Опитите на Птолемей върху пречупването на светлината. Прости експерименти за моделиране на пречупването на светлината в атмосферата Експерименти във физиката пречупване на светлината

Гръцкият астроном Клавдий Птолемей (ок. 130 г. сл. н. е.) е автор на забележителна книга, която е служила като основен учебник по астрономия в продължение на почти 15 века. Въпреки това, в допълнение към учебника по астрономия, Птолемей написа и книгата „Оптика“, в която очерта теорията на зрението, теорията на плоските и сферичните огледала и изследването на явлението пречупване на светлината. Птолемей се сблъсква с явлението пречупване на светлината, докато наблюдава звездите. Той забеляза, че светлинен лъч, преминавайки от една среда в друга, се „счупва“. Следователно звезден лъч преминава през земна атмосфера, достига повърхността на Земята не по права линия, а по крива линия, тоест възниква пречупване. Кривината на лъча се дължи на факта, че плътността на въздуха се променя с надморската височина.

За да изучи закона за пречупването, Птолемей проведе следния експеримент. Той взе кръг и фиксира линийките l1 и l2 върху оста, така че да могат да се въртят свободно около нея (виж фигурата). Птолемей потопи този кръг във вода до диаметър AB и, завъртайки долната линийка, се увери, че линийките лежат на една и съща права линия за окото (ако гледате по горната линийка). След това той извади кръга от водата и сравни ъглите на падане α и пречупване β. Той измерва ъгли с точност до 0,5°. Числата, получени от Птолемей, са представени в таблицата.

Птолемей не намери „формула“ за връзката между тези две серии от числа. Ако обаче определим синусите на тези ъгли, се оказва, че съотношението на синусите се изразява с почти същото число, дори и при такова грубо измерване на ъглите, към което прибягва Птолемей.

Поради пречупването на светлината в спокойна атмосфера, видимото положение на звездите в небето спрямо хоризонта

1) по-висока от действителната позиция

2) под реалната позиция

3) изместен на една или друга страна вертикално спрямо действителното положение

4) съвпада с действителната позиция

Край на формата

Начало на формата

В спокойна атмосфера се наблюдава положението на звездите, които не са перпендикулярни на повърхността на Земята в точката, където се намира наблюдателят. Какво е видимото положение на звездите - над или под действителното им положение спрямо хоризонта? Обяснете отговора си.

Край на формата

Начало на формата

В текста пречупването се отнася до явлението

1) промени в посоката на разпространение на светлинен лъч поради отражение на границата на атмосферата

2) промени в посоката на разпространение на светлинен лъч поради пречупване в земната атмосфера

3) поглъщане на светлината, докато се разпространява през земната атмосфера

4) огъване на светлинния лъч около препятствия и по този начин отклонение от праволинейно разпространение

Край на формата

Начало на формата

Кой от следните изводи противоречиОпитите на Птолемей?

1) ъгълът на пречупване е по-малък от ъгъла на падане, когато лъчът преминава от въздух към вода

2) С увеличаване на ъгъла на падане ъгълът на пречупване нараства линейно

3) съотношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване не се променя

4) синусът на ъгъла на пречупване зависи линейно от синуса на ъгъла на падане

Край на формата

Край на формата

Край на формата

Фотолуминесценция

Някои вещества при осветяване електромагнитно излъчванесами започват да светят. Това сияние или луминесценция е различно важна характеристика: Луминесцентната светлина има различен спектрален състав от светлината, която е причинила сиянието. Наблюденията показват, че луминесцентната светлина се характеризира с повече времевълни, отколкото вълнуваща светлина. Например, ако лъч виолетова светлина се насочи към конус, съдържащ разтвор на флуоресцеин, осветената течност започва да луминесцира ярко със зелено-жълта светлина.

Някои тела запазват способността си да светят известно време след прекратяване на осветяването им. Това последващо сияние може да има различна продължителност: от част от секундата до много часове. Обичайно е светене, което спира с осветяване, да се нарича флуоресценция, а светене, което има забележима продължителност, е фосфоресценция.

Фосфоресциращи кристални прахове се използват за покриване на специални екрани, които запазват блясъка си две до три минути след осветяване. Такива екрани също светят, когато са изложени на рентгенови лъчи.

Фосфоресциращите прахове са намерили много важна употреба в производството на лампи дневна светлина. В газоразрядни лампи, пълни с живачни пари, при преминаване електрически токвъзниква ултравиолетова радиация. Съветският физик S.I. Вавилов предложи покриване вътрешна повърхностТакива лампи съдържат специално произведен фосфоресциращ състав, който произвежда видима светлина при облъчване с ултравиолетова светлина. Чрез избора на състава на фосфоресциращото вещество е възможно да се получи спектрален състав на излъчената светлина възможно най-близо до спектралния състав на дневната светлина.

Явлението луминесценция се характеризира с изключително висока чувствителност: понякога 10 - 10 g светещо вещество, например в разтвор, е достатъчно, за да се открие това вещество чрез характерния му блясък. Това свойство е в основата на луминесцентния анализ, който позволява да се открият незначителни примеси и да се прецени за замърсители или процеси, водещи до промени в първоначалното вещество.

Човешките тъкани съдържат голям брой различни естествени флуорофори, които имат различни спектрални области на флуоресценция. Фигурата показва емисионните спектри на основните флуорофори на биологичните тъкани и мащаба на електромагнитните вълни.

Според представените данни пироксидинът свети

1) червена светлина

2) жълта светлина

3) зелена светлина

4) лилава светлина

Край на формата

Начало на формата

Предварително са осветени два еднакви кристала, които имат свойството да фосфоресцират в жълтата част на спектъра: първият с червени лъчи, вторият със сини лъчи. За кой от кристалите може да се наблюдава послесветене? Обяснете отговора си.

Край на формата

Начало на формата

При изследване хранителни продуктиЛуминесцентният метод може да се използва за идентифициране на разваляне и фалшифициране на продукти.
Таблицата показва показателите за луминесценция на мазнините.

Цветът на луминисценцията на маслото се променя от жълто-зелен на син. Това означава, че в масломожеше да добави

1) само кремообразен маргарин

2) само маргарин "Екстра".

3) само растителна сланина

4) някоя от следните мазнини

Край на формата

Албедо на Земята

Температурата на повърхността на Земята зависи от отразяващата способност на планетата - албедото. Повърхностното албедо е съотношението на енергийния поток към отразената слънчеви лъчикъм енергийния поток от слънчеви лъчи, падащи на повърхността, изразен като процент или част от единица. Албедото на Земята във видимата част на спектъра е около 40%. При липса на облаци ще бъде около 15%.

Албедото зависи от много фактори: наличието и състоянието на облачността, промените в ледниците, времето на годината и, съответно, валежите.

През 90-те години на 20 век става очевидна значимата роля на аерозолите – „облаци” от миниатюрни твърди и течни частици в атмосферата. При изгаряне на гориво във въздуха се отделят газообразна сяра и азотни оксиди; комбинирайки се в атмосферата с водни капки, те образуват сярна, азотна киселина и амоняк, които след това се превръщат в сулфатни и нитратни аерозоли. Аерозолите не само отразяват слънчева светлина, предотвратявайки достигането му до повърхността на Земята. Аерозолните частици служат като кондензационни ядра за атмосферната влага по време на образуването на облак и по този начин допринасят за увеличаване на облачността. А това от своя страна намалява притока на слънчева топлина към земната повърхност.

Прозрачността за слънчевата светлина в ниските слоеве на земната атмосфера също зависи от пожарите. Поради пожари в атмосферата се издигат прах и сажди, които покриват Земята с плътен екран и увеличават албедото на повърхността.

Кои твърдения са верни?

А.Аерозолите отразяват слънчевата светлина и по този начин помагат за намаляване на албедото на Земята.

б.Вулканичните изригвания увеличават албедото на Земята.

1) само А

2) само Б

3) както А, така и Б

4) нито А, нито Б

Край на формата

Начало на формата

Таблицата показва някои характеристики на планетите слънчева система- Венера и Марс. Известно е, че албедото на Венера A 1= 0,76 и албедото на Марс А 2= 0,15. Коя от характеристиките влияе основно върху разликата в албедото на планетите?

1) А 2) б 3) IN 4) Ж

Край на формата

Начало на формата

Увеличава ли се или намалява албедото на Земята по време на вулканични изригвания? Обяснете отговора си.

Край на формата

Начало на формата

Повърхностното албедо се отнася за

1) общ поток от слънчеви лъчи, падащи върху земната повърхност

2) съотношението на енергийния поток на отразената радиация към потока на абсорбираната радиация

3) съотношение на енергийния поток на отразената радиация към потока на падащата радиация

4) разликата между падащата и отразената радиационна енергия

Край на формата

Изследване на спектрите

Всички нагрети тела излъчват електромагнитни вълни. За експериментално изследване на зависимостта на интензитета на радиацията от дължината на вълната е необходимо:

1) разлагане на радиацията в спектър;

2) измерва разпределението на енергията в спектъра.

За получаване и изследване на спектрите се използват спектрални уреди – спектрографи. Диаграмата на призменния спектрограф е показана на фигурата. Изследваното лъчение първо влиза в тръба, в единия край на която има екран с тесен процеп, а в другия - събирателна леща Л 1 . Прорезът е във фокусната точка на лещата. Следователно, падащ върху лещата от процепа падащ върху лещата светлинен лъч излиза от нея като паралелен лъч и пада върху призмата Р.

Тъй като различните честоти съответстват на различни индекси на пречупване, от призмата излизат успоредни лъчи с различни цветове, но не съвпадат по посока. Те падат върху обектива Л 2. На фокусното разстояние на този обектив има екран, матирано стъклоили фотографска плака. Лещи Л 2 фокусира успоредни снопове лъчи върху екрана и вместо едно изображение на процепа, резултатът е цяла линияизображения. Всяка честота (по-точно тесен спектрален интервал) има свое собствено изображение под формата на цветна ивица. Всички тези изображения заедно
и образуват спектър.

Радиационната енергия кара тялото да се нагрява, така че е достатъчно да се измери телесната температура и по нея да се прецени количеството енергия, погълната за единица време. Като чувствителен елемент можете да вземете тънък метална чиния, покрита с тънък слой сажди, и чрез нагряване на плочата съдете за енергията на излъчване в тази част от спектъра.

Разлагането на светлината в спектър в апарата, показан на фигурата, се основава на

1) феномен на светлинна дисперсия

2) феномен на отразяване на светлината

3) феномен на поглъщане на светлина

4) свойства на тънка леща

Край на формата

Начало на формата

В призменно спектрографско устройство, лещата Л 2 (виж фигурата) се използва за

1) разлагане на светлината в спектър

2) фокусиране на лъчи с определена честота в тясна лента на екрана

3) определяне на интензитета на излъчване в различни части на спектъра

4) преобразуване на разминаващ се светлинен лъч в успоредни лъчи

Край на формата

Начало на формата

Необходимо ли е да се покрие металната пластина на термометър, използван в спектрограф, със слой сажди? Обяснете отговора си.

Край на формата

Начало на формата

Михалчук ​​Артьом Александрович, Абрамова Валерия Валериевна, ученици от 10 „Б“ клас на Общинско образователно учреждение „Средно училище № 8“, Саратов

Описание на собствените ми наблюдения на някои невероятни светлинни явления, опит да ги обясня, моделирам и изследвам експериментално в училищен кабинет по физика.

Изтегли:

Преглед:

Общинско учебно заведение

„Средно училище № 8 на Волжски район

град Саратов"

Пречупване на светлината в земната атмосфера и оптични илюзии

Учебна и изследователска работа по физика

Александрович

Ученик 10 "Б" клас

Общинска образователна институция "Средно училище № 8" Саратов

Ръководител: учител по физика

Иванова Татяна Петровна

Саратов 2008г

1. Въведение…………………………………………………………………………………3
2. Завършено вътрешно отражениесветлина…………………………………………... 4
3. „Черно огледало“……………………………………………………………….. 5
4. Отражение от нагрята вода………………………………………………. 6
5. Разпространение на светлината в слоеста нехомогенна среда……………………... 7
6. Астрономическа рефракция…………………………………………………………………….. 8
7. Особеността на залезите……………………………………………. 9
8. Наземна рефракция…………………………………………………………... 11
9. Симулация на двоен мираж………………………………………………………13
10. Заключение…………………………………………………………………………………… 14
11. Списък с референции…………………………………………………………... 15

Въведение

За да наблюдавате много оптични явления, не е необходимо да сте във физическа лаборатория, оборудвана със скъпи инструменти. Животът на Земята е невъзможен без топлото и ярко докосване на слънчевите лъчи. Достатъчно е само да се вгледате внимателно и край нас ще бъдат открити много удивителни явления, свързани със светлината.

Гледайки в обикновено огледало, можете да разберете законите на отражението. Докато се любувате на залеза, помислете за пречупването на светлината. Дъгите напомнят за дисперсия, а цветните крила на водните кончета напомнят за интерференция.

В някои случаи, за да се обяснят оптичните явления, природата на светлината не е важна; достатъчно е да се знаят нейните основни свойства: праволинейност на разпространение в хомогенна среда, законите на отражението и пречупването, т.е. владее геометрична оптика.

Целта на тази работа е да опишем собствените си наблюдения на някои удивителни светлинни явления, да се опитаме да ги обясним, моделираме и изследваме експериментално в училищна стая по физика. Следните демонстрации на описаните от V.V. Майер в учебни наръчници: пълно отражение на светлината, отражение от нагрята вода, огъване на светлинен лъч от оптически нехомогенна течност и неравномерно нагрят плексиглас. Проведените изследвания помогнаха да се обяснят красивите оптични явления, които се случват със светлината на границата между оптически хомогенна среда и в слоеста нехомогенна среда, каквато е земната атмосфера.

Пълно вътрешно отражение на светлината

Първото запознаване с пълното отражение на светлината в училище се случва, като правило, с добре позната демонстрация на пътя на лъча през полуцилиндър, изработен от плексиглас. Пречупването на светлината възниква на границата стъкло-въздух (n 1 > n 2 ).

Съгласно закона за пречупване отношението на синуса на ъгъла на падане към синуса на ъгъла на пречупване е постоянна стойност, равна на относителен показателпречупване на втората среда спрямо първата или отношение абсолютни показателипречупване на втората и първата среда.

защото n 1 > n 2, тогава sin β > sin α и следователно β> α . С увеличаване на ъгъла на падане ъглите на отражение и пречупване се увеличават, а интензитетът на отразената светлина се увеличава, а интензитетът на пречупената светлина намалява.α 0 , при който β=π/2 се нарича граничен ъгъл на пълно отражение на светлината. При всеки ъгъл на падане, надвишаващ ограничаващия, падащият лъч се отразява напълно.

"Черно огледало"

Има редица забавни и образователни експерименти, които изследват

феномен на пълно отражение на светлината.

Ето един от тях. Металната плоча се покрива със слой сажди. Такава повърхност може да отразява светлината по-добре от всяко огледало, ако се спусне в съд с вода. При определен ъгъл между повърхността на плочата и посоката на наблюдение черната повърхност блести като огледало! Можете да получите изображение на всеки обект в това „черно огледало“. На границата на коя среда се получава пълно отражение на светлината? Саждите не са прозрачни, което означава, че не участват в „връщането“ на лъча обратно във водата. Факт е, че между водата и слоя сажди се образува тънък въздушен филм. Водата не мокри саждите. Пълното отражение на светлината възниква на границата между вода и въздух. Гледайки плочата отгоре през повърхността на водата, ще я видим блестяща.

Ориз. 1

Ефектът Черно огледало

Но не при всяко положение на плочата спрямо страничната стена на съда, това може да се види, ако погледнете не отгоре, а през странична стена. Очакваното пълно отражение не може да се наблюдава, ако плочата е успоредна на стената на съда, т.е. когато слоят вода, който ни отделя от въздушната междина, е плоскопаралелен.

Чрез завъртане на плочата около вертикална ос можете да постигнете вид на "черно огледало". Обяснение на явлението чрез сравняване на пътя на лъчите през плоскопаралелен слой вода и през слой вода под формата на клин (фиг. 1 и 2).

Пълно отражение възниква, когато границата между водата и въздушна междинаотделяйки водата от черната плоча, светлината пада под ъгли, надвишаващи границата. Но в първия случай просто няма такива лъчи, а във втория, поради разширяването на водния слой, може да се постигне пълно отразяване на светлината дори при απ/2.

Ориз. 2 Няма ефект Черно огледало

Опит No1

"Черно огледало"

Мишена. Наблюдение на пълното отражение на светлината.

Уреди и материали:стъклен съд, алуминиева чиния, свещ, вода.

Ход на експеримента. 1. Опушете алуминиева чиния върху пламъка на свещ.

2. Спуснете чинията в съд с вода.

3. Наблюдавайте външния вид на "Черното огледало", като завъртите плочата около вертикална ос.

Отражение от нагрята вода

За да проведете следващия експеримент, ще ви трябва голям съд с студена вода, тенекия за кафе, вряща вода. Повърхността на буркана трябва да е тъмна. Когато бързо налеете вряща вода в този буркан, закрепен вертикално в голям съд, можете да видите как повърхността му става лъскава! Няма да е възможно да се обясни появата на „огледалото“ в този експеримент с пълното отразяване на светлината, т.к. калайът е добре намокрен с вода, за разлика от саждите. В допълнение, „черното огледало“, което се появява в предишен опит, може да се запази за неопределено време, докато в нова ситуация ще изчезне след известно време. Измерването на температурата на водата в радиална посока към центъра на голям съд показва, че изчезването на блясъка настъпва, когато цялата дебелина на водата във външния съд се затопли до приблизително същата температура. Пълно отражение се наблюдава само при условие, че водата във външния съд се нагрява неравномерно. В близост до банки с топла водатемпературата му е най-висока, а плътността му най-ниска. Следователно оптичната плътност също е минимална. Коефициентът на пречупване на този слой вода е по-малък от този на студената вода.

Няма рязка граница между медии с различна оптична плътност, което означава, че няма отражение в обичайния смисъл на думата.

Водата около горещия буркан е оптически нехомогенна с плавна промяна на оптичната плътност. В такава среда светлинният лъч се разпространява криволинейно, като се огъва от по-ниски стойности на индекса на пречупване към по-високи стойности (фиг. 3).

Ориз. 3 Отражение от нагрята вода

Опит No2

Отражение от нагрята вода

Мишена. Наблюдение на кривината на светлинен лъч в оптически нееднородна среда.

Уреди и материали:стъклен съд, тенекия за кафе, боядисана с мат черна боя, размер: D ~ 6 см, H ~ 12 см, студена вода, топла вода(t° ~ 100°С).

Ход на експеримента. 1. В съд със студена вода закрепете празен тенекия.

2. Изсипете вряла вода в тенекия.

3. Наблюдавайте краткотрайна поява отгоре огледална повърхностбанки.

Разпространение на светлина

в слоеста нехомогенна среда

Слоесто-нехомогенни среди са тези оптически нехомогенни среди, в които еднакви стойности на индекса на пречупване образуват слоеве. Нека разгледаме най-простия случай, когато индексът на пречупване на средата се променя само в една посока.

А б

Ориз. 4

Нека индексът на пречупване се променя отдолу нагоре. Нека мислено разделим околната среда на тънки хоризонтални слоеве. Светлинният лъч променя посоката си от слой на слой.

В допълнение към метода за получаване на слоеста нехомогенна среда, описан в последния експеримент, можете да използвате метод, базиран на явлението дифузия. Пригответе наситен солен разтвор (350 g сол на 1 литър вода) в един съд и чиста, утаена вода в друг. И двете течности се оцветяват с боров концентрат и се филтрират.

Солният разтвор внимателно се излива във водата през фуния и маркуч. Разделителната линия между тях в началото е доста рязка. Това се доказва от пълното отразяване на лъч светлина от него. След известно време границата се "размазва" и светлинният лъч се разпространява криволинейно.

На дъното на аквариума има разтвор трапезна сол, имащ по-голяма оптична плътност от водата, разположена над него. Коефициентът на пречупване намалява непрекъснато по оста y. защото n=c/ v , скоростта на разпространение на светлината в горните слоеве на течността е по-голяма, отколкото в долните. Плоската вълнова повърхност вътре в течността ще бъде
Ориз. 5 оборот, заемайки последователни позиции 1, 2, 3, 4, 5 и т.н. Светлината ще пътува по-бързо отгоре, отколкото отдолу.
По-убедителен начин за наблюдение на кривината на лъч в оптически нехомогенна среда е експеримент с нагрят плексиглас. На електрическа печка се монтира полуцилиндрична плоча от плексиглас, която се загрява до около 100°C. Постепенно ефектът от пълното отражение на лъча на границата стъкло-въздух се превръща в плавна кривина. Причината е промяна в оптичната плътност на плексигласа поради промяна на температурата му.

Изкривяване на лъча в плексиглас.

Опит No3

Разпространение на светлината в неравномерно нагрят плексиглас

Мишена. Наблюдение на огъването на светлинен лъч в плексиглас при нагряване.

Уреди и материали:полуцилиндрична плоча от плексиглас, електрическа фурна, източник на светлина с лампа 12 V, оборудвана с екран с прорез с ширина 2 mm (от комплекта за миене на Hartl).

Ход на експеримента. 1. Поставете плочата от плексиглас върху студен електрически котлон.

2. Свържете плочката към мрежата.

4. Наблюдавайте замяната на пълното отражение на лъча с неговото огъване.

Астрономическа рефракция.

Огъването на светлинните лъчи при преминаването на светлината през атмосферата се нарича пречупване на светлината в атмосферата. Лъчите, идващи към земен наблюдател от Слънцето, Луната или звездите, са обект на астрономическо пречупване. Когато се обясняват тези явления, трябва да се има предвид, че коефициентът на пречупване на атмосферата е малко по-голям от единица и че варира от точка до точка според промените в плътността на въздуха.

А б

Ориз. 6

Ако си представим атмосферата като съвкупност от оптически хомогенни хоризонтални слоеве с еднаква дебелина, в които индексът на пречупване се променя рязко от един слой към друг, постепенно нараствайки в посока от горните слоеве към долните, тогава траекторията на лъч, идващ от небесен обекткъм наблюдателя ще бъде прекъсната линия (фиг. 3, а). Всъщност плътността на атмосферата и следователно нейният индекс на пречупване се променя с височината не скокове, а непрекъснато. Следователно траекторията на светлинния лъч е крива линия (фиг. 6, b). Поради кривината на лъчите, наблюдателят може да види обекта в посока, която не отговаря на реалността. При липса на пречупване обектът би се виждал под ъгъл α (действителното зенитно разстояние на обекта). Пречупването води до това, че обектът се вижда под ъгъл γ. γ

Уникалността на залезите

Докато се любуваме на залеза, виждаме как долният край на света е докоснал линията на хоризонта, обикновено не осъзнаваме това в действителност този моменттози край на света вече е на 35´ под хоризонта. Горният ръб на слънчевия диск е повдигнат от пречупване по-слабо - само с 29´. Следователно залязващото слънце изглежда леко сплеснато вертикално.

Ориз. 7

Индексът на пречупване на въздуха се влияе, в допълнение към математическата промяна на плътността на въздуха с височина, също и от конвекционни течения, вятър, степен на влажност и температура.

Особеностите на нагряването на атмосферата в долните слоеве над различни части на земната повърхност водят до факта, че понякога ни се струва, че Слънцето залязва не зад хоризонта, а отвъд някаква невидима линия, разположена над хоризонта. Няма облачно покритие.

Ориз. 8

Ако по това време се изкачите на върха на хълм или на последния етаж на къща, можете да наблюдавате още по-странна картина: Слънцето залязва под хоризонта, но в същото време дискът изглежда отрязан от хоризонтала „сляпа ивица“.

Тази картина се наблюдава, ако въздухът близо до самата Земя се окаже студен, а отгоре има слой топъл въздух. Преходът от долния студен слой към горния топъл слой може да доведе до рязък спад на индекса на пречупване. Ако приемем, че спадът настъпва рязко, пътят на лъчите при пресичане на границата между топъл и студен въздух може да бъде илюстриран на фигура 9.

Ориз. 9

Наблюдателят е в точка О. ч 1 – височина на студения слой въздух.

Помислете за Δ O 1 ОПЕРАЦИОННА СИСТЕМА. Според теоремата на синусите: ;

Нека вземем предвид, че O 1 O=R, O 1 C=R+h 1. Тогава => sin α 2 = грях или. От това следва, че когато γ нараства от 0° до 90°, ъгълът α2 се увеличава, достигайки максималната си стойност при γ = 90° (sin 90° = 1).

Когато α 2 = α 0 (граничен ъгъл) лъчът, идващ от топлия слой въздух, ще съвпадне с допирателната към границата със студения слой. Наблюдателят няма да получи лъчи, които влизат в студения слой в точки под точка B. Това обяснява феномена, представен на Фигура 8. Ширината на „сляпата лента“ се определя от ъгъла β. Ако човек се изкачи на хълм (точка O и линията на хоризонта са повдигнати), тогава той може да види част от диска под „сляпата лента“, която сега се определя от ъгъл 2β.

Ориз. 10

Появата на „сляпа ивица“

Модел на сляпо райе

Земно пречупване

Не по-малко интересно е земното пречупване на светлината, когато лъчите, идващи към наблюдателя от обекти, разположени на Земята, се огъват. В този случай се получава впечатляващо явление, наречено мираж. Повечето проста формаМиражът често може да се наблюдава през лятото от шофьори, шофиращи в горещ ден по дълга и равна магистрала.

защото пътят е много горещ, въздухът в близост до него също се нагрява и плътността му намалява. Коефициентът на пречупване на въздуха в долната част е по-малък, отколкото в горната част.

Ориз. единадесет

Окото на наблюдателя вижда светлина, идваща от небето от точка А, но той има впечатлението, че светлината идва от точка Б (фиг. 11).

Ориз. 12

За появата на горен мираж (мираж за зрение от разстояние) е необходимо индексът на пречупване на повърхностния слой въздух да намалява достатъчно бързо с височината, което е възможно, когато например има слой студен въздух отдолу и слой по-топъл въздух над него.

Ориз. 13

Окото на наблюдателя проектира лъчите в посоката, в която влизат в него. Голям бройНа брега на Средиземно море се наблюдават миражи за далечно виждане. Явно пустинята Сахара е виновна за това. Над него се издигат горещи въздушни маси, след което се носят на север и създават изгодни условияза възникване на миражи. Превъзходните миражи се срещат и в северните страни, когато духат топли южни ветрове. Горните слоеве на атмосферата се нагряват, а долните слоеве се охлаждат поради наличието на големи маси лед и сняг.

Понякога изображенията на обекти напред и назад се наблюдават едновременно.

Ориз. 14

Симулация на двоен мираж

Ако дълга бяла игла за плетене или лента от бяла хартия се постави наклонено зад кювета, в която се излива солен разтвор и вода, на разстояние 20-30 см от нея, тогава при наблюдение през кюветата можете да видите характерна огънете в образа на иглата за плетене. В близост до интерфейса между течностите се наблюдават две изображения на края на спицата: долната е обърната, горната е права.

Ориз. 15

Сегментът SM съответства на обърнато изображение S´M´, образувано от лъчи, разпространяващи се под повърхността на раздела между течности, и право изображение S´M´´, образувано от лъчи, разпространяващи се над границата на раздела.

Едновременното появяване на изправени и обърнати изображения на права спица може да служи като симулация на двоен мираж.

Ето как се огъва права лента от хартия, когато се наблюдава през оптически нехомогенна среда.

Заключение

Пречупването на светлината обхваща много широк спектър от природни явления, сред които идентифицирахме тези, които успяхме да наблюдаваме сами. Особено място сред тях заемат миражите. Те са описани в научни и книги за изкуство. Някои от тях имат имена и за тях се носят легенди. Много миражи, особено свръхдългите, когато изображението се прехвърля на хиляди километри, са много сложни оптични явления. За да се обясни появата на Летящия холандец, Фата Моргана и хрономиражите, не е достатъчно да се вземе предвид само пречупването на светлината в атмосферата. Физическият механизъм на такива явления е много по-сложен. За някои от тях все още няма обяснение. Възможно е при определени условия в атмосферата да се образуват гигантски въздушни лещи, уникални световоди и вторични миражи, т.е. миражи от миражи. Възможно е също йоносферата, която може да отразява светлинните вълни, да играе определена роля за възникването на миражи.

Снимки на миражи

Списък на използваната литература

1. С. Толански. Невероятни свойства на светлината. Москва: Издателство "Мир", 1969 г.
2. В.В. Майер. Прости експерименти върху криволинейното разпространение на светлината. Москва: Издателство Наука, 1984 г.
3. В.В. Майер. Пълно отражение на светлината в прости експерименти. Москва: Издателство Наука, 1986 г.
4. Л.В. Тарасов, А.Н. Тарасова. Разговори за пречупване на светлината. Москва: Издателство Наука, 1982 г.
5. В.Л. Булат. Оптични явления в природата. Москва: Издателство "Просвещение", 1974 г.
6. Ф. Ууд. Изкуствени миражи // Списание „Квант”. 1971. № 10. https://accounts.google.com

Във видео урок по физика от Академията занимателни наукиПрофесор Даниил Едисонович продължава разговора за светлината, започнат в предишния епизод на програмата. Телевизионните зрители вече знаят какво е отражение на светлината, но какво е пречупване на светлината? Именно пречупването на светлината обяснява някои от странните оптични явления, които можем да наблюдаваме в ежедневието си.

Явлението пречупване на светлината

Защо краката на хората, стоящи във водата, изглеждат по-къси, отколкото са в действителност, а ако погледнете дъното на реката, изглежда по-близо? Всичко е свързано с явлението пречупване на светлината. Светлината винаги се опитва да се движи по права линия, по най-краткия път. Но преминавайки от една физическа среда в друга, част от слънчевите лъчи променя посоката си. В този случай имаме работа с явлението пречупване на светлината. Ето защо лъжица в чаша с чай изглежда счупена - светлината от частта на лъжицата, която е в чая, достига до очите ни под различен ъгъл от светлината от частта на лъжицата, която е над повърхността на течността. . В този случай пречупването на светлината става на границата между въздух и вода. При отражение светлинният лъч преминава по най-късия път, а при пречупване се движи най-бързо. Използвайки законите за отражение и пречупване на светлината, хората са създали много неща, без които животът ни днес е немислим. Телескопи, перископи, микроскопи, лупи, всичко това би било невъзможно да се създаде без познаване на законите за пречупване и отражение на светлината. Лупата увеличава, защото, преминавайки през нея, светлинните лъчи влизат в окото под ъгъл, по-голям от лъчите, отразени от самия обект. За да направите това, обектът трябва да бъде поставен между лупата и нейния оптичен фокус. Оптичен фокус; това е точката, в която първоначално успоредните лъчи се пресичат (фокусират) след преминаване през събирателна система (или където техните удължения се пресичат, ако системата е разсейваща). Една леща (като леща за очила) има две страни, така че светлинният лъч се пречупва два пъти - когато влиза и излиза от лещата. Повърхността на лещата може да бъде извита, вдлъбната или плоска, което определя как точно ще се случи явлението пречупване на светлината в нея. Ако една леща има изпъкнали страни от двете страни, това е събирателна леща. Пречупени в такава леща, светлинните лъчи се концентрират в една точка. Това се нарича основен фокус на лещата. Леща с вдлъбнати страни се нарича разсейваща леща. На пръв поглед му липсва фокус, тъй като лъчите, преминаващи през него, се разпръскват и се разминават настрани. Но ако пренасочим тези лъчи обратно, тогава те, преминавайки отново през лещата, ще се съберат в точка, която ще бъде фокусът на тази леща. В човешкото око има леща, тя се нарича леща. Може да се сравни с филмов проектор, който проектира изображение върху екран - задната стена на окото (ретината). Така се оказва, че езерото е гигантска леща, която предизвиква явлението пречупване на светлината. Ето защо краката на стоящите в него рибари изглеждат къси. Дъгите също се появяват в небето благодарение на лещите. Тяхната роля се изпълнява от малки капчици вода или снежни частици. Дъгите възникват, когато слънчевата светлина се пречупва и отразява от капчици вода (дъжд или мъгла), плаващи в атмосферата. Тези капчици огъват светлината по различен начин различни цветове. В резултат на това бялата светлина се разлага на спектър (възниква дисперсия на светлината). Наблюдател, който стои с гръб към източника на светлина, вижда многоцветно сияние, което излиза от космоса в кръгове (дъги).

Опция 1. Оборудване:устройство за изучаване на законите на геометричната оптика, токоизправител VS-24 или VS 4-12, плоско огледало, направено от части на устройството.

Когато подготвяте устройство за геометрична оптика за работа, регулирайте осветеността на екрана. За да направите това, разхлабете сферичната става и завъртете или преместете осветителя, докато средната ивица светлина премине през целия екран (по диаметъра му). Осветителят е фиксиран в това положение. Ако в същото време лентата от светлина е замъглена и не е остра, тогава, като освободите винта, фиксиращ електрическия патрон в осветителя, завъртете, спуснете или повдигнете електрическия патрон, докато на екрана се получи ясна ивица светлина. Ако страничните ивици светлина не достигат до ръба на екрана, тогава наклонът на осветителя трябва да се промени. След настройката всички винтове са здраво затегнати.

Инсталацията е сглобена съгласно фигура 278. С помощта на скоба се монтира плоско огледало от набор от оптични части, така че отразяващата му повърхност да съвпада с хоризонталната ос. Остава само един среден лъч. Те променят ъгъла на падане от 0 до 90°, отбелязват ъгъла на отражение, сравняват тези ъгли и правят заключение.

Експериментът се повтаря, демонстрирайки свойствата на обратимостта на светлинните лъчи, за които осветителят се прехвърля от една част на диска в друга. (Когато демонстрирате експерименти с геометрична оптика, стаята трябва да бъде затъмнена.)

Ориз. 278 Фиг. 280

Опит 2. Пречупване на светлината

Опция 1. Оборудване:

Върху екрана се поставя прозрачен полуцилиндър с матовата страна към екрана и плоския разрез нагоре, така че да съвпада с хоризонталната ос. Центърът на полуцилиндъра е подравнен с центъра на екрана с помощта на маркировки върху матовата повърхност на полуцилиндъра (фиг. 280).

Когато демонстрирате експеримента, използвайте средния лъч. Лъчът е насочен към центъра на полуцилиндъра перпендикулярно на равнината (лъчът преминава без промяна на посоката). Отклонете падащия лъч от перпендикуляра и забележете, че пречупеният лъч излиза от полуцилиндъра под различен ъгъл. Сравняват се ъглите на падане и пречупване и се прави заключение.

Повторете експеримента при различен ъгъл на падане. (По време на експеримента трябва да обърнете внимание на бифуркацията на светлинния лъч на границата между двете среди.)

Опит 3. Явлението пълно отражение на светлината

Опция 1. Оборудване:устройство за изучаване на законите на геометричната оптика, токоизправител VS-24 или VS 4-12, полуцилиндър от набор от оптични части.

След като се обърна внимание на съотношението на ъглите на падане и пречупване в предишния експеримент (фиг. 280), позицията на полуцилиндъра се променя. Неговата изпъкнала страна е монтирана към осветителя (плоският разрез съвпада с хоризонталната ос). Ъглите на падане се променят в сравнение с ъглите на пречупване и се прави заключение.

Съотношението на ъглите на падане и пречупване се сравнява в зависимост от съотношението на оптичната плътност на средата (резултатите от този и предишни експерименти). Те правят заключение.

Уверете се, че с увеличаване на ъгъла на падане яркостта на отразения лъч се увеличава, а на пречупения лъч намалява. Увеличете ъгъла на падане, докато пречупеният лъч изчезне. При по-нататъшно увеличаване на ъгъла на падане ще се наблюдава само отразеният лъч. Наблюдава се явлението пълно отражение на светлината.

Въпрос.Какъв е граничният ъгъл на пълно отражение? (Отговорете на една значима цифра.)

Вариант 2. Оборудване:прожекционно устройство, аквариум.

Инсталацията се сглобява съгласно фигура 281. Слой вода с дебелина 7-8 cm се излива в стъклена вана (аквариум) и се оцветява с боров концентрат. Пред кондензатора на прожекционния апарат е монтиран хоризонтален прорез, а върху рамката на обектива е поставено плоско огледало. Насочете лъч светлина към страничната стена стъклена вана. Наблюдава се пречупване на светлинен лъч във вода, пълно отражение от повърхността на водата и пречупване при излизане на лъча от ваната. Чрез промяна на ъгъла на падане могат да се наблюдават множество пълни отражения на светлинния лъч от повърхността на водата и дъното на ваната.