Ciała fizyczne są „aktorami” zjawisk fizycznych. Poznajmy niektóre z nich.

Zjawiska mechaniczne

Zjawiska mechaniczne to ruch ciał (ryc. 1.3) i ich wzajemne oddziaływanie, na przykład odpychanie lub przyciąganie. Oddziaływanie ciał na siebie nazywa się interakcją.

W tym roku akademickim bliżej poznamy zjawiska mechaniczne.

Ryż. 1.3. Przykłady zjawisk mechanicznych: ruch i oddziaływanie ciał podczas zawodów sportowych (a, b.c); ruch Ziemi wokół Słońca i jej obrót wokół własnej osi (g)

Zjawiska dźwiękowe

Zjawiska dźwiękowe, jak sama nazwa wskazuje, to zjawiska związane z dźwiękiem. Należą do nich np. rozchodzenie się dźwięku w powietrzu czy wodzie, a także odbicie dźwięku od różnych przeszkód – np. gór czy budynków. Kiedy dźwięk zostaje odbity, pojawia się znajome echo.

Zjawiska termiczne

Zjawiska termiczne to nagrzewanie i chłodzenie ciał, a także np. parowanie (przekształcenie cieczy w parę) i topienie (przekształcenie ciała stałego w ciecz).

Zjawiska termiczne są niezwykle powszechne: na przykład determinują obieg wody w przyrodzie (ryc. 1.4).

Ryż. 1.4. Obieg wody w przyrodzie

Woda oceanów i mórz podgrzana promieniami słonecznymi wyparowuje. Gdy para unosi się, ochładza się, zamieniając się w kropelki wody lub kryształki lodu. Tworzą chmury, z których woda wraca na Ziemię w postaci deszczu lub śniegu.

Prawdziwym „laboratorium” zjawisk termicznych jest kuchnia: czy gotuje się zupę na kuchence, czy w czajniku gotuje się woda, czy żywność jest zamrażana w lodówce – to wszystko są przykłady zjawisk termicznych.

O pracy silnika samochodowego decydują także zjawiska termiczne: podczas spalania benzyny powstaje bardzo gorący gaz, który popycha tłok (część silnika). Ruch tłoka przenoszony jest za pomocą specjalnych mechanizmów na koła samochodu.

Zjawiska elektryczne i magnetyczne

Najbardziej uderzającym (w dosłownym tego słowa znaczeniu) przykładem zjawiska elektrycznego jest błyskawica (ryc. 1.5, a). Oświetlenie elektryczne i transport elektryczny (ryc. 1.5, b) stały się możliwe dzięki wykorzystaniu zjawisk elektrycznych. Przykładami zjawisk magnetycznych jest przyciąganie przedmiotów żelaznych i stalowych przez magnesy trwałe, a także oddziaływanie magnesów trwałych.

Ryż. 1,5. Zjawiska elektryczne i magnetyczne oraz ich zastosowania

Igła kompasu (ryc. 1.5, c) obraca się tak, że jej „północny” koniec wskazuje dokładnie północ, ponieważ igła jest małym magnesem trwałym, a Ziemia jest ogromnym magnesem. Zorza polarna (ryc. 1.5, d) jest spowodowana faktem, że naładowane elektrycznie cząstki lecące z kosmosu oddziałują z Ziemią jak z magnesem. Zjawiska elektryczne i magnetyczne determinują działanie telewizorów i komputerów (ryc. 1.5, e, f).

Zjawiska optyczne

Gdziekolwiek spojrzymy, wszędzie dostrzeżemy zjawiska optyczne (ryc. 1.6). Są to zjawiska związane ze światłem.

Przykładem zjawiska optycznego jest odbicie światła od różnych obiektów. Promienie światła odbite od przedmiotów wpadają do naszych oczu, dzięki czemu widzimy te obiekty.

Ryż. 1.6. Przykłady zjawisk optycznych: Słońce emituje światło (a); Księżyc odbija światło słoneczne (b); Lustra (c) szczególnie dobrze odbijają światło; jedno z najpiękniejszych zjawisk optycznych - tęcza (d)

Do przodu >>>

Otacza nas nieskończenie różnorodny świat substancji i zjawisk.

Ciągle zachodzą w nim zmiany.

Wszelkie zmiany zachodzące w ciałach nazywane są zjawiskami. Narodziny gwiazd, zmiana dnia i nocy, topnienie lodu, pęcznienie pąków na drzewach, błyskawica podczas burzy i tak dalej – wszystko to są zjawiska naturalne.

Zjawiska fizyczne

Pamiętajmy, że ciała składają się z substancji. Zauważmy, że podczas niektórych zjawisk substancje ciał się nie zmieniają, natomiast podczas innych tak. Na przykład, jeśli rozerwiesz kartkę papieru na pół, to pomimo zmian, jakie zaszły, papier pozostanie papierowy. Jeśli spalisz papier, zamieni się on w popiół i dym.

Zjawiska, w których wielkość, kształt ciał, stan substancji mogą się zmieniać, ale substancje pozostają takie same, nie przekształcają się w inne, nazywane są zjawiskami fizycznymi(parowanie wody, świecenie żarówki, dźwięk strun instrumentu muzycznego itp.).

Zjawiska fizyczne są niezwykle różnorodne. Wśród nich są mechaniczne, termiczne, elektryczne, świetlne itd.

Przypomnijmy sobie, jak chmury płyną po niebie, leci samolot, jedzie samochód, spada jabłko, toczy się wózek itp. We wszystkich powyższych zjawiskach obiekty (ciała) poruszają się. Nazywa się zjawiska związane ze zmianą położenia ciała względem innych ciał mechaniczny(przetłumaczone z greckiego „mechane” oznacza maszyna, broń).

Wiele zjawisk jest spowodowanych naprzemiennym działaniem ciepła i zimna. W tym przypadku zmiany zachodzą we właściwościach samych ciał. Zmieniają kształt, rozmiar, zmienia się stan tych ciał. Na przykład po podgrzaniu lód zamienia się w wodę, a woda w parę; Kiedy temperatura spada, para zamienia się w wodę, a woda w lód. Nazywa się zjawiska związane z nagrzewaniem i chłodzeniem ciał termiczny(ryc. 35).


Ryż. 35. Zjawisko fizyczne: przejście substancji z jednego stanu w drugi. Jeśli zamrozisz krople wody, lód utworzy się ponownie

Rozważmy elektryczny zjawiska. Słowo „elektryczność” pochodzi od greckiego słowa „elektron” - bursztyn. Pamiętaj, że gdy szybko zdejmiesz wełniany sweter, usłyszysz delikatny dźwięk trzaskania. Jeśli zrobisz to samo w całkowitej ciemności, również zobaczysz iskry. To najprostsze zjawisko elektryczne.

Aby zapoznać się z innym zjawiskiem elektrycznym, wykonaj następujący eksperyment.

Podrzyj małe kawałki papieru i połóż je na powierzchni stołu. Rozczesz czyste i suche włosy plastikowym grzebieniem i przymocuj je do kawałków papieru. Co się stało?


Ryż. 36. Małe kawałki papieru przyciągają grzebień

Nazywa się ciała, które po pocieraniu są w stanie przyciągać lekkie przedmioty zelektryzowany(ryc. 36). Błyskawice podczas burzy, zorze polarne, elektryfikacja papieru i tkanin syntetycznych to zjawiska elektryczne. Działanie telefonu, radia, telewizji i różnych urządzeń gospodarstwa domowego to przykłady wykorzystania przez człowieka zjawisk elektrycznych.

Zjawiska związane ze światłem nazywane są zjawiskami świetlnymi. Światło emitowane jest przez Słońce, gwiazdy, lampy i niektóre żywe stworzenia, takie jak świetliki. Organy takie nazywane są rozjarzony.

Widzimy pod warunkiem ekspozycji na światło na siatkówce oka. W absolutnej ciemności nie widzimy. Obiekty, które same nie emitują światła (na przykład drzewa, trawa, strony tej książki itp.) Są widoczne tylko wtedy, gdy otrzymają światło od jakiegoś świetlistego ciała i odbiją je od swojej powierzchni.

Księżyc, o którym często mówimy jako o luminarze nocnym, tak naprawdę jest jedynie rodzajem odbłyśnika światła słonecznego.

Badając fizyczne zjawiska przyrody, człowiek nauczył się wykorzystywać je w życiu codziennym.

1. Jak nazywają się zjawiska naturalne?

2. Przeczytaj tekst. Wymień, jakie zjawiska naturalne są w nim nazwane: „Nadeszła wiosna. Słońce przygrzewa coraz bardziej. Śnieg topnieje, płyną strumienie. Pąki na drzewach spuchły i przybyły gawrony.

3. Jakie zjawiska nazywamy fizycznymi?

4. Spośród wymienionych poniżej zjawisk fizycznych wpisz w pierwszej kolumnie zjawiska mechaniczne; w drugim - termiczny; w trzecim - elektryczny; w czwartym – zjawiska świetlne.

Zjawiska fizyczne: błyskawica; topnienie śniegu; wybrzeże; topienie metali; działanie dzwonka elektrycznego; tęcza na niebie; słoneczny króliczek; ruchome kamienie, piasek z wodą; gotująca się woda.

<<< Назад
Do przodu >>>

Od czasów starożytnych miraże i migoczące postacie w powietrzu niepokoiły i przerażały ludzi. Współcześnie naukowcy odkryli wiele tajemnic natury, w tym zjawiska optyczne. Nie dziwią ich naturalne tajemnice, których istotę od dawna badano. Dziś w liceum o zjawiskach optycznych uczy się na fizyce w ósmej klasie, dzięki czemu każdy uczeń może zrozumieć ich naturę.

Podstawowe koncepcje

Naukowcy starożytni wierzyli, że ludzkie oko widzi, dotykając obiektów najcieńszymi mackami. Optyka w tamtych czasach była nauką o widzeniu.

W średniowieczu optyka badała światło i jego istotę.

Obecnie optyka jest gałęzią fizyki badającą propagację światła w różnych ośrodkach i jego interakcję z innymi substancjami. Wszystkie zagadnienia związane ze wzrokiem bada optyka fizjologiczna.

Zjawiska optyczne są przejawem różnorodnych działań promieni świetlnych. Bada się je za pomocą optyki atmosferycznej.

Niezwykłe procesy w atmosferze

Planeta Ziemia jest otoczona gazową powłoką zwaną atmosferą. Jego grubość wynosi setki kilometrów. Bliżej Ziemi atmosfera jest gęstsza i rozrzedzona ku górze. Właściwości fizyczne powłoki atmosferycznej stale się zmieniają, warstwy są mieszane. Zmień wskaźniki temperatury. Gęstość i stopień przesunięcia przezroczystości.

Promienie świetlne docierają ze Słońca i innych ciał niebieskich w stronę Ziemi. Przechodzą przez atmosferę ziemską, która stanowi dla nich specyficzny układ optyczny zmieniający swoje właściwości. odbijają się, rozpraszają, przechodzą przez atmosferę i oświetlają ziemię. W pewnych warunkach droga promieni zagina się, przez co powstają różne zjawiska. Za najbardziej oryginalne zjawiska optyczne fizycy uważają:

  • zachód słońca;
  • pojawienie się tęczy;
  • zorza polarna;
  • miraż;
  • aureola.

Przyjrzyjmy się im bliżej.

Halo wokół Słońca

Samo słowo „halo” oznacza po grecku „okrąg”. Jakie zjawisko optyczne leży u jego podstaw?

Aureola to proces załamania i odbicia światła zachodzący w kryształach chmur wysoko w atmosferze. Zjawisko to wygląda jak promienie świetlne w pobliżu Słońca, ograniczone do ciemnych odstępów. Aureole powstają zwykle przed cyklonami i mogą być ich prekursorami.

Krople wody zamarzają w powietrzu i przybierają regularny, pryzmatyczny kształt z sześcioma bokami. Każdy zna sople lodu pojawiające się w niższych warstwach atmosfery. U góry takie lodowe igły swobodnie opadają w kierunku pionowym. Krystaliczne kry lodowe wirują i opadają na ziemię, będąc równolegle do niej. Osoba kieruje widzeniem poprzez kryształy, które działają jak soczewki i załamują światło.

Inne pryzmaty są płaskie lub wyglądają jak gwiazdy z sześcioma promieniami. Promienie światła padające na kryształy nie mogą ulegać załamaniu ani szeregowi innych procesów. Rzadko zdarza się, aby wszystkie procesy były wyraźnie widoczne, zwykle jedna lub druga część zjawiska jest wyraźniejsza, inne zaś słabo reprezentowane.

Mniejsze halo to okrąg wokół Słońca o promieniu około 22 stopni. Kolor koła jest od wewnątrz czerwonawy, następnie przechodzi w żółty, biały i miesza się z błękitem nieba. Wewnętrzna część okręgu jest ciemna. Powstaje w wyniku załamania światła w igłach lodu unoszących się w powietrzu. Promienie w pryzmatach odchylają się pod kątem 22 stopni, więc te, które przeszły przez kryształy, wydają się obserwatorowi odchylone o 22 stopnie. Dlatego wydaje się ciemny.

Czerwony kolor jest mniej załamany i wydaje się najmniej odchylony od słońca. Następny jest żółty. Inne promienie mieszają się i dla oka wydają się białe.

Istnieje halo o kącie 46 stopni, jest ono umiejscowione wokół halo o kącie 22 stopni. Jej wewnętrzna część jest również czerwonawa, ponieważ światło ulega załamaniu w igłach lodowych, które są zwrócone o 90 stopni w stronę słońca.

Znane jest również halo 90 stopni, które świeci słabo, prawie nie ma koloru lub jest zabarwione na czerwono na zewnątrz. Naukowcy nie zbadali jeszcze w pełni tego gatunku.

Halo wokół Księżyca i inne typy

To zjawisko optyczne jest często widoczne, jeśli na niebie znajdują się jasne chmury i wiele miniaturowych krystalicznych kry lodowych. Każdy taki kryształ jest rodzajem pryzmatu. Zasadniczo ich kształt to wydłużone sześciokąty. Światło wpada do przedniego obszaru krystalicznego i wychodzi z przeciwnego obszaru i zostaje załamane pod kątem 22 stopni.

Zimą w zimnym powietrzu w pobliżu latarni ulicznych można zobaczyć aureolę. Pojawia się dzięki światłu latarni.

Aureola może również tworzyć się wokół Słońca w mroźnym, śnieżnym powietrzu. Płatki śniegu są w powietrzu, światło przechodzi przez chmury. O zachodzie słońca to światło zmienia kolor na czerwony. W minionych stuleciach przesądni ludzie byli przerażeni takimi zjawiskami.

Aureola może wyglądać jak tęczowy okrąg wokół Słońca. Wydaje się, że w atmosferze jest wiele kryształów o sześciu stronach, ale nie odbijają one, ale załamują promienie słoneczne. Większość promieni jest rozproszona, nie docierając do naszego wzroku. Pozostałe promienie docierają do ludzkich oczu i zauważamy tęczowy okrąg wokół Słońca. Jego promień wynosi około 22 stopni lub 46 stopni.

Fałszywe słońce

Naukowcy zauważyli, że okrąg halo jest zawsze jaśniejszy po bokach. Wyjaśnia to fakt, że spotykają się tutaj aureola pionowa i pozioma. W miejscach przecięcia mogą pojawić się fałszywe słońca. Dzieje się tak szczególnie często, gdy Słońce znajduje się blisko horyzontu i wtedy nie widzimy już części pionowego koła.

Fałszywe słońce to także zjawisko optyczne, rodzaj aureoli. Pojawia się dzięki kryształkom lodu o sześciu bokach, w kształcie paznokci. Kryształy takie unoszą się w atmosferze w kierunku pionowym, światło załamuje się na ich bocznych powierzchniach.

Trzecie „słońce” może również powstać, jeśli nad prawdziwym słońcem widoczna będzie tylko powierzchowna część koła halo. Może to być odcinek łuku lub plamka świetlna o niezrozumiałym kształcie. Czasami fałszywe słońca są tak jasne, że nie można ich odróżnić od prawdziwego słońca.

Tęcza

Jest to forma niepełnego koła o różnych kolorach.

Religie starożytności rozważano od nieba do ziemi. Arystoteles wierzył, że tęcza pojawia się w wyniku odbicia kropel światła słonecznego. Jakie inne zjawisko optyczne może zachwycić człowieka tak bardzo, jak tęcza?

W XVII wieku Kartezjusz badał naturę tęczy. Później Newton przeprowadził eksperymenty ze światłem i rozszerzył teorię Kartezjusza, ale nie mógł zrozumieć powstawania kilku tęcz i braku w nich poszczególnych odcieni kolorów.

Kompletną teorię tęczy przedstawił w XIX wieku angielski astronom D. Airy. To on zdołał odkryć wszystkie procesy tęczy. Opracowana przez niego teoria jest nadal akceptowana.

Tęcza pojawia się, gdy światło słoneczne uderza w kurtynę wody deszczowej w obszarze nieba naprzeciw Słońca. Środek tęczy znajduje się w punkcie po przeciwnej stronie Słońca, to znaczy nie jest widoczny dla ludzkiego oka. Łuk tęczy to część okręgu wokół tego centralnego punktu.

Kolory tęczy ułożone są w określonej kolejności. On jest stały. Czerwony - wzdłuż górnej krawędzi, fioletowy - wzdłuż dolnej. Pomiędzy nimi kolory są w ścisłym układzie. Tęcza nie zawiera wszystkich istniejących kolorów. Przewaga koloru zielonego wskazuje na przejście do sprzyjającej pogody.

Zorze polarne

Jest to blask w górnych warstwach magnetycznych atmosfery w wyniku interakcji atomów i pierwiastków wiatru słonecznego. Zazwyczaj zorze mają odcienie zielone lub niebieskie przeplatane różem i czerwienią. Mogą mieć formę wstążki lub plamki. Ich wybuchom często towarzyszą hałaśliwe dźwięki.

Miraż

Proste oszustwa mirażowe są znane każdej osobie. Np. podczas jazdy po nagrzanym asfalcie pojawia się miraż, co nikogo nie dziwi. Jakie zjawisko optyczne wyjaśnia pojawienie się miraży? Przyjrzyjmy się temu zagadnieniu bardziej szczegółowo.

Miraż to optyczne zjawisko fizyczne występujące w atmosferze, w wyniku którego oko widzi przedmioty ukryte w normalnych warunkach. Wyjaśnia to załamanie wiązki światła podczas przepływu przez warstwy powietrza. Obiekty znajdujące się w znacznej odległości mogą unosić się lub opadać w stosunku do ich rzeczywistej lokalizacji lub mogą zostać zniekształcone i przybrać dziwaczne kształty.

Brocki Duch

Jest to zjawisko, w którym o zachodzie lub wschodzie słońca cień osoby znajdującej się na wzgórzu nabiera niezrozumiałych rozmiarów, gdy pada na pobliskie chmury. Dzieje się tak na skutek odbicia i załamania promieni świetlnych przez kropelki wody podczas mgły. Zjawisko zostało nazwane na cześć jednego ze szczytów niemieckich gór Harz.

Ogień Świętego Elma

Są to świecące pędzle w kolorze niebieskim lub fioletowym na masztach statków morskich. Światła mogą pojawić się na górskich wysokościach, na budynkach o imponującej wysokości. Zjawisko to występuje w wyniku wyładowań elektrycznych na końcach przewodów w wyniku wzrostu napięcia elektrycznego.

Są to zjawiska optyczne omawiane na lekcjach w ósmej klasie. Porozmawiajmy o urządzeniach optycznych.

Projekty w optyce

Urządzenia optyczne to urządzenia przetwarzające promieniowanie świetlne. Zazwyczaj urządzenia te działają w świetle widzialnym.

Wszystkie urządzenia optyczne można podzielić na dwa typy:

  1. Urządzenia, w których obraz jest generowany na ekranie. Są to aparaty fotograficzne, kamery filmowe, urządzenia projekcyjne.
  2. Urządzenia, które wchodzą w interakcję z ludzkim okiem, ale nie generują obrazu na ekranie. Są to lupy, mikroskopy, teleskopy. Urządzenia te są uważane za wizualne.

Aparat to urządzenie optyczno-mechaniczne służące do uzyskiwania obrazu obiektu na kliszy fotograficznej. Konstrukcja aparatu obejmuje kamerę i obiektywy tworzące obiektyw. Soczewka tworzy odwrócony, pomniejszony obraz obiektu uchwycony na kliszy. Dzieje się tak na skutek działania światła.

Obraz jest początkowo niewidoczny, ale dzięki opracowanemu rozwiązaniu staje się widoczny. Obraz ten nazywa się negatywem, w którym jasne obszary wydają się ciemne i odwrotnie. Negatyw zamienia się w pozytyw na papierze światłoczułym. Używając powiększalnika do zdjęć, obraz zostaje powiększony.

Szkło powiększające to soczewka lub system soczewek przeznaczony do powiększania obiektów podczas ich oglądania. Lupę umieszcza się obok oka i wybiera się odległość, z której obiekt będzie wyraźnie widoczny. Zastosowanie szkła powiększającego polega na zwiększeniu kąta widzenia, z którego oglądany jest obiekt.

Aby uzyskać większe powiększenie kątowe, stosuje się mikroskop. W tym urządzeniu obiekty powiększane są dzięki układowi optycznemu składającemu się z soczewki i okularu. Najpierw kąt widzenia zwiększany jest przez soczewkę, a następnie przez okular.

Zbadaliśmy więc główne zjawiska i urządzenia optyczne, ich odmiany i cechy.

„Zjawiska optyczne w przyrodzie”

    1. Wstęp

      2. a) Pojęcie optyki

      b) Klasyfikacja optyki

      c) Optyka w rozwoju fizyki współczesnej

    2. Zjawiska związane z odbiciem światła

4. Zorze

Wstęp

Koncepcja optyki

Pierwsze pomysły starożytnych naukowców na temat światła były bardzo naiwne. Myśleli, że wrażenia wizualne powstają, gdy przedmioty są wyczuwane specjalnymi cienkimi mackami, które wychodzą z oczu. Optyka była nauką o wzroku, tak najtrafniej można przetłumaczyć to słowo.

Stopniowo w średniowieczu optyka przekształciła się z nauki o widzeniu w naukę o świetle, co ułatwiło wynalezienie soczewek i kamery obscura. Obecnie optyka jest gałęzią fizyki badającą emisję światła i jego propagację w różnych ośrodkach, a także jego oddziaływanie z materią. Zagadnienia związane ze wzrokiem, budową i funkcjonowaniem oka stały się odrębną dziedziną naukową – optyką fizjologiczną.

Klasyfikacja optyki

Promienie świetlne to linie geometryczne, wzdłuż których rozchodzi się energia świetlna; rozważając wiele zjawisk optycznych, można skorzystać z ich idei. W tym przypadku mówimy o optyce geometrycznej (promieniowej). Optyka geometryczna stała się powszechna w inżynierii oświetleniowej, a także przy rozważaniu działania wielu instrumentów i urządzeń - od szkieł powiększających i szkieł po najbardziej skomplikowane teleskopy i mikroskopy optyczne.

Intensywne badania nad odkrytymi wcześniej zjawiskami interferencji, dyfrakcji i polaryzacji światła rozpoczęły się na początku XIX wieku. Procesów tych nie udało się wyjaśnić w ramach optyki geometrycznej, dlatego konieczne było rozważenie światła w postaci fal poprzecznych. W rezultacie pojawiła się optyka falowa. Początkowo sądzono, że światło to fale sprężyste w pewnym ośrodku (eterze światowym) wypełniające przestrzeń świata.

Ale angielski fizyk James Maxwell w 1864 roku stworzył elektromagnetyczną teorię światła, zgodnie z którą fale świetlne są falami elektromagnetycznymi o odpowiednim zakresie długości.

Już na początku XX wieku nowe badania wykazały, że aby wyjaśnić niektóre zjawiska, np. efekt fotoelektryczny, konieczne jest przedstawienie wiązki światła w postaci strumienia osobliwych cząstek – kwantów świetlnych. Izaak Newton miał podobny pogląd na naturę światła 200 lat temu w swojej „teorii wylewu światła”. Teraz robi to optyka kwantowa.

Rola optyki w rozwoju współczesnej fizyki.

Optyka odegrała także znaczącą rolę w rozwoju współczesnej fizyki. Pojawienie się dwóch najważniejszych i rewolucyjnych teorii XX wieku (mechaniki kwantowej i teorii względności) jest w zasadzie związane z badaniami optycznymi. Optyczne metody analizy materii na poziomie molekularnym dały początek specjalnej dziedzinie nauki - optyce molekularnej, do której zalicza się także spektroskopia optyczna, stosowanej we współczesnej materiałoznawstwie, badaniach plazmy i astrofizyce. Istnieje również optyka elektronowa i neutronowa.

Na obecnym etapie rozwoju stworzono mikroskop elektronowy i zwierciadło neutronowe oraz opracowano modele optyczne jąder atomowych.

Optyka, wpływając na rozwój różnych dziedzin współczesnej fizyki, sama jest dziś w okresie szybkiego rozwoju. Głównym impulsem do tego rozwoju było wynalezienie laserów – intensywnych źródeł spójnego światła. W rezultacie optyka falowa wzniosła się na wyższy poziom, poziom optyki spójnej.

Dzięki pojawieniu się laserów pojawiło się wiele rozwijających się dziedzin nauki i techniki. Należą do nich optyka nieliniowa, holografia, optyka radiowa, optyka pikosekundowa, optyka adaptacyjna itp.

Radiooptyka powstała na skrzyżowaniu radiotechniki i optyki i zajmuje się badaniem optycznych metod przesyłania i przetwarzania informacji. Metody te łączone są z tradycyjnymi metodami elektronicznymi; W rezultacie powstał kierunek naukowo-techniczny zwany optoelektroniką.

Przedmiotem światłowodów jest transmisja sygnałów świetlnych poprzez włókna dielektryczne. Wykorzystując osiągnięcia optyki nieliniowej, możliwa jest zmiana czoła fali wiązki światła, które ulega modyfikacji w miarę rozchodzenia się światła w określonym ośrodku, np. w atmosferze czy wodzie. W konsekwencji pojawiła się i jest intensywnie rozwijana optyka adaptacyjna. Ściśle z tym 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. Można bez przesady 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.

Okulary ochronne

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 przebudowy. 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 do okularów przeciwsłonecznych.

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 przez nierówną powierzchnię 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 występująca w liściach roślin, która powoduje 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 fali. 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

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

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 zrelacjonować miraż, 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. Właśnie takim mirażom należy przypisać „Latącego 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 w podobnych „przewodnikach świetlnych”, które czasami tworzy natura.

Tęcza to piękne zjawisko niebieskie, które zawsze przyciągało ludzką uwagę. W dawnych czasach, kiedy ludzie jeszcze 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 burze magnetyczne, tzw. dodatkowe niestabilne pola magnetyczne. Kiedy atmosfera świeci, emituje promienie rentgenowskie, które najprawdopodobniej są wynikiem zwalniania elektronów w atmosferze.

Częstym błyskom blasku prawie zawsze towarzyszą dźwięki przypominające hałas i trzaski. Zorze mają ogromny wpływ na silne zmiany w jonosferze, co z kolei wpływa na warunki komunikacji radiowej, czyli łączność radiowa ulega znacznemu pogorszeniu, co skutkuje poważnymi zakłóceniami, a nawet całkowitą utratą odbioru.

Pojawienie się zorzy.

Ziemia jest ogromnym magnesem, którego biegun północny znajduje się w pobliżu południowego bieguna geograficznego, a biegun południowy znajduje się w pobliżu północy. Linie pola magnetycznego Ziemi to linie geomagnetyczne wychodzące z obszaru sąsiadującego z północnym biegunem magnetycznym Ziemi. Pokrywają całą kulę ziemską i wchodzą do niej w rejonie południowego bieguna magnetycznego, tworząc wokół Ziemi toroidalną sieć.

Przez długi czas uważano, że położenie linii pola magnetycznego jest symetryczne względem osi Ziemi. Ale tak naprawdę okazało się, że tzw. „wiatr słoneczny”, czyli strumień protonów i elektronów emitowanych przez Słońce, atakuje powłokę geomagnetyczną Ziemi z wysokości około 20 000 km. Odciąga go od Słońca, tworząc w ten sposób rodzaj magnetycznego „ogona” na Ziemi.

Gdy elektron lub proton znajdzie się w polu magnetycznym Ziemi, porusza się po spirali, owijając się wokół linii geomagnetycznej. Cząstki te, wpadając od wiatru słonecznego do ziemskiego pola magnetycznego, dzielą się na dwie części: jedna część wzdłuż linii pola magnetycznego natychmiast wpływa do obszarów polarnych Ziemi, a druga dostaje się do wnętrza teroidu i przemieszcza się w jego wnętrzu, zgodnie z można wykonać zgodnie z regułą lewej ręki, wzdłuż zamkniętej krzywej ABC. Ostatecznie te protony i elektrony również przepływają wzdłuż linii geomagnetycznych do rejonu biegunów, gdzie pojawia się ich zwiększone stężenie. Protony i elektrony powodują jonizację i wzbudzenie atomów i cząsteczek gazów. Mają na to dość energii. Ponieważ protony docierają na Ziemię z energiami 10 000-20 000 eV (1 eV = 1,6 · 10 J), a elektrony z energiami 10-20 eV. Ale do jonizacji atomów konieczne jest: dla wodoru - 13,56 eV, dla tlenu - 13,56 eV, dla azotu - 124,47 eV, a jeszcze mniej dla wzbudzenia.

W oparciu o zasadę występującą w rurkach z rozrzedzonym gazem, gdy przepływa przez nie prąd, wzbudzone atomy gazu oddają otrzymaną energię w postaci światła.

Zielono-czerwona poświata, zgodnie z wynikami badań spektralnych, należy do wzbudzonych atomów tlenu, natomiast podczerwona i fioletowa poświata 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. Kolejnym słabym źródłem światła czerwonego są atomy wodoru powstałe w górnych warstwach atmosfery z protonów przybywających ze Słońca. Taki proton po wychwyceniu elektronu zamienia się we wzbudzony atom wodoru i emituje światło czerwone.

Po rozbłyskach słonecznych rozbłyski zorzowe zwykle pojawiają się w ciągu jednego lub dwóch dni. Wskazuje to na związek pomiędzy tymi zjawiskami. Badania z wykorzystaniem rakiet wykazały, że w miejscach o większym natężeniu zorzy utrzymuje się wyższy poziom jonizacji gazów przez elektrony. Według naukowców maksymalną intensywność zorzy osiąga się u wybrzeży oceanów i mórz.

Naukowe wyjaśnienie wszystkich zjawisk związanych z zorzą polarną wiąże się z wieloma trudnościami. Oznacza to, że mechanizm przyspieszania cząstek do określonych energii nie jest do końca poznany, trajektorie ich ruchu w przestrzeni blisko Ziemi nie są jasne, mechanizm powstawania różnego rodzaju luminescencji nie jest do końca jasny, pochodzenie dźwięków jest niejasne i nie wszystko zgadza się ilościowo w bilansie energetycznym jonizacji i wzbudzenia cząstek.

Używane książki:

    1. „Fizyka w przyrodzie”, autor - L. V. Tarasow, Wydawnictwo Prosveshchenie, Moskwa, 1988.
    2. „Zjawiska optyczne w przyrodzie”, autor - V. L. Bulat, wydawnictwo „Prosveshchenie”, Moskwa, 1974.
    3. „Rozmowy o fizyce, część II”, autor - M.I. Bludov, Wydawnictwo Prosveshchenie, Moskwa, 1985.
    4. „Fizyka 10”, autorzy - G. Ya Myakishev B. B. Bukhovtsev, wydawnictwo Prosveshchenie, Moskwa, 1987.
    5. „Encyklopedyczny słownik młodego fizyka”, oprac. V. A. Chuyanov, Wydawnictwo Pedagogika, Moskwa, 1984.
    6. „Podręcznik dla dzieci w wieku szkolnym z fizyki”, oprac. Towarzystwo filologiczne „Slovo”, 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.

Człowiek stale spotyka się ze zjawiskami świetlnymi. Wszystko, co wiąże się z pojawieniem się światła, jego propagacją i interakcją z materią, nazywa się zjawiskami świetlnymi. Żywymi przykładami zjawisk optycznych mogą być: tęcza po deszczu, błyskawica podczas burzy, migotanie gwiazd na nocnym niebie, gra świateł w strumieniu wody, zmienność oceanu i nieba i wiele innych.

Kiedy uczniowie rozpoczynają naukę fizyki, w siódmej klasie otrzymują naukowe wyjaśnienia zjawisk fizycznych i przykłady optyczne. Dla wielu optyka stanie się najbardziej fascynującym i tajemniczym działem szkolnego programu nauczania fizyki.

Co widzi dana osoba?

Ludzkie oczy są zaprojektowane w taki sposób, że mogą postrzegać jedynie kolory tęczy. Dziś już wiadomo, że spektrum tęczy nie ogranicza się do czerwieni z jednej strony i fioletu z drugiej. Po czerwieni przychodzi podczerwień, po fioletie nadfiolet. Wiele zwierząt i owadów widzi te kolory, ale ludzie niestety nie. Ale człowiek może stworzyć urządzenia, które odbierają i emitują fale świetlne o odpowiedniej długości.

Załamanie promieni

Światło widzialne to tęcza kolorów, a światło białe, takie jak światło słoneczne, to prosta kombinacja tych kolorów. Jeśli umieścisz pryzmat w wiązce jasnego, białego światła, rozpadnie się on na kolory lub długości fal, z których się składa. Najpierw pojawi się kolor czerwony o dłuższej długości fali, następnie pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski i na końcu fioletowy, który ma najkrótszą długość fali w świetle widzialnym.

Jeśli weźmiesz inny pryzmat, aby złapać światło tęczy i odwrócisz je do góry nogami, wszystkie kolory połączą się w biel. Istnieje wiele przykładów zjawisk optycznych w fizyce; rozważmy niektóre z nich.

Dlaczego niebo jest niebieskie?

Młodych rodziców często dezorientują najprostsze, na pierwszy rzut oka, pytania dotyczące ich małych „dlaczego”. Czasami najtrudniej jest odpowiedzieć na nie. Prawie wszystkie przykłady zjawisk optycznych w przyrodzie można wyjaśnić współczesną nauką.

Światło słoneczne oświetlające niebo w ciągu dnia jest białe, co oznacza, że ​​teoretycznie niebo powinno być również jasnobiałe. Aby światło wyglądało na niebieskie, konieczne są pewne procesy ze światłem przechodzącym przez atmosferę ziemską. Oto, co się dzieje: część światła przechodzi przez wolną przestrzeń pomiędzy cząsteczkami gazu w atmosferze, dociera do powierzchni ziemi i pozostaje w tym samym białym kolorze, co na początku. Ale światło słoneczne napotyka cząsteczki gazu, które podobnie jak tlen są pochłaniane, a następnie rozpraszane we wszystkich kierunkach.

Atomy w cząsteczkach gazu są aktywowane przez pochłaniane przez nie światło i ponownie emitują fotony światła o długościach fal od czerwonego do fioletu. W ten sposób część światła kierowana jest w stronę Ziemi, reszta jest odsyłana z powrotem do Słońca. Jasność emitowanego światła zależy od koloru. Na każdy foton światła czerwonego uwalnianych jest osiem fotonów światła niebieskiego. Dlatego światło niebieskie jest osiem razy jaśniejsze niż czerwone. Intensywne niebieskie światło emitowane jest ze wszystkich kierunków przez miliardy cząsteczek gazu i dociera do naszych oczu.

Wielokolorowy łuk

Dawno, dawno temu ludzie myśleli, że tęcze to znaki zesłane im przez bogów. Rzeczywiście, piękne wielokolorowe wstążki zawsze pojawiają się na niebie nie wiadomo skąd, a potem równie tajemniczo znikają. Dziś wiemy, że tęcza jest jednym z przykładów zjawisk optycznych w fizyce, ale nie przestajemy się nią zachwycać za każdym razem, gdy widzimy ją na niebie. Co ciekawe, każdy obserwator widzi inną tęczę, utworzoną przez promienie światła dochodzące zza niego i z kropel deszczu przed nim.

Z czego zbudowana jest tęcza?

Przepis na te zjawiska optyczne w przyrodzie jest prosty: kropelki wody w powietrzu, światło i obserwator. Jednak nie wystarczy, że w czasie deszczu pojawi się słońce. Powinien być nisko, a obserwator powinien stać tak, aby słońce było za nim i patrzeć na miejsce, w którym pada deszcz lub właśnie padał deszcz.

Promień słońca docierający z odległego kosmosu łapie kroplę deszczu. Kropla deszczu, zachowując się jak pryzmat, załamuje każdy kolor ukryty w białym świetle. Tak więc, gdy biały promień przechodzi przez kroplę deszczu, nagle rozdziela się na piękne, wielokolorowe promienie. Wewnątrz kropli napotykają jej wewnętrzną ścianę, która działa jak lustro, a promienie odbijają się w tym samym kierunku, z którego weszły do ​​kropli.

Efektem końcowym jest to, że oczy widzą tęczę kolorów rozciągającą się po niebie – światło załamane i odbite przez miliony drobnych kropel deszczu. Mogą działać jak małe pryzmaty, rozdzielając białe światło na spektrum kolorów. Ale deszcz nie zawsze jest konieczny, aby zobaczyć tęczę. Światło może być również załamane przez mgłę lub parę morską.

Jakiego koloru jest woda?

Odpowiedź jest oczywista – woda jest niebieska. Jeśli nalejesz do szklanki czystą wodę, wszyscy zobaczą jej przejrzystość. Dzieje się tak dlatego, że w szklance jest za mało wody, a kolor jest zbyt blady i nie widać go.

Podczas napełniania dużego szklanego pojemnika widać naturalny niebieski odcień wody. Jego kolor zależy od tego, jak cząsteczki wody absorbują lub odbijają światło. Białe światło składa się z tęczy kolorów, a cząsteczki wody pochłaniają większość kolorów widma od czerwonego do zielonego, które przez nie przechodzą. A niebieska część jest odbijana. Widzimy więc kolor niebieski.

Wschody i zachody słońca

To także przykłady zjawisk optycznych, które człowiek obserwuje na co dzień. Kiedy słońce wschodzi i zachodzi, kieruje swoje promienie pod kątem w stronę miejsca, w którym znajduje się obserwator. Mają dłuższą drogę niż wtedy, gdy słońce znajduje się w zenicie.

Warstwy powietrza nad powierzchnią Ziemi często zawierają dużo pyłu lub mikroskopijnych cząstek wilgoci. Promienie słoneczne padają pod kątem na powierzchnię i są filtrowane. Promienie czerwone mają najdłuższą długość fali promieniowania i dlatego łatwiej przenikają do ziemi niż promienie niebieskie, które mają krótkie fale i są odbijane przez cząsteczki kurzu i wody. Dlatego o świcie porannym i wieczornym człowiek obserwuje tylko część promieni słonecznych docierających do ziemi, a mianowicie czerwone.

Pokaz świateł planety

Typowa zorza polarna to kolorowy pokaz światła na nocnym niebie, który można zobaczyć każdej nocy na biegunie północnym. Zmieniające się dziwaczne kształty, ogromne pasma niebiesko-zielonego światła z pomarańczowymi i czerwonymi plamami czasami osiągają szerokość ponad 160 km i długość 1600 km.

Jak wytłumaczyć to zjawisko optyczne, które jest tak zapierającym dech w piersiach spektaklem? Zorze pojawiają się na Ziemi, ale są spowodowane procesami zachodzącymi na odległym Słońcu.

Jak leci?

Słońce to ogromna kula gazu składająca się głównie z atomów wodoru i helu. Wokół nich krążą protony o ładunku dodatnim i elektrony o ładunku ujemnym. Stałe halo gorącego gazu rozprzestrzenia się w przestrzeń kosmiczną w postaci wiatru słonecznego. Ta niezliczona ilość protonów i elektronów pędzi z prędkością 1000 km na sekundę.

Kiedy cząsteczki wiatru słonecznego docierają do Ziemi, są przyciągane przez silne pole magnetyczne planety. Ziemia jest gigantycznym magnesem, którego linie magnetyczne zbiegają się na biegunie północnym i południowym. Przyciągnięte cząstki przepływają wzdłuż niewidzialnych linii w pobliżu biegunów i zderzają się z atomami azotu i tlenu tworzącymi ziemską atmosferę.

Niektóre atomy Ziemi tracą swoje elektrony, inne są ładowane nową energią. Po zderzeniu z protonami i elektronami ze Słońca uwalniają fotony światła. Na przykład azot, który utracił elektrony, przyciąga światło fioletowe i niebieskie, podczas gdy naładowany azot świeci na ciemnoczerwono. Naładowany tlen emituje zielone i czerwone światło. W ten sposób naładowane cząstki powodują, że powietrze mieni się wieloma kolorami. To jest zorza.

Miraże

Należy od razu ustalić, że miraże nie są wytworem ludzkiej wyobraźni, można je nawet fotografować, są wręcz mistycznymi przykładami optycznych zjawisk fizycznych.

Istnieje wiele dowodów na obserwację miraży, ale nauka może dostarczyć naukowego wyjaśnienia tego cudu. Mogą być tak proste, jak skrawek wody wśród gorących piasków, lub mogą być oszałamiająco złożone, tworząc wizje wiszących zamków na filarach lub fregat. Wszystkie te przykłady zjawisk optycznych powstają w wyniku gry światła i powietrza.

Fale świetlne uginają się, gdy przechodzą przez najpierw ciepłe, a następnie zimne powietrze. Gorące powietrze jest bardziej rozrzedzone niż zimne, dlatego jego cząsteczki są bardziej aktywne i rozpraszają się na większe odległości. Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się również ruch cząsteczek.

Wizje widziane przez soczewki atmosfery ziemskiej mogą zostać znacznie zmienione, skompresowane, rozszerzone lub odwrócone. Dzieje się tak, ponieważ promienie świetlne załamują się, gdy przechodzą przez ciepłe, a następnie zimne powietrze i odwrotnie. A obrazy, które niesie ze sobą strumień światła, na przykład niebo, mogą odbijać się na gorącym piasku i sprawiać wrażenie kawałka wody, która zawsze oddala się, gdy się zbliża.

Najczęściej miraże można obserwować z dużych odległości: na pustyniach, morzach i oceanach, gdzie jednocześnie mogą występować gorące i zimne warstwy powietrza o różnej gęstości. To przejście przez różne warstwy temperatury może zakręcić falę świetlną i ostatecznie skutkować wizją, która jest odbiciem czegoś i jest przedstawiana w fantazji jako zjawisko rzeczywiste.

Aureola

W przypadku większości złudzeń optycznych, które można zaobserwować gołym okiem, wyjaśnieniem jest załamanie światła słonecznego w atmosferze. Jednym z najbardziej niezwykłych przykładów zjawisk optycznych jest halo słoneczne. Zasadniczo aureola to tęcza wokół słońca. Różni się jednak od zwykłej tęczy zarówno wyglądem, jak i właściwościami.

Zjawisko to ma wiele odmian, z których każda jest piękna na swój sposób. Aby jednak wystąpiło jakiekolwiek złudzenie optyczne, konieczne są pewne warunki.

Aureola pojawia się na niebie, gdy zbiega się kilka czynników. Najczęściej można go zobaczyć przy mroźnej pogodzie przy dużej wilgotności. W powietrzu unosi się duża liczba kryształków lodu. Przechodząc przez nie, światło słoneczne załamuje się w taki sposób, że tworzy łuk wokół Słońca.

I choć ostatnie 3 przykłady zjawisk optycznych są łatwo wyjaśnione przez współczesną naukę, dla zwykłego obserwatora często pozostają one mistyczne i zagadkowe.

Po zbadaniu głównych przykładów zjawisk optycznych możemy śmiało wierzyć, że wiele z nich może zostać wyjaśnionych przez współczesną naukę, pomimo ich mistycyzmu i tajemniczości. Ale przed naukowcami wciąż pozostaje wiele odkryć, wskazówek dotyczących tajemniczych zjawisk zachodzących na planecie Ziemia i poza nią.