Оптические явления в природе
Оптические явления в природе”
План
Введение
а) Понятие оптики
б) Классификация оптики
в) Оптика в развитии современной физики
Явления, связанные с отражением света
Явления, связанные с преломлением 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.
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.
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
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.
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
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.
Назовите три примера оптических явлений которые наблюдали лично вы ответ на вопрос. Какое явление мы можем наблюдать в природе на примере физического устройства. Зависимость коэффициента отражения от угла падения для границы вода воздух. Физические явления в природе к какому явлению относится землетрясение. Какие явления в природе происходили много млн лет назад а какие нет. Какой газ становится не прозрачным при пропускании через него тока. Реферат по физики на тему как мы получаем знания о явлении природы. Реферат на тему Объяснения явление природы с точки зрения физики. Световой луч падает из воздуха на поверхность воды рисунок. Оптические явления в природе оптические явления в природе. Каким оптическим явлением объясняется образование миражей. Примеры оптических и электрических явлений одновременно. За каким явлением в природе можно набдюдать в сентябре. К чему относиться поглощение света к пленке или радуга. Каким явлением объясняется наблюдением радуги физика.
|
