Які бувають оптичні явища? Оптичні явища у природі

22 квітня 2016

У школі вивчає тему « Оптичні явищау атмосфері» 6 клас. Однак вона цікавить не тільки допитливий дитячий розум. Оптичні явища в атмосфері, з одного боку, об'єднують веселку, зміну кольору піднебіння під час світанків і занепадів, не раз бачені всіма. З іншого - до їхнього числа входять таємничі міражі, хибні Місяця і Сонця, вражаючі гало, які в минулому наводили жах на людей. Механізм освіти деяких із них до кінця залишається незрозумілим і сьогодні, проте загальний принцип, За яким «живуть» оптичні явища в природі, сучасна фізика добре вивчила.

Повітряна оболонка

Атмосфера Землі є оболонкою, що складається з суміші газів і тягнеться приблизно на 100 км над рівнем моря. Щільність повітряного шару змінюється при віддаленні землі: найбільше її значення біля поверхні планети, з висотою воно зменшується. Атмосферу не можна назвати статичним формуванням. Шари газової оболонки постійно рухаються, перемішуються. Змінюються характеристики: температура, щільність, швидкість переміщення, прозорість. Всі ці нюанси впливають на сонячні промені, що прямують до поверхні планети.

Оптична система

Процеси, що відбуваються в атмосфері, а також її склад сприяють поглинанню, заломленню та відображенню світлових променів. Частина їх досягає мети - земної поверхні, інша розсіюється або перенаправляється назад в космічний простір. В результаті викривлення та відображення світла, розпаду частини променів на спектр тощо утворюються різноманітні оптичні явища в атмосфері.

Відео на тему

Атмосферна оптика

За часів, коли наука тільки зароджувалася, люди пояснювали оптичні явища виходячи з уявлень про влаштування Всесвіту. Веселка поєднувала людський світ з божественним, поява на небі двох хибних Сонців свідчила про наближення катастроф. Сьогодні більшість феноменів, які лякали наших далеких предків, отримали наукове пояснення. Вивченням таких феноменів займається атмосферна оптика. Оптичні явища в атмосфері ця наука визначає, ґрунтуючись на законах фізики. Вона здатна пояснити, чому небо блакитне вдень, а під час заходу та світанку змінює колір, як утворюється веселка та звідки беруться міражі. Численні дослідження та експерименти сьогодні дозволяють зрозуміти такі оптичні явища в природі, як поява хрестів, що світяться, Фата-моргана, райдужні гало.

Синє небо

Колір неба настільки звичний, що ми рідко замислюємося, чому він такий. Проте фізикам відповідь добре відома. Ньютон довів, що промінь світла за певних умов розкладається на спектр. При проходженні атмосфери його частина, що відповідає синьому кольору, розсіюється краще. Червона ділянка видимого випромінювання характеризується більшою довгою хвилі та поступається фіолетовому за ступенем розсіювання у 16 ​​разів.

При цьому небо бачимо не фіолетовим, а блакитним. Причина цього полягає в особливостях пристрою сітківки та співвідношенні ділянок спектру в сонячному світлі. Наші очі більш чутливі до синього, а фіолетова ділянка в спектрі світила менш інтенсивна, ніж синя.

Червоний захід сонця

Коли люди розібралися, що таке атмосфера, оптичні явища перестали бути свідченням або ознакою грізних подій. Однак науковий підхідне заважає отримувати естетичне задоволення від барвистих заходів сонця і ніжних світанків. Яскраві червоні та оранжеві кольориразом із рожевим і блакитним поступово поступаються нічній темряві або ранковому світлу. Неможливо спостерігати два однакових світанку або заходу сонця. А причина цього криється у тій же рухливості. атмосферних шарівта зміну погодних умов.

Під час заходу сонця і світанок сонячні промені долають більш довгий шлях до поверхні, ніж вдень. В результаті розсіяний фіолетовий, синій та зелений йдуть у сторони, а пряме світло забарвлюється у червоне та оранжеве. Свою лепту в картину заходу сонця і світанку вносять хмари, пил або частинки льоду, зважені в повітрі. Світло заломлюється, проходячи через них, і забарвлює небо в різні відтінки. На протилежному від Сонця ділянці горизонту нерідко можна спостерігати так званий Пояс Венери - рожеву смугу, що розділяє темне нічне небо і блакитне денне. Красиве оптичне явище, назване на честь римської богині кохання, видно перед світанком і після заходу сонця.

Райдужний міст

Мабуть, жодні інші світлові явища в атмосфері не викликають у пам'яті стільки міфологічних сюжетів та казкових образів, скільки пов'язані з веселкою. Дуга чи коло, що складається із семи кольорів, кожному відома з дитинства. Гарне атмосферне явище, що виникає під час дощу, коли сонячне проміння проходить крізь краплі, заворожує навіть тих, хто досконало вивчив його природу.

А фізика веселки сьогодні ні для кого не є секретом. Сонячне світло, заломлюючись краплями дощу чи туману, розщеплюється. В результаті спостерігач бачить сім кольорів спектру, від червоного до фіолетового. Кордони між ними визначити неможливо. Кольори плавно переходять один одного через кілька відтінків.

При спостереженні веселки сонце завжди знаходиться за спиною людини. Центр посмішки Іріди (так називали веселку стародавні греки) розташовується на лінії, що проходить через спостерігача та денне світило. Зазвичай веселка постає у вигляді півкола. Її розмір та форма залежать від положення Сонця та точки, в якій знаходиться спостерігач. Чим вище світило над горизонтом, тим нижче опускається коло можливої ​​появи веселки. Коли Сонце долає позначку 42º над горизонтом, спостерігач на поверхні Землі не може побачити веселку. Чим вище над рівнем моря розташовується людина, що хоче помилуватися усмішкою Іріди, тим вірогідніше, що вона побачить не дугу, а коло.

Подвійна, вузька та широка веселка

Нерідко разом із основною можна побачити так звану побічну веселку. Якщо перша утворюється внаслідок одноразового відбиття світла, то друга є наслідком подвійного. Крім того, основна веселка відрізняється певним порядком кольорів: червоний розташовується на зовнішній стороні, а фіолетовий - на внутрішній, що ближче до Землі. Побічний «місток» є зворотним за послідовністю спектр: фіолетовий виявляється вгорі. Походить так тому, що при подвійному відображенні з краплі дощу промені виходять під іншими кутами.

Веселки розрізняються за інтенсивністю кольору та шириною. Найяскравіші та досить вузькі з'являються після літньої грози. Великі краплі, характерні для такого дощу, народжують добре помітну веселку з чітко помітними квітами. Малі краплі дають більш розпливчасту і менш помітну веселку.

Оптичні явища в атмосфері: полярне сяйво

Одне з найкрасивіших атмосферних оптичних явищ – полярне сяйво. Воно характерне для всіх планет, які мають магнітосферу. На Землі полярні сяйва спостерігаються у високих широтах обох півкуль, у зонах, що оточують магнітні полюси планети. Найчастіше можна бачити зелене або синьо-зелене свічення, іноді доповнене по краях сполохами червоного та рожевого. Інтенсивне полярне сяйво формою нагадує стрічки чи складки тканини, при згасанні перетворюються на плями. Смуги заввишки кілька сотень кілометрів добре виділяються по нижньому краю і натомість темного неба. Верхня межа полярного сяйва губиться у висоті.

Ці красиві оптичні явища в атмосфері ще зберігають свої таємниці від людей: до кінця не вивчений механізм виникнення деяких видів свічення, причина тріску, що виникає під час різких сполохів. Проте загальна картина формування полярних сяйв сьогодні відома. Небо над північним і південним полюсами прикрашається зеленувато-рожевим свіченням, коли заряджені частинки сонячного вітру зіштовхуються з атомами верхніх верств земної атмосфери. Останні в результаті взаємодії отримують додаткову енергію та випускають її у вигляді світла.

Гало

Сонце і Місяць нерідко постають перед нами оточені свіченням, що нагадує німб. Це гало - добре помітне кільце навколо джерела світла. В атмосфері найчастіше воно утворюється завдяки найдрібнішим частинкам льоду, що становлять перисті хмари високо над Землею. Залежно від форми та розмірів кристалів змінюються характеристики явища. Часто гало набуває вигляду райдужного кола в результаті розкладання світлового променя на спектр.

Цікавий різновид явища зветься паргелій. В результаті заломлення світла в кристалах льоду на рівні Сонця утворюється дві світлі плями, що нагадують денне світило. У історичних хронікахможна зустріти описи цього феномена. У минулому воно часто вважалося провісником грізних подій.

Міраж

Міражі - це також оптичні явища в атмосфері. Вони виникають в результаті заломлення світла на кордоні між шарами повітря, що значно розрізняються по щільності. У літературі описано безліч випадків, коли мандрівник у пустелі бачив оази або навіть міста та замки, яких бути поблизу не могло. Найчастіше це «нижні» міражі. Вони виникають над рівною поверхнею (пустеля, асфальт) і є відбитим зображенням неба, що здається спостерігачеві водоймою.

Так звані верхні міражі трапляються рідше. Вони утворюються над холодною поверхнею. Верхні міражі бувають прямими і перевернутими, іноді поєднують обидва положення. Найвідомішим представником цих оптичних феноменів є Фата-Моргана. Це складний міраж, що поєднує відразу кілька типів відбитків. Перед спостерігачем постають реально існуючі об'єкти, багаторазово відбиті та перемішані.

Атмосферна електрика

Електричні та оптичні явища в атмосфері нерідко згадуються разом, хоча причини їх виникнення є різними. Поляризація хмар та утворення блискавок пов'язані з процесами, що протікають у тропосфері та іоносфері. Гігантські іскрові розряди зазвичай формуються під час грози. Блискавки виникають усередині хмар, можуть вдаряти в землю. Вони є загрозою для життя людей, і це одна з причин наукового інтересудо подібних явищ. Деякі властивості блискавок досі залишаються загадкою для дослідників. Сьогодні невідома причина виникнення кульових блискавок. Як і у випадку з деякими аспектами теорії полярних сяйв та міражів, електричні феномени продовжують інтригувати вчених.

Оптичні явища в атмосфері, коротко описані у статті, з кожним днем ​​стають все більш зрозумілими для фізиків. При цьому вони, як і блискавки, не перестають захоплювати людей своєю красою, таємничістю та часом грандіозністю.

Фараджова Лейла

Часто ми спостерігаємо в небі незрозумілі явища. Ця робота розкриває суть явища, що відбуваються в атмосфері землі.

Завантажити:

Попередній перегляд:

МОУ «Піщанівська середня загальноосвітня школа»

VI районна науково-практична конференція

Оптичні явища в атмосфері

6 клас МОУ«Піщанівська ЗОШ»

Керівник:

Маковчук Тетяна Геннадіївна

Вчитель фізики

С. Піщане

2010 р.

Вступ 3

Земна атмосфера як оптична система

Види оптичних явищ 5

Висновок 12

Літератури 13

Додаток 14

Вступ

Метою даної є розгляд оптичних атмосферних явищ, їх фізичної природи. Найбільш доступними і водночас найбільш барвистими оптичними явищами є атмосферні. Величезні за своїми масштабами, це породження взаємодії світла та атмосфери землі.

31 грудня напередодні Нового року у південній частині неба не високо над горизонтом можна було спостерігати незвичайне явище. У центрі диск сонця та з боків ще два, а над ними райдужне сяйво. Це було дуже красиве та чарівне видовище. Відразу стало цікаво, що це, як воно утворюється, чому і які явища можуть відбуватися в атмосфері? Це незвичайне атмосферне явище лягло в основу моєї роботи.

Земна атмосфера як оптична система

Наша планета оточена газовою оболонкою, яку ми називаємо атмосферою. Маючи найбільшу щільність біля земної поверхні і поступово розріджуючись з підняттям вгору, вона досягає товщини більше сотні кілометрів. І це не застигло газове середовище з однорідними фізичними даними. Навпаки, атмосфера Землі перебуває у постійному русі. Під впливом різних факторів, її шари перемішуються, змінюють щільність, температуру, прозорість, переміщаються великі відстані з різною швидкістю.

Для променів світла, що йдуть від Сонця або інших небесних світил, земна атмосфера є своєрідною оптичну системуз параметрами, що постійно змінюються. Опиняючись з їхньої шляху, вона й відбиває частина світла, розсіює його, пропускає його крізь усю товщу атмосфери, забезпечуючи освітленість земної поверхні, у певних умовах, розкладає їх у складові і викривляє хід променів, викликаючи, тим самим, різні атмосферні явища. Найбільш незвичайні барвисті з них це сонячний захід сонця, веселка, північне сяйво, міражі, сонячне і місячне гало і багато іншого.

Види оптичних явищ

Існує дуже багато видів оптичних явищ. Зупинимося на деяких із них.

Гало

(від грец.χαλοσ - "коло", "диск"; такожаура, німб, ореол) - це явище заломлення і відображення світла в крижаних кристалах хмар верхнього ярусу. Є світлі або райдужні кола навколо Сонця або Місяця, відокремлені від світила темним проміжком. Гало часто спостерігаються в передній частині циклонів і тому можуть бути ознакою їхнього наближення. Іноді можна спостерігати і місячні гало.

З'являючись у повітрі при замерзанні водяних крапельок, крижані кристали приймають зазвичай одну з трьох форм шестисторонніх правильних призм(рис.1 А): призми, у яких довжина дуже велика в порівнянні з їх перетином; це — всім відомі крижані голочки, що в морозні зимові дні масами лунають у найнижчих шарах атмосфери.

А Б В.

(Рис.1)

Падаючи вільно у повітрі, такі голочки розташовуються довгою віссю вертикально. Площини цих кристалів, які кружляючи, поступово опускаються на землю, більшу частину часу орієнтовані паралельно поверхні. На сході чи заході сонця, промінь зору спостерігача може проходити через цю саму площину, і кожен кристал може вести як мініатюрна лінза, що заломлює сонячне світло.

В іншого роду призмах висота дуже мала порівняно з перетином; тоді виходять шестисторонні плоскі таблички (рис.1б.). Іноді, нарешті, крижані кристалики набувають форми призми, переріз якої є шестипроменевою зіркою (рис.1 ст). Падаючи на крижані кристали, промінь світла, залежно від виду кристала та його положення щодо променя, може прямо або пройти через нього без заломлення, або промені повинні зазнати в них не тільки заломлення, а й цілий рядповних внутрішніх відбитків. Насправді дуже рідко, звичайно, вдається спостерігати явище, всі частини якого були б однаково яскраві і чітко видно: зазвичай то та, то інша його частина розвинена яскравіше і характерніше, решта або спостерігається дуже слабко, або навіть немає.

Звичайне коло або мале гало - це блискуче коло, що оточує світило, його радіус - близько 22 °. Він забарвлений у червонуватий колір із внутрішньої сторони, потім слабо помітний жовтий, далі колір перетворюється на білий і поступово зливається із загальним блакитним тоном неба.Простірусередині кола видається порівняно темним; внутрішня межа кола різко окреслена. Коло це утворюється заломленням світла в крижаних голках, що носяться у всіляких положеннях повітря. Кут найменшого відхилення променів у крижаній призмі — приблизно 22°, тому всі промені, що пройшли крізь кристалики, повинні здатися спостерігачеві відхиленими від джерела світла принаймні на 22°; звідси темрява внутрішнього простору. Червоний колір, як найменше заломлюваний, здасться і найменш відхиленим від світила; за ним іде жовтий; решта променів, змішуючись між собою, дасть враження білого кольору. Рідше зустрічається гало з кутовим радіусом 46°, розташоване концентрично навколо 22-градусного гало. Його внутрішня сторона теж має червоний відтінок. Причиною цього також є заломлення світла, що відбувається в цьому випадку в крижаних голках, звернених до світила кутами 90°; коло це зазвичай бліді малого, але кольори в ньому розділені різкіше. Ширина кільця такого гало перевищує 2,5 градуси. Як 46-градусні, так і 22-градусні гало, як правило, мають найбільшу яскравість у верхній і нижній частинахкільця. 90-градусне гало, що зрідка зустрічається, являє собою слабо світиться, майже безбарвне кільце, що має загальний центр з двома іншими гало. Якщо воно пофарбоване, має червоний колір на зовнішній стороні кільця. Механізм виникнення такого типу гало остаточно не з'ясований.

Нерідко можна спостерігати і за місячним гало.Це досить часто видовище і виникає воно, якщо небо затягнуте високими тонкими хмарами з мільйонами крихітних кристалів льоду. Кожен крижаний кристал виступає у ролі мініатюрної призми. Більшість кристалів мають форму витягнутих шестигранників. Світло входить через одну лицьову поверхню такого кристала і виходить через протилежну з кутом заломлення 22º .

Спостерігаючи взимку за вуличними ліхтарями, можна побачити гало, породжене їх світлом, за певних умов, а саме в морозному повітрі, насиченому крижаними кристаликами або сніжинками. До речі, гало від Сонця у вигляді великого світлого стовпа може виникнути і під час снігопаду. Трапляються взимку такі дні, коли сніжинки ніби плавають у повітрі, а крізь нещільні хмари вперто пробивається сонячне світло. На тлі вечірньої зорі цей стовп виглядає іноді червонуватим – наче відблиск далекої пожежі. У минулому таке цілком, як бачимо, невинне явище наводило на жах забобонних людей.

Можна, можливо бачити і таке гало: світле, забарвлене в райдужні тони кільце навколо Сонця. Це вертикальне коло виникає тоді, коли в атмосфері знаходиться багато шестигранних крижаних кристаликів, які не відбивають, а заломлюють сонячні промені подібно до скляної призми. При цьому більшість променів, звичайно, розсіюється і до наших очей не доходить. Але якась їх частина, пройшовши крізь ці примочки, що знаходяться в повітрі і переломившись, до нас доходить, ось ми і бачимо райдужне коло навколо Сонця. Радіус його близько двадцяти двох градусів. Буває і більше – у сорок шість градусів.

Помічено, що гало-коло завжди більше яскравих боків. Це тому, що тут перетинаються два гало – вертикальне та горизонтальне. І хибні сонця утворюються найчастіше саме у місці перетину. Найбільш сприятливі умови для появи хибних сонців складаються тоді, коли Сонце стоїть невисоко над горизонтом і частина вертикального кола нам уже не видно.

Які ж кристалики беруть участь у цьому «уявленні»?

Відповідь на запитання дали спеціальні експерименти. Виявилося, що хибні Сонця з'являються завдяки шестигранним кристалам льоду, які за своєю формою нагадують... цвяхи. Вони плавають у повітрі вертикально, заломлюючи світло своїми бічними гранями.

Третє «сонце» з'являється, коли над справжнім сонцем видно лише одну верхню частину гало-кола. Іноді це відрізок дуги, іноді світла пляма невизначеної форми. Іноді помилкові сонця не поступаються яскравістю самому Сонцю. Спостерігаючи їх, древні літописці і писали про три сонці, про відрубані вогняні голови тощо.

У зв'язку з цим явищем історія людства зафіксований цікавий факт. 1551 року німецьке місто Магдебург було обложено військами іспанського короля Карла V. Стойко трималися захисники міста, вже більше року тривала облога. Нарешті роздратований король наказав готуватися до рішучої атаки. Але тут сталося небачене: за кілька годин до штурму над обложеним містом засяяли три сонці. Смертельно наляканий король вирішив, що Магдебург захищають небеса і наказав зняти облогу.

Веселка - це оптичне явище, що виникає в атмосфері і має різнобарвну дугу на небесному зводі.

У релігійних уявленнях народів давнину веселці приписувалася роль моста між землею та небом. У греко-римській міфології відома навіть особлива богиня веселки – Іріда. Грецькі вчені Анаксимен і Анаксагор вважали, що веселка виникає за рахунок відображення Сонця у темній хмарі. Аристотель виклав уявлення про веселку у спеціальному розділі своєї «Метеорології». Він вважав, що веселка виникає завдяки відображенню світла, але не просто від усієї хмари, а від його крапель.

В 1637 знаменитий французький філософ і вчений Декарт дав математичну теорію веселки, засновану на заломленні світла. Згодом ця теорія була доповнена Ньютоном на підставі його дослідів із розкладання світла на кольори за допомогою призми. Доповнена Ньютоном теорія Декарта не могла пояснити одночасного існування кількох веселок, різної їх ширини, обов'язкової відсутності в кольорових смугах деяких кольорів, впливу розмірів крапель хмари на зовнішній виглядявища. Точну теорію веселки на основі уявлень про дифракцію світла дав у 1836 англійський астроном Д. Ері. Розглядаючи пелену дощу як просторову структуру, що забезпечує виникнення дифракції, Ері пояснив усі особливості веселки. Його теорія повністю зберегла своє значення для нашого часу.

Веселка - це оптичне явище, що виникає в атмосфері і має різнобарвну дугу на небесному зводі. Спостерігається вона у тих випадках, коли сонячні промені висвітлюють завісу дощу, розташовану на протилежній Сонцю стороні неба. Центр дуги веселки перебуває у напрямі прямий, що проходить через сонячний диск (хоч і прихований від спостереження хмарами) і очей спостерігача, тобто. у точці, протилежній Сонцю. Дуга веселки є частиною кола, описаного навколо цієї точки радіусом в 42°30" (у кутовому вимірі).

Цікаве розташування квітів у веселці. Воно завжди постійно. Червоний колір головної веселки розташований її верхньому краї, фіолетовий - на нижньому. Між цими крайніми кольорами йдуть один за одним інші кольори в такій же послідовності, як у сонячному спектрі. У принципі у веселці ніколи не бувають представлені всі кольори спектру. Найчастіше в ній відсутні або слабко виражені синій, темно-синій та насичений чисто червоний кольори. Зі збільшенням розмірів крапель дощу відбувається звуження кольорових смуг веселки, самі ж кольори стають більш насиченими. Переважна більшість явищ зелених тонів зазвичай вказує на наступний перехід до хорошої погоди. Загальна картина кольорів веселки має розмитий характер, оскільки вона утворюється протяжним джерелом світла.

При штучному відтворенні явища у лабораторії вдавалося отримувати до 19 веселок. Над водоймою можуть спостерігатися додаткові веселки, розташовані один до одного неконцентрично. Для однієї з них джерелом світла є Сонце, для іншої – його відбиття від водної поверхні. У цих умовах можуть зустрічатися і веселки, розташовані «нагору ногами». Вночі при місячному освітленні та туманній погоді в горах та на берегах морів можна спостерігати білу веселку. Такий тип веселки може виникати і за впливу сонячного світла на туман. Вона має вигляд блискучої білої дуги, із зовнішнього боку пофарбованої в жовтий і оранжево-червоний кольори, а зсередини – у синьо-фіолетовий. Веселка спостерігається не лише на пелені дощу. У менших масштабах її можна побачити на краплях води біля водоспадів, фонтанів та морського прибою. При цьому як джерело світла можуть служити не лише Сонце та Місяць, а й прожектор.

Полярне сяйво - Світіння (люмінесценція) верхніх шарів атмосфери планети, що володіє магнітосферою, внаслідок її взаємодії з зарядженими частинками сонячного вітру. У більшості випадків полярні сяйва мають зелений або синьо-зелений відтінок з плямами, що зрідка з'являються, або облямівкою рожевого або червоного кольору. Полярні сяйва спостерігають у двох основних формах - у вигляді стрічок та у вигляді хмароподібних плям. Інтенсивні спалахи сяйва часто супроводжуються звуками, що нагадують шум, тріск. Полярні сяйва викликають сильні зміни в іоносфері, що впливає на умови радіозв'язку. У більшості випадків радіозв'язок значно погіршується. Виникають сильні перешкоди, інколи ж повна втрата прийому.

Міраж - найпростіші бачив будь-хто з нас. Наприклад, коли їдеш нагрітою асфальтованою дорогою, далеко попереду вона виглядає як водна поверхня. І подібне вже давно нікого не дивує, бо міраж - не що інше, як атмосферне оптичне явище, завдяки якому в зоні видимості з'являються зображення предметів, які за звичайних умов приховані від спостереження. Відбувається це тому, що світло під час проходження через шари повітря різної щільності заломлюється. Видалені об'єкти при цьому можуть виявитися піднятими або опущеними щодо їх дійсного становища, а також можуть спотворитися та набути неправильних, фантастичних форм.

Привиди Броккена - в деяких районах земної кулі, коли тінь спостерігача при сході або заході Сонця ззаду нього падає на хмари, розташовані на невеликій відстані, виявляється вражаючий ефект: тінь набуває колосальних розмірів. Це відбувається через відбиття та заломлення світла найдрібнішими крапельками води в тумані. Описане явище зветься на ім'я вершини в горах Гарц у Німеччині.

Вогні святого Ельма- блідо-блакитні або фіолетові пензлі, що світяться, довжиною від 30 см до 1 м і більше, зазвичай на верхівках щогт або кінцях рей суден, що знаходяться в морі. Іноді здається, що такелаж судна покритий фосфором і світиться. Вогні святого Ельма часом виникають на гірських вершинах, а також на шпилях та гострих кутах високих будівель. Це явище є кистьові електричні розряди на кінцях електропровідників, коли в атмосфері навколо них сильно підвищується напруженість електричного поля.

Висновок

Фізична природа світла цікавила людей з незапам'ятних часів. Але, перш ніж утвердився сучасний поглядна природу світла, і світловий промінь знайшов своє застосування у житті, було виявлено, описано, науково обгрунтовано і експериментально підтверджено багато оптичних явищ, повсюдно що у атмосфері Землі, від відомої кожному веселки, до складних, періодичних міражів. Але, незважаючи на це, химерна гра світла завжди приваблювала і приваблює людину. Нікого не залишає байдужим ні споглядання зимового гало, ні яскравого сонячного заходу сонця, ні широкої, в підлогу неба, смуги північного сяйва, ні скромної місячної доріжки на водній гладіні. Світловий промінь, проходячи крізь атмосферу нашої планети, не просто висвітлює її, а й надає їй неповторного вигляду, роблячи прекрасною.

Звичайно, в атмосфері нашої планети відбувається значно більше оптичних явищ, про які йдеться у цій роботі. Серед них є як добре знайомі нам і розгадані вченими, так і ті, які ще чекають на своїх першовідкривачів. І нам залишається лише сподіватися, що згодом ми станемо свідками нових і нових відкриттів у сфері оптичних атмосферних явищ, що свідчать про багатогранність звичайного світлового променя.

Література

Блудов М.І. «Бесіди з фізики, частина II» - М.: Просвітництво, 1985

Булат В.Л. «Оптичні явища у природі» - М.: Просвітництво, 1974 р.

Гершензон Є.М., Малов Н.М., Мансуров О.М. «Курс загальної фізики»- М: Просвітництво, 1988 р.

Корольов Ф.А. «Курс фізики» М., «Освіта» 1988

Мякішев Г.Я. Буховцев Б.Б.«Фізика 10 - М.: Просвітництво, 1987 р.

Тарасов Л.В. «Фізика у природі» - М.: Просвітництво, 1988 р.

Тарасов Л.В. «Фізика у природі»- М: Просвітництво, 1988 р.

Трубніков П.Р. Покусаєв Н.В. «Оптика та атмосфера - Санкт-Петербург: Просвітництво, 2002 р.

ШахмаєвН.М. Шодієв Д.Ш. «Фізика 11 – М.: Просвітництво, 1991 р.

Ресурси інтернету

додаток

Вид дуги, яскравість кольорів, ширина смуг залежать від розмірів крапельок води та їх кількості. Великі краплі створюють більш вузьку веселку, з квітами, що різко виділяються, малі - дугу розпливчасту, бляклу і навіть білу.

Одним із найкрасивіших оптичних явищ природи є полярне сяйво.

Озерні, або нижні міражі - найпоширеніші

міраж, давно всім відоме природне явище...

фотографія, привид Броккена, тінь гори, що спостерігається на тлі вечірніх хмар:

Гало - одне з найкрасивіших та незвичайних явищ природи

Атмосфера нашої планети є досить цікавою оптичною системою, показник заломлення якої зменшується з висотою внаслідок зменшення щільності повітря. Таким чином, земну атмосферуможна розглядати як «лінзу» гігантських розмірів, що повторює форму Землі і має показник заломлення, що монотонно змінюється.

Ця обставина призводить до появи цілого низки оптичних явищ у атмосфері, обумовлених заломленням (рефракцією) та відображенням (рефлекцією) променів у ній.

Розглянемо деякі найістотніші оптичні явища в атмосфері.

Атмосферна рефракція

Атмосферна рефракція- явище викривленнясвітлових променів під час проходження світла через атмосферу.

З висотою щільність повітря (означає, і показник заломлення) зменшується. Уявімо, що атмосфера складається з оптично однорідних горизонтальних шарів, показник заломлення в яких змінюється від шару до шару (рис. 299).

Рис. 299. Зміна показника заломлення в атмосфері Землі

При поширенні світлового променя в такій системі він відповідно до закону заломлення «притискатиметься» до перпендикуляра до межі шару. Але щільність атмосфери зменшується не стрибками, а безперервно, що призводить до плавного викривлення та повороту променя на кут при проходженні атмосфери.

В результаті атмосферної рефракції ми бачимо Місяць, Сонце та інші зірки дещо вище за те місце, де вони знаходяться насправді.

З цієї причини збільшується тривалість дня (у наших широтах на 10-12 хв), стискаються диски Місяця і Сонця біля горизонту. Цікаво, що максимальний кут рефракції становить 35" (для об'єктів у лінії горизонту), що перевищує видимий кутовий розмір Сонця (32").

Із цього факту випливає: у той момент, коли ми бачимо, що нижній край світила торкнувся лінії горизонту, насправді сонячний диск уже знаходиться під горизонтом (рис. 300).

Рис. 300. Атмосферна рефракція променів на заході сонця

Мерехтіння зірок

Мерехтіння зіроктакож пов'язане з астрономічною рефракцією світла. Давно було помічено, що мерехтіння найбільше помітне у зірок, що знаходяться поблизу лінії горизонту. Повітряні потоки в атмосфері змінюють щільність повітря з часом, що призводить до мерехтіння небесного світила, що здається. Космонавти, що знаходяться на орбіті, жодного мерехтіння не спостерігають.

Міражі

У спекотних пустельних або степових районах і в полярних областях сильне прогрівання або охолодження повітря біля земної поверхні призводить до появи міражів: завдяки викривленню променів стають видимими і здаються близько розташованими предмети, які насправді розташовані далеко за обрієм.

Іноді подібне явище називається земною рефракцією. Виникнення міражів пояснюється залежністю показника заломлення повітря від температури. Розрізняють нижні та верхні міражі.

Нижні міражіможна побачити у спекотний літній день на добре прогрітій асфальтовій дорозі: нам здається, що попереду на ній є калюжі, яких насправді немає. У даному випадкуми приймаємо за «калюжі» дзеркальне відображення променів від неоднорідно розігрітих шарів повітря, що знаходяться в безпосередній близькості від розжареного асфальту.

Верхні міражівідрізняються значною різноманітністю: в одних випадках вони дають пряме зображення (рис. 301 а), в інших - перевернуте (рис. 301 б) можуть бути подвійними і навіть потрійними. Ці особливості пов'язані з різними залежностями температури повітря та показника заломлення від висоти.

Рис. 301. Освіта міражів: а - прямий міраж; б - зворотний міраж

Веселка

Атмосферні опади призводять до появи ефектних оптичних явищ в атмосфері. Так, під час дощу дивовижним та незабутнім видовищем є освіта веселки, яке пояснюється явищем різного заломлення (дисперсії) та відображення сонячних променів на дрібних крапельках в атмосфері (рис. 302).

Рис. 302. Утворення веселки

В особливо вдалих випадках ми можемо побачити відразу кілька веселок, порядок проходження квітів у яких взаємозворотний.

Світловий промінь, що бере участь у формуванні веселки, відчуває два заломлення та багаторазові відображення у кожній дощовій краплі. В даному випадку, дещо спрощуючи механізм утворення веселки, можемо сказати, що сферичні дощові крапельки відіграють роль призми у досвіді Ньютона з розкладання світла у спектр.

Внаслідок просторової симетрії веселка видно у вигляді півкола з кутом розчину близько 42°, при цьому спостерігач (рис. 303) повинен знаходитися між Сонцем та краплями дощу, спиною до Сонця.

Різноманітність кольорів у атмосфері пояснюється закономірностями розсіювання світлана частинках різних розмірів. Внаслідок того, що синій колір розсіюється сильніше, ніж червоний, - удень, коли Сонце високо над горизонтом, бачимо небо блакитним. З цієї ж причини поблизу лінії горизонту (на заході сонця або сході) Сонце стає червоним і не таким яскравим, як у зеніті. Поява кольорових хмар також пов'язана з розсіюванням світла на частинках різних розмірів у хмарі.

Література

Жилко, В.В. Фізика: навч. посібник для 11-го кл. загальноосвіт. установ з рос. яз. навчання з 12-річним терміном навчання (базовий та підвищений) / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Мінськ: Нар. Асвета, 2008. – С. 334-337.

Вступ.

У рамках традиційних підходів досі не пояснено низку аномальних оптичних феноменів у навколомісячному просторі. Ми відзначимо пару найбільш одіозних із них – посилання на свідчення про які дано нижче. По-перше, це феномен втрати кольоровості: предмети спостерігаються не в природних кольорах, А, практично, у відтінках сірого. По-друге, це феномен зворотного розсіювання світла: під яким би кутом не падало світло на поверхню, що розсіює, велика частина відбитого світла йде в зворотному напрямку- Туди, звідки світло прийшло.

Ми вважаємо, що причиною цих дивовижних феноменів є особлива організація місячного тяжіння - за іншим принципом, ніж тяжіння планет. Планетарне тяжіння обумовлено, за нашою термінологією, планетарною частотною лійкою. В обсязі вільного пробного тіла, локальна ділянка частотного схилу безпосередньо задає градієнт власних енергій частинок речовини, що породжує безопорний силовий вплив на тіло. Ознаки наявності місячної частотної воронки - відсутні. Ми виклали модель організації місячного тяжіння – через накладення на місцеву область земного частотного схилу специфічних вібрацій «інерційного простору» в навколомісячній області. Перебуваючи в результуючому «хисткому просторі», пробне тіло має, у своєму обсязі, градієнт локально-абсолютних швидкостей – а значить через квадратично-доплеровські зрушення квантових рівнівенергії, має і градієнт енергій, тобто, знову ж таки, відчуває беззаперечну силову дію.

Вібрації «інерційного простору» надають подвійний вплив на оптичні явища. По-перше, ці вібрації впливають на молекули, тобто. на випромінювачі та поглиначі світла – через що змінюються їх спектри випромінювання та поглинання. По-друге, фазова швидкістьсвітла, як ми вважаємо, прив'язана в локально-абсолютному сенсі до місцевої ділянки «інерційного простору», тому його вібрації впливають на процес поширення світла.

У цій статті ми дамо уточнену модель навколомісячного «хисткого простору» і пояснимо походження названих аномальних оптичних феноменів.

Уточнена модель навколомісячного «хисткого простору».

Рання модель навколомісячного «хисткого простору» викладена в . Доречно відзначити: перші ж польоти радянських та американських космічних апаратів до Місяця показали, що його тяжіння діє лише в невеликій близькомісячній області, приблизно до 10000 км від поверхні Місяця – і, таким чином, далеко не дістає Землі. Тому Земля не має динамічної реакції на Місяць: всупереч поширеній помилці, Земля не звертається, у протифазі з Місяцем, біля їхнього загального «центру мас» – і, всупереч ще одній поширеній омані, до припливів в океанах місячне тяжіння не має жодного відношення.

Відповідно до моделі , в області місячного тяжіння задані суто програмними засобами гармонійні вібрації «інерційного простору» у напрямках вздовж місцевих місячних вертикалей. У цих радіальних вібрацій, амплітудні значення швидкостей та еквівалентних лінійних рухів зменшуються в міру збільшення відстані від центру, і на межі області місячного тяжіння вони стають практично нульовими. Якщо імітується сферично-симетричне тяжіння, що підпорядковується закону зворотних квадратів, залежність амплітуди швидкості Vвібрацій від довжини радіус-вектора rє

де K=4.9× 10 12 м 3 /с 2 - гравітаційний параметр Місяця, r max - радіус межі області місячного тяжіння. Якщо підставити в (1) значення середнього радіусу Місяця rЛ = 1738 км, а також r max =11738 км, то для амплітуди швидкості вібрацій «хисткого простору» на поверхні Місяця ми отримаємо V(rЛ) 3.10 км/с. Якщо припустити, що на поверхні Місяця амплітуда еквівалентних лінійних рухів становить d(rЛ)=5 мкм, то для частоти вібрацій, яку ми вважаємо однаковою у всій області місячного тяжіння, ми отримуємо V(rЛ)/2p d(rЛ)» 100 МГц. Ці цифри – звісно, ​​орієнтовні.

Ключове уточнення моделі навколомісячного «хисткого простору» пов'язане із питанням про фази радіальних вібрацій «інерційного фону». Раніше ми вважали, що область місячного тяжіння розділена на радіальні стулки, в яких фази радіальних вібрацій організовані «в шаховому порядку». Тепер же, така організація фаз радіальних вібрацій видається нам невиправдано ускладненою та зайвою. Радіальні зрушення «інерційного простору» можуть відбуватися синхронно по всій області місячного тяжіння: «все разом від центру – всі разом до центру». За таких, глобально синхронних вібрацій, «хибкий простір» повідомлятиме доцентрове прискореннявільному тілу не гірше, ніж за моделлю, а програмно організувати глобально синхронні вібрації – незрівнянно простіше.

Поширення світла у вібруючому «хисткому просторі» має принципові особливості, оскільки тут незвичайні умови, в яких працює Навігатор квантових перекидів енергії. Це – програма, яка індивідуально для кожного збудженого атома здійснює пошук атома-отримувача, якому буде перекинуто енергію збудження. Ефекти при розповсюдженні світла, у тому числі хвильові явища, обумовлені алгоритмами розрахунків, які виробляє Навігатор – ідентифікуючи атом-одержувач, який ймовірність квантового перекидання енергії виявляється максимальна. Ці алгоритми Навігатора описані у . Зараз для нас важливо, що швидкість пошукових хвиль, якими Навігатор інформаційно сканує простір, дорівнює швидкості світла і прив'язана в локально-абсолютному сенсі до місцевої ділянки «інерційного простору». Тому вібрації «інерційного простору» позначаються на русі пошукових хвиль Навігатора. При орієнтації цих вібрацій вздовж місцевих місячних вертикалей, місцевий горизонтальний світловий промінь рухатиметься не прямою, а синусоїдою – з періодом, що визначається частотою вібрацій. При їх частоті в 100 МГц (див. вище) період синусоїди складе близько 3 м. При цьому вертикальний кутовий розкид напрямків руху променя можна оцінити через відношення амплітуди швидкості вібрацій до швидкості світла - поблизу поверхні Місяця цей розкид складе приблизно одну кутову секунду.

Облік цього вертикального розкиду напрямків руху світлового променя, що йде поруч із поверхнею Місяця, легко пояснює, з погляду, такі оптичні ефекти . По-перше, це неможливість передбачити настання та тривалість покриттів зірок Місяцем з такою точністю, з якою передраховуються багато інших небесних явищ». По-друге, це зниження якості зображення поверхні Місяця поблизу країв диска (див., наприклад, фотографії в ). "Замивання" зображення на краях місячного диска було б не дивно, якби Місяць мав атмосферу - але атмосфери у неї немає. Обидва названі ефекти так і не знайшли розумного пояснення в рамках традиційних підходів.

Феномен втрати кольоровості в навколомісячному «хисткому просторі».

Як ми викладали раніше, процес поширення світла є ланцюжок квантових перекидів енергії збудження з атома на атом. Послідовні ланки у цьому ланцюжку, тобто. пари атом-відправник та атом-отримувач, встановлюються, за певними алгоритмами, Навігатором. Відстань між піками пошукових хвиль Навігатора - це те, що в оптиці називається довжиною хвилі «випромінювання» (ми взяли це слово в лапки, тому що пошукові хвилі Навігатора мають не фізичну природу, а програмну). В умовах звичайного простору, що не вібрує, довжина хвилі повністю визначається енергією збудження атома, якщо цей атом спочиває - в локально-абсолютному сенсі. Якщо вектор його локально-абсолютної швидкості не дорівнює нулю, то довжини пошукових хвиль, що йдуть від нього в різних напрямках, мають відповідні лінійно-доплерівські зрушення. Підкреслимо, що, при русі збудженого атома, лінійному ефекту Допплера схильні лише пошукові хвилі - енергія ж кванта, що перекидається, залишається незмінною. Так, пошукова хвиля, що має деякий лінійно-доплерівський зсув, може вдало подолати вузькосмуговий фільтр, і квант енергії може бути перекинутий на атом, що знаходиться за цим фільтром, але енергія цього перекинутого кванта буде все тією ж енергією збудження, як і у разі спокою атома - коли пошукова хвиля через фільтр не пройшла б.

Тепер повернемося до випадку «хисткого простору». Його радіальні вібрації можуть дати лінійно-доплерівські зрушення довжин пошукових хвиль Навігатора, які мають порядок до V(rЛ)/ c~ 10 -5. Ефекти такого порядку - з урахуванням того, що видимий діапазон займає октаву - не могли б призводити до радикальних змін кольорів. Але зауважимо, що переважна частина колірної палітри, в тому числі і на Місяці, забезпечується речовиною, що утворює молекулярні сполуки. Чи не може виявитися, що «хисткий простір» впливає на молекулярні спектри випромінювання-поглинання?

Як ми викладали раніше, хімічна зв'язок є процес циклічних перемикань складів валентних зв'язок «протон-електрон» у сполучних атомів, при якому кожен з двох задіяних електронів поперемінно входить до складу того чи іншого атома. Цей циклічний процес стабілізується перекиданням кванта енергії збудження з одного атома до іншого, і назад. При тепловому рівновазі, найімовірніша енергія цього кванта відповідає максимуму рівноважного діапазону, тобто. дорівнює 5 kT, де k – постійна Больцмана, T- Абсолютна температура. Як ми постаралися показати, т.зв. коливальні та обертальні молекулярні лініївідповідають не різним енергіям зв'язку атомів у молекулі: вони відповідають тим чи іншим резонансам у циклічного процесу хімічного зв'язку – за відповідної енергії кванта, який циклічно передають один одному зв'язані атоми. Типовою особливістю молекулярних спектрів поглинання є смуги суцільного спектра – смуги дисоціації. У більшості молекул нижній край першої смуги дисоціації від рівня основного стану на 4-5 еВ , тобто . енергії квантів збудження, що відповідають всьому видимому діапазону, припадають на проміжок між основним станом та першою смугою дисоціації. У «звичайних» умовах, цей проміжок більш менш щільно заповнений дискретними рівнями енергії. Маловідомий той факт, що відповідні молекулярні лінії, на відміну від атомних, не є характерними – їх положення «плавають» залежно від температури та тиску. Вібрації ж «хисткого простору», на наш погляд, повинні призводити до сильного розширення молекулярних ліній; пояснимо це.

Нагадаємо, що в умовах «звичайного» тяжіння зміна локально-абсолютної швидкості вільного тіла однозначно відповідає зміні гравітаційного потенціалу. У навколомісячному «хисткому просторі» ситуація інша: вільні тілатам відчувають гармонійні зміни локально-абсолютної швидкості (відлічуваної в геоцентричної системі координат), перебуваючи практично в одному і тому ж гравітаційному потенціалі (земної області тяжіння). Ми вважаємо, що ця аномальна, з погляду енергетичних перетворень, ситуація вирішується так. Буфер для періодичної компоненти кінетичної енергіїмолекули є енергія її порушення – тобто. того самого кванта, що передають один одному зв'язані атоми. Тоді, для молекул з легких елементів з одинарними зв'язками, амплітудного значення кінетичної енергії на поверхні Місяця ( V(rЛ)» 3 км/с) повинне відповідати амплітудне значення енергії збудження ~ 1 еВ на один зв'язок. Через цю періодичну компоненти в енергії збудження, «коливальні» і «обертові» молекулярні лінії повинні відчувати настільки значні розширення, що проміжок від основного стану до першої смуги дисоціації повинен займати суцільний спектр . Так і є: " Місячний спектр майже позбавлений смуг, які могли б дати інформацію про склад Місяця» .

Уточнимо, чому при суцільних молекулярних спектрах повинен мати місце феномен втрати кольору. Відомо, що в сітківці людського ока є три типи світлочутливих клітин, відповідальних за сприйняття кольорів - які розрізняються положеннями максимумів смуг поглинання: в червоно-оранжевій, зеленій і синьо-фіолетовій областях. Колірне відчуття визначається не енергією квантів монохроматичного світла – воно визначається співвідношенням кількостей спрацьовувань клітин названих трьох типівза деякий час колірної реакції. Якщо, за умов «хибного простору», молекулярні лінії поглинання розпливаються весь видимий діапазон, то кожного з трьох типів клітин стають однакові ймовірності «спрацювати» на квант з будь-якої області видимого діапазону.

Звідси негайно випливає, що всі предмети на Місяці повинні бачитися з втратою кольоровості практично у відтінках сірої шкали. Втрата кольоровості повинна мати місце не тільки при живому візуальному спостереженні на Місяці, але і при фотографуванні там на кольорову плівку, причому навіть через світлофільтри. Дійсно, « кольорові фільтри на борту.[«Сервеєрів»] були використані для отримання кольорових фотографій місячного ландшафту.». Може, автор щось плутає? В офіційному звіті NASA по «Сервейєру-1» стверджується те ж саме. Криві пропускання трьох світлофільтрів були близькі до стандартних – ми відтворюємо відповідну діаграму з на Рис.1. Які ж

виявилися результати? У розділі «Фотометрія та колориметрія», власне, колориметрії приділено всього три фрази. А саме: " Попередня обробка колориметричних вимірювань на основі даних фотоплівок показує, що матеріали місячної поверхні можуть бути лише незначні колірні відмінності. Відсутність багатої колірної гамиу поверхневих місячних матеріалів - це щось вражаюче, враховуючи відмінності в альбедо. Повсюдно колір місячної поверхні – темно-сірий»(Переклад наш). Втім, здивування фахівців NASA тривало недовго. Вже автор пише: « Сервеєр мав гостріший і незамутнений погляд. І, вперше, він бачив у кольорі. Три окремі фотографії, зняті через помаранчевий, зелений та синій фільтри, при суміщенні давали цілком натуральну кольорову передачу. Як і очікували вчені, цей колір виявився ніяким іншим, окрім сірого – однорідного, нейтрально-сірого»(Переклад наш). Одну з цих сіреньких фотомозаїк від «Сервейєра-1» ми відтворюємо на Рис.2.

Може виникнути підозра, що лише місячні матеріали мають натуральний сірий колір, а земні предмети, доставлені на Місяць, виглядають там у таких кольорах, як і на Землі. Не відтворюємо фрагмент ще однієї фотографії з «натуральною передачею кольору» - див. Рис.3. Це дуже примітний документ. На тлі «млинця» опорної «лапи» апарату, у правій частині знімка видно ділянку диска із секторною розміткою. Це якраз диск для калібрування кольору: на Землі його чотири сектори мали білий,

Рис.3.

червоний, зелений та синій кольори. Але замість них ми бачимо лише відтінки сірої шкали.

Додамо, що втрата кольоровості має місце навіть при спостереженнях Місяця з-за меж її області тяжіння. Правда, в цьому випадку до сірих кольорів підмішується відтінок коричневого: У телескоп Місяць має однорідний коричнево-сірий відтінок і майже позбавлений колірних відмінностей». Робилися спроби отримати кольорові фотографії Місяця під час фотографування з-за меж області його тяжіння через світлофільтри, з наступним поєднанням зображень. За цією методикою, дійсно, виходять чудові кольорові картинки - але, з урахуванням вищевикладеного, наївно вважати, що кольори на них демонструють справжню гамму кольору Місяця.

Слід уточнити, що феномен втрати кольоровості в навколомісячному просторі жодним чином не спростовується при фото- та відеозйомках цифровою апаратурою – яка дозволяє зробити будь-які бажані кольори з нічого. При традиційної фотозйомці, тобто. при натуральній передачі кольору, феномен втрати кольоровості в навколомісячному просторі - це незаперечний факт. Причому, якщо вірити чиновникам NASA, відсутність багатої кольорової гами на Місяці фахівці навіть очікували заздалегідь. Запам'ятаємо це!

Феномен зворотного розсіювання світла в навколомісячному «хисткому просторі».

Альбедо місячної поверхні, тобто. її здатність відбивати сонячне світло, невелика: вона становить, загалом, 7% . І для цього невеликої кількості світла, що відбивається, має місце феномен зворотного розсіювання. А саме: під яким би кутом не падало світло на поверхню, що розсіює - аж до майже ковзного падіння! - Більшість відбитого світла йде туди, звідки світло прийшло.

Свідченням про цей дивовижний феномен для земного спостерігача є той добре відомий факт, що « яскравість всіх областей місячного диска досягає різкого максимуму в повний місяць, коли джерело світла знаходиться точно позаду спостерігача». Інтегральна крива яскравості свічення Місяця, як функція фазового кута, наведена на Рис.4(, Нульова фаза відповідає повні).

Рис.4

Феномен зворотного розсіювання не пояснити звичайним розсіюванням на шорсткості поверхні Місяця. Шорстка поверхня розсіювала б світло за законом Ламберта, і тоді в повний місяць спостерігалося б потемніння до країв місячного диска - що не має місця. Яскравість в повний місяць аномально збільшується для кожної області місячного диска, « незалежно від її положення на місячній сфері, нахилу поверхні та морфологічного типу». Через відсутність потемніння до країв, Місяць у повний місяць здається «плоським, як млинець». Феномен зворотного розсіювання світла має місце не тільки для видимого з Землі боку Місяця, але і для протилежного, про що свідчать фотографії останньої, зроблені за допомогою космічних апаратів. Індикатриси зворотного розсіювання світла Місяцем наведені, наприклад, .

Іноді феномен зворотного розсіювання плутають із т.зв. опозиційним ефектом, який полягає в тому, що « швидкість збільшення яскравості особливо велика при малих фазових кутах» – як це добре ілюструє Рис.4. Опозиційний ефект характеризує швидкість зміни яскравості – а не сама зміна яскравості – при зміні фазового кута. Опозиційний ефект лише підкреслює гостронаправленість дії ефекту зворотного розсіювання – через яке, при аномально яскравому місячному світлі в повний місяць можна читати книгу.

Вважалося, що феномен зворотного розсіювання обумовлений якимись незвичайними властивостями місячного ґрунту- І це при тому, що феномен однаково проявляється для всіх областей місячного диска, хоча морфології місячних морів та материків різняться. Було багато спроб знайти мінерал або матеріал, що дає місячний закон розсіювання. Різноманітні зразки земного та космічного походження досліджувалися « у різних видах: тверді, розпорошені, розплавлені і знову затверділі, опромінені ультрафіолетовим світлом, рентгенівськими променями та протонами.» Жоден не розсіював світло тому так сильно, як Місяць. Нарешті, було виявлено, що закон розсіювання, подібний до місячного, дають дрібнодисперсні структури з надзвичайно розвиненою пористістю. Але навряд чи можна було очікувати, що існування такого «пуху» підтримується в реальних умовах поверхні Місяця. Не кажучи вже про часті слабкі «місячнотруси», там відіграє неабияку роль електростатична ерозія і «повзання» поверхневого матеріалу. Дослідження місячного ґрунту - як "на місцях", за допомогою "Сервейєрів", так і в земних лабораторіях - показали, що ніяких "пухнастих структур" в ньому немає. Грунт Місяця « дрібнозернистий, слабозв'язний з домішкою гравію та дрібного каміння». Місячний « реголіт легко злипається в окремі пухкі грудки і легко формується. Незважаючи на помітну слипання, він має нестійку структуру, що легко порушується.». На довершення цих бентежних відкриттів, у земних лабораторіях місячні зразки аж ніяк не демонстрували місячного закону розсіювання. Дослідження феномена зайшли у глухий кут.

Тим часом цей феномен знаходить просте природне пояснення – як результат вібрацій «хибного простору». Згадаймо, що у «звичайних» умовах, дзеркальне відображення пояснюється так. Ділянка плоского хвильового фронту падає на плоску поверхню– чиї точки, яких дійшов цей фронт, негайно стають джерелами вторинних сферичних хвиль, за принципом Гюйгенса-Френеля. Огинаюча вторинних сферичних хвильових фронтів є ділянкою плоского фронту – який є дзеркально відбитим. Зауважимо, що це класичне пояснення має на увазі інтерференцію вторинних хвильових фронтів – а для цього необхідно, щоб площа когерентності була більше тієї ділянки поверхні, що відображає, на який падає вихідна ділянка фронту. Але в «хисткому просторі», з урахуванням вищевикладеного, поняття «когерентність» втрачає будь-який сенс. Для кожного каналу Навігатора, що прораховує адресу перекидання одного кванта, вже при характерному розмірі «майданчика когерентності», меншому за довжину хвилі, матиме місце не набір вторинних сферичних хвиль, що виходять з різнихточок розсіюючої поверхні – вторинні сферичні хвилі виходитимуть з однієїточки цієї поверхні. За логікою алгоритмів Навігатора, розрахунки продовжуються лише найімовірніших напрямів пошуку атома-адресата – а такими є ті, куди припадають накладання різних піків пошукових хвиль (одного й того каналу Навігатора). У цьому випадку, вторинні сферичні хвилі, що виходять з однієї точки, зможуть накластися лише на піки падаючої хвилі – даючи сплески ймовірностей на лінії, по якій йде ця падаюча хвиля. Таким чином, якщо квант світла не буде поглинений поверхнею, і Навігатор буде змушений продовжити пошук адресата для його перекидання, то «віддзеркалення» від поверхні буде, з найбільшою ймовірністю, зворотне – незалежно від кута падіння.

Якими є фізичні наслідки феномена зворотного розсіювання? Якщо Місяць відбиває всього близько 7% від падаючого сонячного світла, і якщо майже все це відбите світло йде в тому напрямку, звідки воно прийшло, то спостерігач на Місяці жодним чином не побачить залитих сонячним світлом пейзажів. Для спостерігача навіть на освітленому Сонцем стороні Місяця панують сутінки – що демонструють, наприклад, перші ж фотографічні панорами, зроблені на поверхні Місяця радянськими апаратами, починаючи з «Місяця-9» (див., наприклад, ), а також великий архів телевізійних зображень, переданих «Місяцеходом-1». Спостерігач на Місяці зможе побачити яскраво освітленими або ті об'єкти, які знаходяться поблизу уявної прямої, проведеної від Сонця через його голову, або ті, які він підсвічує сам, тримаючи джерело світла поблизу своїх очей. Крім сутінків, що панують навіть на освітленому Сонцем стороні Місяця, через феномен зворотного розсіювання там спостерігаються зовсім чорні тіні – а не сірі, як на Землі, оскільки на Місяці області тіні не підсвічуються розсіяним світлом ні від освітлених ділянок, ні від атмосфери, якою на Місяці немає. Рис.5відтворює одну з панорам, знятих Місяць-1 – відразу кидається в

Рис.5

очі характерна чорнота з протисонячного боку – на платформі, з якої з'їхав Місяць-1, а також на нерівностях місячної поверхні. Рис.5добре передає типові ознаки місячного освітлення.

Невелике обговорення.

Вище ми постаралися дати пояснення феноменам втрати кольоровості та зворотного розсіювання світла, що має місце у навколомісячному просторі. Можливо, комусь вдасться пояснити ці феномени краще, ніж це нам вдалося, але сама наявність цих феноменів є безперечним науковим фактом– що підтверджують навіть перші звіти NASA щодо місячної програми.

Врахування факту наявності цих феноменів надає нові, вбивчі аргументи на підтримку тих, хто вважає підробками кіно- та фотоматеріали, які свідчать про перебування американських астронавтів на поверхні Місяця. Адже ми даємо ключі для проведення найпростішої та нещадної незалежної експертизи. Якщо нам демонструють, на тлі залитих сонячним світлом (!) місячних пейзажів, астронавтів, на скафандрах яких немає чорних тіней з протисонячного боку, або непогано освітлену фігуру астронавта в тіні «місячного модуля», або кольорові (!) кадри з колоритною передачею кольорів американського прапора – це все незаперечні докази, що кричать про фальсифікацію. Фактично, нам не відомо жодного кіно-або фотодокумента, що зображує астронавтів на Місяці при справжньому місячному освітленні і зі справжньою місячною кольоровою палітрою.

Занадто аномальні фізичні умови на Місяці – і не можна виключити, що навколомісячний простір є згубним для земних організмів. На сьогодні нам відома єдина модель, що пояснює короткодію місячного тяжіння, а заразом і походження супутніх аномальних оптичних феноменів – це наша модель «хисткого простору». І якщо ця модель вірна, то вібрації «хибного простору», нижче за деяку висоту над поверхнею Місяця, цілком здатні розривати слабкі зв'язки в молекулах білків – з руйнуванням їх третинної і, можливо, вторинної структур. Наскільки нам відомо, з навколомісячного простору живими повернулися черепашки на борту радянського апарату «Зонд-5», який здійснив обліт Місяця з мінімальним віддаленням від його поверхні приблизно 2000 км. Можливо, що при ближчому до Місяця проходженні апарату тварини загинули б внаслідок денатурації білків у їхніх організмах. Якщо від космічної радіації захиститися дуже складно, але все ж таки можливо – то від вібрацій «хисткого простору» фізичного захисту немає.

Автор дякує Івану, автору сайтуhttp://ivanik3.narod.ru, за люб'язну допомогу у доступі до першоджерел, а також О.Ю.Пивовара – за корисне обговорення.

1. А.А.Гришаєв. Міжпланетні польоти та концепція локально-абсолютних швидкостей. – Доступна на цьому сайті.

2. А.А.Гришаєв. «Зибкий простір», що породжує власне тяжіння Місяця. – Доступна на цьому сайті.

3. А.А.Гришаєв. Експеримент Майкельсон-Морлі: детектування локально-абсолютної швидкості? – Доступна на цьому сайті.П.Г.Куликовський. Довідник астронома-аматора. «Держ. вид-во техніко-теоретичної літератури», М., 1953.

9. З. Копал. Місяць. Наш найближчий небесний сусід. "Изд-во іноземної літератури", М., 1963.

10. А.А.Гришаєв. Новий погляд на хімічний зв'язок та на парадокси молекулярних спектрів. – Доступна на цьому сайті.

11. Т.Коттрелл. Міцність хімічних зв'язків. "Изд-во іноземної літератури", М., 1956.

12. O.W.Richardson. Molecular Hydrogen and its Spectrum. 1934.

13. Р.Пірс, А.Гейдон. Ототожнення молекулярних спектрів. "Изд-во іноземної літератури", М., 1949.

14. Б.Хапке. Оптичні властивості місячної поверхні. В: «Фізика та астрономія Місяця», З. Копал, ред. "Світ", М., 1973.

15. L. D. Jaffe, E. M. Shoemaker, S. E. Dwornik et al. NASA Technical Report No. 32-1023. Surveyor I Mission Report, Part II. Scientific Data and Results. Jet Propulsion Laboratory, Institute of Technology California, Pasadena, California, September 10, 1966.

16. H.E.Newell. Surveyor: Candid Camera on the Moon. Natl. Geograph. Mag., 130 (1966) 578.

17. В.Н.Жарков, В.А.Паньков та ін. Введення у фізику Місяця. "Наука", М., 1969.

18. М.У.Сагітов. Місячна гравіметрія. "Наука", М., 1979.

19. Т. Голд. Ерозія, транспортування поверхневого матеріалу та природа морів. У сб.: «Місяць», С.Ранкорн та Г.Юрі, ред. "Світ", М., 1975.

20. І.І.Черкасов, В.В.Шварьов. Ґрунт Місяця. "Наука", М., 1975.

21. Веб-ресурс

Волгоградська муніципальна гімназія №1

Екзаменаційна робота

з фізики на тему:

«Оптичні явища у природі»

Виконали

учениці 9класу «Б»

Покусаєва В.О.

Трубнікова М.В.

План

1. Введення

а) Що таке оптика?

б) Види оптики

в) Роль оптики у розвитку сучасної фізики

2. Явища, пов'язані з відображенням світла

а) Предмет та його відображення

б) Залежність коефіцієнта відбиття від кута падіння світла

в) Захисне скло

д) Повне відображення світла

е) Циліндричний світловод

ж) Алмази та самоцвіти

3. Явища, пов'язані з заломленням світла

б) Веселка

4. Полярні сяйва

Вступ

Що таке оптика?

Перші уявлення стародавніх вчених про світло були дуже наївні. Вважалося, що з очей виходять особливі тонкі щупальці та зорові враження виникають при обмацуванні ними предметів. Тоді під оптикою розуміли науку про зір. Саме такий точний зміст слова оптика. У середні віки оптика поступово з науки про зір перетворилася на науку про світло, цьому сприяв винахід лінз та камери-обскури. У сучасний часоптика - це розділ фізики, в якому досліджується випромінювання світла, його поширення у різних середовищах та взаємодія з речовиною. Що ж до питань, пов'язаних із зором, будову та функціонування ока, то вони виділилися у спеціальне науковий напрямокзване фізіологічною оптикою

Види оптики

При розгляді багатьох оптичних явищ можна скористатися уявленням про світлові промені – геометричні лінії, вздовж яких поширюється світлова енергія. У цьому випадку говорять про геометричну (променеву) оптику.

Геометрична оптика широко використовується у світлотехніці та при розгляді дій численних приладів та пристроїв – починаючи від лупи та окулярів і закінчуючи найскладнішими оптичними мікроскопами та телескопами.

У початку XIXстоліття розгорнулися інтенсивні дослідження відкритих раніше явищ інтерференції, дифракції та поляризації світла. Ці явища не знаходили пояснення в рамках геометричної оптики, необхідно було розглядати світло у вигляді поперечних хвиль. Так виникла хвильова оптика. Спочатку вважали, що світло - це пружні хвиліу певному середовищі (світовому ефірі), яке ніби заповнює весь світовий простір.

У 1864 році англійський фізик Джеймс Максвелл створив електромагнітну теорію світла, згідно з якою хвилі світла - це електромагнітні хвиліз відповідним діапазоном довжин.

Дослідження, виконані на початку XX століття, показали, що для пояснення деяких явищ, наприклад фотоефекту, необхідно уявити світловий пучок у вигляді потоку своєрідних частинок – світлових квантів (фотонів). Ще 200 років тому Ісаак Ньютон дотримувався аналогічного погляду на природу світла у своїй «теорії закінчення світла». Тепер уявлення про світлові кванти вивчає квантова оптика.

Роль оптики у розвитку сучасної фізики.

Роль оптики у розвитку сучасної фізики велика. Виникнення двох найважливіших і революційних теорій ХХ століття (квантової механіки і теорії відносності) значною мірою пов'язані з оптичними дослідженнями. Оптичні методи аналізу речовини на молекулярному рівні породили спеціальний науковий напрямок – молекулярну оптику. До неї тісно примикає оптична спектроскопія, що застосовується в сучасному матеріалознавстві, при дослідженнях плазми, астрофізиці. Існують також електронна та нейтронна оптики; створено електронний мікроскоп та нейтронне дзеркало. Розроблено оптичні моделі атомних ядер.

Сприяючи розвитку різних напрямів сучасної фізики, оптика водночас і сама переживає сьогодні період бурхливого розвитку. Основний поштовх цьому розвитку дало винахід інтенсивних джерел когерентного світла лазерів. В результаті хвильова оптика піднялася на більш високий ступінь, що відповідає когерентній оптиці. Важко навіть перерахувати всі нові науково-технічні напрями, що розвиваються завдяки появі лазерів. Серед них нелінійна оптика, голографія, радіооптика, пікосекундна оптика, адаптивна оптика та інші. Радіооптика виникла на стику радіотехніки та оптики; вона досліджує оптичні методипередачі та обробки інформації. Ці методи зазвичай поєднують із традиційними електронними методами; в результаті склалося науково-технічний напрямок, званий оптоелектронікою. Передача світлових сигналів діелектричним волокнам становить предмет волоконної оптики. Використовуючи досягнення нелінійної оптики, можна виправляти хвильовий фронт світлового пучка, що спотворюється при поширенні світла в тому чи іншому середовищі, наприклад, в атмосфері або у воді. В результаті виникла та інтенсивно розвивається так звана адоптивна оптика. До неї тісно примикає фотоенергетика, що зароджується на наших очах, займається, зокрема, питаннями ефективної передачі світлової енергії по променю світла. Сучасна лазерна технікадозволяє отримувати світлові імпульси тривалістю порядку лише пікосекунди. Такі імпульси виявляються унікальним інструментом для дослідження цілого ряду швидкоплинних процесів в речовині, і зокрема в біологічних структурах. Виник і розвивається спеціальний напрямок – пікосекундна оптика; до нього тісно примикає фотобіологія. Можна без перебільшення сказати, що широке практичне використання досягнень сучасної оптики є обов'язковою умовою науково-технічного прогресу. Оптика відкрила людському розуму дорогу в мікросвіт, вона дозволила йому проникнути в таємниці зоряних світів. Оптика охоплює усі сторони нашої практичної діяльності.

Явища, пов'язані з віддзеркаленням світла.

Предмет та його відображення

Те, що відображено в стоячій водіпейзаж не відрізняється від реального, а лише перевернутий «нагору ногами» далеко не так.

Якщо людина подивиться пізно ввечері, як відбиваються у воді світильники або як відбивається берег, що спускається до води, то відображення здасться йому вкороченим і «зникне», якщо спостерігач знаходиться високо над поверхнею води. Також ніколи не можна побачити відображення верхівки каменю, частина якого занурена у воду.

Пейзаж бачиться спостерігачеві таким, якби на нього дивилися з точки, що знаходиться на стільки глибше поверхні води, наскільки око спостерігача знаходиться вище за поверхню. Різниця між пейзажем та його зображенням зменшується у міру наближення ока до поверхні води, а також у міру видалення об'єкта.

Часто людям здається, що відображення в ставку кущів та дерев відрізняється більшою яскравістю фарб та насиченістю тонів. Цю особливість можна помітити, спостерігаючи відображення предметів у дзеркалі. Тут більшу роль відіграє психологічне сприйняття, ніж фізична сторона явища. Рама дзеркала, береги ставка обмежують невелику ділянку пейзажу, огороджуючи бічний зір людини від надмірного розсіяного світла, що надходить з усього небосхилу і засліплюючого спостерігача, тобто він дивиться на невелику ділянку пейзажу ніби через темну вузьку трубу. Зменшення яскравості відбитого світла проти прямим полегшує людям спостереження неба, хмар та інших яскравоосвітлених предметів, які за прямому спостереженні виявляється занадто яскравим для ока.

Залежність коефіцієнта відбиття від кута падіння світла.

На межі двох прозорих середовищ світло частково відбивається, частково проходить в інше середовище та заломлюється, частково поглинається середовищем. Відношення відбитої енергії до падаючої називають коефіцієнтом відбиття. Відношення енергії світла, що пройшло через речовину, до енергії падаючого світла називають коефіцієнтом пропускання.

Коефіцієнти відображення та пропускання залежать від оптичних властивостей, що межують між собою середовищ та кута падіння світла. Так, якщо світло падає на скляну пластинку перпендикулярно (кут падіння α=0), то відображається лише 5% світлової енергії, а 95% проходить через межу розділу. У разі збільшення кута падіння частка відбитої енергії зростає. При вугіллі падіння α=90˚ вона дорівнює одиниці.

Залежність інтенсивності відбитого і проходить через скляну пластинку світла можна простежити, розташовуючи пластинку під різними кутами до світлових променів і оцінюючи інтенсивність очей.

Цікаво також оцінити на око інтенсивність світла, відбитого від поверхні водойми, залежно від кута падіння, поспостерігати відбиття сонячних променів від вікон будинку при різних кутах падіння вдень, при заході сонця, сході світила.

Захисне скло

Звичайні шибки частково пропускають теплові промені. Це добре для використання їх у північних районах, а також для парників. На півдні ж приміщення настільки перегріваються, що працювати у них важко. Захист від Сонця зводиться або до затемнення будівлі деревами, або вибору сприятливої ​​орієнтації будівлі при перебудові. І те й інше іноді буває скрутним і не завжди здійсненним.

Щоб скло не пропускало теплові промені, його покривають тонкими прозорими плівками оксидів металів. Так, олов'яно-сурм'яна плівка не пропускає більше половини теплових променів, а покриття, що містять окис заліза, повністю відображають ультрафіолетові промені та 35-55% теплових.

Розчини плівкоутворювальних солей наносять з пульверизатора на гарячу поверхню скла під час його теплової обробки або формування. При високій температурі солі переходять в окиси, міцно пов'язані з поверхнею скла.

Подібним чином виготовляють шибки для світлозахисних окулярів.

Повне внутрішнє відображення світла

Гарне видовище є фонтаном, у якого струмені, що викидаються, освітлюються зсередини. Це можна зобразити у звичайних умовах, зробивши наступний досвід (рис. 1). У високій консервній банці на висоті 5 см від дна треба просвердлити круглий отвір ( а) діаметром 5-6 мм. Електричну лампочку з патроном треба акуратно обгорнути целофановим папером і розташувати навпроти отвору. У банку треба налити води. Відкривши отвір а , отримаємо струмінь, який буде освітлений зсередини. У темній кімнаті вона яскраво світиться і опеньків виглядає дуже ефектно. Струмене можна надати будь-яке забарвлення, помістивши на шляху променів світла кольорове скло б. Якщо на шляху струменя підставити палець, вода розбризкується і ці крапельки яскраво світяться.

Пояснення цього явища досить просте. Промінь світла проходить вздовж струменя води і потрапляє на вигнуту поверхню під кутом, більшим за граничне, відчуває повне внутрішнє відображення, а потім знову потрапляє на протилежний бік струменя під кутом знову більше граничного. Так промінь проходить вздовж струменя згинаючи разом із нею.

Але якби світло повністю відбивалося всередині струменя, то воно не було б видно ззовні. Частина світла розсіюється водою, бульбашками повітря та різними домішками, що є в ній, а також внаслідок нерівностей поверхні струменя, тому вона видно зовні.

Циліндричний світловод

Якщо направити світловий пучок в один торець суцільного зігнутого зігнутого циліндра, можна помітити, що світло буде виходити з його іншого торця (рис. 2); через бічну поверхню циліндра світло майже виходить. Проходження світла по скляному циліндру пояснюється тим, що, падаючи на внутрішню поверхню циліндра під кутом, більше граничного, світло багаторазово відчуває повне відображенняі сягає кінця.

Чим тонший циліндр, тим частіше відбуватимуться відображення променя і тим більша частина світла падатиме на внутрішню поверхню циліндра під кутами, більшими за граничний.

Алмази та самоцвіти

У Кремлі існує виставка алмазного фонду Росії.

У залі світло трохи приглушене. У вітринах сяють твори ювелірів. Тут можна побачити такі алмази, як "Орлов", "Шах", "Марія", "Валентина Терешкова".

Секрет чарівної гри світла в алмазах, полягає в тому, що цей камінь має високий показник заломлення (n=2,4173) і внаслідок цього малий кут повного внутрішнього відображення (α=24˚30′) і має більшу дисперсію, що викликає розкладання білого світла на прості кольори.

Крім того, гра світла в алмазі залежить від правильності його огранювання. Грані алмазу багаторазово відбивають світло всередині кристала. Внаслідок великої прозорості алмазів високого класу світло всередині них майже не втрачає своєї енергії, а лише розкладається на прості кольори, промені яких потім вириваються назовні у різних, найнесподіваніших напрямках. При повороті каменю змінюються кольори, що виходять з каменю, і здається, що він є джерелом багатьох яскравих різнокольорових променів.

Зустрічаються алмази, пофарбовані в червоний, блакитний і бузковий кольори. Сяйво алмазу залежить від його ограновування. Якщо дивитися крізь добре огранений водяно-прозорий діамант на світ, то камінь здається зовсім непрозорим, а деякі його грані просто чорними. Це відбувається тому, що світло, зазнаючи повного внутрішнього відображення, виходить у зворотному напрямку або в сторони.

Якщо дивитися на верхню огранку з боку світла, вона сяє багатьма квітами, а місцями блищить. Яскраве сяйво верхніх граней діаманта називають алмазним блиском. Нижня сторона діаманта зовні здається ніби посрібленою і відливає металевим блиском.

Найбільш прозорі та великі алмази є окрасою. Дрібні алмази знаходять широке застосування в техніці як ріжучий або шліфувальний інструмент для металообробних верстатів. Алмазами армують головки бурильного інструменту для проходження свердловин у твердих породах. Таке застосування алмазу можливе через велику твердість, що його відрізняє. Інші дорогоцінні камені в більшості випадків є кристалами окису алюмінію з домішкою оксидів фарбуючих елементів - хрому (рубін), міді (смарагд), марганцю (аметист). Вони також відрізняються твердістю, міцністю і мають гарне забарвлення і «грою світла». В даний час вміють отримувати штучним шляхом великі кристали окису алюмінію та забарвлювати їх у бажаний колір.

Явлення дисперсії світла пояснюють різноманіттям барв природи. Цілий комплекс оптичних експериментів із призмами у XVII столітті провів англійський вчений Ісаак Ньютон. Ці експерименти показали, що біле світло не є основним, його треба розглядати як складове («неоднорідне»); основними ж є різні кольори (однорідні промені, або монохроматичні промені). Розкладання білого світла різні кольори відбувається з тієї причини, що кожному кольору відповідає свій ступінь заломлюваності. Ці висновки, зроблені Ньютоном, узгоджуються із сучасними науковими уявленнями.

Поряд з дисперсією коефіцієнта заломлення спостерігається дисперсія коефіцієнтів поглинання, пропускання та відображення світла. Цим пояснюються різноманітні ефекти під час освітлення тіл. Наприклад, якщо є якесь прозоре для світла тіло, у якого для червоного світла коефіцієнт пропускання великий, а коефіцієнт відображення малий, для зеленого ж світла навпаки: коефіцієнт пропускання малий, а коефіцієнт відображення великий, тоді в світлі тіло буде здаватися червоним, а у відбитому світлі – зеленим. Такими властивостями володіє, наприклад, хлорофіл - зелена речовина, що міститься в листі рослин і зумовлює зелений колір. Розчин хлорофілу в спирті під час розгляду просвіт виявляється червоним. У відбитому світлі цей розчин виглядає зеленим.

Якщо в якогось тіла коефіцієнт поглинання великий, а коефіцієнти пропускання та відображення малі, то таке тіло здаватиметься чорним та непрозорим (наприклад, сажа). Дуже біле, непрозоре тіло (наприклад, окис магнію) має коефіцієнт відображення близький до одиниці всім довжин хвиль, і дуже малі коефіцієнти пропускання і поглинання. Цілком прозоре для світла тіло (скло) має малі коефіцієнти відбиття та поглинання та близький до одиниці для всіх довжин хвиль коефіцієнт пропускання. У забарвленого скла для деяких довжин хвиль коефіцієнти пропускання і відображення практично дорівнюють нулю і, відповідно, значення коефіцієнта поглинання для цих довжин хвиль близько до одиниці.

Явища, пов'язані з заломленням світла

Міраж

Деякі види міражів.З більшого різноманіття міражів виділимо кілька видів: «озерні» міражі, звані також нижніми міражами, верхні міражі, подвійні та потрійні міражі, міражі наддальнього бачення.

Нижні (озерні) міражі виникають над сильно нагрітою поверхнею. Верхні міражі виникають, навпаки, над сильно охолодженою поверхнею, наприклад, над холодною водою. Якщо нижні міражі спостерігають, як правило, у пустелях та степах, то верхні спостерігають у північних широтах.

Верхні міражі відрізняються різноманітністю. В одних випадках вони дають пряме зображення, в інших випадках у повітрі з'являється зображення. Міражі можуть бути подвійними, коли спостерігаються два зображення, просте та перевернене. Ці зображення можуть бути розділені смугою повітря (одне може виявитися над лінією горизонту, інше під нею), але можуть безпосередньо стулятися один з одним. Іноді виникає ще одне – третє зображення.

Особливо дивовижні міражі наддальнього бачення. К. Фламмаріон у своїй книзі «Атмосфера» описує приклад подібного міражу: «Опираючись на свідчення кількох осіб, які заслуговують на довіру, я можу повідомити про міраж, який бачили в місті Верв'є (Бельгія) у червні 1815 р. Одного ранку жителі міста побачили в небі військо, і так ясно, що можна було розрізнити костюми артилеристів і навіть, наприклад, гармату зі зламаним колесом, яке ось-ось відвалиться… Це був ранок битви за Ватерлоо!» Описаний міраж зображений у вигляді кольорової акварелі одним із очевидців. Відстань від Ватерлоо до Верв'є по прямій лінії становить понад 100 км. Відомі випадки, коли подібні міражі спостерігалися і на великих відстанях – до 1000 км. «Летючого голландця» слід віднести саме до таких міражів.

Пояснення нижнього (озерного) міражу.Якщо повітря біля поверхні землі сильно нагріте і, отже, його щільність відносно мала, то показник заломлення біля поверхні буде менше, ніж у більш високих повітряних шарах. Зміна показника заломлення повітря nз висотою hпоблизу земної поверхні для аналізованого випадку показано малюнку 3, а.

Відповідно до встановленого правила, світлові промені поблизу поверхні землі в цьому випадку згинаються так, щоб їх траєкторія була звернена опуклістю вниз. Нехай у точці A знаходиться спостерігач. Світловий промінь від деякої ділянки синього небапотрапить у око спостерігача, випробувавши вказане викривлення. А це означає, що спостерігач побачить відповідну ділянку піднебіння не над лінією горизонту, а нижче за неї. Йому здаватиметься, що він бачить воду, хоч насправді перед ним зображення блакитного неба. Якщо уявити, що в лінії горизонту знаходяться пагорби, пальми або інші об'єкти, то спостерігач побачить і їх переверненими завдяки відзначеному викривленню променів і сприйме як відображення відповідних об'єктів у неіснуючій воді. Так виникає ілюзія, що є «озерним» міражем.

Прості верхні міражі.Можна припустити, що повітря біля поверхні землі або води не нагріте, а, навпаки, помітно охолоджений порівняно з вищими повітряними шарами; зміна n з висотою h показано малюнку 4, а. Світлові промені в цьому випадку згинаються так, що їх траєкторія звернена опуклістю вгору. Тому тепер спостерігач може бачити об'єкти, приховані від нього за горизонтом, причому він бачитиме їх угорі як би висять над лінією горизонту. Тому такі міражі називають верхніми.

Верхній міраж може давати як пряме, і перевернене зображення. Показане малюнку пряме зображення виникає, коли показник заломлення повітря зменшується з висотою щодо повільно. При швидкому зменшенні показника заломлення утворюється зображення. У цьому вся можна переконатися, розглянувши гіпотетичний випадок – показник заломлення деякою висоті h зменшується стрибком (рис. 5). Промені об'єкта, перш ніж потрапити до спостерігача А відчувають повне внутрішнє відображення від кордону ВС нижче за яку в даному випадку знаходиться більш щільне повітря. Видно, що верхній міраж дає перевернуте зображення об'єкта. Насправді немає стрибкоподібного кордону між шарами повітря, перехід відбувається поступово. Але якщо він відбувається досить різко, то верхній міраж дасть перевернуте зображення (рис. 5).

Подвійні та потрійні міражі.Якщо показник заломлення повітря змінюється спочатку швидко, та був повільно, то цьому разі промені області I будуть викривлятися швидше, ніж області II. В результаті виникають два зображення (рис. 6, 7). Світлові промені 1, що розповсюджуються в межах повітряної області I, формують зображення об'єкта. Промені 2, що розповсюджуються в основному в межах області II, викривляються меншою мірою і формують пряме зображення.

Щоб зрозуміти як з'являється потрійний міраж, потрібно уявити три послідовні повітряні області: перша (біля самої поверхні), де показник заломлення зменшується з висотою повільно, наступна, де показник заломлення зменшується швидко, і третя область, де показник заломлення знову зменшується повільно. На малюнку представлена ​​зміна показника заломлення з висотою. На малюнку показано, як виникає потрійний міраж. Промені 1 формують нижнє зображення об'єкта, вони поширюються в межах повітряної області I. Промені 2 формують перевернуте зображення; потрапляю в повітряну область II, ці промені відчувають сильне викривлення. Промені 3 формують пряме верхнє зображення об'єкта.

Міраж наддальнього бачення.Природа цих міражів вивчена найменше. Зрозуміло, що атмосфера має бути прозорою, вільною від водяної пари та забруднень. Але цього мало. Повинен утворитись стійкий шар охолодженого повітря на деякій висоті над поверхнею землі. Нижче і вище цього шару повітря має бути теплішим. Світловий промінь, що потрапив усередину щільного холодного шару повітря, ніби "замкненим" усередині нього і поширюється в ньому як за своєрідним світловодом. Траєкторія променя малюнку 8 постійно обертається опуклістю убік менш щільних областей повітря.

Виникнення наддалеких міражів можна пояснити поширенням променів усередині подібних «світловодів», які іноді створює природа.

Веселка

Веселка – це прекрасне небесне явище – завжди привертала увагу людини. У давні часи, коли люди ще мало знали про навколишній світ, веселку вважали «небесним знаменням». Так, давні греки думали, що веселка – це посмішка богині Іріди.

Веселка спостерігається осторонь, протилежній Сонцю, і натомість дощових хмар чи дощу. Різнобарвна дуга зазвичай знаходиться від спостерігача на відстані 1-2 км, а іноді її можна спостерігати на відстані 2-3 м на тлі водяних крапель, утворених фонтанами або розпилювачами води.

Центр веселки знаходиться на продовженні прямої, що з'єднує Сонце та очей спостерігача – на протисонячній лінії. Кут між напрямком на головну веселку та протисонячною лінією становить 41-42º (рис. 9).

У момент сходу сонця протисонячна точка (точка М) знаходиться на лінії горизонту і веселка має вигляд півкола. У міру підняття Сонця протисонячна точка опускається під обрій і розмір веселки зменшується. Вона є лише частиною кола.

Часто спостерігається побічна веселка, концентрична з першою, з кутовим радіусом близько 52 º і зворотним розташуванням кольорів.

При висоті Сонця 41 º головна веселка перестає бути видимою і над горизонтом виступає лише частина побічної веселки, а при висоті Сонця більше 52 º не видно і побічна веселка. Тому в середніх екваторіальних широтах близько півдня це явище природи ніколи не спостерігається.

У веселки розрізняють сім основних кольорів, які плавно переходять один в інший.

Вид дуги, яскравість кольорів, ширина смуг залежать від розмірів крапельок води та їх кількості. Великі краплі створюють вужчу веселку, з квітами, що різко виділяються, малі - дугу розпливчасту, бляклу і навіть білу. Ось чому яскраву вузьку веселку видно влітку після грозового дощу, під час якого падають великі краплі.

Вперше теорія веселки була дана в 1637 Рене Декартом. Він пояснив веселку, як явище, пов'язане з відображенням та заломленням світла у дощових краплях.

Освіта квітів та його послідовність було пояснено пізніше, після розгадки складної природи білого світла та її дисперсії серед. Дифракційна теорія веселки розроблена Ері та Партнером.

Можна розглянути найпростіший випадок: нехай на краплі, що мають форму кулі, падає пучок паралельних сонячних променів (рис. 10). Промінь, що падає на поверхню краплі в точці А, заломлюється всередині неї за законом заломлення:

n sin α=n sin β, де n=1, n≈1,33 –

відповідно показники заломлення повітря та води, α – кут падіння, а β – кут заломлення світла.

Усередині краплі йде прямий промінь АВ. У точці відбувається часткове заломлення променя і часткове його відображення. Слід зазначити, що, що менше кут падіння у точці У, отже й у точці А, то менше інтенсивність відбитого променя і більше інтенсивність заломленого променя.

Промінь АВ після відображення в точці відбувається під кутом β`=β b потрапляє в точку С, де також відбувається часткове відображення і часткове заломлення світла. Заломлений промінь виходить з краплі під кутом γ, а відбитий може пройти далі, в точку D і т. д. Таким чином, промінь світла в краплі зазнає багаторазового відображення та заломлення. При кожному відображенні деяка частина променів світла виходить назовні та інтенсивність їх усередині краплі зменшується. Найбільш інтенсивним з променів, що виходять у повітря, є промінь, що вийшов з краплі в точці В. Але спостерігати його важко, оскільки він губиться на тлі яскравих прямих сонячних променів. Промені ж, заломлені в точці С, створюють у сукупності на тлі темної хмари первинну веселку, а промені, що зазнають заломлення в точці D дають вторинну веселку, яка менш інтенсивна, ніж первинна.

При розгляді утворення веселки потрібно врахувати ще одне явище - неоднакове заломлення хвиль світла різної довжини, тобто світлових променів різного кольору. Це явище називається дисперсії. Внаслідок дисперсії кути заломлення і кута відхилення променів у краплі різні для променів різного забарвлення.

Найчастіше ми спостерігаємо одну веселку. Непоодинокі випадки, коли на небосхилі з'являються одночасно дві райдужні смуги, розташовані одна за одною; спостерігають і ще більше небесних дуг – три, чотири і навіть п'ять одночасно. Це цікаве явище спостерігали ленінградці 24 вересня 1948 року, коли у другій половині дня серед хмар над Невою з'явилися чотири веселки. Виявляється, що веселка може виникати не лише від прямих променів; нерідко вона з'являється і у відбитих променях Сонця. Це можна бачити на березі морських заток, великих річокта озер. Три-чотири веселки – звичайні та відбиті – створюють часом гарну картину. Так як відбиті від водної поверхні промені Сонця йдуть знизу вгору, то веселка, що утворюється в променях, може виглядати іноді зовсім незвично.

Не слід думати, що веселку можна спостерігати лише вдень. Вона буває і вночі, щоправда, завжди слабка. Побачити таку веселку можна після нічного дощу, коли з-за хмар вигляне Місяць.

Потрібна колбу, наповнену водою, висвітлити сонячним світломабо лампа через отвір в білий дошці. Тоді на дошці чітко стане видно веселку, причому кут розбіжності променів у порівнянні з початковим напрямом становитиме близько 41-42°. У природних умовах екрану немає, зображення виникає на сітківці ока, і око проектує це зображення на хмари.

Якщо веселка з'являється ввечері перед заходом Сонця, спостерігають червону веселку. В останні п'ять або десять хвилин перед заходом сонця всі кольори веселки, крім червоного, зникають, вона стає дуже яскравою і видимою навіть через десять хвилин після заходу сонця.

Гарне видовище є веселка на росі. Її можна спостерігати при сході Сонця на траві, покритій росою. Ця веселка має форму гіперболи.

Полярні сяйва

Одним із найкрасивіших оптичних явищ природи є полярне сяйво.

У більшості випадків полярні сяйва мають зелений або синьо-зелений відтінок з плямами, що зрідка з'являються, або облямівкою рожевого або червоного кольору.

Полярні сяйва спостерігають у двох основних формах – у вигляді стрічок та у вигляді хмароподібних плям. Коли сяйво інтенсивне, воно набуває форми стрічок. Втрачаючи інтенсивність, воно перетворюється на плями. Однак багато стрічк зникають, не встигнувши розбитися на плями. Стрічки ніби висять у темному просторі неба, нагадуючи гігантську завісу або драпірування, що простяглося зазвичай зі сходу на захід на тисячі кілометрів. Висота цієї завіси становить кілька сотень кілометрів, товщина не перевищує кількох сотень метрів, причому така ніжна і прозора, що крізь неї видно зірки. Нижній край завіси досить різко і чітко окреслений і часто підфарбований в червоний або рожевий колір, що нагадує облямівку завіси, верхній - поступово втрачається у висоті і це створює ефектне враження глибини простору.

Розрізняють чотири типи полярних сяйв:

Однорідна дуга - смуга, що світиться, має найбільш просту, спокійну форму. Вона яскравіша знизу і поступово зникає вгору на тлі свічення неба;

Променева дуга – стрічка стає дещо активнішою і рухливішою, вона утворює дрібні складки та цівки;

Променева смуга - зі зростанням активності більші складки накладаються на дрібні;

При підвищенні активності складки або петлі розширюються до величезних розмірів, нижній край стрічки яскраво сяє рожевим свіченням. Коли активність спадає, складки зникають та стрічка повертається до однорідної форми. Це наводить на думку, що однорідна структурає основною формою полярного сяйва, а складки пов'язані зі зростанням активності.

Часто виникають сяйва іншого виду. Вони захоплюють весь полярний район та виявляються дуже інтенсивними. Відбуваються вони під час збільшення сонячної активності. Ці сяйва видаються у вигляді білувато-зеленої шапки. Такі сяйва називають шквалами.

За яскравістю сяйва поділяють на чотири класи, що відрізняються один від одного на один порядок (тобто в 10 разів). До першого класу відносяться сяйва, ледь помітні і приблизно рівні за яскравістю. Чумацького Шляху, сяйво ж четвертого класувисвітлюють Землю так яскраво, як повний Місяць.

Слід зазначити, що сяйво поширюється на захід зі швидкістю 1 км/сек. Верхні шари атмосфери в області спалахів сяйв розігріваються і спрямовуються нагору, що позначилося на посиленому гальмуванні штучних супутників Землі, що проходять ці зони.

Під час сяйв в атмосфері Землі виникають вихрові електричні струмизахоплюючі великі області. Вони збуджують додаткові нестійкі магнітні поля, звані магнітні бурі. Під час сяйв атмосфера випромінює рентгенівське проміння, яке, мабуть, є результатом гальмування електронів в атмосфері.

Інтенсивні спалахи сяйва часто супроводжуються звуками, що нагадують шум, тріск. Полярні сяйва викликають сильні зміни в іоносфері, що впливає на умови радіозв'язку. У більшості випадків радіозв'язок значно погіршується. Виникають сильні перешкоди, інколи ж повна втрата прийому.

Як виникають полярні сяйва.Земля є величезним магнітом, Південний полюсякого знаходиться поблизу північного географічного полюса, а північний - поблизу південного. Силові лінії магнітного поля Землі, звані геомагнітними лініями, виходять із області, що прилягає до північного магнітного полюса Землі, охоплює земну кулюі входять до нього в області південного магнітного полюса, утворюючи тороїдальну решітку навколо Землі.

Довго вважалося, що розташування магнітних силових лінійсиметрично щодо земної осі. Тепер з'ясувалося, що так званий «сонячний вітер» – потік протонів і електронів, випромінюваних Сонцем, налітаю на геомагнітну оболонку Землі з висоти близько 20000 км, відтягує її назад, у бік Сонця, утворюючи у Землі своєрідний магнітний «хвіст».

Електрон або протон, що потрапили в магнітне поле Землі, рухаються по спіралі, ніби навиваючись на геомагнітну лінію. Електрони та протони, що потрапили із сонячного вітру в магнітне поле Землі, поділяються на дві частини. Частина їх уздовж магнітних силових ліній відразу стікає в полярні області Землі; інші потрапляють усередину тероїда і рухаються всередині нього, як це можна за правилом лівої руки, уздовж замкнутої кривої АВС. Ці протони і електрони зрештою геомагнітними лініями також стікають в область полюсів, де виникає їх збільшена концентрація. Протони та електрони виробляють іонізацію та збудження атомів та молекул газів. Для цього вони мають достатньо енергії, тому що протони прилітають на Землю з енергіями 10000-20000 ев (1 ев = 1.6 10 дж), а електрони з енергіями 10-20 ев. Для іонізації ж атомів потрібно: для водню – 13,56 ев, для кисню – 13,56 ев, для азоту – 124,47 ев, а збудження ще менше.

Збуджені атомів газів віддають назад отриману енергію у вигляді світла, на зразок того, як це відбувається в трубках з розрідженим газом при пропусканні через них струмів.

Спектральне дослідження показує, що зелене та червоне світіння належить збудженим атомам кисню, інфрачервоне та фіолетове – іонізованим молекулам азоту. Деякі лінії випромінювання кисню та азоту утворюються на висоті 110 км, а червоне свічення кисню – на висоті 200-400 км. Іншим слабким джерелом червоного світла є атоми водню, що утворили у верхніх шарах атмосфери з протонів, що прилетіли з Сонця. Захопивши електрон, такий протон перетворюється на збуджений атом водню і випромінює червоне світло.

Спалах сяйв відбувається зазвичай через день-два після спалахів на Сонці. Це підтверджує зв'язок між цими явищами. Дослідження з допомогою ракет показало, що у місцях більшої інтенсивності сяйв є значніша іонізація газів електронами.

У Останнім часомвчені встановили, що полярні сяйва інтенсивніші біля берегів океанів і морів.

Але наукове пояснення всіх явищ, пов'язаних з полярними сяйвамизустрічає ряд труднощів. Наприклад, невідомий точно механізм прискорення частинок до зазначених енергій, не цілком зрозумілі їх траєкторії в навколоземному просторі, не все сходиться кількісно в енергетичному балансі іонізації та збудження частинок, не цілком зрозумілий механізм утворення свічення різних видів, незрозуміло походження звуків.

Література:

5. «Енциклопедичний словник молодого фізика», укладач У. А. Чуянов, видавництво «Педагогіка», Москва, 1984 рік.

6. «Довідник школяра з фізики», укладач - філологічне товариство «Слово», Москва, 1995 рік.

7. "Фізика 11", Н. М. Шахмаєв, С. Н. Шахмаєв, Д. Ш. Шодієв, видавництво "Просвіта", Москва, 1991 рік.

8. «Рішення завдань з фізики», В. А. Шевцов, Нижньо-Волзьке книжкове видавництво, Волгоград, 1999 рік.