Изучение преломления света в домашних условиях. Академия занимательных наук

Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) – автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме астрономического учебника Птолемей написал ещё книгу «Оптика», в которой изложил теорию зрения, теорию плоских и сферических зеркал и исследование явления преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звёзды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звёздный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по кривой линии, то есть происходит рефракция. Искривление хода луча происходит из-за того, что плотность воздуха меняется с высотой.

Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провёл следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на оси линейки l1 и l2 так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг неё (см. рисунок). Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.

Птолемей не нашёл «формулы» взаимосвязи для этих двух рядов чисел. Однако если определить синусы этих углов, то окажется, что отношение синусов выражается практически одним и тем же числом, даже при таком грубом измерении углов, к которому прибегал Птолемей.

Из-за рефракции света в спокойной атмосфере кажущееся положение звезд на небосклоне относительно горизонта

1) выше действительного положения

2) ниже действительного положения

3) сдвинуто в ту или иную сторону по вертикали относительно действительного положения

4) совпадает с действительным положением

Конец формы

Начало формы

В спокойной атмосфере наблюдают положение звёзд, не находящихся на перпендикуляре к поверхности Земли в той точке, где находится наблюдатель. Каково видимое положение звёзд – выше или ниже их действительного положения относительно горизонта? Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

Под рефракцией в тексте понимается явление

1) изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы

2) изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли

3) поглощения света при его распространении в атмосфере Земли

4) огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения о прямолинейного распространения

Конец формы

Начало формы

Какой из приведённых ниже выводов противоречит опытам Птолемея?

1) угол преломления меньше угла падения при переходе луча из воздуха в воду

2) с увеличением угла падения линейно увеличивается угол преломления

3) отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не меняется

4) синус угла преломления линейно зависит от синуса угла падения

Конец формы

Фотолюминесценция

Некоторые вещества при освещении электромагнитным излучением сами начинают светиться. Такое свечение, или люминесценция, отличается важной особенностью: свет люминесценции имеет иной спектральный состав, чем свет, вызвавший свечение. Наблюдения показывают, что свет люминесценции характеризуется большей длиной волны, чем возбуждающий свет. Например, если пучок фиолетового света направить на колбочку с раствором флюоресцеина, то освещённая жидкость начинает ярко люминесцировать зелёно-жёлтым светом.

Некоторые тела сохраняют способность светиться некоторое время после того, как освещение их прекратилось. Такое послесвечение может иметь различную длительность: от долей секунды до многих часов. Принято называть свечение, прекращающееся с освещением, флюоресценцией, а свечение, имеющее заметную длительность, фосфоресценцией.

Фосфоресцирующие кристаллические порошки используются для покрытия специальных экранов, сохраняющих своё свечение две-три минуты после освещения. Такие экраны светятся и под действием рентгеновских лучей.

Очень важное применение нашли фосфоресцирующие порошки при изготовлении ламп дневного света. В газоразрядных лампах, наполненных парами ртути, при прохождении электрического тока возникает ультрафиолетовое излучение. Советский физик С.И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность таких ламп специально изготовленным фосфоресцирующим составом, дающим при облучении ультрафиолетом видимый свет. Подбирая состав фосфоресцирующего вещества, можно получить спектральный состав излучаемого света, максимально приближённый к спектральному составу дневного света.

Явление люминесценции характеризуется крайне высокой чувствительностью: достаточно иногда 10 – – 10 г светящегося вещества, например в растворе, чтобы обнаружить это вещество по характерному свечению. Это свойство лежит в основе люминесцентного анализа, который позволяет обнаружить ничтожно малые примеси и судить о загрязнениях или процессах, приводящих к изменению исходного вещества.

Ткани человека содержат большое количество разнообразных природных флуорофоров, которые имеют различные спектральные области флуоресценции. На рисунке представлены спектры свечения основных флуорофоров биологических тканей и шкала электромагнитных волн.

Согласно приведённым данным пироксидин светится

1) красным светом

2) жёлтым светом

3) зелёным светом

4) фиолетовым светом

Конец формы

Начало формы

Два одинаковых кристалла, имеющих свойство фосфоресцировать в жёлтой части спектра, были предварительно освещены: первый красными лучами, второй синими лучами. Для какого из кристаллов можно будет наблюдать послесвечение? Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

При исследовании пищевых продуктов люминесцентный метод можно использовать для установления порчи и фальсификации продуктов.
В таблице приведены показатели люминесценции жиров.

Цвет люминесценции сливочного масла изменился с жёлто-зелёного на голубой. Это означает, что в сливочное масло могли добавить

1) только маргарин сливочный

2) только маргарин «Экстра»

3) только сало растительное

4) любой из указанных жиров

Конец формы

Альбедо Земли

Температура у поверхности Земли зависит от отражательной способности планеты – альбедо. Альбедо поверхности – это отношение потока энергии отражённых солнечных лучей к потоку энергии падающих на поверхность солнечных лучей, выраженное в процентах или долях единицы. Альбедо Земли в видимой части спектра – около 40%. В отсутствие облаков оно было бы около 15%.

Альбедо зависит от многих факторов: наличия и состояния облачности, изменения ледников, времени года, и, соответственно, от осадков.

В 90-х годах XX века стала очевидна значительная роль аэрозолей – «облаков» мельчайших твёрдых и жидких частиц в атмосфере. При сжигании топлива в воздух попадают газообразные оксиды серы и азота; соединяясь в атмосфере с капельками воды, они образуют серную, азотную кислоты и аммиак, которые превращаются потом в сульфатный и нитратный аэрозоли. Аэрозоли не только отражают солнечный свет, не пропуская его к поверхности Земли. Аэрозольные частицы служат ядрами конденсации атмосферной влаги при образовании облаков и тем самым способствуют увеличению облачности. А это, в свою очередь, уменьшает приток солнечного тепла к земной поверхности.

Прозрачность для солнечных лучей в нижних слоях земной атмосферы зависит также от пожаров. Из-за пожаров в атмосферу поднимается пыль и сажа, которые плотным экраном закрывают Землю и увеличивают альбедо поверхности.

Какие утверждения справедливы?

А. Аэрозоли отражают солнечный свет и, тем самым, способствуют уменьшению альбедо Земли.

Б. Извержения вулканов способствуют увеличению альбедо Земли.

1) только А

2) только Б

3) и А, и Б

4) ни А, ни Б

Конец формы

Начало формы

В таблице приведены некоторые характеристики для планет Солнечной системы – Венеры и Марса. Известно, что альбедо Венеры А 1 = 0,76, а альбедо Марса А 2 = 0,15. Какая из характеристик, главным образом, повлияла на различие в альбедо планет?

1) А 2) Б 3) В 4) Г

Конец формы

Начало формы

Увеличивается или уменьшается альбедо Земли в период извержения вулканов? Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

Под альбедо поверхности понимают

1) общий поток падающих на поверхность Земли солнечных лучей

2) отношение потока энергии отражённого излучения к потоку поглощённого излучения

3) отношение потока энергии отражённого излучения к потоку падающего излучения

4) разность между падающей и отражённой энергией излучения

Конец формы

Изучение спектров

Все нагретые тела излучают электромагнитные волны. Чтобы экспериментально исследовать зависимость интенсивности излучения от длины волны, необходимо:

1) разложить излучение в спектр;

2) измерить распределение энергии в спектре.

Для получения и исследования спектров служат спектральные аппараты – спектрографы. Схема призменного спектрографа представлена на рисунке. Исследуемое излучение поступает сначала в трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом – собирающая линза L 1 . Щель находится в фокусе линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из неё параллельным пучком и падает на призму Р .

Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки разного цвета, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу L 2 . На фокусном расстоянии от этой линзы располагается экран, матовое стекло или фотопластинка. Линза L 2 фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (точнее, узкому спектральному интервалу) соответствует своё изображение в виде цветной полоски. Все эти изображения вместе
и образуют спектр.

Энергия излучения вызывает нагревание тела, поэтому достаточно измерить температуру тела и по ней судить о количестве поглощённой в единицу времени энергии. В качестве чувствительного элемента можно взять тонкую металлическую пластину, покрытую тонким слоем сажи, и по нагреванию пластины судить об энергии излучения в данной части спектра.

Разложение света в спектр в аппарате, изображённом на рисунке, основано на

1) явлении дисперсии света

2) явлении отражения света

3) явлении поглощения света

4) свойствах тонкой линзы

Конец формы

Начало формы

В устройстве призменного спектрографа линза L 2 (см. рисунок) служит для

1) разложения света в спектр

2) фокусировки лучей определённой частоты в узкую полоску на экране

3) определения интенсивности излучения в различных частях спектра

4) преобразования расходящегося светового пучка в параллельные лучи

Конец формы

Начало формы

Нужно ли металлическую пластину термометра, используемого в спектрографе, покрывать слоем сажи? Ответ поясните.

Конец формы

Начало формы

Михальчук Артём Александрович, Абрамова Валерия Валерьевна, ученики 10 «В» класса МОУ «СОШ №8» г. Саратова

Описание собственных наблюдений некоторых удивительных световых явлений, попытка объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №8 Волжского района

города Саратова»

Рефракция света в земной атмосфере и обманы зрения

Учебно-исследовательская работа по физике

Александрович

Ученик 10 «В» класса

МОУ «СОШ №8» г. Саратова

Руководитель: учитель физики

Иванова Татьяна Петровна

Саратов 2008 г.

Введение……………………………………………………………………… 3
Полное внутреннее отражение света……………...………………………... 4
«Чёрное зеркало»…………………………………………………………….. 5
Отражение от нагретой воды….……………………………………………. 6
Распространение света в слоисто-неоднородной среде…………………... 7
Астрономическая рефракция……………………………………………….. 8
Своеобразие солнечных закатов……………………………………………. 9
Земная рефракция…………………………………………………………... 11
Моделирование двойного миража………………………………………… 13
Заключение………………………………………………………………… 14
Список использованной литературы……………………………………... 15

Введение

Чтобы наблюдать многие оптические явления, не обязательно находиться в физической лаборатории, оборудованной дорогостоящими приборами. Жизнь на Земле невозможна без тёплого и светлого прикосновения солнечных лучей. Стоит лишь приглядеться, и рядом с нами обнаружится множество удивительных явлений, связанных со светом.

Глядя в обычное зеркало, можно понять законы отражения. Любуясь закатом Солнца, размышлять о преломлении света. Радуга напоминает о дисперсии, цветные крылья стрекоз – об интерференции.

В некоторых случаях для объяснения оптических явлений не важна природа света, достаточно знать его основные свойства: прямолинейность распространения в однородной среде, законы отражения и преломления, т.е. владеть геометрической оптикой.

Цель данной работы – описать собственные наблюдения некоторых удивительных световых явлений, попытаться объяснить их, смоделировать и исследовать их на опыте в условиях школьного кабинета физики. Были выполнены следующие демонстрации опытов, описанных В.В. Майером в учебных руководствах: полное отражение света, отражение от нагретой воды, искривление светового пучка оптически неоднородной жидкостью и неравномерно нагретым оргстеклом. Проведённые исследования помогли объяснить красивые оптические явления, происходящие со светом на границе раздела оптически однородных сред и в слоисто-неоднородной среде, какой и является земная атмосфера.

Полное внутреннее отражение света

Первое знакомство с полным отражением света в школе происходит, как правило, при известной демонстрации хода луча через полуцилиндр из оргстекла. Преломление света происходит на границе раздела стекло-воздух (n 1 > n 2 ).

Согласно закону преломления, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой или отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред.

Т.к. n 1 > n 2 , то sin β > sin α и, следовательно, β > α . При увеличении угла падения растут углы отражения и преломления, причём интенсивность отражённого света увеличивается, а преломлённого уменьшается. α 0 , при котором β=π/2, называется предельным углом полного отражения света. При любых углах падения, превышающих предельный, падающий пучок полностью отражается.

«Чёрное зеркало»

Существует целый ряд занимательных и поучительных опытов, исследующих

явление полного отражения света.

Вот один из них. Металлическая пластинка покрывается слоем копоти. Такая поверхность может отражать свет лучше любого зеркала, если её опустить в сосуд с водой. При определённом угле между поверхностью пластинки и направлением наблюдения чёрная поверхность блестит, как зеркало! Можно в этом «чёрном зеркале» получить изображение какого-нибудь предмета. На границе каких сред происходит полное отражение света? Копоть не прозрачна, значит не она участвует в «возврате» луча обратно в воду. Дело в том, что между водой и слоем копоти образуется тонкая воздушная плёнка. Вода не смачивает копоть. Полное отражение света возникает на границе сред вода – воздух. Глядя на пластинку сверху сквозь поверхность воды, мы увидим её блестящей.

Рис. 1

Эффект «Чёрного зеркала»

Но не при любом положении пластинки по отношению к боковой стенке сосуда это можно увидеть, если смотреть не сверху, а сквозь боковую стенку. Ожидаемого полного отражения наблюдать не удаётся, если пластинка параллельна стенке сосуда, т.е. тогда, когда слой воды, отдаляющий нас от воздушной прослойки, является плоскопараллельным.

Поворачивая пластинку вокруг вертикальной оси, можно добиться появления «чёрного зеркала». Объяснение явления в сравнении хода лучей через плоскопараллельный слой воды и через слой воды в виде клина (рис. 1 и 2).

Полное отражение имеет место в том случае, если на границу между водой и воздушной прослойкой, отделяющей воду от чёрной пластинки, свет падает под углами, превышающими предельный. Но таких лучей в первом случае просто нет, а во втором – из-за расширения слоя воды добиться полного отражения света можно даже при α π/2.

Рис. 2 Эффект «Чёрного зеркала» отсутствует

Опыт № 1

«Чёрное зеркало»

Цель. Наблюдение полного отражения света.

Приборы и материалы: стеклянный сосуд, алюминиевая пластина, свеча, вода.

Ход опыта. 1. Закоптить алюминиевую пластину над пламенем свечи.

2. Опустить пластину в сосуд с водой.

3. Наблюдать появление «Чёрного зеркала» поворачивая пластину вокруг вертикальной оси.

Отражение от нагретой воды

Для проведения следующего опыта понадобится большой сосуд с холодной водой, жестяная банка из-под кофе, кипяток. Поверхность банки должна быть тёмной. При быстром заливании в эту банку, закреплённую вертикально в большом сосуде, кипятка, можно увидеть, как поверхность её становится блестящей! Объяснить появления «зеркала» в этом опыте полным отражением света не удастся, т.к. жесть хорошо смачивается водой, в отличие от копоти. Кроме того, появившееся «чёрное зеркало» в предыдущем опыте может сохраняться сколь угодно долго, тогда как в новой ситуации оно само через некоторое время пропадёт. Измерение температуры воды в радиальном направлении к центру большого сосуда показывает, что исчезновение блеска происходит тогда, когда вся толща воды во внешнем сосуде прогреется до примерно одной и той же температуры. Наблюдается же полное отражение лишь при условии, что вода во внешнем сосуде нагрета неравномерно. Вблизи банки с горячей водой её температура наибольшая, а плотность – наименьшая. Следовательно, минимальна и оптическая плотность. Показатель преломления этого слоя воды меньше, чем у холодной воды.

Нет резкой границы между средами с разной оптической плотностью, а значит, нет и отражения в привычном смысле этого слова.

Вода вокруг горячей банки оптически неоднородна с плавным изменением оптической плотности. В такой среде луч света распространяется криволинейно, загибаясь в сторону от меньших значений показателя преломления к большим его значениям (Рис. 3).

Рис. 3 Отражение от нагретой воды

Опыт № 2

Отражение от нагретой воды

Цель. Наблюдение искривления луча света в оптически неоднородной среде.

Приборы и материалы: стеклянный сосуд, жестяная банка из-под кофе, покрашенная матовой чёрной краской, размером: D ~ 6 см, H ~ 12 см, холодная вода, горячая вода (t° ~ 100°С).

Ход опыта. 1. В сосуде с холодной водой закрепить пустую жестяную банку.

2. В жестяную банку залить кипяток.

3. Наблюдать сверху кратковременное появление зеркальной поверхности банки.

Распространение света

в слоисто-неоднородной среде

Слоисто-неоднородными называют такие оптически неоднородные среды, в которых равные значения показателя преломления образуют слои. Рассмотрим самый простой случай, когда показатель преломления среды изменяется только в одном направлении.

А б

Рис. 4

Пусть показатель преломления изменяется снизу вверх. Мысленно разобьём среду на тонкие горизонтальные слои. Луч света меняет своё направление от слоя к слою.

Кроме способа получения слоисто-неоднородной среды, описанной в последнем опыте, можно использовать способ, основанный на явлении диффузии. Готовится насыщенный раствор соли (350 г соли на 1 л воды) в одном сосуде и чистая отстоявшаяся вода в другом. Обе жидкости подкрашиваются хвойным концентратом, фильтруются.

Раствор соли через воронку и шланг осторожно вливается в воду. Граница раздела между ними сначала довольно резкая. Об этом свидетельствует полное отражение луча света от неё. Через некоторое время граница «размазывается», и световой пучок распространяется криволинейно.

В нижней части аквариума находится раствор поваренной соли, имеющий большую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Показатель преломления убывает непрерывно вдоль оси y. Т.к. n=c/ v , скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше, чем в нижних. Плоская волновая поверхность внутри жидкости будет
Рис. 5 поворачиваться, занимая последовательно положения 1, 2, 3, 4, 5 и т.д. Вверху свет будет распространяться быстрее, чем внизу.
Убедительнее для наблюдения искривления луча в оптически неоднородной среде проходит опыт с нагреваемым оргстеклом. Полуцилиндрическая пластина из оргстекла устанавливается на электрическую плитку, которая разогревается примерно до 100°С. Постепенно эффект полного отражения луча на границе стекло-воздух переходит в плавное его искривление. Причина – изменение оптической плотности оргстекла из-за изменения его температуры.

Искривление луча в оргстекле.

Опыт №3

Распространение света в неравномерно нагретом оргстекле

Цель. Наблюдение искривления светового луча в оргстекле при нагревании.

Приборы и материалы: полуцилиндрическая пластина из оргстекла, электрическая плитка, источник света с лампой на 12 В, снабжённый экраном со щелью шириной 2 мм (из комплекта шайбы Гартля).

Ход опыта. 1. Установить пластину из оргстекла на холодную электрическую плитку.

2. Включить плитку в сеть.

4. Наблюдать замену полного отражения луча в его изгибание.

Астрономическая рефракция.

Искривление световых лучей при прохождении света через атмосферу называется рефракцией света в атмосфере. Астрономической рефракции подвергаются лучи, приходящие к земному наблюдателю от Солнца, Луны или звёзд. При объяснении этих явлений надо учитывать, что показатель преломления атмосферы немного больше единицы и то, что он изменяется от точки к точке соответственно изменению плотности воздуха.

А б

Рис. 6

Если представить атмосферу как набор оптически однородных горизонтальных слоёв одинаковой толщины, у которых показатель преломления скачком меняется от одного слоя к другому, постепенно увеличиваясь в направлении от верхних слоёв к нижним, то траектория луча, приходящего от небесного объекта к наблюдателю будет ломаной линией (Рис. 3, а). В действительности плотность атмосферы, а значит, и её показатель преломления изменяются с высотой не скачками, а непрерывно. Потому траектория светового луча представляет собой кривую линию (Рис. 6, б). Вследствие искривления лучей наблюдатель может видеть объект не в том направлении, которое соответствует действительности. В отсутствие рефракции объект был бы виден под углом α (действительное зенитное расстояние объекта). Рефракция же приводит к тому, что объект виден под углом γ. γ

Своеобразие солнечных закатов

Любуясь закатом Солнца, мы видим, как нижний край света коснулся линии горизонта, мы обычно не осознаём, что в действительности в данный момент этот край света уже находится на 35´ ниже линии горизонта. Верхний край солнечного диска приподнимается рефракцией слабее – только на 29´. Поэтому заходящее Солнце кажется немного сплюснутым по вертикали.

Рис. 7

На показатель преломления воздуха влияет, кроме математического изменения плотности воздуха с высотой, также конвекционные потоки, ветер, степень влажности, температуры.

Особенности прогревания атмосферы в нижних слоях над различными участками земной поверхности приводят к тому, что нам иногда кажется Солнце заходящим не за линию горизонта, а за некоторую невидимую линию, находящуюся над горизонтом. При этом облачность отсутствует.

Рис. 8

Если в это время подняться на вершину холма или верхний этаж дома, то можно наблюдать ещё более странную картину: Солнце заходит за линию горизонта, но при этом диск оказывается как бы перерезанным горизонтальной «слепой полосой».

Такая картина наблюдается, если воздух около самой Земли оказывается холодным, а выше располагается слой тёплого воздуха. Переход от нижнего холодного слоя к верхнему тёплому может приводить к резкому спаду показателя преломления. Если предположить, что спад происходит скачком, ход лучей при переходе через границу между тёплым и холодным воздухом можно иллюстрировать рисунком 9.

Рис. 9

В точке О находится наблюдатель. h 1 – высота холодного слоя воздуха.

Рассмотрим Δ О 1 ОС. По теореме синусов: ;

Учтём, что О 1 О=R, O 1 C=R+h 1 . Тогда => sin α 2 =sin или. Отсюда следует, что по мере увеличения γ от 0° до 90°, угол α2 возрастает, достигая максимального значении я при γ=90°(sin 90°=1).

При α 2 =α 0 (предельному углу) луч, идущий из тёплого слоя воздуха, совпадёт с касательной к границе с холодным слоем. К наблюдателю не будут попадать лучи, которые войдут в холодный слой в точках, лежащих ниже точки В. Это объясняет явление, представленное на рисунке 8. Ширину «слепой полосы» определяет угол β. Если же человек поднимается на холм, (точка О и линия горизонта приподняты), то он может увидеть часть диска ниже «слепой полосы», которую теперь определяет угол 2β.

Рис. 10

Возникновение «слепой полосы»

Рисунок «слепой полосы»

Земная рефракция

Не менее интересна земная рефракция света, когда происходит искривление лучей, идущих к наблюдателю от объектов, расположенных на Земле. При этом происходит впечатляющее явление, получившее название миража. Самую простую форму миража часто удаётся наблюдать летом автомобилистам, едущим в жаркий день вдоль длинного и ровного шоссе.

Т.к. дорога сильно нагрета, прилегающий к ней воздух так же нагревается, а его плотность уменьшается. Коэффициент преломления воздуха внизу меньше, чем наверху.

Рис. 11

Глаз наблюдателя видит свет, идущий с неба из точки А, но у него создаётся впечатление, что свет идёт из точки В (рис. 11).

Рис. 12

Для возникновения верхнего миража (миража дальнего видения) необходимо, чтобы показатель преломления приповерхностного слоя воздуха достаточно быстро уменьшался с высотой, что возможно, когда, например, внизу располагается слой холодного воздуха, а над ним находится слой более тёплого воздуха.

Рис. 13

Глаз наблюдателя проецирует лучи в том направлении, по которому они входят в него. Большое количество миражей дальнего видения наблюдается на побережье Средиземного моря. Видимо, в этом повинна пустыня Сахара. Горячие массы воздуха поднимаются над ней, затем уносятся на север и создают благоприятные условия для возникновения миражей. Верхние миражи возникают и в северных странах, когда дуют тёплые южные ветры. Верхние слои атмосферы оказываются нагретыми, а нижние – охлаждёнными из-за наличия больших масс льдов и снега.

Иногда наблюдаются одновременно прямые и обратные изображения предметов.

Рис. 14

Моделирование двойного миража

Если за кюветой, в которую налиты раствор соли и вода, на расстоянии 20-30 см от неё наклонно расположить длинную белую спицу или полоску белой бумаги, то при наблюдении через кювету можно увидеть характерный изгиб в изображении спицы. Вблизи границы раздела жидкостей наблюдается два изображения конца спицы: нижнее – перевёрнутое, верхнее – прямое.

Рис. 15

Отрезку SM соответствует перевёрнутое изображение S´M´, образованное лучами, идущими ниже границы раздела жидкостей, и прямое S´M´´, образованное лучами, распространяющимися выше границы раздела.

Одновременное появление прямого и перевёрнутого изображений прямой спицы может служить моделированием двойного миража.

Так искривляется прямая бумажная полоска, если наблюдать её через оптически неоднородную среду.

Заключение

Преломление света охватывает очень широкий круг явлений природы, среди которых мы выделили те, которые смогли наблюдать сами. Особое место среди них занимают миражи. Они описаны в научных и художественных книгах. Некоторые из них имеют имена, о них сложены легенды. Многие миражи, особенно сверхдальние, когда изображение переносится за тысячи километров, являются весьма сложными оптическими явлениями. Для объяснения возникновения «Летучего голландца», «Фата-Моргана», хрономиражей недостаточно рассмотрение только рефракции света в атмосфере. Физический механизм таких явлений значительно сложнее. Объяснения некоторым из них до сих пор не существует. Возможно, что при определённых условиях в атмосфере образуются гигантские воздушные линзы, своеобразные светопроводы, вторичные миражи, т.е. миражи от миражей. Возможно также, что определённую роль в возникновении миражей играет ионосфера, которая может отражать световые волны.

Фотографии миражей

Список использованной литературы

С. Толанский. Удивительные свойства света. Москва: Издательство «Мир», 1969.
В.В. Майер. Простые опыты по криволинейному распространению света. Москва: Издательство «Наука», 1984.
В.В. Майер. Полное отражение света в простых опытах. Москва: Издательство «Наука», 1986.
Л.В. Тарасов, А.Н. Тарасова. Беседы о преломлении света. Москва: Издательство «Наука», 1982.
В.Л. Булат. Оптические явления в природе. Москва: Издательство «Просвещение», 1974.
Ф. Вуд. Искусственные миражи // Журнал «Квант». 1971. № 10. https://accounts.google.com

На прошлых уроках мы говорили о плоских зеркалах и обсуждали законы отражения света. На этом уроке, тема которого: «Преломление света», мы рассмотрим ещё один эффект, наблюдающийся при попадании света на границу раздела двух сред.

Преломление часто встречается в повседневной жизни и воспринимается нами как обыденное явление, например ложка, которая находится в стакане с чаем и выглядит поломанной на границе раздела воздух - вода (см. Рис. 8). Преломление и отражение света в каплях воды порождает радугу, а многократным преломлением в мелких прозрачных элементах структуры (снежинках, волокнах бумаги, пузырьках) объясняется свойство матовых, не зеркальных отражающих поверхностей (белый снег, бумага, белая пена).

Луч света из-за преломления может искривляться. Если бросить в большой сосуд с водой много сахара, не размешивая, и через несколько минут посветить сбоку лучом лазерной указки, то можно увидеть искривление луча (см. Рис. 9). Это связано с тем, что растворение сахара в воде происходит неравномерно и образуется множество слоёв с разными коэффициентами преломления, следовательно, на границе каждого слоя луч немного преломляется.

Рис. 8. Искривление ложки в результате преломления света ()

Рис. 9. Искривление луча в сосуде с водой и сахаром

Проведём опыт, для которого понадобятся лазерная указка, сосуд с жидкостью, а также экран в виде листа бумаги. Направляем луч лазерной указки на поверхность сосуда с водой (см. Рис. 1). Видим:

1. луч отражается от поверхности воды (точка на экране);

Рис. 1. Опыт, демонстрирующий преломление света

Преломление света - изменение направления распространения света в случае его прохождения через границу раздела двух сред.

Первое упоминание о преломлении света можно найти в работах древнегреческого философа Аристотеля, который задавался вопросом, почему палка в воде кажется сломанной.

Существует эффект полного внутреннего отражения. Рассмотрим пример, когда преломление света будет происходить на границе «стекло (показатель преломления ) - воздух ()». В этом случае , а угол падения α будет меньше угла преломления γ (), так как стекло является более оптически плотной средой (см. Рис. 4).

Рис. 4. Схема преломления и отражения луча света при переходе из стекла в воздух

Если n - показатель преломления стекла относительно воздуха, то показатель преломления воздуха относительно стекла - . Тогда закон преломления света можно записать таким образом:

При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления, то есть при угле падения, близком к 90 преломлённый луч практически исчезает, а вся энергия падающего луча переходит в энергию отражённого.

При предельном значении угла падения (α ) преломлённый луч распространяется вдоль границы раздела двух сред, то есть угол преломления (γ ) равен 90 (см. Рис. 5). Однако заметить распространение преломлённого луча вдоль границы раздела двух сред практически невозможно, так как интенсивность светового луча становится близкой к 0.

Рис. 5. Схема преломления и отражения луча света при переходе из стекла в воздух при предельном угле падения

Уравнение для нахождения предельного угла падения () можно записать так:

так как угол преломления , а

Например, для воды значение n равно 1,33, следовательно, значение предельного угла равно:

Для стекла:

Для алмаза:

Если световой луч падает на границу раздела двух сред под углом, большим предельного угла падения, то в этом случае луч не проникает во вторую среду и полностью отражается - явление полного внутреннего отражения. Необходимым условием для полного внутреннего отражения является движение луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду.

Явление полного внутреннего отражения используется в волоконной оптике для передачи сигналов на большие расстояния. При входе в световод падающий луч направляется под углом, заведомо большим предельного, что обеспечивает отражение луча без потери энергии (см. Рис. 6).

Рис.6. Оптическое волокно ()

Волоконные световоды также применяются в медицине. Например, световод вводят в желудок или в область сердца для освещения или наблюдения участков этих органов.

В морских биноклях внутреннее отражение используют для того, чтобы свет мог пройти через несколько линз при относительно маленьком корпусе аппарата (см. Рис. 7).

В ювелирном деле огранка камней подбирается так, чтобы на каждой грани наблюдалось полное отражение.

Рис. 7. Прохождение света в морском бинокле ()

В таблице 1 представлены скорости света в различных средах. Видим, например, что в воде скорость света в 1,33 раза меньше, чем в вакууме; когда свет переходит из воды в алмаз, его скорость уменьшается ещё в 1,8 раза. Именно изменение скорости света в случаи перехода из одной прозрачной среды в другую является причиной преломления.

Абсолютный показатель преломления вещества (n ) - величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.

где c - скорость света в вакууме; v - скорость света в данной среде.

Табл. 1. Скорость света в различных средах

В таблице 2 представлены абсолютные показатели преломления света для различных веществ.

Табл. 2. Абсолютные показатели преломления света для различных веществ

Оптическая плотность - мера ослабления света прозрачными объектами (кристаллы, стёкла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (фотография, металлы).

Чем меньше скорость распространения света в среде, тем больше оптическая плотность среды.

Чем больше отличаются оптические плотности двух сред, тем сильнее свет преломляется на границе их раздела.

Рассмотрим преломление света с помощью оптической шайбы (оптическая шайба - это белый диск, по кругу которого нанесены деления, а на краю установлен осветитель), на которую установим стеклянный полуцилиндр (см. Рис. 2). Направим узкий пучок света на этот полуцилиндр: часть пучка отразится, а часть пройдёт сквозь него, изменив своё направление.

Рис. 2. Наблюдение преломления с помощью оптической шайбы

На схеме (см. Рис. 3) видим, что луч SO задаёт направление падающего пучка света, луч OK - направление отражённого пучка, луч OB - направление преломлённого пучка; MN - перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча SO . Все указанные лучи лежат в одной плоскости - плоскости поверхности диска.

Угол, образованный преломлённым лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред, восставленным в точке падения луча, называется углом преломления (γ ).

Угол между падающим лучом и перпендикуляром, восстановленным в точке падения, называется углом падения .

Рис. 3. Схема преломления и отражения луча света при переходе из воздуха в стекло

Если увеличивать угол падения (α ), то увеличится и угол преломления (γ ).

Соотношение углов падения и преломления луча света при переходе из одной среды в другую всегда зависит от оптической плотности сред:

Если свет идёт из менее оптически плотной в более оптически плотную среду, то угол преломления будет меньше угла падения ();

Если свет идёт из более оптически плотной среды в менее оптически плотную, то угол преломления будет больше угла падения ().

Закон Снеллиуса (закон преломления света) гласит, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная.

где , и - абсолютные показатели преломления среды, в которой луч света двигался соответственно до пересечения границы раздела и после;

n - относительный показатель преломления второй среды относительно первой;

И - скорости движения луча света в средах соответственно до пересечения границы раздела и после.

Решение задач

Задача 1

В жарких пустынях иногда наблюдается мираж: вдалеке возникает поверхность водоёма. Какими физическими явлениями обусловлен такой мираж?

Решение

Воздух в пустыне нагревается днём, получая тепло от горячего песка, поэтому нижние слои воздуха иногда оказываются самыми тёплыми. Тогда эти нижние слои имеют меньшую плотность, следовательно, и меньший показатель преломления, чем верхние слои. Отражённый каким-либо предметом солнечный свет может испытать настолько большое искривление в оптически неоднородной среде, что это приведёт к полному отражению от слоя тёплого воздуха у поверхности Земли. Возникнет иллюзия, что свет отражается от зеркальной поверхности, которую принимают за поверхность водоёма (см. Рис. 10).

Чтобы изучить закон преломления, Птолемей провёл следующий эксперимент. Он взял круг и укрепил на оси линейки l 1 и l 2 так, чтобы они могли свободно вращаться вокруг неё (см. рисунок). Птолемей погружал этот круг в воду до диаметра АВ и, поворачивая нижнюю линейку, добивался того, чтобы линейки лежали для глаза на одной прямой (если смотреть вдоль верхней линейки). После этого он вынимал круг из воды и сравнивал углы падения α и преломления β. Он измерял углы с точностью до 0,5°. Числа, полученные Птолемеем, представлены в таблице.

Птолемей не нашел «формулы» взаимосвязи для этих двух рядов чисел. Однако если определить синусы этих углов, то окажется, что отношение синусов выражается практически одним и тем же числом, даже при таком грубом измерении углов, к которому прибегал Птолемей.

Задание №161772

Под рефракцией в тексте понимается явление

изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы

изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли

поглощения света при его распространении в атмосфере Земли

огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения от прямолинейного распространения

Задание №90B309

Задание №DCF7E6

Какой из приведённых ниже выводов противоречит опытам Птолемея?

угол преломления меньше угла падения при переходе луча из воздуха в воду

с увеличением угла падения линейно увеличивается угол преломления

отношение синуса угла падения к синусу угла преломления не меняется

синус угла преломления линейно зависит от синуса угла падения

Задание №EEB9E2

Из-за рефракции света в спокойной атмосфере кажущееся положение звезд на небосклоне относительно горизонта

выше действительного положения

ниже действительного положения

сдвинуто в ту или иную сторону по вертикали относительно действительного положения

совпадает с действительным положением

Полярные сияния

Хорошо известно, что в местах земного шара, расположенных за северным или южным Полярным кругом, во время полярной ночи на небе вспыхивает свечение разнообразной окраски и формы. Это и есть полярное сияние. Иногда оно имеет вид однородной дуги, неподвижной или пульсирующей, иногда как бы состоит из множества лучей разной длины, которые переливаются, свиваются в виде лент и т.п. Цвет этого свечения желтовато-зеленый, красный, серо-фиолетовый. Долгое время природа и происхождение полярных сияний оставались загадочными, и только недавно они были объяснены. Удалось установить, что полярные сияния возникают на высоте от 80 до 1000 км над землей, чаще всего – на высоте около 100 км. Дальше было выяснено, что полярные сияния представляют собой свечение разреженных газов земной атмосферы.

Была замечена связь между полярными сияниями и рядом других явлений. Многолетние наблюдения показали, что периоды максимальной частоты полярных сияний регулярно повторяются через промежутки в 11,5 лет. В течение каждого такого промежутка времени число полярных сияний сначала от года к году убывает, а затем начинает возрастать, через 11,5 лет достигая максимума.

Оказалось, что также периодически, с периодом 11,5 лет, меняются форма и положение темных пятен на солнечном диске. При этом в годы максимума солнечных пятен, или, как говорят, в годы максимальной солнечной активности, максимума достигает и число полярных сияний. Такую же периодичность имеет изменение числа магнитных бурь, их количество тоже достигает максимума в годы с наибольшей солнечной активностью.

Сопоставляя эти факты, ученые пришли к выводу, что пятна на Солнце являются теми местами, откуда с огромной скоростью выбрасываются в пространство потоки заряженных частиц – электронов. Попадая в верхние слои нашей атмосферы, электроны, обладающие большой энергией, ионизируют составляющие ее газы и заставляют их светиться.

Эти же электроны оказывают влияние на магнитное поле Земли. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, подходя к Земле, попадают в земное магнитное поле. На движущиеся в магнитном поле электроны действует сила Лоренца, которая отклоняет их от первоначального направления движения. Было показано, что заряженные частицы, отклоняемые магнитным полем Земли, могут попадать только в приполярные области земного шара. Эта теория хорошо согласуется с большим числом фактов и является в настоящее время общепринятой.

Задание №16D4EC

Что такое полярное сияние?

электрический разряд в атмосфере

электрический ток в электролите, которым является влажный воздух

свечение разреженных газов земной атмосферы

излучение энергии Солнцем

Задание №AFAFAB

Почему полярные сияния наблюдаются в приполярных областях?

А. Заряженные частицы так отклоняются магнитным полем Земли, что могут попадать только в приполярные области Земли.

Б. Атмосфера в приполярных областях наиболее разрежена, и электроны до столкновения с молекулами могут приобрести достаточно большую энергию.

Правильным ответом является

ни А, ни Б

Задание №E3C44B Отложить Пометить как решённое

Какова природа полярных сияний?

ионизация быстрыми электронами молекул газов, входящих в состав воздуха

свечение газов, ежесекундно выбрасываемых Солнцем в пространство между планетами

свечение быстрых электронов, выбрасываемых Солнцем

свечение восходящих от земли потоков воздуха

Маскировка и демаскировка

Цвет различных предметов, освещённых одним и тем же источником света (например, Солнцем), бывает весьма разнообразен. При рассмотрении непрозрачного предмета мы воспринимаем его цвет в зависимости от того излучения, которое отражается от поверхности предмета и попадает к нам в глаза.

Доля светового потока, отражённого от поверхности тела, характеризуется коэффициентом отражения ρ. Тела белого цвета отражают всё падающее на них излучение (коэффициент отражения ρблизок к единице для всех длин волн), тела чёрного цвета поглощают всё падающее на них излучение (коэффициент отражения ρравен практически нулю для всех длин волн). Коэффициент отражения может зависеть от длины волны, благодаря чему и возникают разнообразные цвета окружающих нас тел.

Предмет, у которого коэффициент отражения имеет для всех длин волн практически те же значения, что и окружающий фон, становится неразличимым даже при ярком освещении. В природе в процессе естественного отбора многие животные приобрели защитную окраску (мимикрия).

Этим пользуются также в военном деле для цветовой маскировки войск и военных объектов. Практически трудно достичь того, чтобы для всех длин волн коэффициенты отражения предмета и фона совпадали. Человеческий глаз наиболее чувствителен к жёлто-зелёной части спектра, поэтому при маскировке пытаются достичь равенства коэффициентов отражения прежде всего для этой части спектра. Однако если замаскированные с таким расчётом объекты не наблюдать глазом, а фотографировать, то маскировка может утратить своё значение. Действительно, на фотографическую пластину особенно сильно действует фиолетовое и ультрафиолетовое излучение. Несовершенство маскировки отчётливо скажется также в том случае, если вести наблюдение через светофильтр, практически устраняющий те длины волн, на которые маскировка рассчитана.

Задание №B9EC71

Какого цвета будет казаться зелёная трава, рассматриваемая через красный фильтр? Ответ поясните.

Похожая информация.