.
2.3 Защитные стекла. Полное отражение света. Цилиндрический световод..6стр.
3. Явления, связанные с преломлением света…………………………………9стр.
Список использованной литературы…………………………………………18стр.
История поиска ответа на вопрос о том, что такое свет. Учение о природе света, световых явлениях и взаимодействии с веществом. Закон отражения света. Понятие углов падения и отражения света, зеркальное отражение. Все это и включает в себя раздел физики под названием «Оптика».
Цель: изучить оптические явления в природе и в промышленности.
1. Изучение теоретического материала данного вопроса.
2. Рассмотреть оптические явления в физике, в природе и в промышленности.
1. Оптика. 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 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.
1.1 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.
2. Явления, связанные с отражением света.
2.1 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 настолько 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.
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 ярко освещенных предметов, которые при прямом наблюдении оказывается слишком ярким для глаза.
2.2 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.
2.3 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. В высокой консервной банке на высоте 5 см от дна надо просверлить круглое отверстие 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. 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.
Если направить световой пучок в один торец сплошного стеклянного изогнутого цилиндра, можно заметить, что свет будет выходить из его другого торца; 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.
2.4 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.
3. 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 (рис.1).
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.
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. 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 убедиться, рассмотрев гипотетический случай – показатель преломления на некоторой высоте h уменьшается скачком. 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.
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 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 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.
В момент восхода солнца противосолнечная точка 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. 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.
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.
3.3 Полярные сияния
Одним из красивейших оптических явлений природы является полярное сияние (рис.3).
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 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.
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».
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.
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.
Рис.3 Полярное сияние
Я – Федченко Юлия написала проект по физике на тему: «Оптические явления в природе», так как мне эта тема показалась очень интересной и увлекательной. Этот проект открыл во мне новые интересы к физике как увлекательной науке, которая затягивает в себя необычными явлениями. В ходе проекта мною были рассмотрены такие темы как: оптика, ее виды и роль в развитии современной физики; явления, связанные с отражением света; предмет и его отражение;
зависимость коэффициента отражения от угла падения света; защитные стекла; полное отражение света; цилиндрический световод; алмазы и самоцветы в промышленности; природные явления, связанные с преломлением света; мираж; радуга; полярные сияния. Таким образом, цель проекта: «изучить оптические явления в природе и в промышленности» была достигнута, а задачи изучить теоретические материалы данного вопроса и оптические явления в физике, в природе и в промышленности – рассмотрены. Считаю проект законченным.