Добавлен: 09.12.2023
Просмотров: 296
Скачиваний: 15
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2.2 Всем нам известны истории, про путников из пустыни, жаждущих напиться водой. Истощённые зноем, они видят вдалеке спасение - оазис с тенью и водой. Наделённые надеждой в своё спасение, начинают продвигаться быстрее, чтобы утолить жажду, при этом тратя всё больше сил. И, казалось бы, пройден большой путь, но райский островок не приближается, а спустя время совсем исчезает. Все уже поняли, что речь идёт про миражи. Что же такое миражи? Плод нашего воображения? Или быть может что-то мистическое? На самом деле нет, это очередное световое явление, в котором нам помогут разобраться законы физики.
Миражи — это световое явление, которое появляется ввиду игры света и воздуха, а если быть точнее, то тёплого и холодного воздуха. Мы уже поняли, что свет распространяется прямолинейно и преломляется, если попадает в более или менее оптически плотную среду. Разница в температуре и вызывает преломление на границах двух сред. Из-за многочисленных искривлений траектории света, мы видим действительно существующее изображение, но на очень большом расстоянии.
Миражи появляются по причине разницы нижнего слоя атмосферы с верхним. Пусть сверху будет тёплый воздух (по причине конвекции), а снизу холодный. Верхний слой начинает отражать лучи солнечного света под углом, играя роль “атмосферного зеркала”, которое отзеркаливает изображения, порой даже очень массивные - горы, корабли, города.
2.3 Неимоверное зрелище, которое можно наблюдать на полюсах нашей прекрасной планеты. Оно буквально завораживает своей красотой и загадочностью. Это явление поражает наши глаза световым шоу, состоящими из самых разных цветов. Речь идёт про полярные сияния. Да, именно полярные сияния, а не северные, ведь они появляются и на южном полюсе. Этот удивительный феномен имеет другую природу, но я не мог бы не затронуть это чудо.
2.4Согласно современному трактованию отблески светового небесного шоу зарождаются из-за столкновения заряженных частиц небесного светила с магнитными ионами Земли. Происходит мощный выброс энергии, образующий цветные люминесценции. Явление наблюдается в местности, наиболее приближенной к полюсам Земли.
Если не углубляться в научную теорию, северное сияние, как и южное, случаются после выброса небесным светилом в атмосферу заряженных частиц. Эти частицы могут направляться в разные стороны, в том числе по направлению к земной поверхности. Скорость движения потока частиц может достигать 960 км/с. Именно поэтому ученые назвали этот поток «солнечным ветром». Стремясь в сторону Земли с огромной скоростью, частицы ударяются об атмосферу, создавая при столкновении волнение магнитного поля, вследствие чего на небе отображается полярное сияние.
Цвета, образующиеся в результате соприкосновения, будут зависеть от самого атома. Если это кислород, то сияние будет красным. Если азот - синеватым.
2.5 Пояс Венеры
Атмосферное оптическое явление, названное в честь пояса Афродиты из античной мифологии.
Выглядит как полоса от розового до оранжевого цвета между тёмным ночным небом внизу и голубым небом сверху. Появляется перед восходом или после заката и проходит параллельно горизонту на высоте 10-20 градусов в месте, противоположном Солнцу.
Во время безоблачных сумерек, до восхода или после заката Солнца, небо над горизонтом с противоположной стороны от Солнца розовое. Эта полоса лучше всего видна в направлении, противоположном Солнцу. Пояс Венеры можно наблюдать в любом месте, но только с чистым небом у горизонта.
В поясе Венеры атмосфера рассеивает свет заходящего (или восходящего) Солнца, которое выглядит более красным, поэтому и получается розовый цвет, а не синий.
2.6. 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.
Отражают свет любые поверхности, не только гладкие. Именно благодаря этому мы видим все тела. Поверхности, которые отражают большую часть светового потока, выглядят светлыми или белыми. Поверхности, которые поглощают большую часть света, выглядят тёмными или черными. Если пучок параллельных световых лучей падает на шершавую поверхность (даже если шероховатости микроскопически малы, как на поверхности листка бумаги) (рисунок справа) свет отражается в различных направлениях, то есть отраженные лучи не будут параллельными, поскольку углы падения лучей на неровности поверхности разные.
Такое отражение света называют рассеянным, или диффузным. Закон отражения выполняется и в этом случае, но на каждом маленьком участке поверхности. Из-за диффузного отражения во всех направлениях обычный предмет можно наблюдать под разными углами. Стоит сдвинуть голову в сторону, как из каждой точки предмета в глаз будет попадать другой пучок отраженных лучей. Но если узкий пучок света падает на зеркало, то вы увидите его только в том случае, если глаз занимает положение, для которого выполняется отражения. Этим и объясняются необычные свойства зеркал.
2.7 Полное отражение света.
При падении света на границу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а частично отражается от нее. При a>a0преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света.
Для наблюдения полного отражения можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска. Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражение происходит в соответствии с законом отражения, a преломление – в соответствии с законом преломления (1.4).
Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка растет, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает. Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90°. Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела, доля отраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, сделав угол падения
aбольшим a0. Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела, т. е. происходит полное отражение света.
Большая интенсивность света показана большей толщиной линии, изображающей соответствующий луч.
2.8 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
2.9 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.
4. Глава 3. Практическая часть
3.1 Введение.
Световые явления представляются нам очень интересными и красивыми. Они встречаются во всём нашем мире, от неизведанного космоса, до нашей любимой планеты. Оптика, безусловно, один из самых важных разделов физики для нашего понимания, ведь многое происходящее в природе можно объяснить именно благодаря её законам. Но слова зачастую подводят и очень сложно усваиваются, особенно когда дело доходит до физики. Поставив перед собой такую гипотезу, я пришёл к выводу, что необходимо продемонстрировать разнообразные световые явления наглядно. Да, масштаб происходящего будет гораздо меньше, что-то реализовать будет очень сложно, а что-либо даже невозможно. Но это не помешает впечатлениям превзойти ожидания.
3.2 Задумка.
Можно полностью погрузиться в физику, бесконечные формулы, расчёты, погрешности в измерениях и так далее, но для большинства людей это будет сложно, муторно и вызывать скукоту. К тому же, человек, который не собирается связывать свою дальнейшую жизнь с физикой не должен быть уведомлён о происходящем вплоть до малейших мелочей. Поэтому, ему будет достаточно увидеть это своими глазами.
Испускать световой луч и наблюдать за преломлением и отражением было бы слишком скучно, поэтому я поставил ориентир к более масштабным оптическим явлениям, с которыми мы сталкиваемся в природе. Что если повторить миниатюрную радугу или северное сияние? Я считаю это было бы интригующе.
3.3 Задумка реализации.
Воплотить эту идею в жизнь можно в рамках школьного мероприятия, согласованного с администрацией. Одним из способов осуществления может быть разработка учебного квеста, где участники сначала получат всю необходимую теорию, им предоставятся приборы и материалы. После чего они будут преследовать цель репродуцирования световых явлений в реальность. Если им это не удаётся с первого раза, организатор даёт подсказки. Если и вторая попытка проваливается, то он же демонстрирует данный феномен собственноручно.