Министерство Образования Оренбургской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение «Сельскохозяйственный техникум» г. Бугуруслана Оренбургской области

Дисциплина

ДУП 01 Введение в специальность

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Тема

Оптические явления в природе

Выполнил обучающийся:

1 курса 11Э группы

Савельев Даниил

специальности 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям)

Научный руководитель:

Кудряшова Татьяна Александровна

г. Бугуруслан, 2023 г.

Содержание

Введение…………………..…………………………………………………...…..3

Глава 1Виды оптических явлений……………………...…………..……………4
1.1Полярное сияние……………………………………………………………….4
1.2 Радуга…………………………………………..…………………………...….7
1.3 Молния…………………………………………………………...……………9

1.4 Гало…………………………………………………………………………..11

1.5 Мираж………………………………………………………………………..13

1.6 Солнечный закат……………………………………………………………..17

Глава 2 Назначение и области применения оптических приборов…………..20

Заключение ………...……………………………………………………………23

Список используемых источников……..……………..……………………….24

Введение

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».

Я считаю, что моя тема достаточно актуальна, так как она может вызвать интерес у потенциального потребителя, тем более, когда речь заходит про оптические иллюзии в природе.

Цель: изучить оптические явления в природе и в промышленности.

Задачи:

1. Изучение теоретического материала данного вопроса.

2. Рассмотреть оптические явления в физике, в природе и в промышленности.

Объект исследования: Оптические атмосферные явления.

Предмет исследования: Распространение луча света в земной атмосфере и других средах.

Глава 1 Виды оптических явлений
1.1Полярное сияние

Полярное сияние, северное сияние (Aurora Borealis), южное сияние (Aurora Australis), аврора (Aurora), устар. «па́зори»^[1][2] — атмосферное оптическое явление, свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, возникающее вследствие взаимодействия магнитосферы планеты с заряженными частицами солнечного ветра^[3].

В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы^[4]. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.

При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых атомов кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете.

Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с увеличением высоты в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200—400 км, а совместное свечение азота и кислорода — на высоте

110 км. Кроме того, эти факторы обусловливают и форму полярных сияний — размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.



Полярное сияние: вид с МКС

Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли — авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет 3000 км во время спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10—16°, на ночной — 20—23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на 12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67—70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах — на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления. Например, на острове Стюарт, лежащем лишь на 47° параллели, сияния происходят регулярно. Маори даже назвали его «Пылающие небеса».

---

В спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы — азота и кислорода; при этом наблюдаются их линии излучения как в атомарном, так и молекулярном (нейтральные молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота.

Северное сияние, Норвегия

Свечение кислорода обусловлено излучением возбуждённых атомов в метастабильных состояниях с длинами волн 557,7 нм (зелёная линия, время жизни 0,74 с) и дублетом 630 и 636,4 нм (красная область, время жизни 110 с). Вследствие этого красный дублет излучается на высотах 150—400 км, где из-за высокой разрежённости атмосферы низка скорость гашения возбуждённых состояний при столкновениях. Ионизированные молекулы азота излучают на длинах волн 391,4 нм (ближний ультрафиолет), 427,8 нм (фиолетовый) и 522,8 нм (зелёный). Однако каждое явление обладает своей неповторимой гаммой в силу непостоянства химического состава атмосферы и погодных факторов.

Спектр полярных сияний меняется с высотой. В зависимости от преобладающих в спектре полярного сияния линий излучения полярные сияния делятся на два типа: высотные полярные сияния типа A с преобладанием атомарных линий и полярные сияния типа B на относительно небольших высотах (80—90 км) с преобладанием молекулярных линий в спектре вследствие столкновительного гашения атомарных возбуждённых состояний в сравнительно плотной атмосфере на этих высотах.

Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное количество энергии. Так, за одно из зарегистрированных в 2007 году возмущений выделилось 5⋅10¹⁴ джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.

При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

Северное сияние в Исландии

Считалось, что полярные сияния в северном и южном полушарии являются симметричными. Однако одновременное наблюдение полярного сияния в мае 2001 года из космоса со стороны северного и южного полюсов показало, что северное и южное сияния существенно отличаются друг от друга^[5].

В 2016 году был обнаружен новый вид полярных сияний — фиолетового цвета. Они были названы Стив (STEVE — сокр. 

---

Strong Thermal Emission Velocity Enhancement)^[6].
1.2 Радуга

Ра́дуга — атмосферное, оптическое и метеорологическое явление, наблюдаемое при освещении ярким источником света (в природе Солнцем или Луной — см. лунная радуга) множества водяных капель (дождя или тумана). Радуга выглядит как разноцветная дуга или окружность, составленная из цветов спектра видимого излучения (от внешнего края: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый). Это те семь цветов, которые принято выделять в радуге в русской культуре (возможно, вслед за Ньютоном, см. ниже), но на самом деле спектр непрерывен, и его цвета плавно переходят друг в друга через множество промежуточных оттенков.

Центр окружности, описываемой радугой, лежит на прямой, проходящей через наблюдателя и солнце, в антисолнечной точке^[1]; при этом солнце всегда находится за спиной наблюдателя. Угловой радиус окружности — 42 градуса^[1]. Для наблюдателя на земле радуга обычно выглядит как дуга окружности, чем ниже солнце над горизонтом, тем ближе дуга к половине окружности, а высота верхушки радуги над землёй — к 42 градусам. Чем выше точка наблюдения, тем дуга полнее (с самолёта можно увидеть и полную окружность). Когда солнце поднимается выше 42 градусов над горизонтом, окружность возможного появления радуги оказывается ниже уровня земли, и наблюдатель, находящийся на её поверхности, увидеть радугу не может^[2]. Приблизиться к радуге, как и к горизонту, нельзя^[3]. При наблюдении с высокой точки возможно наблюдать круговую радугу.

Радуга возникает из-за того, что солнечный свет преломляется и отражается капельками воды (дождя или тумана), парящими в атмосфере. Эти капельки по-разному отклоняют свет разных цветов (показатель преломления воды для более длинноволнового (красного) света меньше, чем для коротковолнового (фиолетового), поэтому слабее всего отклоняется красный свет — на 137°30’, а сильнее всего фиолетовый — на 139°20’). В результате белый свет разлагается в спектр. Наблюдатель, стоящий спиной к источнику света, видит разноцветное свечение, которое исходит из пространства по концентрическим окружностям (дугам).



Ход лучей в сферической капле, образование первичной радуги

Радуга представляет собой каустику, возникающую на сферической капле при преломлении и отражении (внутри неё) плоскопараллельного пучка света. Как показано на рисунке для пучка монохроматического света, отражённый свет имеет максимальную интенсивность для определённого угла между источником, каплей и наблюдателем. Этот максимум весьма «острый»: бо́льшая часть света выходит из капли, развернувшись практически точно на один и тот же угол. Дело в том, что угол, под которым из капли уходит отражённый и преломлённый ею луч, немонотонно зависит от расстояния от падающего (первоначального) луча до оси, параллельной ему и проходящей через центр капли. Эта зависимость имеет гладкий экстремум. Поэтому больше всего света капля разворачивает именно на этот угол и близкие к нему. Значения этого угла немного различаются для разных показателей преломления, соответствующих лучам разного цвета. При этом угле и возникает отражение-преломление максимальной яркости, составляющее (от разных капель) радугу; «яркие» лучи от разных капель образуют конус с вершиной в зрачке наблюдателя и осью, проходящей через наблюдателя и солнце

---

^[4].

Для одного отражения внутри капли такой угол имеет одно значение, для двух — другое, и т. д. Этому соответствует первичная (радуга первого порядка), вторичная (радуга второго порядка) и т. д. радуга. Первичная — самая яркая, она уносит из капли бо́льшую часть света. В природе радуги порядка, большего чем второй, обычно не удаётся увидеть, так как они очень слабы.
1.3 Молния

Мо́лния — электрический искровой разряд в атмосфере, происходит во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии также были зафиксированы на Венере, Юпитере, Сатурне, Уране и др.^[1] Сила тока в разряде молнии на Земле составляет в среднем 30 кА, иногда достигает 200 кА^[2], напряжение — от десятков миллионов до миллиарда вольт^[1].

Самая длинная молния была зафиксирована 29 апреля 2020 года на границе штатов Миссисипи и Техас. Она простиралась от Хьюстона до юго-востока Миссисипи, что равно расстоянию между Колумбусом (штат Огайо) и Нью-Йорком. Её протяжённость составила 768 км (предыдущий рекорд в 709 км был зафиксирован в южной Бразилии 31 октября 2018 года^[3][4]). Самая продолжительная молния была зафиксирована 18 июня 2020 года в Аргентине, её длительность составила 17,1 секунды^[4][5](предыдущий рекорд был зарегистрирован 4 марта 2019 года также в северной Аргентине и составил 16,73 секунд^[4][3]). Рекордно большая разность потенциалов во время грозы в 1,3 ГВ была зарегистрирована в 2014 г.^[6].

Молния издревле является объектом интереса со стороны человека. Её опасные проявления были известны ещё с глубокой древности. В язычестве молнию считали деятельностью наиболее могущественных богов: Зевса в древнегреческой мифологии, Тора — в скандинавской, Перуна — в славянской. Поражение молнией считалось карой божьей. Соответственно, для защиты от молнии совершались определённые ритуалы и обряды. Из античной и славянской мифологии представление о молнии, как об инструменте божественной деятельности перекочевало и в христианство. Несмотря на восприятие молнии как проявления высших сил, тем не менее, уже в античности были выявлены определённые закономерности в поражении объектов молнией. Ещё Фалесом было описано, что молния чаще всего ударяет в высокие отдельно стоящие объекты. В Средние века молния часто становилась причиной пожаров в деревянных городах, откуда пошло правило что нельзя строить дома выше храма. Храмы, расположенные, как правило на возвышенных местах, выполняли в этих случаях роль молниеотводов. Было также замечено, что металлизированные (в те годы — в основном, позолоченные) купола реже поражаются молнией.

---

Большой толчок в изучении молнии дало развитие мореплавания. Во-первых, мореплаватели столкнулись с грозами невиданной на суше силы; во-вторых, обнаружили, что грозы неравномерно распределены по географическим широтам; в-третьих, заметили: при недалеком ударе молнии стрелка компаса испытывает сильные возмущения; в-четвертых, четко связали появление огней святого Эльма с надвигающейся грозой. Кроме того, именно мореплаватели первыми обратили внимание, что перед грозой возникали явления, похожие на те, что возникают при электризации стекла или шерсти от трения.

Развитие физики в XVII—XVIII веках позволило выдвинуть гипотезу о связи молнии и электричества. В частности, такого представления придерживался М. В. Ломоносов. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Широко известен опыт Франклина по выяснению электрической природы молнии. В 1750 году им опубликована работа, в которой описан эксперимент с использованием воздушного змея, запущенного в грозу. Опыт Франклина был описан в работе Джозефа Пристли.

К началу XIX века большинство ученых уже не сомневалось в электрической природе молнии (хотя существовали и альтернативные гипотезы, например химическая) и основными вопросами исследования стали механизм выработки электричества в грозовых облаках и параметры грозового разряда.

В 1989 году были обнаружены особые виды молний в верхней атмосфере: эльфы^[7] и спрайты. В 1995 году был открыт другой вид молний в верхней атмосфере — джеты^[7].

В конце XX века при изучении молнии были открыты новые физические явления — пробой на убегающих электронах^[8] и фотоядерные реакции под действием гамма-излучения грозового разряда^[9][10]

Для изучения физики молнии применяются методы наблюдения со спутников.^[11
1.4 Гало

Гало́^[1] (от др.-греч. ἅλως «круг, диск»); также а́ура, нимб, орео́л — группа атмосферных оптических явлений, характеризуемая возникновением вторичного свечения вокруг источника света, как правило, имеющее форму круга, кольца, дуги, светового столба или «алмазной пыли».

Гало обычно появляется вокруг Солнца или Луны, иногда вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Существует множество типов гало, но все они вызваны преимущественно ледяными кристаллами в перистых облаках в верхних слоях тропосферы на высоте 5—10 км.

---

Смотрите также файлы

• Письменная работа Дисциплина Экономическая теория.docx

• 1. 1 Материал детали. Назначение, его свойства.docx

• Разведывательный анализ данных.docx

• Экономическая.ppt

• Техническое задание Модель предметной области Черный ящик.docx