Zjawiska optyczne. Zjawiska optyczne w atmosferze: zorza polarna. Lustrzane zjawiska optyczne

Atmosfera jest mętnym, optycznie niejednorodnym ośrodkiem. Zjawiska optyczne powstają w wyniku odbicia, załamania i dyfrakcji promieni świetlnych w atmosferze.

W zależności od przyczyn występowania wszystkie zjawiska optyczne dzielą się na cztery grupy:

1) zjawiska spowodowane rozpraszaniem światła w atmosferze (zmierzch, świt);

2) zjawiska spowodowane załamaniem promieni świetlnych w atmosferze (refrakcją) - miraże, migotanie gwiazd itp.;

3) zjawiska spowodowane załamaniem i odbiciem promieni świetlnych na kroplach i kryształach chmur (tęcza, halo);

4) zjawiska spowodowane dyfrakcją światła w chmurach i mgle - korony, chwała.

Zmierzch spowodowane rozproszeniem światła słonecznego w atmosferze. Zmierzch to okres przejściowy z dnia na noc (zmierzch wieczorny) i z nocy na dzień (zmierzch poranny). Zmierzch wieczorny rozpoczyna się od momentu zachodu słońca i aż do zapadnięcia całkowitej ciemności, zmierzch poranny – i odwrotnie.

Czas trwania zmierzchu jest określony przez kąt między kierunkiem pozornego codziennego ruchu Słońca a horyzontem; zatem czas trwania zmierzchu zależy od szerokości geograficznej: im bliżej równika, tym zmierzch jest krótszy.

Istnieją trzy okresy zmierzchu:

1) zmierzch cywilny (zanurzenie Słońca pod horyzontem nie przekracza 6 o) - światło;

2) nawigacyjne (zanurzenie Słońca pod horyzontem do 12 o) – warunki widzialności znacznie się pogarszają;

3) astronomiczny (zanurzenie Słońca pod horyzontem do 18 o) - w pobliżu powierzchni ziemi jest już ciemno, ale na niebie wciąż widać świt.

Świt - zespół kolorowych zjawisk świetlnych w atmosferze obserwowanych przed wschodem lub zachodem słońca. Różnorodność barw świtu zależy od położenia Słońca względem horyzontu i od stanu atmosfery.

Kolor nieba zależy od rozproszonych widzialnych promieni Słońca. W czystej i suchej atmosferze rozpraszanie światła następuje zgodnie z prawem Rayleigha. Niebieskie promienie rozpraszają około 16 razy więcej niż czerwone promienie, więc kolor nieba (rozproszone światło słoneczne) jest niebieski (niebieski), a kolor Słońca i jego promieni w pobliżu horyzontu jest czerwony, ponieważ. W tym przypadku światło pokonuje dłuższą drogę w atmosferze.

Duże cząsteczki w atmosferze (kropelki, cząstki kurzu itp.) rozpraszają światło neutralnie, dlatego chmury i mgła są białe. Przy dużej wilgotności i kurzu całe niebo nie staje się niebieskie, ale białawe. Dlatego po stopniu błękitu nieba można ocenić czystość powietrza i charakter mas powietrza.

Refrakcja atmosferyczna – zjawiska atmosferyczne związane z załamaniem promieni świetlnych. Do załamania światła dochodzi na skutek: migotania gwiazd, spłaszczenia widocznego dysku Słońca i Księżyca w pobliżu horyzontu, wydłużenia dnia o kilka minut, a także miraży. Miraż to widoczny wyimaginowany obraz na horyzoncie, nad horyzontem lub pod horyzontem, z powodu ostrego naruszenia gęstości warstw powietrza. Istnieją miraże dolne, górne i boczne. Ruchome miraże – „Fata Morgana” – są rzadko spotykane.

Tęcza - to lekki łuk, pomalowany we wszystkich kolorach widma, na tle chmury oświetlonej przez Słońce, z której spadają krople deszczu. Zewnętrzna krawędź łuku jest czerwona, wewnętrzna krawędź jest fioletowa. Jeśli Słońce znajduje się nisko nad horyzontem, widzimy tylko połowę koła. Kiedy Słońce jest wysoko, łuk staje się mniejszy, ponieważ środek okręgu znajduje się poniżej horyzontu. Gdy wysokość Słońca jest większa niż 42°, tęcza nie jest widoczna. Z samolotu można zobaczyć tęczę w niemal pełnym okręgu.

Tęcza powstaje w wyniku załamania i odbicia światła słonecznego w kropelkach wody. Jasność i szerokość tęczy zależy od wielkości kropelek. Duże kropelki tworzą mniejszą, ale jaśniejszą tęczę. Z małymi kropelkami jest prawie biały.

Aureola - są to okręgi lub łuki wokół Słońca i Księżyca, powstające w chmurach lodowych górnej warstwy (najczęściej w cirrostratus).

korony - jasne, lekko zabarwione pierścienie wokół Słońca i Księżyca, powstające w chmurach wody i lodu górnej i środkowej warstwy, w wyniku dyfrakcji światła.

Wszyscy dobrze wiemy, że jednym z głównych wskaźników wartości kamieni używanych do produkcji biżuterii jest ich czystość, czyli przezroczystość, a także stabilność jasności i koloru. Z czasów starożytnych do dziś przetrwały takie określenia, jak „diamenty czystej wody”, „rubiny z krwi gołębiej”, „szafiry chabrowe”. Istnieją jednak kamienie szlachetne, których główną zaletą jest zdolność do wykazywania niezwykłych efektów optycznych. Niektóre z nich potrafią zmieniać kolor w zależności od długości fali źródła światła (aleksandryt), na powierzchni innych pojawiają się wielowiązkowe „gwiazdy”, jeszcze inne mienią się jak tęczówki oczu, a u innych drobne domieszki miki tworzą złocisty odcień. -srebrny „awenturynowy” połysk. Ponadto występują również takie zjawiska naturalne, jak opale, kamienie księżycowe itp.), załamanie światła na krystalicznych ścianach wzrostu minerałów (astrofilit, malachit, eudialit, charoit), odbicie od powierzchni wtrąceń wewnętrznych w przezroczystym kwarcu ( „robaki włosowe”, kryształ górski z serycytem i chlorytem) czy chalcedon (agat ognisty zawierający płatki hematytu) i wiele innych. Nawet małe pęcherzyki inkluzji gazowo-cieczowych, ułożone warstwa po warstwie w wulkanicznym obsydianowym szkle, nadają opalizującym siwym włosom.

Teraz wszystkie te zjawiska są wyjaśniane z punktu widzenia nauki o właściwościach optycznych minerałów. Jednak na przestrzeni lat ludzkość przypisała takim kamieniom liczne mistyczne właściwości właśnie ze względu na niezwykłe efekty świetlne. Zatem kamienie „oczne” miały chronić swoich właścicieli przed złym okiem, awenturyny miały przynosić bogactwo, a „gwiazdy” miały zapewniać komunikację z innymi światami….

EFEKT ALEKSANDRYTU LUB EFEKT ZMIANY KOLORU
Efekt aleksandrytowy to zmiana widocznej barwy minerału w zależności od charakteru oświetlenia. Minerały z tym efektem wykazują jeden odcień barwy w świetle naturalnym, a zupełnie inny w świetle sztucznym. Najbardziej uderzającym przedstawicielem tego zjawiska jest aleksandryt (odmiana chryzoberylu), który zmienia swoją barwę z żółtawej, brązowawej, szarawej i niebieskawo-zielonej (w świetle dziennym) na pomarańczowo-czerwoną, brązowawo-czerwoną i fioletowo-czerwoną (w sztucznym świetle). światło). Im większa zmiana koloru (odwrotna), tym cenniejszy kamień.
W Muzeum Mineralogicznym im. A.E. Fersmana (Moskwa) znajduje się największy na świecie blok aleksandrytu. Waży 5 kilogramów i składa się z 22 kryształów, w dzień ciemnozielonych, a wieczorem jaskrawoczerwonych. Największy fasetowany kryształ aleksandrytu o wadze 66 karatów przechowywany jest w Smithsonian Institution w Waszyngtonie.
Podobny efekt występuje również w przypadku niektórych korundu, spinelu, turmalinu, granatów, cyjanitu i fluorytu.

Zdjęcie: www.wiki.web.ru		Zdjęcie: www.wiki.web.ru

ASTERYZM LUB EFEKT GWIAZDY
Asteryzm (nazwa od greckiego aster - gwiazda), czyli efekt gwiazdy, efekt gwiazdy to zjawisko optyczne charakterystyczne dla niektórych kamieni szlachetnych. Efekt gwiazdy powstaje w wyniku odbicia światła od wewnętrznych wtrąceń w kamieniu. Liczba i kierunek promieni zależy od rodzaju, lokalizacji i orientacji wtrąceń.
Asteryzm jest dwojakiego rodzaju:
. diasteryzm, występuje, gdy światło przechodzi przez kamień;
. epiasteryzm występuje, gdy światło zostaje odbite (źródło światła znajduje się bezpośrednio nad wypolerowaną powierzchnią), w tym przypadku można zaobserwować tylko gwiazdę 12-promienną.
Rubiny i szafiry przetworzone w formie kaboszonowej charakteryzują się gwiazdą 6-promienną (głównie ze względu na igłowe wtrącenia rutylu i/lub hematytu), ale może pojawić się również gwiazda 12-ramienna.
W kryształach diopsydu i enstatytu przyczyną pojawienia się 4-promiennej gwiazdy są wtrącenia magnetytu. Chociaż rzadko spotykane są granaty gwiazdowe z 4 i 6 promieniami. Gwiazdę 6-promienną można zobaczyć także w kwarcu różowym. Występuje spinel w kształcie gwiazdy z gwiazdą 6-promienną, znacznie rzadziej z gwiazdą 4-promienną. Jego asteryzm wynika z uporządkowanych wtrąceń rutylu, sylimanitu i innych minerałów. Ale na świecie jest nie więcej niż tuzin szmaragdów z sześcioma promieniami.
Niestety popularność „kamieni gwiezdnych” spowodowała gwałtowny wzrost produkcji syntetycznych analogów, głównie rubinów i szafirów. W kamieniach syntetycznych gwiazdy są bardzo jasne, kontrastowe, promienie są bardzo wyraźne i wyraźne. Coraz powszechniejszy staje się naturalny korund pocięty w kaboszony ze sztucznie stworzoną gwiazdą.

EFEKT „KOCIEGO OKA”.
„Kocie oko” to efekt optyczny wyglądu pasma świetlnego, przypominający kocie oko i powstający w wyniku odbicia światła od najmniejszych wtrąceń. Jasna linia (pasek) mieni się z boku na bok, a rozbłysk świetlny porusza się zgodnie z ruchem kamienia. Ten efekt optyczny najlepiej jest zaobserwować w przypadku polerowanych kaboszonów, ale często jest widoczny nawet na nieobrobionym odłamku lub nacięciu kamienia podczas jego obracania.
Jeśli termin „kocie oko” zostanie użyty bez wskazania minerału, wówczas odnosi się on do odmiany chryzoberylu, znanego również jako cymofan. W cymofanie efekt ten wynika z odbicia światła od mikroskopijnych pustych kanałów i wtrąceń najdrobniejszych kryształów aktynolitu lub sylimanitu w kształcie włóknistych igieł, zorientowanych równolegle do jednej z osi krystalograficznych. Cymofan został po raz pierwszy opisany przez Hauisa w 1798 r. Kolor cymofanu waha się od miodowo-brązowego do jabłoniowo-zielonego, ale najbardziej cenione są bogate, złote kolory. Najlepsze próbki wydobywa się na Sri Lance i Madagaskarze.
Minerałów, w których można zaobserwować efekt kociego oka, jest całkiem sporo. Są to turmalin, apatyt, skapolit, jadeit, diopsyd, cyrkon i inne. Kwarc często tworzy pseudomorfy wzdłuż agregatów równoległo-włóknistych, a w kwarcu pojawia się silny efekt kociego oka (kwarcowe oko kota, oko tygrysa, oko jastrzębia, oko byka)
Duża ilość sprzedawanych kamieni tzw. „kocie oko” to imitacje szkła. Imitacje mogą mieć dowolny rozmiar i kolor oraz bardzo jasne akcenty. Produkcja powstała w Chinach w oparciu o specjalne szkło światłowodowe z dodatkami barwiącymi.

IRYZACJA
Iryzacja (od łacińskiego „iris” – tęczówka oka), efekt optyczny, który objawia się w niektórych minerałach w postaci wewnętrznego opalizującego blasku barwy w jasnym świetle na równym kawałku kamieni, a zwłaszcza po ich wypolerowaniu. Efekt ten najlepiej widać w szlachetnym opalu - opalescencja .
Adularescencja - szczególny przypadek opalizacji zaobserwowany w opalizujących adulariach - prawdziwym „kamieniu księżycowym”. Adularia to półprzezroczysta lub nieprzezroczysta odmiana skalenia potasowego z falującą opalizacją w odcieniach bieli i błękitu. Obecnie imitacje kamienia księżycowego są często sprzedawane w sklepach pod przykrywką kamienia księżycowego, ich masowa produkcja w Indiach i Chinach od dawna jest oparta na matowym, półprzezroczystym przyciemnianym szkle lub plastiku. Charakterystyczną różnicą od naturalnych jest brak specyficznych przebłysków podczas obrotu, imitacja świeci równomiernie pod każdym kątem.
Labradorescencja - kolejny szczególny przypadek opalizacji, który można zaobserwować u labradora (minerał z grupy skaleni) i spektrolitu (piękna odmiana fińskiego labradora), w postaci opalizującej gry barw na twarzach i płaszczyznach dekoltu kryształów .

Zdjęcie: ze środków VO „Świat kamienia”

Awanturnictwo
Optyczny efekt iskrzenia, powstający w wyniku odbicia światła od wtrąceń lamelarnych. Obserwuje się go w awenturynie, niektórych skaleniach, rzadko w berylu i niektórych innych minerałach.
Awenturyn nazywany jest potocznie drobnoziarnistym kruszywem kwarcowym, które posiada charakterystyczny połysk przechodzący w przelew, doskonale widoczny na wypolerowanej powierzchni próbki. Najczęściej spotykane są awenturyny zielone z wtrąceniami miki-fuchsytu, awenturyny o barwie czerwonobrązowej i szaro-żółtej ze złotym połyskiem na skutek wtrąceń drobnych płatków hematytu, getytu lub miki-biotytu oraz zielonkawo-szare lub białe z wtrąceniami występują również mika-serycyt. Łuskowate inkluzje w awenturynie są równomiernie rozproszone i zorientowane w pewnym stopniu równolegle do siebie, co daje efekt wyrazistego połysku. Awenturyn często zastępuje się imitacją szkła (szkłem awenturynowym) z wypełniaczem wiórowym. Blask jest zwykle bardzo mocny, co jest nietypowe dla naturalnego awenturynu, kolor jest dowolny, ale najczęściej niebieski, zielony i brązowy.
Wśród kamieni naturalnych największe podobieństwo wśród kamieni naturalnych ma awenturyn kwarcowy do awenturynu skaleniowego, tzw. „kamienia słonecznego”. Charakteryzuje się błyszczącym złotym odcieniem i kropkowanymi iskierkami w odcieniach pomarańczowo-czerwonych, jasnożółtych lub karmazynowych. W porównaniu wizualnym z awenturynem skaleniowym, awenturyn kwarcowy charakteryzuje się znacznie mniejszym rozmiarem iskrzących płatków, a opalizacja nie charakteryzuje się charakterystycznym tłustym połyskiem.
Podobny efekt obserwuje się w jasnoniebieskim i różowym berylu, ze względu na obecność uporządkowanie zorientowanych płytek hematytu

Gimnazjum Miejskie nr 1 w Wołgogradzie

Arkusz egzaminacyjny

z fizyki na temat:

„Zjawiska optyczne w przyrodzie”

Zakończony

Uczniowie klasy 9 „B”

Pokusaeva V.O.

Trubnikova M.V.

Plan

1. Wstęp

a) Co to jest optyka?

b) Rodzaje optyki

c) Rola optyki w rozwoju współczesnej fizyki

2. Zjawiska związane z odbiciem światła

a) Obiekt i jego odbicie

b) Zależność współczynnika odbicia od kąta padania światła

c) Okulary ochronne

e) Całkowite odbicie światła

e) Cylindryczny światłowód

g) Diamenty i klejnoty

3. Zjawiska związane z załamaniem światła

b) tęcza

4. Zorze

Wstęp

Co to jest optyka?

Pierwsze pomysły starożytnych naukowców na temat światła były bardzo naiwne. Wierzono, że z oczu wyłaniają się specjalne cienkie macki, a wrażenia wizualne powstają, gdy dotykają przedmiotów. Optykę rozumiano wówczas jako naukę o widzeniu. Takie jest dokładne znaczenie słowa „optyka”. W średniowieczu optyka stopniowo przekształcała się z nauki o widzeniu w naukę o świetle, co ułatwiło wynalezienie soczewek i kamery obscura. Współcześnie optyka jest gałęzią fizyki badającą emisję światła, jego rozchodzenie się w różnych ośrodkach oraz interakcję z materią. Jeśli chodzi o zagadnienia związane ze wzrokiem, budową i funkcjonowaniem oka, stały się one specjalną dziedziną naukową zwaną optyką fizjologiczną.

Rodzaje optyki

Rozważając wiele zjawisk optycznych, można posłużyć się ideą promieni świetlnych – geometrycznych linii, wzdłuż których rozchodzi się energia świetlna. W tym przypadku mówimy o optyce geometrycznej (promieniowej).

Optyka geometryczna jest szeroko stosowana w inżynierii oświetleniowej oraz w badaniu działania wielu przyrządów i urządzeń - od szkieł powiększających i szkieł po najbardziej skomplikowane mikroskopy i teleskopy optyczne.

Na początku XIX wieku rozpoczęto intensywne badania nad odkrytymi wcześniej zjawiskami interferencji, dyfrakcji i polaryzacji światła. Zjawisk tych nie dało się wytłumaczyć w ramach optyki geometrycznej, konieczne było rozpatrywanie światła w postaci fal poprzecznych. Tak powstała optyka falowa. Początkowo sądzono, że światło to fale sprężyste w pewnym ośrodku (eterze świata), który rzekomo wypełnia całą przestrzeń świata.

W 1864 roku angielski fizyk James Maxwell stworzył elektromagnetyczną teorię światła, według której fale świetlne są falami elektromagnetycznymi o odpowiednim zakresie długości fal.

Badania przeprowadzone na początku XX wieku wykazały, że do wyjaśnienia niektórych zjawisk, np. efektu fotoelektrycznego, konieczne jest wyobrażenie sobie wiązki światła w postaci strumienia osobliwych cząstek – kwantów świetlnych (fotonów). Już 200 lat temu Izaak Newton w swojej „teorii wylewu światła” prezentował podobny punkt widzenia na naturę światła. Teraz koncepcja kwantów światła jest badana przez optykę kwantową.

Rola optyki w rozwoju współczesnej fizyki.

Rola optyki w rozwoju współczesnej fizyki jest ogromna. Pojawienie się dwóch najważniejszych i rewolucyjnych teorii XX wieku (mechaniki kwantowej i teorii względności) jest istotnie związane z badaniami optycznymi. Optyczne metody analizy materii na poziomie molekularnym dały początek specjalnej dziedzinie nauki - optyce molekularnej. Jest ściśle powiązana ze spektroskopią optyczną, stosowaną we współczesnej materiałoznawstwie, badaniach plazmy i astrofizyce. Istnieje również optyka elektronowa i neutronowa; stworzono mikroskop elektronowy i zwierciadło neutronowe. Opracowano modele optyczne jąder atomowych.

Sama optyka, przyczyniając się do rozwoju różnych dziedzin współczesnej fizyki, przeżywa obecnie okres szybkiego rozwoju. Głównym impulsem do tego rozwoju było wynalezienie intensywnych źródeł światła spójnego – laserów. W rezultacie optyka falowa wzniosła się na wyższy poziom, odpowiadający optyce spójnej. Trudno nawet wymienić wszystkie najnowsze dziedziny nauki i techniki, które rozwijają się dzięki pojawieniu się laserów. Należą do nich optyka nieliniowa, holografia, optyka radiowa, optyka pikosekundowa, optyka adaptacyjna i inne. Radiooptyka powstała na styku radiotechniki i optyki; zajmuje się optycznymi metodami przesyłania i przetwarzania informacji. Metody te są zwykle łączone z tradycyjnymi metodami elektronicznymi; W rezultacie wyłonił się kierunek naukowo-techniczny zwany optoelektroniką. Przedmiotem światłowodów jest transmisja sygnałów świetlnych poprzez włókna dielektryczne. Wykorzystując osiągnięcia optyki nieliniowej, możliwa jest korekcja czoła fali wiązki światła, która ulega zniekształceniu podczas rozchodzenia się światła w określonym ośrodku, np. w atmosferze lub w wodzie. W rezultacie powstała i jest intensywnie rozwijana tzw. optyka adaptacyjna. Ściśle z nią związana jest rodząca się na naszych oczach fotoenergetyka, zajmująca się w szczególności zagadnieniami efektywnego przesyłu energii świetlnej wzdłuż wiązki światła. Nowoczesna technologia laserowa umożliwia wytwarzanie impulsów świetlnych o czasie trwania zaledwie pikosekund. Impulsy takie okazują się unikalnym „narzędziem” do badania szeregu szybkich procesów zachodzących w materii, a zwłaszcza w strukturach biologicznych. Pojawił się i rozwija szczególny kierunek – optyka pikosekundowa; Fotobiologia jest z tym ściśle powiązana. Bez przesady można stwierdzić, że powszechne i praktyczne wykorzystanie osiągnięć współczesnej optyki jest warunkiem postępu naukowo-technicznego. Optyka otworzyła ludzkiemu umysłowi drogę do mikrokosmosu, ale także pozwoliła mu przeniknąć tajemnice światów gwiezdnych. Optyka obejmuje wszystkie aspekty naszej praktyki.

Zjawiska związane z odbiciem światła.

Obiekt i jego odbicie

To, że krajobraz odbity w stojącej wodzie nie różni się od rzeczywistego, a jedynie jest odwrócony do góry nogami, jest dalekie od prawdy.

Jeśli ktoś późnym wieczorem spojrzy na to, jak lampy odbijają się w wodzie lub jak odbija się brzeg schodzący do wody, wówczas odbicie będzie mu się wydawać skrócone i całkowicie „zniknie”, jeśli obserwator znajdzie się wysoko nad powierzchnią wody woda. Nigdy też nie widać odbicia wierzchołka kamienia, którego część jest zanurzona w wodzie.

Krajobraz wydaje się obserwatorowi tak, jakby był oglądany z punktu znajdującego się tak głęboko pod powierzchnią wody, jak oko obserwatora znajduje się nad powierzchnią. Różnica między krajobrazem a jego obrazem maleje w miarę zbliżania się oka do powierzchni wody, a także w miarę oddalania się obiektu.

Ludzie często myślą, że odbicie krzewów i drzew w stawie ma jaśniejsze kolory i bogatsze odcienie. Cechę tę można również zauważyć obserwując odbicie obiektów w lustrze. W tym przypadku percepcja psychologiczna odgrywa większą rolę niż fizyczna strona zjawiska. Rama lustra i brzegi stawu ograniczają niewielki obszar krajobrazu, chroniąc boczne widzenie człowieka przed nadmiarem rozproszonego światła pochodzącego z całego nieba i oślepiając obserwatora, to znaczy patrzy na niewielki obszar krajobraz jak przez ciemną, wąską rurę. Zmniejszenie jasności światła odbitego w porównaniu ze światłem bezpośrednim ułatwia obserwację nieba, chmur i innych jasno oświetlonych obiektów, które oglądane bezpośrednio są zbyt jasne dla oka.

Zależność współczynnika odbicia od kąta padania światła.

Na granicy dwóch ośrodków przezroczystych światło jest częściowo odbijane, częściowo przechodzi do innego ośrodka, ulega załamaniu i częściowo jest przez nie absorbowane. Stosunek energii odbitej do energii padającej nazywany jest współczynnikiem odbicia. Stosunek energii światła przechodzącego przez substancję do energii padającego światła nazywa się przepuszczalnością.

Współczynniki odbicia i przepuszczalności zależą od właściwości optycznych, sąsiadujących ośrodków i kąta padania światła. Jeśli więc światło pada na płytkę szklaną prostopadle (kąt padania α = 0), to tylko 5% energii świetlnej zostaje odbite, a 95% przechodzi przez granicę międzyfazową. Wraz ze wzrostem kąta padania wzrasta udział odbitej energii. Dla kąta padania α=90˚ jest on równy jedności.

Zależność natężenia światła odbitego i przepuszczanego przez szklaną płytkę można prześledzić, umieszczając płytkę pod różnymi kątami w stosunku do promieni świetlnych i oceniając natężenie naocznie.

Interesująca jest także ocena naoczna intensywności światła odbitego od powierzchni zbiornika w zależności od kąta padania, obserwacja odbić promieni słonecznych od okien domu pod różnymi kątami padania w ciągu dnia, o zachodzie słońca i o wschodzie słońca.

Bezpieczne szkło

Konwencjonalne szkło okienne częściowo przepuszcza promienie cieplne. Jest to dobre do stosowania na obszarach północnych, a także w szklarniach. Na południu pomieszczenia stają się tak przegrzane, że trudno w nich pracować. Ochrona przed słońcem sprowadza się albo do zacienienia budynku drzewami, albo dobrania korzystnej orientacji budynku podczas rekonstrukcji. Jedno i drugie jest czasami trudne i nie zawsze wykonalne.

Aby zapobiec przepuszczaniu promieni cieplnych przez szkło, pokrywa się je cienkimi przezroczystymi warstwami tlenków metali. Zatem folia cynowo-antymonowa nie przepuszcza więcej niż połowy promieni cieplnych, a powłoki zawierające tlenek żelaza całkowicie odbijają promienie ultrafioletowe i 35-55% promieni cieplnych.

Roztwory soli błonotwórczych nanosi się z butelki z rozpylaczem na gorącą powierzchnię szkła podczas jego obróbki cieplnej lub formowania. W wysokich temperaturach sole przekształcają się w tlenki, ściśle związane z powierzchnią szkła.

W podobny sposób wykonuje się okulary przeciwsłoneczne.

Całkowite wewnętrzne odbicie światła

Pięknym widokiem jest fontanna, której wyrzucane strumienie są oświetlane od wewnątrz. Można to zobrazować w normalnych warunkach, wykonując następujący eksperyment (ryc. 1). W wysokiej puszce wywierć okrągły otwór na wysokości 5 cm od dna ( A) o średnicy 5-6 mm. Żarówkę wraz z oprawką należy starannie owinąć w papier celofanowy i umieścić naprzeciwko otworu. Musisz wlać wodę do słoika. Otwarcie dziury A , otrzymamy odrzutowiec, który będzie oświetlony od wewnątrz. W ciemnym pomieszczeniu świeci jasno i wygląda bardzo efektownie. Strumieniu można nadać dowolny kolor umieszczając na drodze promieni świetlnych kolorowe szkło B. Jeśli położysz palec na ścieżce strumienia, woda rozpryskuje się, a kropelki jasno świecą.

Wyjaśnienie tego zjawiska jest dość proste. Promień światła przechodząc przez strumień wody uderza w zakrzywioną powierzchnię pod kątem większym niż kąt ograniczający, ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, a następnie ponownie pada na przeciwną stronę strumienia pod kątem ponownie większym niż kąt ograniczający. Zatem wiązka przechodzi wzdłuż strumienia, uginając się wraz z nim.

Ale gdyby światło zostało całkowicie odbite wewnątrz strumienia, nie byłoby widoczne z zewnątrz. Część światła jest rozpraszana przez wodę, pęcherzyki powietrza i znajdujące się w niej różne zanieczyszczenia, a także na skutek nierównej powierzchni strumienia, dzięki czemu jest widoczne z zewnątrz.

Cylindryczny światłowód

Jeśli skierujesz wiązkę światła na jeden koniec zakrzywionego cylindra z litego szkła, zauważysz, że światło będzie wychodzić z drugiego końca (ryc. 2); Prawie żadne światło nie przechodzi przez boczną powierzchnię cylindra. Przejście światła przez szklany cylinder tłumaczy się tym, że padając na wewnętrzną powierzchnię cylindra pod kątem większym niż ograniczający, światło wielokrotnie ulega całkowitemu odbiciu i dociera do końca.

Im cieńszy cylinder, tym częściej wiązka będzie odbijana i większa część światła będzie padać na wewnętrzną powierzchnię cylindra pod kątem większym niż kąt ograniczający.

Diamenty i klejnoty

Na Kremlu znajduje się wystawa rosyjskiego funduszu diamentowego.

Światło w korytarzu jest lekko przyćmione. W witrynach błyszczą dzieła jubilerów. Tutaj można zobaczyć takie diamenty jak „Orłow”, „Szach”, „Maria”, „Walentina Tereshkova”.

Sekret cudownej gry światła w diamentach polega na tym, że kamień ten charakteryzuje się wysokim współczynnikiem załamania światła (n=2,4173), a co za tym idzie, małym kątem całkowitego wewnętrznego odbicia (α=24˚30′) oraz większym rozproszeniem, powodując rozkład światła białego na proste kolory.

Dodatkowo gra świateł w diamencie zależy od poprawności jego szlifu. Fasety diamentu wielokrotnie odbijają światło w krysztale. Dzięki dużej przezroczystości wysokiej klasy diamentów światło wewnątrz nich prawie nie traci swojej energii, a jedynie rozkłada się na proste kolory, których promienie następnie rozbłyskują w różnych, najbardziej nieoczekiwanych kierunkach. Kiedy obrócisz kamień, kolory emanujące z kamienia zmieniają się i wydaje się, że on sam jest źródłem wielu jasnych, wielobarwnych promieni.

Istnieją diamenty w kolorze czerwonym, niebieskawym i liliowym. Błysk diamentu zależy od jego szlifu. Jeśli spojrzysz pod światło przez dobrze oszlifowany, przezroczysty diament, kamień wydaje się całkowicie nieprzezroczysty, a niektóre jego fasety wydają się po prostu czarne. Dzieje się tak, ponieważ światło poddane całkowitemu wewnętrznemu odbiciu wychodzi w przeciwnym kierunku lub na boki.

Oglądany od strony światła krój górny mieni się wieloma kolorami i miejscami jest błyszczący. Jasny blask górnych krawędzi diamentu nazywany jest połyskiem diamentu. Spód diamentu wygląda na posrebrzany z zewnątrz i ma metaliczny połysk.

Najbardziej przezroczyste i duże diamenty służą jako dekoracja. Drobne diamenty znajdują szerokie zastosowanie w technice jako narzędzie skrawające lub szlifierskie w maszynach do obróbki metali. Diamenty służą do wzmacniania głowic narzędzi wiertniczych do wiercenia studni w twardych skałach. Takie zastosowanie diamentu jest możliwe dzięki jego dużej twardości. Inne kamienie szlachetne to w większości przypadków kryształy tlenku glinu z domieszką tlenków pierwiastków barwiących - chromu (rubin), miedzi (szmaragd), manganu (ametyst). Wyróżniają się także twardością, trwałością, piękną kolorystyką i „grą światła”. Obecnie są w stanie sztucznie pozyskać duże kryształy tlenku glinu i pomalować je na pożądany kolor.

Zjawisko rozproszenia światła tłumaczy się różnorodnością barw natury. Cały zestaw eksperymentów optycznych z pryzmatami przeprowadził angielski naukowiec Izaak Newton w XVII wieku. Eksperymenty te wykazały, że światło białe nie jest fundamentalne, należy je rozpatrywać jako złożone („niejednorodne”); główne z nich to różne kolory („promienie „jednolite” lub promienie „monochromatyczne”). Rozkład światła białego na różne kolory następuje, ponieważ każdy kolor ma swój własny stopień załamania światła. Wnioski wysunięte przez Newtona są zgodne ze współczesnymi ideami naukowymi.

Wraz z rozproszeniem współczynnika załamania światła obserwuje się rozproszenie współczynników absorpcji, przepuszczalności i odbicia światła. To wyjaśnia różne efekty podczas oświetlania ciał. Na przykład, jeśli istnieje ciało przezroczyste dla światła, dla którego współczynnik przepuszczalności jest duży dla światła czerwonego, a współczynnik odbicia jest mały, ale dla światła zielonego jest odwrotnie: współczynnik przepuszczalności jest mały, a współczynnik odbicia duży, wówczas w świetle przechodzącym ciało będzie czerwone, a w świetle odbitym zielone. Takie właściwości posiada na przykład chlorofil, zielona substancja zawarta w liściach roślin, odpowiedzialna za ich zieloną barwę. Roztwór chlorofilu w alkoholu oglądany pod światło wydaje się czerwony. W świetle odbitym ten sam roztwór wydaje się zielony.

Jeśli ciało ma wysoki współczynnik absorpcji oraz niskie współczynniki przepuszczalności i odbicia, wówczas takie ciało będzie wyglądało na czarne i nieprzezroczyste (na przykład sadza). Bardzo białe, nieprzezroczyste ciało (np. tlenek magnezu) ma współczynnik odbicia bliski jedności dla wszystkich długości fal oraz bardzo niskie współczynniki przepuszczalności i absorpcji. Ciało (szkło) całkowicie przezroczyste dla światła ma niskie współczynniki odbicia i absorpcji oraz przepuszczalność bliską jedności dla wszystkich długości fal. W szkle kolorowym dla niektórych długości fal współczynniki przepuszczalności i odbicia są praktycznie równe zeru, a zatem współczynnik absorpcji dla tych samych długości fal jest bliski jedności.

Zjawiska związane z załamaniem światła

Miraż

Niektóre rodzaje miraży. Z większej różnorodności miraży wyróżnimy kilka typów: miraże „jeziorowe”, zwane także mirażami dolnymi, miraże górne, miraże podwójne i potrójne, miraże widzenia o bardzo dużym zasięgu.

Nad bardzo nagrzaną powierzchnią pojawiają się miraże dolne („jeziorowe”). Przeciwnie, wspaniałe miraże pojawiają się na bardzo chłodnej powierzchni, na przykład nad zimną wodą. Jeśli dolne miraże obserwuje się z reguły na pustyniach i stepach, wówczas górne obserwuje się na północnych szerokościach geograficznych.

Górne miraże są różnorodne. W niektórych przypadkach dają obraz bezpośredni, w innych przypadkach w powietrzu pojawia się obraz odwrócony. Miraże mogą być podwójne, gdy obserwuje się dwa obrazy, jeden prosty i jeden odwrócony. Obrazy te mogą być oddzielone pasmem powietrza (jeden może znajdować się nad linią horyzontu, drugi pod nią), ale mogą też bezpośrednio się ze sobą łączyć. Czasami pojawia się inny - trzeci obraz.

Szczególnie niesamowite są miraże wizyjne o bardzo dalekim zasięgu. K. Flammarion w swojej książce „Atmosfera” opisuje przykład takiego mirażu: „Na podstawie zeznań kilku godnych zaufania osób mogę opowiedzieć o mirażu, który widziano w mieście Verviers (Belgia) w czerwcu 1815 roku. Pewnego ranka , mieszkańcy miasta widzieli na niebie armię i było tak wyraźnie, że można było rozpoznać umundurowanie artylerzystów, a nawet np. armatę z ułamanym kołem, które miało zaraz spaść... Był poranek bitwy pod Waterloo!” Opisany miraż został przedstawiony w formie kolorowej akwareli przez jednego ze świadków. Odległość z Waterloo do Verviers w linii prostej wynosi ponad 100 km. Znane są przypadki, gdy podobne miraże obserwowano na dużych odległościach - do 1000 km. Do jednego z takich mirażów należy zaliczyć Latającego Holendra.

Wyjaśnienie mirażu dolnego („jeziornego”). Jeśli powietrze w pobliżu powierzchni ziemi jest bardzo gorące i dlatego jego gęstość jest stosunkowo mała, wówczas współczynnik załamania światła na powierzchni będzie mniejszy niż w wyższych warstwach powietrza. Zmiana współczynnika załamania powietrza N z wysokością H blisko powierzchni ziemi dla rozpatrywanego przypadku pokazano na rysunku 3, a.

Zgodnie z ustaloną zasadą promienie świetlne w pobliżu powierzchni ziemi zostaną w tym przypadku załamane tak, że ich trajektoria będzie wypukła w dół. Niech w punkcie A będzie obserwator. Promień światła z określonego obszaru błękitnego nieba trafi do oka obserwatora, doświadczając określonej krzywizny. Oznacza to, że obserwator zobaczy odpowiedni fragment nieba nie nad linią horyzontu, ale pod nią. Będzie mu się wydawało, że widzi wodę, chociaż w rzeczywistości ma przed sobą obraz błękitnego nieba. Jeśli wyobrazimy sobie, że w pobliżu linii horyzontu znajdują się wzgórza, palmy lub inne obiekty, to obserwator zobaczy je do góry nogami, dzięki odnotowanej krzywiźnie promieni, i będzie postrzegał je jako odbicia odpowiednich obiektów w nieistniejących woda. Tak powstaje iluzja, będąca mirażem „jeziora”.

Proste, doskonałe miraże. Można założyć, że powietrze przy samej powierzchni ziemi lub wody nie nagrzewa się, a wręcz przeciwnie, jest zauważalnie chłodzone w porównaniu do wyższych warstw powietrza; zmianę n wraz z wysokością h pokazano na rysunku 4, a. W rozpatrywanym przypadku promienie świetlne są załamane tak, że ich trajektoria jest wypukła ku górze. Dlatego teraz obserwator może zobaczyć obiekty ukryte przed nim za horyzontem i zobaczy je u góry, jakby wisiały nad linią horyzontu. Dlatego takie miraże nazywane są górnymi.

Doskonały miraż może tworzyć zarówno obraz pionowy, jak i odwrócony. Bezpośredni obraz pokazany na rysunku pojawia się, gdy współczynnik załamania światła powietrza zmniejsza się stosunkowo powoli wraz z wysokością. Kiedy współczynnik załamania światła gwałtownie maleje, powstaje odwrócony obraz. Można to zweryfikować, rozpatrując hipotetyczny przypadek – współczynnik załamania światła na pewnej wysokości h gwałtownie maleje (rys. 5). Promienie obiektu przed dotarciem do obserwatora A ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu od granicy BC, poniżej której w tym przypadku znajduje się gęstsze powietrze. Można zauważyć, że wyższy miraż daje odwrócony obraz obiektu. W rzeczywistości nie ma ostrej granicy pomiędzy warstwami powietrza, przejście następuje stopniowo. Ale jeśli pojawi się wystarczająco ostro, wówczas lepszy miraż da odwrócony obraz (ryc. 5).

Podwójne i potrójne miraże. Jeśli współczynnik załamania powietrza zmienia się najpierw szybko, a potem powoli, to w tym przypadku promienie w obszarze I załamują się szybciej niż w obszarze II. W rezultacie pojawiają się dwa obrazy (ryc. 6, 7). Promienie świetlne 1 rozchodzące się w obszarze powietrznym I tworzą odwrócony obraz obiektu. Promienie 2, które rozchodzą się głównie w obszarze II, są w mniejszym stopniu załamane i tworzą prosty obraz.

Aby zrozumieć, jak pojawia się potrójny miraż, należy wyobrazić sobie trzy kolejne obszary powietrza: pierwszy (przy powierzchni), w którym współczynnik załamania światła maleje powoli wraz z wysokością, kolejny, w którym współczynnik załamania światła szybko maleje, i trzeci obszar, w którym współczynnik załamania światła ponownie powoli maleje. Rysunek przedstawia rozważaną zmianę współczynnika załamania światła wraz ze wzrostem. Rysunek pokazuje, jak powstaje potrójny miraż. Promienie 1 tworzą dolny obraz obiektu, rozciągają się w obszarze powietrza I. Promienie 2 tworzą obraz odwrócony; Wpadam do obszaru powietrznego II, promienie te doświadczają silnej krzywizny. Promienie 3 tworzą górny bezpośredni obraz obiektu.

Miraż widzenia o bardzo dużym zasięgu. Najmniej zbadana jest natura tych mirażów. Oczywiste jest, że atmosfera musi być przejrzysta, wolna od pary wodnej i zanieczyszczeń. Ale to nie wystarczy. Na pewnej wysokości nad powierzchnią ziemi powinna tworzyć się stabilna warstwa schłodzonego powietrza. Poniżej i powyżej tej warstwy powietrze powinno być cieplejsze. Wiązka światła wpadająca do gęstej, zimnej warstwy powietrza jest w niej niejako „zamknięta” i rozprzestrzenia się w niej niczym za pomocą swego rodzaju światłowodu. Ścieżka wiązki na rysunku 8 jest zawsze wypukła w kierunku mniej gęstych obszarów powietrza.

Występowanie miraży o bardzo dużym zasięgu można wytłumaczyć propagacją promieni wewnątrz takich „przewodników świetlnych”, które czasami tworzy natura.

Tęcza

Tęcza to piękne zjawisko niebieskie, które zawsze przyciągało ludzką uwagę. W dawnych czasach, kiedy ludzie wciąż niewiele wiedzieli o otaczającym ich świecie, tęczę uważano za „znak z nieba”. Dlatego starożytni Grecy myśleli, że tęcza jest uśmiechem bogini Iris.

Tęczę obserwuje się w kierunku przeciwnym do Słońca, na tle chmur deszczowych lub deszczu. Wielobarwny łuk zwykle znajduje się w odległości 1-2 km od obserwatora, czasem można go zaobserwować z odległości 2-3 m na tle kropel wody utworzonych przez fontanny lub rozpryski wody.

Środek tęczy znajduje się na kontynuacji linii prostej łączącej Słońce z okiem obserwatora - na linii antysłonecznej. Kąt pomiędzy kierunkiem tęczy głównej a linią antysłoneczną wynosi 41-42° (ryc. 9).

W momencie wschodu słońca punkt antysłoneczny (punkt M) znajduje się na linii horyzontu, a tęcza ma kształt półkola. Gdy Słońce wschodzi, punkt antysłoneczny przesuwa się poniżej horyzontu, a rozmiar tęczy zmniejsza się. Reprezentuje tylko część okręgu.

Często obserwuje się tęczę wtórną, koncentryczną z pierwszą, o promieniu kątowym około 52° i odwrotnych kolorach.

Gdy Słońce znajduje się na wysokości 41°, tęcza główna przestaje być widoczna i tylko część tęczy bocznej wystaje ponad horyzont, a gdy wysokość Słońca jest większa niż 52°, tęcza boczna również nie jest widoczna. Dlatego na środkowych szerokościach równikowych tego naturalnego zjawiska nigdy nie obserwuje się w godzinach południowych.

Tęcza ma siedem podstawowych kolorów, płynnie przechodząc od jednego do drugiego.

Rodzaj łuku, jasność kolorów i szerokość pasków zależą od wielkości kropelek wody i ich liczby. Duże krople tworzą węższą tęczę z wyraźnie zaznaczonymi kolorami, małe krople tworzą rozmyty, wyblakły, a nawet biały łuk. Dlatego latem po burzy widoczna jest jasna, wąska tęcza, podczas której spadają duże krople.

Teorię tęczy po raz pierwszy zaproponował w 1637 roku Rene Descartes. Wyjaśnił tęczę jako zjawisko związane z odbiciem i załamaniem światła w kroplach deszczu.

Powstawanie kolorów i ich kolejność wyjaśniono później, po odkryciu złożonej natury światła białego i jego rozproszenia w ośrodku. Teoria dyfrakcji tęczy została opracowana przez Erie i Partnera.

Możemy rozważyć najprostszy przypadek: niech wiązka równoległych promieni słonecznych padnie na krople w kształcie kuli (ryc. 10). Promień padający na powierzchnię kropli w punkcie A ulega w niej załamaniu zgodnie z prawem załamania:

n sin α=n sin β, gdzie n=1, n≈1,33 –

odpowiednio współczynniki załamania powietrza i wody, α to kąt padania, a β to kąt załamania światła.

Wewnątrz kropli promień AB porusza się po linii prostej. W punkcie B wiązka ulega częściowemu załamaniu i częściowemu odbiciu. Należy zwrócić uwagę, że im mniejszy jest kąt padania w punkcie B, a co za tym idzie w punkcie A, tym mniejsze jest natężenie wiązki odbitej i tym większe jest natężenie wiązki załamanej.

Wiązka AB po odbiciu w punkcie B zachodzi pod kątem β`=β b i trafia do punktu C, gdzie następuje również częściowe odbicie i częściowe załamanie światła. Promień załamany opuszcza kroplę pod kątem γ, a promień odbity może podróżować dalej, do punktu D itd. Zatem promień światła w kropli ulega wielokrotnemu odbiciu i załamaniu. Przy każdym odbiciu część promieni świetlnych wychodzi na zewnątrz, a ich intensywność wewnątrz kropli maleje. Najbardziej intensywnym z promieni wychodzących w powietrze jest promień wychodzący z kropli w punkcie B. Trudno go jednak zaobserwować, ponieważ ginie na tle jasnego, bezpośredniego światła słonecznego. Promienie załamane w punkcie C tworzą razem tęczę pierwotną na tle ciemnej chmury, a promienie załamane w punkcie D tworzą tęczę wtórną, która jest mniej intensywna niż pierwotna.

Rozważając powstanie tęczy, należy wziąć pod uwagę jeszcze jedno zjawisko - nierówne załamanie fal świetlnych o różnych długościach, czyli promieni świetlnych o różnych barwach. Zjawisko to nazywa się dyspersją. Ze względu na dyspersję kąty załamania γ i kąt odchylenia Θ promieni w kropli są różne dla promieni o różnych barwach.

Najczęściej widzimy jedną tęczę. Nierzadko zdarza się, że na niebie pojawiają się jednocześnie dwa tęczowe paski, umieszczone jeden po drugim; Obserwują też jeszcze większą liczbę łuków niebieskich – trzy, cztery, a nawet pięć jednocześnie. To ciekawe zjawisko zaobserwowali Leningradczycy 24 września 1948 r., kiedy po południu wśród chmur nad Newą pojawiły się cztery tęcze. Okazuje się, że tęcze mogą powstawać nie tylko z bezpośrednich promieni; Często pojawia się w odbitych promieniach Słońca. Można to zobaczyć na brzegach zatok morskich, dużych rzek i jezior. Trzy lub cztery tęcze – zwykła i odbita – czasem tworzą piękny obraz. Ponieważ promienie Słońca odbite od powierzchni wody biegną od dołu do góry, tęcza utworzona w promieniach może czasami wyglądać zupełnie nietypowo.

Nie myśl, że tęcze można zobaczyć tylko za dnia. Dzieje się tak również w nocy, chociaż zawsze jest słabe. Taką tęczę można zobaczyć po nocnym deszczu, gdy zza chmur wyłania się Księżyc.

Tęczę można uzyskać, wykonując następujący eksperyment: Należy oświetlić kolbę wypełnioną wodą światłem słonecznym lub lampą przez otwór w białej tablicy. Wtedy na tablicy będzie wyraźnie widoczna tęcza, a kąt rozbieżności promieni w stosunku do kierunku początkowego wyniesie około 41-42°. W naturalnych warunkach nie ma ekranu, obraz pojawia się na siatkówce oka, a oko rzutuje ten obraz na chmury.

Jeśli wieczorem przed zachodem słońca pojawi się tęcza, obserwuje się tęczę czerwoną. W ciągu ostatnich pięciu lub dziesięciu minut przed zachodem słońca wszystkie kolory tęczy z wyjątkiem czerwonego znikają i stają się bardzo jasne i widoczne nawet dziesięć minut po zachodzie słońca.

Tęcza na rosie to piękny widok. Można go zaobserwować o wschodzie słońca na trawie pokrytej rosą. Tęcza ta ma kształt hiperboli.

Zorze

Jednym z najpiękniejszych zjawisk optycznych przyrody jest zorza polarna.

W większości przypadków zorze mają zielony lub niebiesko-zielony odcień z okazjonalnymi plamami lub obwódką w kolorze różowym lub czerwonym.

Zorze obserwuje się w dwóch głównych postaciach - w postaci wstęg i w postaci plam przypominających chmury. Kiedy blask jest intensywny, przybiera formę wstążek. Tracąc intensywność, zamienia się w plamy. Jednak wiele taśm znika, zanim zdążą się rozbić. Wstążki zdają się wisieć w ciemnej przestrzeni nieba, przypominając gigantyczną zasłonę lub draperię, zwykle rozciągającą się ze wschodu na zachód przez tysiące kilometrów. Wysokość tej kurtyny wynosi kilkaset kilometrów, grubość nie przekracza kilkuset metrów, a jest tak delikatna i przezroczysta, że ​​widać przez nią gwiazdy. Dolna krawędź kurtyny jest dość ostro i wyraźnie zarysowana, często zabarwiona na kolor czerwony lub różowawy, przypominający lamówkę kurtyny, górna krawędź stopniowo traci wysokość, co stwarza szczególnie imponujące wrażenie głębi przestrzeni.

Istnieją cztery rodzaje zorzy:

Jednorodny łuk - świetlisty pasek ma najprostszy, najspokojniejszy kształt. Od dołu jest jaśniej i stopniowo zanika w górę na tle łuny nieba;

Łuk promienisty - taśma staje się nieco bardziej aktywna i mobilna, tworzy małe fałdy i strumienie;

Pasek promieniowy - wraz ze wzrostem aktywności większe fałdy nakładają się na małe;

W miarę wzrostu aktywności fałdy lub pętle powiększają się do ogromnych rozmiarów, a dolna krawędź wstążki świeci jasno różowym blaskiem. Gdy aktywność opadnie, fałdy znikają, a taśma powraca do jednolitego kształtu. Sugeruje to, że główną formą zorzy jest jednorodna struktura, a fałdy wiążą się ze wzrostem aktywności.

Często pojawia się promieniowanie innego typu. Obejmują cały obszar polarny i są bardzo intensywne. Występują podczas wzrostu aktywności słonecznej. Zorze te pojawiają się w postaci biało-zielonej czapki. Takie zorze nazywane są szkwałami.

Na podstawie jasności zorzy polarnej dzieli się je na cztery klasy, różniące się od siebie o jeden rząd wielkości (czyli 10 razy). Do pierwszej klasy należą zorze ledwo zauważalne i o jasności w przybliżeniu równej Drodze Mlecznej, natomiast zorze czwartej klasy oświetlają Ziemię tak jasno, jak Księżyc w pełni.

Należy zauważyć, że powstała zorza polarna rozprzestrzenia się na zachód z prędkością 1 km/s. Górne warstwy atmosfery w obszarze rozbłysków zorzowych nagrzewają się i pędzą ku górze, co wpłynęło na wzmożone hamowanie sztucznych satelitów Ziemi przechodzących przez te strefy.

Podczas zorzy w atmosferze ziemskiej powstają wirowe prądy elektryczne, pokrywające duże obszary. Wzbudzają dodatkowe niestabilne pola magnetyczne, tzw. burze magnetyczne. Podczas zorzy atmosfera emituje promienie rentgenowskie, które najwyraźniej wynikają ze spowolnienia elektronów w atmosferze.

Intensywnym błyskom blasku często towarzyszą dźwięki przypominające hałas i trzaski. Zorze powodują silne zmiany w jonosferze, co z kolei wpływa na warunki komunikacji radiowej. W większości przypadków łączność radiowa ulega znacznemu pogorszeniu. Występują silne zakłócenia, a czasami całkowita utrata odbioru.

Jak powstają zorze. Ziemia jest ogromnym magnesem, którego biegun południowy znajduje się w pobliżu północnego bieguna geograficznego, a biegun północny znajduje się w pobliżu południa. Linie pola magnetycznego Ziemi, zwane liniami geomagnetycznymi, wychodzą z obszaru sąsiadującego z północnym biegunem magnetycznym Ziemi, otaczają kulę ziemską i wchodzą do niej na południowym biegunie magnetycznym, tworząc toroidalną siatkę wokół Ziemi.

Od dawna uważano, że położenie linii pola magnetycznego jest symetryczne względem osi Ziemi. Teraz stało się jasne, że tak zwany „wiatr słoneczny” – strumień protonów i elektronów emitowany przez Słońce, uderza w powłokę geomagnetyczną Ziemi z wysokości około 20 000 km, odciąga ją od Słońca, tworząc rodzaj magnetycznego „ogona” na Ziemi.

Elektron lub proton złapany w ziemskim polu magnetycznym porusza się po spirali, jakby owijał się wokół linii geomagnetycznej. Elektrony i protony, które dostają się do ziemskiego pola magnetycznego z wiatru słonecznego, dzielą się na dwie części. Niektóre z nich natychmiast przepływają wzdłuż linii pola magnetycznego do polarnych obszarów Ziemi; inne dostają się do teroidu i poruszają się w nim, zgodnie z regułą lewej ręki, wzdłuż zamkniętej krzywej ABC. Te protony i elektrony ostatecznie przepływają również wzdłuż linii geomagnetycznych do obszaru biegunów, gdzie następuje ich zwiększone stężenie. Protony i elektrony powodują jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów. Do tego mają dość energii, gdyż protony docierają na Ziemię z energiami 10 000-20 000 eV (1 eV = 1,6 · 10 J), a elektrony z energiami 10-20 eV. Do zjonizowania atomów potrzeba: dla wodoru - 13,56 eV, dla tlenu - 13,56 eV, dla azotu - 124,47 eV, a do wzbudzenia jeszcze mniej.

Wzbudzone atomy gazu oddają otrzymaną energię w postaci światła, podobnie jak ma to miejsce w rurach z rozrzedzonym gazem, gdy przepływa przez nie prąd.

Badania spektralne pokazują, że zielona i czerwona poświata należy do wzbudzonych atomów tlenu, natomiast podczerwień i fiolet należy do zjonizowanych cząsteczek azotu. Niektóre linie emisji tlenu i azotu tworzą się na wysokości 110 km, a czerwona poświata tlenu występuje na wysokości 200-400 km. Innym słabym źródłem światła czerwonego są atomy wodoru powstające w górnych warstwach atmosfery z protonów przybywających ze Słońca. Po wychwyceniu elektronu taki proton zamienia się w wzbudzony atom wodoru i emituje światło czerwone.

Rozbłyski zorzowe zwykle pojawiają się dzień lub dwa po rozbłyskach słonecznych. Potwierdza to związek pomiędzy tymi zjawiskami. Badania z wykorzystaniem rakiet wykazały, że w miejscach o większym natężeniu zórz polarnych następuje większa jonizacja gazów przez elektrony.

Niedawno naukowcy odkryli, że zorze polarne są intensywniejsze w pobliżu wybrzeży oceanów i mórz.

Jednak naukowe wyjaśnienie wszystkich zjawisk związanych z zorzami napotyka szereg trudności. Przykładowo nieznany jest dokładny mechanizm przyspieszania cząstek do wskazanych energii, ich trajektorie w przestrzeni blisko Ziemi nie są do końca jasne, nie wszystko ilościowo zbiega się w bilansie energetycznym jonizacji i wzbudzenia cząstek, mechanizm powstawania różnych rodzaje luminescencji nie są do końca jasne, a pochodzenie dźwięków jest niejasne.

Literatura:

5. „Słownik encyklopedyczny młodego fizyka”, oprac. V. A. Chuyanov, Wydawnictwo Pedagogika, Moskwa, 1984.

6. „Podręcznik dla dzieci w wieku szkolnym z fizyki”, oprac.: Towarzystwo filologiczne „Słowo”, Moskwa, 1995.

7. „Fizyka 11”, N. M. Shakhmaev, S. N. Shakhmaev, D. Sh. Shodiev, Wydawnictwo Prosveshchenie, Moskwa, 1991.

8. „Rozwiązywanie problemów w fizyce”, V. A. Szewcow, wydawnictwo książkowe Niżne-Wołżskoje, Wołgograd, 1999.

Zjawiska optyczne w przyrodzie: odbicie, tłumienie, całkowite wewnętrzne odbicie, tęcza, miraż.

Rosyjski Państwowy Uniwersytet Rolniczy Moskiewska Akademia Rolnicza im. K.A. Timiryazeva

Temat: Zjawiska optyczne w przyrodzie

Wykonano

Bachtina Tatiana Igoriewna

Nauczyciel:

Momdzhi Siergiej Georgiewicz

Moskwa, 2014

1. Rodzaje zjawisk optycznych

3. Całkowite wewnętrzne odbicie

Wniosek

1. Rodzaje zjawisk optycznych

Zjawisko optyczne każdego widzialnego zdarzenia jest wynikiem oddziaływania światła i mediów materialnych o charakterze fizycznym i biologicznym. Przykładem zjawiska optycznego jest zielona wiązka światła.

Typowe zjawiska optyczne często występują w wyniku interakcji światła słonecznego lub księżyca z atmosferą, chmurami, wodą, pyłem i innymi cząsteczkami. Niektóre z nich, podobnie jak zielony promień światła, są zjawiskiem tak rzadkim, że czasami uważa się je za mityczne.

Do zjawisk optycznych zalicza się te, które wynikają z właściwości optycznych atmosfery, reszty przyrody (inne zjawiska); z obiektów o charakterze naturalnym lub ludzkim (efekty optyczne), w przypadku których nasze oczy mają entoptyczną naturę zjawisk.

Istnieje wiele zjawisk, które powstają w wyniku kwantowej lub falowej natury światła. Niektóre z nich są dość subtelne i można je zaobserwować jedynie poprzez precyzyjne pomiary przy użyciu instrumentów naukowych.

W swojej pracy chcę rozważać i mówić o zjawiskach optycznych związanych z lustrami (odbicie, tłumienie) i zjawiskach atmosferycznych (miraż, tęcza, zorze), z którymi często spotykamy się w życiu codziennym.

2. Lustrzane zjawiska optyczne

Moje światło, lustro, powiedz mi...

Jeśli przyjmiemy prostą i precyzyjną definicję, to lustro to gładka powierzchnia zaprojektowana tak, aby odbijała światło (lub inne promieniowanie). Najbardziej znanym przykładem jest lustro płaskie.

Współczesna historia luster sięga XIII wieku, a dokładniej roku 1240, kiedy Europa nauczyła się dmuchać naczynia szklane. Wynalezienie prawdziwego lustra szklanego datuje się na rok 1279, kiedy franciszkanin John Peckham opisał metodę powlekania szkła cienką warstwą cyny.

Oprócz luster wymyślonych i stworzonych przez człowieka, lista powierzchni odbijających światło jest długa i obszerna: powierzchnia zbiornika, czasem lód, czasem polerowany metal, po prostu szkło, jeśli spojrzeć na to pod pewnym kątem, ale mimo to jest to sztuczne lustro, które można nazwać praktycznie idealną powierzchnią odbijającą.

Zasada toru promieni odbitych od zwierciadła jest prosta, jeśli zastosujemy prawa optyki geometrycznej, nie biorąc pod uwagę falowej natury światła. Promień światła pada na powierzchnię lustra (rozważamy zwierciadło całkowicie nieprzezroczyste) pod kątem alfa do normalnej (prostopadłej) narysowanej do punktu padania promienia na zwierciadło. Kąt odbitej wiązki będzie równy tej samej wartości - alfa. Promień padający na zwierciadło pod kątem prostym do płaszczyzny zwierciadła zostanie odbity z powrotem na siebie.

W przypadku najprostszego - płaskiego - lustra obraz będzie umiejscowiony za lustrem symetrycznie do obiektu względem płaszczyzny lustra, będzie pozorny, prosty i tej samej wielkości co sam przedmiot.

To, że krajobraz odbity w stojącej wodzie nie różni się od rzeczywistego, a jedynie jest odwrócony do góry nogami, jest dalekie od prawdy. Jeśli ktoś późnym wieczorem spojrzy na to, jak lampy odbijają się w wodzie lub jak odbija się brzeg schodzący do wody, wówczas odbicie będzie mu się wydawać skrócone i całkowicie „zniknie”, jeśli obserwator znajdzie się wysoko nad powierzchnią wody woda. Nigdy też nie widać odbicia wierzchołka kamienia, którego część jest zanurzona w wodzie. Krajobraz wydaje się obserwatorowi tak, jakby był oglądany z punktu znajdującego się tak głęboko pod powierzchnią wody, jak oko obserwatora znajduje się nad powierzchnią. Różnica między krajobrazem a jego obrazem maleje w miarę zbliżania się oka do powierzchni wody, a także w miarę oddalania się obiektu. Ludzie często myślą, że odbicie krzewów i drzew w stawie ma jaśniejsze kolory i bogatsze odcienie. Cechę tę można również zauważyć obserwując odbicie obiektów w lustrze. W tym przypadku percepcja psychologiczna odgrywa większą rolę niż fizyczna strona zjawiska. Rama lustra i brzegi stawu ograniczają niewielki obszar krajobrazu, chroniąc boczne widzenie człowieka przed nadmiarem rozproszonego światła pochodzącego z całego nieba i oślepiając obserwatora, to znaczy patrzy na niewielki obszar krajobraz jak przez ciemną, wąską rurę. Zmniejszenie jasności światła odbitego w porównaniu ze światłem bezpośrednim ułatwia obserwację nieba, chmur i innych jasno oświetlonych obiektów, które oglądane bezpośrednio są zbyt jasne dla oka.

3. Całkowite wewnętrzne odbicie światła

Pięknym widokiem jest fontanna, której wyrzucane strumienie są oświetlane od wewnątrz. Można to zobrazować w normalnych warunkach, wykonując następujący eksperyment. W wysokiej puszce, na wysokości 5 cm od dna, należy wywiercić okrągły otwór o średnicy 5-6 mm. Żarówkę wraz z oprawką należy starannie owinąć w papier celofanowy i umieścić naprzeciwko otworu. Musisz wlać wodę do słoika. Otwierając otwór otrzymamy strumień, który będzie oświetlony od wewnątrz. W ciemnym pomieszczeniu świeci jasno i wygląda bardzo efektownie. Strumieniu można nadać dowolny kolor umieszczając na drodze promieni świetlnych kolorowe szkło. Jeśli położysz palec na ścieżce strumienia, woda rozpryskuje się, a kropelki jasno świecą. Wyjaśnienie tego zjawiska jest dość proste. Promień światła przechodząc przez strumień wody uderza w zakrzywioną powierzchnię pod kątem większym niż kąt ograniczający, ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu, a następnie ponownie pada na przeciwną stronę strumienia pod kątem ponownie większym niż kąt ograniczający. Zatem wiązka przechodzi wzdłuż strumienia, uginając się wraz z nim. Ale gdyby światło zostało całkowicie odbite wewnątrz strumienia, nie byłoby widoczne z zewnątrz. Część światła jest rozpraszana przez wodę, pęcherzyki powietrza i znajdujące się w niej różne zanieczyszczenia, a także na skutek nierównej powierzchni strumienia, dzięki czemu jest widoczne z zewnątrz.

Podam tutaj fizyczne wyjaśnienie tego zjawiska. Niech bezwzględny współczynnik załamania światła pierwszego ośrodka będzie większy niż bezwzględny współczynnik załamania światła drugiego ośrodka n1 > n2, czyli ośrodek pierwszy będzie gęstszy optycznie. Tutaj bezwzględne wskaźniki mediów są odpowiednio równe:

Następnie, jeśli skierujemy wiązkę światła z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie słabszego, to wraz ze wzrostem kąta padania promień załamany zbliży się do granicy między obydwoma ośrodkami, następnie przejdzie wzdłuż tej granicy i ze przy dalszym wzroście kąta padania promień załamany zniknie, tj. wiązka padająca zostanie całkowicie odbita przez granicę między dwoma ośrodkami.

Kąt graniczny (alfa zero) to kąt padania, który odpowiada kątowi załamania wynoszącemu 90 stopni. W przypadku wody kąt graniczny wynosi 49 stopni. Dla szkła - 42 stopnie. Manifestacje w przyrodzie: - pęcherzyki powietrza na podwodnych roślinach wydają się lustrzane - krople rosy migają wielobarwnym światłem - „gra” diamentów w promieniach światła - powierzchnia wody w szklance będzie świecić patrząc od dołu przez ścianę szkła.

4. Atmosferyczne zjawiska optyczne

Miraż to zjawisko optyczne w atmosferze: odbicie światła przez granicę między warstwami powietrza znacznie różniącymi się gęstością. Dla obserwatora takie odbicie oznacza, że ​​wraz z odległym obiektem (lub częścią nieba) widoczny jest jego wirtualny obraz, przesunięty względem niego.

Oznacza to, że miraż to nic innego jak gra promieni świetlnych. Faktem jest, że na pustyni ziemia bardzo się nagrzewa. Ale jednocześnie temperatura powietrza nad ziemią w różnych odległościach od niej jest bardzo zróżnicowana. Na przykład temperatura warstwy powietrza znajdującej się dziesięć centymetrów nad poziomem gruntu jest o 30-50 stopni niższa niż temperatura powierzchni.

Wszystkie prawa fizyki mówią: światło rozchodzi się w ośrodku jednorodnym po linii prostej. Jednak w tak ekstremalnych warunkach prawo nie ma zastosowania. Co się dzieje? Przy takich różnicach temperatur promienie zaczynają się załamywać, a przy samej ziemi na ogół zaczynają się odbijać, tworząc w ten sposób iluzje, które zwykliśmy nazywać mirażami. Oznacza to, że powietrze w pobliżu powierzchni staje się lustrem.

Choć miraże kojarzą się zazwyczaj z pustyniami, często można je obserwować nad powierzchnią wody, w górach, a czasem nawet w dużych miastach. Innymi słowy, wszędzie tam, gdzie występują nagłe zmiany temperatury, można zaobserwować te bajeczne zdjęcia.

Zjawisko to jest dość powszechne. Na przykład na największej pustyni na naszej planecie rocznie obserwuje się około 160 tysięcy miraży.

Co ciekawe, choć miraże uważane są za dzieci pustyń, Alaska od dawna uznawana jest za niekwestionowanego lidera w ich występowaniu. Im zimniej, tym wyraźniejszy i piękniejszy jest obserwowany miraż.

Bez względu na to, jak powszechne jest to zjawisko, bardzo trudno jest je zbadać. Dlaczego? Tak, wszystko jest bardzo proste. Nikt nie wie, gdzie i kiedy się pojawi, jaki będzie i jak długo będzie żył.

Po pojawieniu się wielu różnych wzmianek o mirażach, naturalnie, należało je sklasyfikować. Okazało się, że pomimo całej ich różnorodności udało się wyróżnić tylko sześć rodzajów miraży: dolny (jezioro), górny (pojawiający się na niebie), boczny, „Fata Morgana”, miraże duchów i miraże wilkołaków.

Bardziej złożony rodzaj mirażu nazywa się Fata Morgana. Nie znaleziono jeszcze na to wyjaśnienia.

Dolny (jeziorny) miraż.

To najczęstsze miraże. Swoją nazwę otrzymali ze względu na miejsce pochodzenia. Obserwuje się je na powierzchni ziemi i wody.

Wyższe miraże (miraże widzenia na odległość).

Ten typ mirażu ma równie proste pochodzenie jak poprzedni typ. Jednak takie miraże są znacznie bardziej różnorodne i piękne. Pojawiają się w powietrzu. Najbardziej fascynujące z nich to słynne miasta duchów. Co ciekawe, przedstawiają one zazwyczaj obrazy obiektów – miast, gór, wysp – oddalonych o wiele tysięcy kilometrów.

Boczne miraże

Pojawiają się w pobliżu pionowych powierzchni silnie nagrzewanych przez słońce. Mogą to być skaliste brzegi morza lub jeziora, gdy brzeg jest już oświetlony przez Słońce, ale powierzchnia wody i powietrze nad nią są jeszcze zimne. Ten typ mirażu jest bardzo częstym zjawiskiem w Jeziorze Genewskim.

Fata Morgana

Fata Morgana to najbardziej złożony rodzaj mirażu. Jest to połączenie kilku form miraży. Jednocześnie obiekty ukazane na mirażu są wielokrotnie powiększone i dość zniekształcone. Co ciekawe, ten rodzaj mirażu wziął swoją nazwę od Morgany, siostry słynnego Artura. Rzekomo obraziła się na Lancelota za to, że ją odrzucił. Na jego złość osiedliła się w podwodnym świecie i zaczęła mścić się na wszystkich mężczyznach, zwodząc ich upiornymi wizjami

Wśród Fata Morgana znajdują się także liczni „latający Holendrzy”, których wciąż widują żeglarze. Zwykle pokazują statki oddalone od obserwatorów o setki, a nawet tysiące kilometrów.

Być może nie ma nic więcej do powiedzenia na temat rodzajów miraży.

Dodam, że choć jest to widok niezwykle piękny i tajemniczy, to jednocześnie bardzo niebezpieczny. Zabijam miraże i doprowadzam moje ofiary do szaleństwa. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku pustynnych miraży. A wyjaśnienie tego zjawiska nie ułatwia losu podróżników.

Ludzie jednak próbują z tym walczyć. Tworzą specjalne przewodniki, które wskazują miejsca, w których najczęściej pojawiają się miraże, a czasem także ich formy.

Nawiasem mówiąc, miraże uzyskuje się w warunkach laboratoryjnych.

Na przykład prosty eksperyment opublikowany w książce V.V. Mayra „Całkowite odbicie światła w prostych eksperymentach” (Moskwa, 1986), tutaj podano szczegółowy opis uzyskiwania modeli mirażów w różnych środowiskach. Miraże najłatwiej obserwować w wodzie (ryc. 2). Przymocuj ciemną, najlepiej czarną puszkę po kawie do dna naczynia z białym dnem. Patrząc w dół, niemal pionowo, wzdłuż jego ścianki, szybko wlej do słoika gorącą wodę. Powierzchnia słoika od razu stanie się błyszcząca. Dlaczego? Faktem jest, że współczynnik załamania światła wody wzrasta wraz z temperaturą. Temperatura wody w pobliżu gorącej powierzchni słoika jest znacznie wyższa niż na odległość. Wiązka światła jest więc zakrzywiona w taki sam sposób, jak w przypadku miraży na pustyni lub na gorącym asfalcie. Słoik wydaje nam się błyszczący dzięki całkowitemu odbiciu światła.

Każdy projektant chce wiedzieć, skąd pobrać Photoshopa.

Atmosferyczne zjawisko optyczne i meteorologiczne obserwowane, gdy Słońce (czasami Księżyc) oświetla wiele kropelek wody (deszcz lub mgła). Tęcza wygląda jak wielobarwny łuk lub okrąg złożony z kolorów widma (od zewnętrznej krawędzi: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo, fioletowy). Jest to siedem kolorów zwyczajowo utożsamianych z tęczą w kulturze rosyjskiej, należy jednak pamiętać, że w rzeczywistości widmo jest ciągłe, a jego kolory płynnie przechodzą między sobą poprzez wiele odcieni pośrednich.

Środek okręgu opisanego tęczą leży na prostej przechodzącej przez obserwatora i Słońce, ponadto obserwując tęczę (w przeciwieństwie do aureoli) Słońce zawsze znajduje się za obserwatorem i nie ma możliwości jednoczesnego zobaczenia Słońce i tęcza bez użycia urządzeń optycznych. Dla obserwatora na ziemi tęcza zwykle wygląda jak łuk, część koła, a im wyższy punkt obserwacji, tym jest ona pełniejsza (z góry lub samolotu widać pełne koło). Kiedy Słońce wznosi się powyżej 42 stopni nad horyzontem, z powierzchni Ziemi nie widać tęczy.

Tęcze powstają, gdy światło słoneczne załamuje się i odbija od kropelek wody (deszczu lub mgły) unoszących się w atmosferze. Kropelki te w różny sposób załamują światło o różnych barwach (współczynnik załamania wody dla światła o większej długości fali (czerwonego) jest mniejszy niż dla światła o krótkiej długości fali (fioletowego), dlatego światło czerwone jest najsłabiej odchylane o 137°30", a światło fioletowe najsilniej o 139 °20"). W efekcie światło białe ulega rozkładowi na widmo (następuje rozproszenie światła). Obserwator stojący tyłem do źródła światła widzi wielobarwną poświatę emanującą z przestrzeni po koncentrycznych okręgach (łukach).

Najczęściej obserwuje się tęczę pierwotną, w której światło ulega jednemu wewnętrznemu odbiciu. Ścieżkę promieni pokazano na rysunku w prawym górnym rogu. W tęczy pierwotnej kolor czerwony znajduje się poza łukiem, a jego promień kątowy wynosi 40-42°.

Czasami wokół pierwszej tęczy można zobaczyć inną, mniej jasną tęczę. Jest to tęcza wtórna, która powstaje w wyniku dwukrotnego odbicia światła w kroplach. W tęczy wtórnej kolejność kolorów jest „odwrócona” – fiolet znajduje się na zewnątrz, a czerwień wewnątrz. Promień kątowy tęczy wtórnej wynosi 50-53°. Niebo pomiędzy dwiema tęczami jest zwykle zauważalnie ciemniejsze i jest to obszar zwany Pasem Aleksandra.

Pojawienie się tęczy trzeciego rzędu w warunkach naturalnych jest niezwykle rzadkie. Uważa się, że w ciągu ostatnich 250 lat powstało zaledwie pięć doniesień naukowych z obserwacji tego zjawiska. Tym bardziej zaskakujące jest pojawienie się w 2011 roku komunikatu, że tęczę czwartego rzędu można nie tylko zaobserwować, ale także zarejestrować ją na fotografii. W warunkach laboratoryjnych możliwe jest uzyskanie tęczy znacznie wyższych rzędów. I tak w artykule opublikowanym w 1998 roku stwierdzono, że autorom, wykorzystując promieniowanie laserowe, udało się uzyskać tęczę dwusetnego rzędu.

Światło tęczy pierwotnej jest w 96% spolaryzowane wzdłuż kierunku łuku. Światło tęczy wtórnej jest spolaryzowane w 90%.

W jasną księżycową noc można także zobaczyć tęczę z Księżyca. Ponieważ receptory słabego światła ludzkiego oka – „pręciki” – nie postrzegają kolorów, księżycowa tęcza wydaje się biaława; Im jaśniejsze światło, tym bardziej „kolorowa” tęcza (receptory koloru - „szyszki”) jest objęta jego postrzeganiem.

W pewnych okolicznościach można zobaczyć tęczę podwójną, odwróconą, a nawet pierścieniową. W rzeczywistości są to zjawiska innego procesu - załamania światła w kryształkach lodu rozproszonych w atmosferze i należące do halo. Aby odwrócona tęcza (łuk zenitalny, łuk zenitowy - jeden z rodzajów halo) pojawiła się na niebie, potrzebne są określone warunki pogodowe, charakterystyczne dla bieguna północnego i południowego. Odwrócona tęcza powstaje w wyniku załamania światła przechodzącego przez lód cienkiej kurtyny chmur na wysokości 7–8 tysięcy metrów. Kolory w takiej tęczy są również ułożone odwrotnie: fioletowy jest na górze, a czerwony na dole.

Zorze polarne

Zorza polarna to blask (luminescencja) górnych warstw atmosfer planet z magnetosferą w wyniku ich interakcji z naładowanymi cząsteczkami wiatru słonecznego.

W bardzo ograniczonym obszarze górnych warstw atmosfery zorze mogą być powodowane przez niskoenergetyczne naładowane cząstki wiatru słonecznego przedostające się do polarnej jonosfery przez północne i południowe wierzchołki polarne. Na półkuli północnej zorze Caspen można obserwować nad Spitsbergenem w godzinach popołudniowych.

Kiedy energetyczne cząstki warstwy plazmy zderzają się z górną atmosferą, wzbudzane są atomy i cząsteczki gazów wchodzących w jej skład. Promieniowanie wzbudzonych atomów mieści się w zakresie widzialnym i jest obserwowane jako zorza polarna. Widma zorzy zależą od składu atmosfer planet: np. jeśli dla Ziemi najjaśniejsze są linie emisyjne wzbudzonego tlenu i azotu w zakresie widzialnym, to dla Jowisza - linie emisyjne wodoru w ultrafiolecie.

Ponieważ jonizacja przez cząstki naładowane najskuteczniej zachodzi na końcu drogi cząstki, a gęstość atmosfery maleje wraz ze wzrostem wysokości zgodnie ze wzorem barometrycznym, wysokość pojawiania się zorzy zależy dość silnie od parametrów atmosfery planety, na przykład dla Ziemi o dość złożonym składzie atmosfery czerwoną poświatę tlenu obserwuje się na wysokościach 200-400 km, a łączną poświatę azotu i tlenu obserwuje się na wysokości ~110 km. Ponadto czynniki te determinują kształt zórz polarnych - rozmyta górna i dość ostra dolna granica.

Zorze obserwuje się głównie na dużych szerokościach geograficznych obu półkul w owalnych strefach-pasach otaczających ziemskie bieguny magnetyczne - owale zorzowe. Średnica owali zorzowych podczas spokojnego Słońca wynosi ~ 3000 km, po stronie dziennej granica strefy znajduje się 10-16° od bieguna magnetycznego, po stronie nocnej - 20-23°. Ponieważ bieguny magnetyczne Ziemi są oddalone od biegunów geograficznych o ~12°, zorze polarne obserwuje się na szerokościach 67-70°, jednakże w okresach aktywności słonecznej owal zorzy rozszerza się i zorze można obserwować na niższych szerokościach geograficznych - 20° -25° na południe lub północ od granic ich zwyczajowej manifestacji. Na przykład na wyspie Stewart, która leży dopiero na 47° równoleżnika, zorze polarne występują regularnie. Maorysi nazywali go nawet „Płonącymi”.

W widmie zorzy ziemskiej najbardziej intensywne promieniowanie pochodzi od głównych składników atmosfery - azotu i tlenu, a ich linie emisyjne obserwuje się zarówno w stanie atomowym, jak i molekularnym (cząsteczki neutralne i jony molekularne). Najbardziej intensywne są linie emisyjne cząsteczek tlenu atomowego i zjonizowanego azotu.

Świecenie tlenu wynika z emisji wzbudzonych atomów w stanach metastabilnych o długości fali 557,7 nm (linia zielona, ​​czas życia 0,74 s) i dubletu 630 i 636,4 nm (obszar czerwony, czas życia 110 s). W rezultacie czerwony dublet jest emitowany na wysokościach 150-400 km, gdzie ze względu na duże rozrzedzenie atmosfery tempo wygaszania stanów wzbudzonych podczas zderzeń jest niewielkie. Zjonizowane cząsteczki azotu emitują przy 391,4 nm (bliski ultrafiolet), 427,8 nm (fiolet) i 522,8 nm (zielony). Każde zjawisko ma jednak swój niepowtarzalny zasięg, ze względu na zmienność składu chemicznego atmosfery i czynników pogodowych.

Widmo zorzy zmienia się wraz z wysokością i w zależności od linii emisyjnych dominujących w widmie zorzy, zorze dzieli się na dwa typy: zorze wysokogórskie typu A z przewagą linii atomowych oraz zorze typu B na stosunkowo małych wysokościach ( 80-90 km) z przewagą linii molekularnych w widmie w wyniku wygaszania w wyniku zderzeń atomowych stanów wzbudzonych w stosunkowo gęstej atmosferze na tych wysokościach.

Zorze zauważalnie częściej występują wiosną i jesienią niż zimą i latem. Częstotliwość szczytowa występuje w okresach najbliższych równonocy wiosennej i jesiennej. Podczas zorzy w krótkim czasie uwalniana jest ogromna ilość energii. I tak podczas jednego z zaburzeń zarejestrowanych w 2007 roku wyemitowano 5,1014 dżuli, czyli mniej więcej tyle samo, co podczas trzęsienia ziemi o sile 5,5.

Obserwowana z powierzchni Ziemi zorza polarna pojawia się jako ogólna, szybko zmieniająca się poświata nieba lub poruszające się promienie, paski, korony lub „zasłony”. Czas trwania zorzy polarnej waha się od kilkudziesięciu minut do kilku dni.

Uważano, że zorze polarne na półkuli północnej i południowej są symetryczne. Jednak jednoczesna obserwacja zorzy polarnej w maju 2001 roku z kosmosu z bieguna północnego i południowego wykazała, że ​​zorza polarna i południowa znacznie się od siebie różnią.

tęcza kwantowa światła optycznego

Wniosek

Naturalne zjawiska optyczne są bardzo piękne i różnorodne. W starożytności, kiedy ludzie nie rozumieli swojej natury, nadawali im mistyczne, magiczne i religijne znaczenia, bali się ich i bali. Ale teraz, kiedy już każde ze zjawisk jesteśmy w stanie własnoręcznie wytworzyć w warunkach laboratoryjnych (a czasem nawet prowizorycznych), prymitywny horror odszedł w niepamięć, a z radością możemy w codziennym życiu dostrzec tęczę błyskającą na niebie, odejdźcie na północ, aby podziwiać zorzę polarną i z ciekawością obserwować tajemniczy miraż dostrzeżony na pustyni. A lustra stały się jeszcze bardziej znaczącą częścią naszego codziennego życia - zarówno w życiu codziennym (na przykład w domu, w samochodach, w kamerach wideo), jak i w różnych instrumentach naukowych: spektrofotometrach, spektrometrach, teleskopach, laserach, sprzęcie medycznym.

Podobne dokumenty

Co to jest optyka? Jej rodzaje i rola w rozwoju fizyki współczesnej. Zjawiska związane z odbiciem światła. Zależność współczynnika odbicia od kąta padania światła. Okulary ochronne. Zjawiska związane z załamaniem światła. Tęcza, miraż, zorze.

streszczenie, dodano 01.06.2010


Rodzaje optyki. Atmosfera ziemska przypomina układ optyczny. Zachód słońca. Zmiana koloru na niebie. Tworzenie się tęczy, różnorodność tęcz. Zorze polarne. Wiatr słoneczny przyczyną zórz polarnych. Miraż. Tajemnice zjawisk optycznych.

praca na kursie, dodano 17.01.2007


Poglądy starożytnych myślicieli na naturę światła oparte na najprostszych obserwacjach zjawisk przyrodniczych. Elementy pryzmatyczne i materiały optyczne. Wykazanie wpływu współczynników załamania światła materiału pryzmatu i otoczenia na zjawisko załamania światła w pryzmacie.

praca na kursie, dodano 26.04.2011


Badanie korpuskularnej i falowej teorii światła. Badanie warunków maksimów i minimów wzoru interferencyjnego. Dodanie dwóch fal monochromatycznych. Długość fali i kolor światła odbieranego przez oko. Lokalizacja prążków interferencyjnych.

streszczenie, dodano 20.05.2015


Zjawiska związane z załamaniem, dyspersją i interferencją światła. Miraże widzenia na odległość. Dyfrakcyjna teoria tęczy. Tworzenie się halo. Efekt pyłu diamentowego. Zjawisko „złamanej wizji”. Obserwacja parhelii, koron i zorzy polarnej na niebie.

prezentacja, dodano 14.01.2014


Dyfrakcja fal mechanicznych. Związek zjawisk interferencji światła na przykładzie doświadczenia Junga. Zasada Huygensa-Fresnela, będąca głównym postulatem teorii fal, umożliwiająca wyjaśnienie zjawisk dyfrakcyjnych. Granice stosowalności optyki geometrycznej.

prezentacja, dodano 18.11.2014


Teoria zjawiska. Dyfrakcja to zespół zjawisk zachodzących podczas propagacji światła w ośrodku o ostrych niejednorodnościach. Znalezienie i badanie funkcji rozkładu natężenia światła podczas dyfrakcji na okrągłym otworze. Matematyczny model dyfrakcji.

praca na kursie, dodano 28.09.2007


Podstawowe prawa zjawisk optycznych. Prawa propagacji prostoliniowej, odbicia i załamania światła, niezależność promieni świetlnych. Fizyczne zasady stosowania lasera. Zjawiska fizyczne i zasada działania generatora kwantowego światła spójnego.

prezentacja, dodano 18.04.2014


Cechy fizyki zjawisk świetlnych i falowych. Analiza niektórych ludzkich obserwacji właściwości światła. Istota praw optyki geometrycznej (prostoliniowa propagacja światła, prawa odbicia i załamania światła), podstawowe wielkości inżynierii oświetleniowej.

praca na kursie, dodano 13.10.2012


Badanie dyfrakcji, czyli zjawiska odchylenia światła od prostoliniowego kierunku propagacji przy przejściu w pobliżu przeszkód. Charakterystyka załamania fal świetlnych wokół granic ciał nieprzezroczystych i przenikania światła w obszar cienia geometrycznego.

Mężczyzna jest wielkim mistrzem w budowaniu zamków w powietrzu na piasku. Praktyka pokazuje jednak, że daleko mu do Matki Natury. Rzemieślniczka od Boga potrafi tak oszukać nasze uczucia, że ​​zapiera dech w piersiach! Ale bez względu na to, jak magiczne mogą wyglądać zjawiska optyczne, których przykłady rozważymy, nie są one fantasmagorią, ale wynikiem przebiegu procesów fizycznych. W heterogenicznej atmosferze Ziemi promienie światła załamują się, wywołując całą masę złudzeń. Ale czy można sobie wyobrazić świat bez snów i wizji? Byłby taki szary...

Światło i kolor

Mówiąc o świetle, którego formy zaobserwowało już więcej niż jedno pokolenie ludzi, podkreślamy, że kolory pojawiają się w atmosferze ze względu na to, że światło białe podczas interakcji z materiałami atmosferycznymi ulega rozszczepieniu na części składowe ( widmo). Ta interakcja zachodzi poprzez jedną z trzech głównych form: odbicie, załamanie (refrakcję) i dyfrakcję.

Jeśli mówimy o widmie, zastanów się, jak nauczyć dziecko zapamiętywania zbioru kolorowych pasków, które powstają, gdy wiązka światła przechodzi przez ośrodek załamujący. Pomoże w tym proste zdanie: „Każdy (czerwony) myśliwy (pomarańczowy) chce (żółty) wiedzieć (zielony), gdzie siedzi (niebieski) bażant (fioletowy)”.

Następuje pojawienie się fal wtórnych rozchodzących się od granicy dwóch ośrodków z powrotem do ośrodka pierwszego. Załamanie to załamanie promieni na granicy dwóch ośrodków. Dyfrakcja to uginanie się cząstek stałych, kropelek cieczy i innych materiałów obecnych w atmosferze pod wpływem strumieni światła. Wszystko to jest powodem „optycznego złudzenia widzenia”, które rozkwita we Wszechświecie. Przykładów jest wiele: od błękitu nieba, miraży i tęcz po fałszywe słońca i słupy słoneczne.

Wewnętrzne odbicie

Zjawiska optyczne w fizyce są ważnym działem wartym głębszego zbadania. Więc kontynuujmy. Odbicie następuje, gdy spadają na gładką powierzchnię i powracają pod kątem równym kątowi padającemu. Zjawisko to wyjaśnia pochodzenie koloru: niektóre części bieli są łatwiej wchłaniane i odbijane niż inne. Na przykład obiekt, który wydaje się zielony, wydaje się zielony, ponieważ pochłania wszystkie długości fal światła białego z wyjątkiem zielonego, które jest odbijane.

Jedna forma, odbicie wewnętrzne, jest często obecna w wyjaśnianiu zjawisk optycznych. Światło wnika do przezroczystego ciała fizycznego (materiału), na przykład kropli wody, przez zewnętrzną powierzchnię i świeci od wewnętrznej. Potem drugi raz - z materiału. Kolor tęczy można częściowo wyjaśnić w kategoriach wewnętrznego odbicia.

Tęczowy łuk

Tęcza to zjawisko optyczne, które pojawia się, gdy światło słoneczne i deszcz łączą się w określony sposób. Promienie słoneczne dzielą się na kolory, które widzimy w tęczy, gdy wpadają w krople deszczu. Dzieje się tak, gdy wiązka światła pada pod pewnym kątem na „deszcze” skierowane w stronę Ziemi, kolory rozdzielają się (białe światło rozkłada się na widmo) i widzimy jasną, świąteczną tęczę, przypominającą gigantyczny półkolisty most.

Różnorodność zakrzywionych pasków wydaje się wisieć bezpośrednio nad głową. Źródło emisji będzie zawsze za nami: nie da się jednocześnie zobaczyć czystego słońca i pięknej tęczy (chyba że użyjesz do tego lustra). Zjawisko nie jest obce Księżycowi. Kiedy księżycowa noc jest jasna, w pobliżu Seleny można zobaczyć tęczowy „wachlarz”.

Kiedy wokół prawie nic nie widać, działają najbardziej wrażliwe na światło fotoreceptory ludzkiego oka, tzw. „pręciki”. Są wrażliwe na szmaragdową część widma i „nie widzą” innych kolorów. W rezultacie tęcza wydaje się biaława. Kiedy oświetlenie się nasila, „stożki” łączą się, dzięki tym zakończeniom nerwowym łuk wygląda bardziej kolorowo.

Miraż

Z Ziemi widzimy tylko część obwodu tęczy pierwotnej. W tym przypadku światło ulega jednemu odbiciu. W górach można zobaczyć okrągłą tęczę. Czy wiesz, że są dwie, a nawet trzy „piękności”? Tęcza wznosząca się nad tęczą jest mniej jasna i „odwrócona” (w końcu jest odbiciem tej pierwszej). Trzeci ma miejsce tam, gdzie powietrze jest krystalicznie czyste i przejrzyste (na przykład w górach). Tu chodzi o zwykły spektakl.

Miraż to zjawisko optyczne, którego nie można nazwać zwyczajnym. W Rosji jest to stosunkowo rzadkie. Za każdym razem, gdy wymawiamy magiczne słowo, przypominamy sobie legendę o statku widmo „Latający Holender”. Według legend za zbrodnie kapitana będzie on pływał po oceanach aż do drugiego przyjścia.

A oto kolejny „holenderski”. Krążownik Repulse, który zatonął w grudniu 1941 roku u wybrzeży Cejlonu, stał się niestabilny. „Z bardzo bliska” widziała go załoga brytyjskiego statku Vendor, który przebywał w rejonie Malediwów. W rzeczywistości statki dzieliło 900 kilometrów!

Fata Morgana

„Latający Holender” i inne to zjawiska optyczne, przykłady z grupy oszałamiających mirażów „Fata Morgana” (nazwanych na cześć bohaterki brytyjskiego eposu). Niezwykłym zjawiskiem optycznym jest połączenie kilku form jednocześnie. Na niebie powstaje złożony, szybko zmieniający się obraz. Patrząc na widoki tego, co jest daleko za horyzontem, wydaje się, że można zwariować, są takie „namacalne”.

Cuda spowodowane warunkami atmosferycznymi mogą zdumiewać każdego. Zwłaszcza takie jak pojawienie się „warstwy wody” na pustyni lub na gorącej drodze, spowodowane załamaniem promieni. Nie tylko dzieci, ale także dorośli nie mogą pozbyć się wrażenia, że ​​zwierzęta, studnie, drzewa, budynki są realne. Ale niestety!

Światło przechodzi przez warstwy nierównomiernie ogrzanego powietrza, tworząc swego rodzaju obraz 3D. Miraże mogą być gorsze (odległa płaska powierzchnia przybiera wygląd otwartej wody), boczne (pojawiają się obok bardzo nagrzanej pionowej powierzchni) lub chrono (odtwarzają wydarzenia z przeszłości).

Zorza polarna

Myśląc o zjawiskach optycznych, nie sposób nie wspomnieć o zorzy polarnej. Ma dwie główne formy: piękne błyszczące wstążki i plamy przypominające chmury. Intensywny blask z reguły przypomina „wstążkę”. Zdarza się, że kolorowe świecące paski przestają istnieć bez rozpadania się na elementy.

W ciemności nieba kurtyna z reguły rozciąga się w kierunku ze wschodu na zachód. „Szlak” może osiągnąć kilka tysięcy kilometrów szerokości i kilkaset wysokości. To nie jest gęsty, ale cienki „ekran”, przez który błyszczą gwiazdy. Bardzo piękny widok.

Dolna krawędź „sceny” jest wyraźna, ma czerwonawy lub różowy odcień, górna zdaje się rozpływać w ciemności, dzięki czemu wyraźnie odczuwalna jest niewypowiedziana głębia przestrzeni. Omówmy cztery rodzaje zorzy.

Jednorodna struktura

Spokojna, prosta forma blasku, jasna od dołu i rozpraszająca się u góry, nazywana jest jednolitym łukiem; aktywny, mobilny, z małymi fałdami i strumieniami - łuk promienisty. Lśniące fałdy nakładające się na siebie (duże i małe) nazywane są „promienistym paskiem”.

Czwarty typ ma miejsce, gdy obszar fałd i pętli staje się bardzo duży. Po zakończeniu działania taśma uzyskuje jednorodną strukturę. Istnieje opinia, że ​​jednorodność jest główną cechą „Jego Ekscelencji”. Fałdy pojawiają się tylko w okresach wzmożonej aktywności atmosferycznej.

Istnieją inne zjawiska optyczne. Nie zawahamy się wymienić przykładów poniżej. Szkwał to poświata, która nadaje całej czapie polarnej biało-zielony blask. Obserwuje się go na biegunie południowym i północnym Ziemi, na Islandii, w Norwegii itp. Zjawisko to powstaje w wyniku świecenia namagnesowanych górnych warstw atmosfery podczas interakcji z naładowanymi cząsteczkami wiatru słonecznego (jest to tzw. nazwa wypływu plazmy z helu i wodoru w przestrzeń kosmiczną).

Można o tym powiedzieć co następuje: są częste w mroźne dni i są bardzo skuteczne.

Święty Elmo w koronach zielonych promieni i aureoli

Istnieją inne zjawiska optyczne. Na przykład halo, którego wygląd jest związany z kryształkami lodu powstającymi w atmosferze. Przypomina tęczę poprzez rozproszenie (rozkład światła na składniki), tyle że nie w kropli, ale w stałej strukturze lodu.

Tęcze są do siebie podobne, bo krople są takie same, mogą tylko spadać. Aureola ma sto rodzajów, ponieważ kryształy są różne i bardzo „zwinne”: albo szybują, albo wirują, albo pędzą w kierunku Ziemi.

Marząc o ponownym „oszukaniu”, możesz podziwiać fałszywe słońce (parhelion) lub Ostatnich „siedzących” na ostrych szczytach wysokich budynków. Mistycyzm nie ma z tym nic wspólnego. Jest to wyładowanie elektryczne w atmosferze. Często zdarza się to podczas burzy z piorunami lub burzy piaskowej (kiedy cząstki zostają naelektryzowane).

Fotografowie uwielbiają łapać „zielony promień” (błysk nad słońcem i załamanie promieni na horyzoncie). Najlepiej uchwycić go na otwartej przestrzeni, przy bezchmurnej pogodzie. Ale korony (dyfrakcja światła) są wyraźnie widoczne, gdy obszar jest spowity mgłą (tęczowe kółka wokół reflektorów Twojego samochodu - to są korony), a niebo zakrywa zasłona chmur. We mgle małych kropelek koła są szczególnie piękne. Kiedy mgła gęstnieje, rozmywają się. Dlatego też zmniejszenie liczby pierścieni tęczowych uznawane jest za sygnał pogorszenia się pogody. Cóż to za ogromny świat – zjawiska optyczne! Przykłady, które omówiliśmy, to tylko wierzchołek góry lodowej. Znając te zjawiska, możemy naukowo wyjaśnić każdą iluzję atmosferyczną.