ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

1. ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ Автор работы: Смирнова Ирина Игоревна Учитель физики ГБОУ СОШ № 87 Петроградского района Санкт – Петербурга, 2013г

2. СОДЕРЖАНИЕ : • Радуга • Зеленый луч • Гало • Закат • Полярные сияния • Мираж • Красная луна • ВЕНЦы • рефракция света в атмосфере

3. радуга

4. Схема образования радуги 1. Сферическая капля 2. Внутреннее отражение 3. Первичная радуга 4. Преломление 5. Вторичная радуга 6. Входящий луч света 7. Ход лучей при формиро- вании первичной радуги 8. Ход лучей при формиро- вании вторичной радуги 9. Наблюдатель 10-12. Область формирования радуги

5. Радуга возникает в результате преломлений и отражений световых лучей в капле дождя, спектральное разложение появляется благодаря явлению дисперсии • Наблюдатель видит радугу в стороне, противоположной солнцу • Положение радуги по отношению к ландшафту зависит от положения наблюдателя по отношению к солнцу, угловые размеры радуги определяются высотой солнца над горизонтом

6. Зеленый луч

7. Эффект зеленого луча можно увидеть, когда солнечный диск почти весь ушел за горизонт, в ясную и тихую погоду при чистом воздухе (рассеяние света минимально) • Лучи с более высокой частотой преломляются сильнее и претерпевают более сильную рефракцию,рефракция света в атмосфере приподнимает над горизонтом зеленый диск в большей степени, чем красный

8. гало

9. Причина возникновения: преломление света в ледяных кристалликах и отражение от их граней • Гало наблюдается на фоне перисто-слоистых облаков, состоящих из мелких ледяных кристалликов • Для наблюдения колец гало нужно повернуться лицом к солнцу

10. Галó – оптическое явление, заключающееся в образовании светящегося кольца вокруг источника света. Термин произошёл от фр. halo и греч. halos – «световое кольцо». • Гало обычно возникают вокруг Солнца или Луны, иногда – вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Они вызваны преимущественно отражением и преломлением света ледяными кристаллами в перистых облаках и туманах. Для возникновения некоторых гало необходимо, чтобы ледяные кристаллы, имеющие форму шестигранных призм, были ориентированы по отношению к вертикали одинаковым или хотя бы преимущественным образом. • Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу, однако гало в условиях низкой освещённости имеет малую цветность. Окрашенные гало образуются при преломлении света в шестигранных кристаллах ледяных облаков; неокрашенные (бесцветные) формы – при его отражении от граней кристаллов. Иногда в морозную погоду гало образуется очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни. • Вид наблюдаемого гало зависит от формы и расположения кристаллов. Наиболее обычные формы гало: радужные круги вокруг диска Солнца или Луны; паргелии, или «ложные Солнца», – слегка окрашенные светлые пятна на одном уровне с Солнцем справа и слева от него; паргелический круг – белый горизонтальный круг, проходящий через диск светила; столб – часть белого вертикального круга, проходящего через диск светила; он в сочетании с паргелическим кругом образует белый крест.

11. закат

12. Причина красного цвета заходящего солнца (голубого цвета дневного неба) – рассеяние солнечного света в земной атмосфере • Глядя на дневное небо,наблюдатель воспринимает свет, рассеянный в атмосфере. Глядя на заходящее солнце, наблюдатель воспринимает свет, прошедший через атмосферу без рассеяния • В тихую погоду закат - золотистый, в ветреную - багровый

13. . • Чем ближе опускается Солнце к горизонту, тем больше ослабляются его лучи (см. рисунок). На рисунке наблюдатель находится на Земле в точке О. Если Солнце в зените, то есть вертикально над головой, то его лучи проходят в атмосфере путь АО. По мере опускания Солнца к горизонту путь его лучей будет увеличиваться и достигнет максимальной длины (ЕО), когда Солнце окажется на горизонте. • Длина пути, проходимого солнечными лучами в атмосфере, при разных зенитных расстояниях Солнца •  На длинном пути потери коротковолновых, то есть фиолетовых и синих, лучей становятся все более заметными, и в прямом свете Солнца до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи: красные, оранжевые, жёлтые. Поэтому цвет Солнца по мере его опускания к горизонту становится сначала жёлтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба –  это два следствия одного и того же процесса рассеяния

14. В 1869 году английский физик Дж. Тиндаль выполнил следующий опыт: через прямоугольный аквариум, заполненный водой, пропустил слабо расходящийся узкий пучок белого света. • Какой оттенок (голубой или красный) будет иметь пучок при рассмотрении его с выходного торца? Ответ поясните.

15. Полярное сияние

16. Полярное сияние – это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от Солнца заряженных частиц (электронов и протонов) с молекулами земной атмосферы • Полярные сияния возникают наиболее часто в областях, окружающих магнитные полюса Земли • При повышении солнечной активности размеры зоны сияний и их интенсивность значительно увеличиваются

17. Многолетние наблюдения показали, что периоды максимальной частоты полярных сияний регулярно повторяются через промежутки в 11,5 лет. В течение каждого такого промежутка количество полярных сияний сначала от года к году убывает, а затем начинает возрастать, чтобы через 11,5 лет достигнуть максимума. • Оказалось, что также периодически, с периодом 11,5 лет, меняется форма и положение тёмных пятен на солнечном диске. При этом в годы максимума солнечных пятен, или, как говорят, в годы максимальной солнечной активности, максимума достигает и количество полярных сияний. Такую же периодичность имеет и количество магнитных бурь, оно тоже достигает максимума в годы с наибольшей солнечной активностью. • Сопоставляя эти факты, учёные пришли к выводу, что пятна на Солнце являются теми местами, откуда с огромной скоростью выбрасываются в пространство потоки заряженных частиц –  электронов. Попадая в верхние слои нашей атмосферы, электроны, обладающие большой энергией, ионизируют составляющие её газы и заставляют их светиться. • Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, подходя к Земле, попадают в земное магнитное поле. На движущиеся в магнитном поле электроны действует сила Лоренца, которая отклоняет их от первоначального направления движения. Было показано, что заряженные частицы, отклоняемые магнитным полем Земли, могут попадать только в приполярные области земного шара. Эта теория хорошо согласуется с большим количеством фактов и является в

18. МИРАЖ

19. Возникновение миражей связано с земной рефракцией • Миражи могут возникать либо над сильно нагретой поверхностью, либо над охлажденной ( например, над холодной водой)

20. Мираж – оптическое явление, возникающее в результате искривления хода световых лучей в неравномерно нагретых слоях воздуха. • Мираж можно наблюдать не только в жарких пустынях, но и в холодной Арктике. В зависимости от расположения слоёв воздуха с разной температурой миражи бывают двух типов: нижние и верхние. Нижним называется мираж, который появляется, если у поверхности земли образуется слой более горячего воздуха. Чаще всего они возникают в пустыне, но бывают и в средней полосе. Если мы посмотрим на асфальт жарким летним днём, то иногда увидим небольшие «лужи», которые возникают в мареве на шоссе. Это и есть нижний мираж. • Рассмотрим, как же он возникает. Нагретый воздух имеет более низкую плотность, чем холодный, а коэффициент преломления воздуха сильно зависит от его плотности. Поэтому отдельные слои мы можем рассматривать как плоскопараллельные пластинки с разным показателем преломления. Световой луч, проходящий через такие пластинки, распространяется не по прямой, а отклоняется в сторону более плотного слоя (рис. 1). • Рис. 1 • Нижние миражи дают возможность увидеть кусочек неба, и это вызывает иллюзию водной глади, в которой отражается голубое небо. Путешественники в пустыне видят иногда точно такие же «озёра» и думают, что это спасительный водоём (рис. 2). • В Арктике можно увидеть верхние миражи, которые образуются над поверхностью Северного Ледовитого океана. Вода в нём, как правило, не прогревается выше 8 °С, а воздух, принесённый с континента, может иметь температуру +30 °С. Поэтому слои расположены иначе: холодный воздух – внизу, а тёплый – наверху. Такое положение более стабильно: холодный воздух тяжелее и не стремится подняться вверх. Лучи при переходе из тёплого слоя в холодный слой отклоняются вниз. В итоге, мы начинаем видеть гораздо дальше, горизонт от нас отодвигается, как будто Земля становится более плоской. Чем больше разница температур между слоями, тем сильнее лучи отклоняются от прямолинейной траектории. • При очень большом отклонении видимый горизонт будет располагаться гораздо выше реального, и если там есть острова или льды, то Земля и вовсе будет напоминать блюдце с поднятыми краями. • Если же образуются чередующиеся слои разных температур, то миражи получаются слоистыми, причём каждый второй мираж оказывается перевёрнутым, как будто отражённым в зеркале. История знает немало случаев, когда верхние миражи были причиной географических открытий. Так, например, некоторые историки считают, что плавание скандинавских викингов из Исландии в Гренландию в 982 году и плавание из Гренландии в Северную Америку были вызваны верхними миражами. Изменив ход лучей, они сделали видимыми горы, невидимые в обычном состоянии, и побудили к дальнему плаванию.

21. Краснаялуна

22. Явление « красной луны» представляет собой особый вид лунного затмения. Попадая в тень Земли, Луна должна каждый раз исчезать из виду. В действительности солнечные лучи, касательные к поверхности земного шара, пронизывая атмосферу, рассеиваются и попадают в тень Земли. Сквозь толщу воздуха лучше всего проходят красные и оранжевые лучи, они-то и окрашивают диск Луны в багровый , кирпичный или медный цвет в зависимости от состояния земной атмосферы.

23. Венцы

24. Венцы – небольшие радужные кольца, образующиеся вокруг Луны вследствие дифракции света на мельчайших капельках воды. Чем крупнее капли, тем меньше диаметр венца. Гало следует отличать от венцов, которые внешне схожи с ним, но имеют другое происхождение. Венцы возникают в тонких водяных облаках, состоящих из мелких однородных капель (обычно это высококучевые облака) и закрывающих диск светила, за счёт дифракции. Они могут появиться также в тумане около искусственных источников света. Основная, а часто единственная часть венца – светлый круг небольшого радиуса, окружающий вплотную диск светила (или искусственный источник света). Круг в основном имеет голубоватый цвет и лишь по внешнему краю – красноватый. Его называют также ореолом. Он может быть окружён одним или несколькими дополнительными кольцами такой же, но более светлой окраски, не примыкающими вплотную к кругу и друг к другу.

25. Атмосферная рефракция • Прежде чем луч света от удалённого космического объекта (например, звезды) сможет попасть в глаз наблюдателя, он должен пройти сквозь земную атмосферу. При этом световой луч подвергается процессам рефракции (преломления), поглощения и рассеяния. • Попадая в атмосферу Земли, луч в результате преломления отклоняется от прямой линии по направлению к Земле. Это явление называется рефракцией. По мере приближения к поверхности Земли плотность атмосферы растёт, и лучи преломляются  всё сильнее. В результате все небесные тела, за исключением тех, что находятся в зените, кажутся на небе выше, чем они есть на самом деле (см. рисунок). Угол α между истинным и видимым направлениями на звезду называется углом рефракции. Звёзды  вблизи горизонта, свет которых должен пройти через большую толщу атмосферы, сильнее всего подвержены действию атмосферной рефракции (угол рефракции составляет порядка 1/6 углового градуса). • Видимое смещение (обозначено пунктиром) для истинных звёзд S1 и S2. Наблюдатель находится в точке О •  Наличие атмосферных слоёв с различной плотностью, температурой и составом и существование вертикальных и горизонтальных перемещений этих слоёв могут создавать переменную рефракцию, которая приводит к видимому мерцанию звёзд. • К другим астрономическим явлениям, связанным с рефракцией света в атмосфере, относится освещение диска Луны красноватым светом во время полных лунных затмений. Такое освещение создаётся солнечными лучами, которые из-за преломления в атмосфере попадают в конус земной тени и, соответственно, на поверхность Луны.

26. Рефракция света в атмосфере – оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов. Вследствие того, что атмосфера является средой оптически неоднородной (с высотой меняется температура, плотность, состав воздуха), лучи света распространяются в ней не прямолинейно, а по некоторой кривой линии. Наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения (см. рис. 1). Показатель преломления зависит не только от свойств воздушных слоёв атмосферы, но и от длины световой волны (дисперсия света). Поэтому рефракция в атмосфере сопровождается разложением светового луча в спектр. Чем меньше длина волны светового луча, тем более сильную рефракцию он испытывает. Например, фиолетовые лучи преломляются сильнее, чем зелёные, а зелёные – сильнее, чем красные. Поэтому чем меньше длина волны луча, тем сильнее будет видимое смещение за счёт рефракции. В результате верхняя каёмка диска Солнца на восходе и закате кажется сине-зелёной, нижняя – оранжево-красной (рис. 2). Дисперсия солнечных лучей в наиболее явном виде проявляется в самый последний момент захода Солнца. Когда Солнце уходит за горизонт, последним лучом мы должны были бы увидеть фиолетовый. Однако самые коротковолновые лучи – фиолетовые, синие, голубые – на долгом пути в атмосфере (когда Солнце уже у горизонта) настолько сильно рассеиваются, что не доходят до земной поверхности. Кроме того, к лучам этой части спектра менее чувствительны глаза человека. Поэтому последний луч заходящего Солнца оказывается яркого изумрудного цвета. Это явление и получило название зелёный луч.