Ptolemäus‘ Experimente zur Lichtbrechung. Einfache Experimente zur Modellierung der Lichtbrechung in der Atmosphäre. Experimente zur physikalischen Lichtbrechung

Der griechische Astronom Claudius Ptolemäus (ca. 130 n. Chr.) ist der Autor eines bemerkenswerten Buches, das fast 15 Jahrhunderte lang als wichtigstes Lehrbuch der Astronomie diente. Neben dem astronomischen Lehrbuch verfasste Ptolemaios jedoch auch das Buch „Optik“, in dem er die Theorie des Sehens, die Theorie der flachen und sphärischen Spiegel und die Untersuchung des Phänomens der Lichtbrechung darlegte. Ptolemaios stieß bei der Beobachtung der Sterne auf das Phänomen der Lichtbrechung. Er bemerkte, dass ein Lichtstrahl, der von einem Medium zum anderen gelangt, „bricht“. Daher erreicht ein Sternstrahl, der die Erdatmosphäre durchdringt, die Erdoberfläche nicht geradlinig, sondern entlang einer gekrümmten Linie, d. h. es kommt zu einer Brechung. Die Krümmung des Strahlengangs entsteht dadurch, dass sich die Luftdichte mit der Höhe ändert.

Um das Brechungsgesetz zu untersuchen, führte Ptolemaios das folgende Experiment durch. Er nahm einen Kreis und befestigte die Lineale l1 und l2 auf der Achse, sodass sie sich frei um diese drehen konnten (siehe Abbildung). Ptolemaios tauchte diesen Kreis bis zum Durchmesser AB in Wasser und sorgte durch Drehen des unteren Lineals dafür, dass die Lineale für das Auge auf einer geraden Linie lagen (wenn man entlang des oberen Lineals schaut). Anschließend nahm er den Kreis aus dem Wasser und verglich die Einfallswinkel α und Brechungswinkel β. Er maß Winkel mit einer Genauigkeit von 0,5°. Die von Ptolemäus erhaltenen Zahlen sind in der Tabelle aufgeführt.

Ptolemäus fand für diese beiden Zahlenreihen keine „Formel“ für den Zusammenhang. Wenn Sie jedoch die Sinuswerte dieser Winkel bestimmen, stellt sich heraus, dass das Verhältnis der Sinuswerte durch fast die gleiche Zahl ausgedrückt wird, selbst bei einer so groben Messung der Winkel, auf die Ptolemäus zurückgegriffen hat.

Durch die Lichtbrechung in einer ruhigen Atmosphäre wird die scheinbare Position der Sterne am Himmel relativ zum Horizont bestimmt

1) über der tatsächlichen Position

2) unter der tatsächlichen Position

3) relativ zur tatsächlichen Position vertikal in die eine oder andere Richtung verschoben

4) entspricht der tatsächlichen Position

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In einer ruhigen Atmosphäre werden die Positionen von Sternen beobachtet, die am Standort des Beobachters nicht senkrecht zur Erdoberfläche stehen. Wie ist die scheinbare Position der Sterne – über oder unter ihrer tatsächlichen Position relativ zum Horizont? Erklären Sie die Antwort.

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Auf das Phänomen bezieht sich im Text die Brechung

1) Änderungen in der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls aufgrund von Reflexion an der Grenze der Atmosphäre

2) Änderungen der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls aufgrund der Brechung in der Erdatmosphäre

3) Absorption von Licht bei seiner Ausbreitung durch die Erdatmosphäre

4) Lichtstrahl, der sich um Hindernisse herum biegt und so die geradlinige Ausbreitung ablenkt

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Welche der folgenden Schlussfolgerungen widerspricht Experimente des Ptolemäus?

1) Der Brechungswinkel ist kleiner als der Einfallswinkel beim Übergang des Strahls von Luft zu Wasser

2) Mit zunehmendem Einfallswinkel nimmt der Brechungswinkel linear zu

3) das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ändert sich nicht

4) Der Sinus des Brechungswinkels hängt linear vom Sinus des Einfallswinkels ab

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Photolumineszenz

Manche Stoffe beginnen selbst zu leuchten, wenn sie elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt werden. Dieses Leuchten bzw. die Lumineszenz hat eine wichtige Eigenschaft: Das Lumineszenzlicht hat eine andere spektrale Zusammensetzung als das Licht, das das Leuchten verursacht hat. Beobachtungen zeigen, dass Lumineszenzlicht eine längere Wellenlänge hat als das anregende Licht. Wird beispielsweise ein violetter Lichtstrahl auf einen Kegel mit einer Fluoreszeinlösung gerichtet, beginnt die beleuchtete Flüssigkeit hell mit grün-gelbem Licht zu leuchten.

Manche Körper behalten die Fähigkeit zu leuchten noch einige Zeit, nachdem ihr Leuchten aufgehört hat. Ein solches Nachleuchten kann unterschiedlich lange dauern: von Bruchteilen einer Sekunde bis zu vielen Stunden. Es ist üblich, ein Leuchten, das mit dem Aufleuchten aufhört, als Fluoreszenz zu bezeichnen, und ein Leuchten, das eine spürbare Dauer hat, als Phosphoreszenz.

Phosphoreszierende kristalline Pulver werden zur Beschichtung spezieller Bildschirme verwendet, die nach der Beleuchtung zwei bis drei Minuten lang leuchtend bleiben. Solche Bildschirme leuchten auch unter Einwirkung von Röntgenstrahlen.

Phosphoreszierende Pulver haben eine sehr wichtige Anwendung bei der Herstellung von Leuchtstofflampen gefunden. In mit Quecksilberdampf gefüllten Gasentladungslampen entsteht beim Durchgang von elektrischem Strom ultraviolette Strahlung. Sowjetischer Physiker S.I. Vavilov schlug vor, die Innenfläche solcher Lampen mit einer speziell hergestellten phosphoreszierenden Zusammensetzung zu bedecken, die bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht sichtbares Licht abgibt. Durch die Auswahl der Zusammensetzung des phosphoreszierenden Stoffes ist es möglich, die spektrale Zusammensetzung des emittierten Lichts so nah wie möglich an der spektralen Zusammensetzung des Tageslichts zu erreichen.

Das Phänomen der Lumineszenz zeichnet sich durch eine äußerst hohe Empfindlichkeit aus: Manchmal reichen beispielsweise 10 – 10 g eines leuchtenden Stoffes in Lösung aus, um diesen Stoff anhand seines charakteristischen Leuchtens zu erkennen. Diese Eigenschaft ist die Grundlage der Lumineszenzanalyse, die es ermöglicht, vernachlässigbar kleine Verunreinigungen zu erkennen und über Verunreinigungen oder Prozesse, die zu einer Veränderung der Ausgangssubstanz führen, zu urteilen.

Menschliches Gewebe enthält eine Vielzahl natürlicher Fluorophore, die unterschiedliche Fluoreszenzspektralbereiche aufweisen. Die Abbildung zeigt die Emissionsspektren der wichtigsten Fluorophore biologischer Gewebe und die Skala elektromagnetischer Wellen.

Den angegebenen Daten zufolge leuchtet Pyroxidin

1) Rotlicht

2) gelbes Licht

3) grünes Licht

4) violettes Licht

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Zwei identische Kristalle mit der Eigenschaft der Phosphoreszenz im gelben Teil des Spektrums wurden vorläufig beleuchtet: der erste mit roten Strahlen, der zweite mit blauen Strahlen. Bei welchem ​​der Kristalle lässt sich ein Nachleuchten beobachten? Erklären Sie die Antwort.

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Bei der Untersuchung von Lebensmitteln kann das Lumineszenzverfahren eingesetzt werden, um Verderb und Fälschungen von Produkten zu erkennen.
Die Tabelle zeigt die Indikatoren der Lumineszenz von Fetten.

Die Lumineszenzfarbe der Butter änderte sich von gelbgrün nach blau. Das bedeutet, dass die Butter hätte hinzugefügt werden können

1) nur Buttermargarine

2) nur Margarine „Extra“

3) nur pflanzliches Fett

4) eines der angegebenen Fette

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Erdalbedo

Die Temperatur an der Erdoberfläche hängt vom Reflexionsvermögen des Planeten ab – der Albedo. Die Oberflächenalbedo ist das Verhältnis des Energieflusses des reflektierten Sonnenlichts zum Energiefluss der auf die Oberfläche einfallenden Sonnenstrahlen, ausgedrückt als Prozentsatz oder Bruchteil einer Einheit. Die Albedo der Erde im sichtbaren Teil des Spektrums beträgt etwa 40 %. Ohne Wolken wären es etwa 15 %.

Die Albedo hängt von vielen Faktoren ab: dem Vorhandensein und Zustand der Bewölkung, Veränderungen der Gletscher, Jahreszeiten und dementsprechend vom Niederschlag.

In den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde die bedeutende Rolle von Aerosolen – „Wolken“ aus kleinsten festen und flüssigen Partikeln in der Atmosphäre – offensichtlich. Bei der Verbrennung von Kraftstoff gelangen gasförmige Schwefel- und Stickstoffoxide in die Luft; In der Atmosphäre bilden sie mit Wassertröpfchen Schwefelsäure, Salpetersäure und Ammoniak, die sich dann in Sulfat- und Nitrat-Aerosole verwandeln. Aerosole reflektieren nicht nur Sonnenlicht, ohne es zur Erdoberfläche durchzulassen. Aerosolpartikel dienen als Keime für die Kondensation der Luftfeuchtigkeit bei der Wolkenbildung und tragen so zu einer Zunahme der Bewölkung bei. Und das wiederum verringert den Zufluss von Sonnenwärme zur Erdoberfläche.

Auch die Durchlässigkeit der Sonnenstrahlen in den unteren Schichten der Erdatmosphäre hängt von Bränden ab. Durch Brände steigen Staub und Ruß in die Atmosphäre auf, die die Erde mit einem dichten Schirm bedecken und die Oberflächenalbedo erhöhen.

Welche Aussagen sind wahr?

A. Aerosole reflektieren das Sonnenlicht und tragen so zu einer Verringerung der Albedo der Erde bei.

B. Vulkanausbrüche tragen zu einer Erhöhung der Albedo der Erde bei.

1) nur A

2) nur B

3) sowohl A als auch B

4) weder A noch B

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Die Tabelle zeigt einige Eigenschaften der Planeten des Sonnensystems – Venus und Mars. Es ist bekannt, dass die Albedo der Venus Eine 1= 0,76 und die Albedo des Mars Eine 2= 0,15. Welche der Eigenschaften beeinflussten hauptsächlich den Unterschied in der Albedo der Planeten?

1) A 2) B 3) IN 4) G

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Erhöht oder verringert sich die Albedo der Erde bei Vulkanausbrüchen? Erklären Sie die Antwort.

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Unter Oberflächenalbedo versteht man

1) die Gesamtmenge an Sonnenlicht, die auf die Erdoberfläche fällt

2) das Verhältnis des Energieflusses der reflektierten Strahlung zum Fluss der absorbierten Strahlung

3) das Verhältnis des Energieflusses der reflektierten Strahlung zum Fluss der einfallenden Strahlung

4) die Differenz zwischen einfallender und reflektierter Strahlungsenergie

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Spektrenstudie

Alle erhitzten Körper strahlen elektromagnetische Wellen aus. Um die Abhängigkeit der Strahlungsintensität von der Wellenlänge experimentell zu untersuchen, ist es notwendig:

1) die Strahlung zu einem Spektrum erweitern;

2) Messen Sie die Energieverteilung im Spektrum.

Zur Gewinnung und Untersuchung von Spektren werden Spektralgeräte – Spektrographen – verwendet. Das Schema des Prismaspektrographen ist in der Abbildung dargestellt. Die untersuchte Strahlung gelangt zunächst in die Röhre, an deren einem Ende sich ein Schirm mit schmalem Spalt und am anderen Ende eine Sammellinse befindet L 1 . Der Spalt liegt im Fokus der Linse. Daher tritt ein divergenter Lichtstrahl, der durch den Spalt in die Linse eintritt, als paralleler Strahl aus der Linse aus und fällt auf das Prisma R.

Da unterschiedliche Frequenzen unterschiedlichen Brechungsindizes entsprechen, treten aus dem Prisma parallele Strahlen unterschiedlicher Farbe aus, die in ihrer Richtung nicht übereinstimmen. Sie fallen auf die Linse L 2. In der Brennweite dieses Objektivs befindet sich ein Bildschirm, ein Milchglas oder eine Fotoplatte. Linse L 2 fokussiert parallele Strahlenbündel auf den Bildschirm, und statt eines einzelnen Bildes des Spalts erhält man eine ganze Reihe von Bildern. Jede Frequenz (genauer gesagt ein schmales Spektralintervall) hat ihr eigenes Bild in Form eines farbigen Streifens. Alle diese Bilder zusammen
und ein Spektrum bilden.

Durch die Strahlungsenergie erwärmt sich der Körper, daher reicht es aus, die Körpertemperatur zu messen und daraus die pro Zeiteinheit aufgenommene Energiemenge abzuschätzen. Als empfindliches Element kann man eine dünne Metallplatte nehmen, die mit einer dünnen Rußschicht bedeckt ist, und durch Erhitzen der Platte kann man die Strahlungsenergie in einem bestimmten Teil des Spektrums beurteilen.

Die Zerlegung von Licht in ein Spektrum in der in der Abbildung gezeigten Apparatur basiert auf

1) Lichtstreuungsphänomen

2) Phänomen der Lichtreflexion

3) Lichtabsorptionsphänomen

4) dünne Linseneigenschaften

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Bei der Vorrichtung eines Prismenspektrographen handelt es sich um die Linse L 2 (siehe Abbildung) wird verwendet für

1) Zerlegung von Licht in ein Spektrum

2) Fokussierung von Strahlen einer bestimmten Frequenz in einen schmalen Streifen auf dem Bildschirm

3) Bestimmung der Strahlungsintensität in verschiedenen Teilen des Spektrums

4) Umwandeln eines divergenten Lichtstrahls in parallele Strahlen

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Ist es notwendig, die Metallplatte des im Spektrographen verwendeten Thermometers mit einer Rußschicht zu bedecken? Erklären Sie die Antwort.

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Mikhalchuk Artyom Alexandrovich, Abramova Valeria Valerievna, Schüler der 10. Klasse „B“ der städtischen Bildungseinrichtung „Sekundarschule Nr. 8“, Saratow

Beschreibung eigener Beobachtungen einiger erstaunlicher Lichtphänomene, ein Versuch, sie zu erklären, zu simulieren und experimentell im Physikunterricht einer Schule zu erforschen.

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Vorschau:

Städtische Bildungseinrichtung

„Sekundarschule Nr. 8 des Wolga-Bezirks

Stadt Saratow

Lichtbrechung in der Erdatmosphäre und optische Täuschungen

Lehr- und Forschungstätigkeit in der Physik

Alexandrowitsch

Schüler der 10. Klasse „B“.

Absichtserklärung „Sekundarschule Nr. 8“, Saratow

Leiter: Physiklehrer

Ivanova Tatjana Petrowna

Saratow 2008

1. Einleitung………………………………………………………………………… 3
2. Totale interne Lichtreflexion ……………...…………………………... 4
3. „Schwarzer Spiegel“……………………………………………………………….. 5
4. Reflexion von erhitztem Wasser….………………………………………………. 6
5. Ausbreitung von Licht in einem schichtinhomogenen Medium…………………... 7
6. Astronomische Brechung……………………………………………….. 8
7. Die Besonderheit der Sonnenuntergänge……………………………………………. 9
8. Erdbrechung……………………………………………………………... 11
9. Simulation einer doppelten Fata Morgana…………………………………………… 13
10. Fazit………………………………………………………………… 14
11. Liste der verwendeten Literatur……………………………………... 15

Einführung

Um viele optische Phänomene zu beobachten, ist es nicht notwendig, sich in einem physikalischen Labor zu befinden, das mit teuren Instrumenten ausgestattet ist. Ohne die warme und helle Berührung der Sonnenstrahlen ist Leben auf der Erde unmöglich. Man muss nur genau hinsehen, und neben uns werden viele erstaunliche Phänomene auftreten, die mit Licht verbunden sind.

Wenn man in einen gewöhnlichen Spiegel schaut, kann man die Gesetze der Reflexion verstehen. Denken Sie beim Bewundern des Sonnenuntergangs über die Lichtbrechung nach. Der Regenbogen erinnert an Zerstreuung, die farbigen Flügel der Libellen erinnern an Interferenz.

In manchen Fällen ist die Natur des Lichts für die Erklärung optischer Phänomene nicht wichtig; es reicht aus, seine grundlegenden Eigenschaften zu kennen: die Geradlinigkeit der Ausbreitung in einem homogenen Medium, die Gesetze der Reflexion und Brechung, d. h. Meistere die geometrische Optik.

Der Zweck dieser Arbeit besteht darin, unsere eigenen Beobachtungen einiger erstaunlicher Lichtphänomene zu beschreiben, zu versuchen, sie zu erklären, sie zu modellieren und experimentell unter den Bedingungen eines Schulphysikunterrichts zu erforschen. Die folgenden Demonstrationen der von V.V. beschriebenen Experimente. Mayer in Lehrbüchern: Totalreflexion von Licht, Reflexion an erhitztem Wasser, Ablenkung eines Lichtstrahls durch eine optisch inhomogene Flüssigkeit und ungleichmäßig erhitztes Plexiglas. Die durchgeführte Forschung trug dazu bei, die schönen optischen Phänomene zu erklären, die mit Licht an der Grenzfläche zwischen optisch homogenen Medien und in einem geschichteten inhomogenen Medium, der Erdatmosphäre, auftreten.

Totale interne Lichtreflexion

Die erste Bekanntschaft mit der Totalreflexion von Licht in der Schule erfolgt in der Regel durch die bekannte Demonstration des Strahlengangs durch einen Halbzylinder aus Plexiglas. Die Lichtbrechung erfolgt an der Glas-Luft-Grenzfläche (n 1 > n 2 ).

Nach dem Brechungsgesetz ist das Verhältnis des Sinus des Einfallswinkels zum Sinus des Brechungswinkels ein konstanter Wert, der dem relativen Brechungsindex des zweiten Mediums relativ zum ersten oder dem Verhältnis des absoluten Brechungsindex entspricht Indizes des zweiten und ersten Mediums.

Weil n 1 > n 2, dann sin β > sin α und damit β> α . Mit zunehmendem Einfallswinkel nehmen die Reflexions- und Brechungswinkel zu und die Intensität des reflektierten Lichts nimmt zu, während die Intensität des gebrochenen Lichts abnimmt.α 0 , wobei β=π/2 der Grenzwinkel der Totallichtreflexion genannt wird. Bei jedem Einfallswinkel, der den Grenzwert überschreitet, wird der einfallende Strahl vollständig reflektiert.

"Schwarzer Spiegel"

Es gibt eine Reihe unterhaltsamer und lehrreicher Experimente zum Erkunden

Totalreflexion des Lichts.

Hier ist einer davon. Die Metallplatte ist mit einer Rußschicht bedeckt. Eine solche Oberfläche kann Licht besser reflektieren als jeder Spiegel, wenn sie in ein Wassergefäß gesenkt wird. Ab einem bestimmten Winkel zwischen der Plattenoberfläche und der Beobachtungsrichtung glänzt die schwarze Oberfläche wie ein Spiegel! In diesem „schwarzen Spiegel“ ist es möglich, ein Bild eines Objekts zu erhalten. An der Grenze welcher Medien wird Licht vollständig reflektiert? Der Ruß ist nicht transparent, das heißt, er ist nicht an der „Rückführung“ des Strahls zurück ins Wasser beteiligt. Tatsache ist, dass sich zwischen dem Wasser und der Rußschicht ein dünner Luftfilm bildet. Wasser benetzt den Ruß nicht. An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft kommt es zur Totalreflexion des Lichts. Wenn wir die Platte von oben durch die Wasseroberfläche betrachten, sehen wir sie leuchten.

Reis. 1

Schwarzer Spiegeleffekt

Allerdings nicht an jeder Stelle der Platte im Verhältnis zur Seitenwand des Gefäßes, das erkennt man, wenn man nicht von oben, sondern durch die Seitenwand schaut. Die erwartete Totalreflexion kann nicht beobachtet werden, wenn die Platte parallel zur Gefäßwand liegt, also wenn die Wasserschicht, die uns von der Luftschicht trennt, planparallel ist.

Durch Drehen der Platte um die vertikale Achse können Sie das Aussehen eines „schwarzen Spiegels“ erzielen. Erklärung des Phänomens im Vergleich des Strahlengangs durch eine planparallele Wasserschicht und durch eine keilförmige Wasserschicht (Abb. 1 und 2).

Totalreflexion findet statt, wenn die Grenze zwischen dem Wasser und der Luftschicht, die das Wasser von der schwarzen Platte trennt, von Licht in Winkeln getroffen wird, die den Grenzwert überschreiten. Aber im ersten Fall gibt es einfach keine solchen Strahlen, und im zweiten Fall ist es aufgrund der Ausdehnung der Wasserschicht möglich, auch bei α eine vollständige Lichtreflexion zu erreichenπ/2.

Reis. 2 Kein schwarzer Spiegeleffekt

Erleben Sie Nr. 1

"Schwarzer Spiegel"

Ziel. Beobachtung der Totalreflexion von Licht.

Geräte und Materialien:Glasgefäß, Aluminiumplatte, Kerze, Wasser.

Der Verlauf der Erfahrung. 1. Räuchern Sie eine Aluminiumplatte über einer Kerzenflamme.

2. Senken Sie die Platte in ein Gefäß mit Wasser.

3. Beobachten Sie das Aussehen des „Schwarzen Spiegels“, indem Sie die Platte um die vertikale Achse drehen.

Reflexion von erhitztem Wasser

Für das nächste Experiment benötigen Sie ein großes Gefäß mit kaltem Wasser, eine Dose Kaffee und kochendes Wasser. Die Oberfläche des Glases sollte dunkel sein. Wenn man schnell kochendes Wasser in dieses senkrecht in einem großen Gefäß befestigte Glas gießt, kann man sehen, wie seine Oberfläche glänzt! Es wird nicht möglich sein, das Aussehen eines „Spiegels“ in diesem Experiment durch die Totalreflexion von Licht zu erklären, da Im Gegensatz zu Ruß wird Zinn gut von Wasser benetzt. Darüber hinaus kann der im vorherigen Experiment aufgetretene „schwarze Spiegel“ beliebig lange bestehen bleiben, während er in der neuen Situation nach einer Weile von selbst verschwindet. Die Messung der Wassertemperatur in radialer Richtung zur Mitte des großen Gefäßes zeigt, dass der Glanz verschwindet, wenn die gesamte Wassersäule im Außengefäß auf annähernd die gleiche Temperatur erhitzt wird. Eine vollständige Reflexion wird nur unter der Bedingung beobachtet, dass das Wasser im Außengefäß ungleichmäßig erhitzt wird. In der Nähe eines Gefäßes mit heißem Wasser ist die Temperatur am höchsten und die Dichte am niedrigsten. Folglich ist auch die optische Dichte minimal. Der Brechungsindex dieser Wasserschicht ist geringer als der von kaltem Wasser.

Es gibt keine scharfe Grenze zwischen Medien unterschiedlicher optischer Dichte, also keine Reflexion im üblichen Sinne des Wortes.

Das Wasser um das heiße Glas herum ist optisch inhomogen mit einer sanften Änderung der optischen Dichte. In einem solchen Medium breitet sich der Lichtstrahl krummlinig aus und beugt sich von niedrigeren Werten des Brechungsindex zu seinen höheren Werten (Abb. 3).

Reis. 3 Reflexion von erhitztem Wasser

Erlebnis Nr. 2

Reflexion von erhitztem Wasser

Ziel. Beobachtung der Krümmung eines Lichtstrahls in einem optisch inhomogenen Medium.

Geräte und Materialien:Glasgefäß, Kaffeedose, mit mattschwarzer Farbe bemalt, Größe: D ~ 6 cm, H ~ 12 cm, kaltes Wasser, heißes Wasser (T° ~ 100°C).

Der Verlauf der Erfahrung. 1. Stellen Sie eine leere Blechdose in ein Gefäß mit kaltem Wasser.

2. Gießen Sie kochendes Wasser in eine Dose.

3. Beobachten Sie von oben das kurzzeitige Erscheinen der Spiegeloberfläche des Glases.

Lichtausbreitung

in einem geschichteten inhomogenen Medium

Schichtinhomogen sind solche optisch inhomogenen Medien, in denen gleiche Werte des Brechungsindex Schichten bilden. Betrachten wir den einfachsten Fall, wenn sich der Brechungsindex des Mediums nur in eine Richtung ändert.

A b

Reis. 4

Lassen Sie den Brechungsindex von unten nach oben ändern. Teilen wir das Medium gedanklich in dünne horizontale Schichten auf. Der Lichtstrahl ändert seine Richtung von Schicht zu Schicht.

Zusätzlich zu der im letzten Experiment beschriebenen Methode zum Erhalten eines geschichteten inhomogenen Mediums können Sie eine Methode verwenden, die auf dem Phänomen der Diffusion basiert. In einem Gefäß wird eine gesättigte Salzlösung (350 g Salz pro 1 Liter Wasser) und in einem anderen reines, abgesetztes Wasser hergestellt. Beide Flüssigkeiten werden mit Nadelholzkonzentrat getönt und gefiltert.

Durch Trichter und Schlauch wird die Salzlösung vorsichtig ins Wasser gegossen. Die Schnittstelle zwischen ihnen ist zunächst ziemlich scharf. Dies wird durch die Totalreflexion eines Lichtstrahls daran bewiesen. Nach einiger Zeit wird die Grenze „verschmiert“ und der Lichtstrahl breitet sich krummlinig aus.

Im unteren Teil des Aquariums befindet sich eine Kochsalzlösung, die eine höhere optische Dichte aufweist als das darüber befindliche Wasser. Der Brechungsindex nimmt entlang der y-Achse kontinuierlich ab. Weil n=c/ v , ist die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit in den oberen Schichten der Flüssigkeit größer als in den unteren. Die ebene Wellenoberfläche im Inneren der Flüssigkeit wird sein
Reis. 5 Runden, dabei nacheinander die Positionen 1, 2, 3, 4, 5 usw. einnehmen. Oben breitet sich das Licht schneller aus als unten.
Überzeugender für die Beobachtung der Strahlkrümmung in einem optisch inhomogenen Medium ist ein Experiment mit erhitztem Plexiglas. Eine halbzylindrische Plexiglasplatte wird auf eine elektrische Kochplatte gelegt, die auf etwa 100 °C erhitzt wird. Allmählich geht der Effekt der Totalreflexion des Strahls an der Glas-Luft-Grenzfläche in seine sanfte Krümmung über. Der Grund ist die Änderung der optischen Dichte von Plexiglas aufgrund von Temperaturänderungen.

Strahlkrümmung in Plexiglas.

Erleben Sie Nr. 3

Lichtausbreitung in ungleichmäßig erhitztem Plexiglas

Ziel. Beobachtung der Krümmung eines Lichtstrahls in Plexiglas bei Erwärmung.

Geräte und Materialien:halbzylindrische Plexiglasplatte, elektrische Kochplatte, Lichtquelle mit 12-V-Lampe, ausgestattet mit einer Blende mit 2 mm Schlitz (aus dem Hartl-Waschmaschinensatz).

Der Verlauf der Erfahrung. 1. Stellen Sie eine Plexiglasplatte auf eine kalte Heizplatte.

2. Schalten Sie die Kachel im Netzwerk ein.

4. Beobachten Sie die Umwandlung der Totalreflexion des Strahls in seine Biegung.

Astronomische Brechung.

Die Ablenkung von Lichtstrahlen beim Durchgang von Licht durch die Atmosphäre wird als Lichtbrechung in der Atmosphäre bezeichnet. Die astronomische Brechung wird auf Strahlen angewendet, die von der Sonne, dem Mond oder den Sternen auf einen irdischen Beobachter treffen. Bei der Erklärung dieser Phänomene muss berücksichtigt werden, dass der Brechungsindex der Atmosphäre etwas größer als eins ist und von Punkt zu Punkt entsprechend der Änderung der Luftdichte variiert.

A b

Reis. 6

Wenn wir uns die Atmosphäre als eine Reihe optisch homogener horizontaler Schichten gleicher Dicke vorstellen, in denen sich der Brechungsindex von einer Schicht zur anderen abrupt ändert und in Richtung von den oberen zu den unteren Schichten allmählich zunimmt, dann ist die Flugbahn der Der Strahl, der vom Himmelsobjekt zum Beobachter kommt, ist eine gestrichelte Linie (Abb. 3a). In Wirklichkeit ändert sich die Dichte der Atmosphäre und damit ihr Brechungsindex mit der Höhe nicht sprunghaft, sondern kontinuierlich. Daher ist die Flugbahn des Lichtstrahls eine gekrümmte Linie (Abb. 6, b). Aufgrund der Krümmung der Strahlen sieht der Beobachter das Objekt möglicherweise in der falschen Richtung, was der Realität entspricht. Ohne Brechung würde das Objekt in einem Winkel α (der tatsächlichen Zenitentfernung des Objekts) gesehen. Die Brechung hingegen führt dazu, dass das Objekt unter einem Winkel γ gesehen wird. γ

Die Besonderheit von Sonnenuntergängen

Während wir den Sonnenuntergang bewundern, sehen wir, wie der untere Rand der Welt die Horizontlinie berührt. Normalerweise erkennen wir nicht, dass sich dieser Rand der Welt in diesem Moment in Wirklichkeit bereits 35 Fuß unter der Horizontlinie befindet. Der obere Rand der Sonnenscheibe wird durch die Brechung schwächer angehoben – nur um 29'. Daher scheint die untergehende Sonne vertikal leicht abgeflacht zu sein.

Reis. 7

Der Brechungsindex der Luft wird neben der rechnerischen Änderung der Luftdichte mit der Höhe auch durch Konvektionsströmungen, Wind, Luftfeuchtigkeit und Temperatur beeinflusst.

Die Besonderheiten der Erwärmung der Atmosphäre in den unteren Schichten über verschiedene Teile der Erdoberfläche führen dazu, dass es uns manchmal so vorkommt, als ob die Sonne nicht hinter der Horizontlinie, sondern hinter einer unsichtbaren Linie über dem Horizont untergeht. In diesem Fall gibt es keine Wolkendecke.

Reis. 8

Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt auf die Spitze eines Hügels oder in die oberste Etage eines Hauses klettern, können Sie ein noch seltsameres Bild beobachten: Die Sonne geht hinter der Horizontlinie unter, aber gleichzeitig stellt sich heraus, dass die Scheibe so ist sozusagen von einem horizontalen „Blindstreifen“ durchschnitten.

Ein solches Bild wird beobachtet, wenn sich herausstellt, dass die Luft in der Nähe der Erde selbst kalt ist und sich darüber eine Schicht warmer Luft befindet. Der Übergang von der unteren kalten Schicht zur oberen warmen Schicht kann zu einem starken Abfall des Brechungsindex führen. Geht man davon aus, dass der Rückgang abrupt erfolgt, lässt sich der Verlauf der Strahlen beim Überschreiten der Grenze zwischen warmer und kalter Luft in Abbildung 9 veranschaulichen.

Reis. 9

Der Beobachter befindet sich im Punkt O. H 1 ist die Höhe der Kaltluftschicht.

Betrachten Sie Δ О 1 Betriebssystem. Nach dem Sinussatz: ;

Berücksichtigen wir, dass О 1 О=R, O 1 C=R+h 1 . Dann => sin α 2 =Sünde oder. Daraus folgt, dass mit zunehmendem γ von 0° auf 90° der Winkel α2 zunimmt und den Maximalwert i bei γ=90° (sin 90°=1) erreicht.

Wenn α 2 \u003d α 0 (Grenzwinkel) Der von der warmen Luftschicht kommende Strahl fällt mit der Tangente an die Grenze zur kalten Schicht zusammen. Der Beobachter erhält keine Strahlen, die an Punkten unterhalb von Punkt B in die kalte Schicht eindringen. Dies erklärt das in Abbildung 8 dargestellte Phänomen. Die Breite des „blinden Streifens“ wird durch den Winkel β bestimmt. Steigt eine Person auf einen Hügel (Punkt O und Horizontlinie werden angehoben), dann kann sie einen Teil der Scheibe unterhalb des „Blindstreifens“ sehen, der nun durch den Winkel 2β bestimmt wird.

Reis. 10

Die Entstehung eines „blinden Streaks“

Blindes Streifenmuster

Brechung der Erde

Nicht weniger interessant ist die terrestrische Lichtbrechung, wenn die Strahlen, die von auf der Erde befindlichen Objekten zum Beobachter gelangen, gebogen werden. Gleichzeitig tritt ein beeindruckendes Phänomen auf, das als Fata Morgana bezeichnet wird. Die einfachste Form einer Fata Morgana wird oft im Sommer von Autofahrern beobachtet, die an einem heißen Tag auf einer langen und ebenen Autobahn fahren.

Weil Die Straße ist sehr heiß, die angrenzende Luft erwärmt sich ebenfalls und ihre Dichte nimmt ab. Der Brechungsindex der Luft ist unten kleiner als oben.

Reis. elf

Das Auge des Beobachters sieht Licht, das vom Himmel von Punkt A kommt, er hat jedoch den Eindruck, dass das Licht von Punkt B kommt (Abb. 11).

Reis. 12

Für das Auftreten einer oberen Fata Morgana (einer Fernspiegelung) ist es notwendig, dass der Brechungsindex der oberflächennahen Luftschicht mit der Höhe schnell abnimmt, was beispielsweise dann möglich ist, wenn sich darunter eine kalte Luftschicht befindet , und darüber befindet sich eine Schicht wärmerer Luft.

Reis. 13

Das Auge des Betrachters projiziert Strahlen in die Richtung, in der sie eintreten. An der Mittelmeerküste werden zahlreiche weiträumige Fata Morgana beobachtet. Schuld daran ist offenbar die Wüste Sahara. Darüber steigen heiße Luftmassen auf, die dann nach Norden abtransportiert werden und günstige Bedingungen für die Entstehung von Fata Morgana schaffen. Überlegene Luftspiegelungen treten auch in nördlichen Ländern auf, wenn warme Südwinde wehen. Die oberen Schichten der Atmosphäre werden erwärmt und die unteren Schichten werden aufgrund der Anwesenheit großer Eis- und Schneemassen abgekühlt.

Manchmal werden sowohl direkte als auch umgekehrte Bilder von Objekten beobachtet.

Reis. 14

Simulation einer doppelten Fata Morgana

Wenn eine lange weiße Nadel oder ein weißer Papierstreifen im Abstand von 20-30 cm schräg hinter eine Küvette gelegt wird, in die eine Salzlösung und Wasser gegossen werden, dann erkennt man bei der Beobachtung durch die Küvette eine charakteristische Krümmung im Bild der Speiche. In der Nähe der Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten sind zwei Bilder des Endes der Speiche zu beobachten: das untere ist umgedreht, das obere ist gerade.

Reis. 15

Das Segment SM entspricht einem invertierten Bild S´M´, das durch Strahlen entsteht, die unterhalb der Flüssigkeitsgrenzfläche verlaufen, und einer geraden Linie S´M´´, die durch Strahlen entsteht, die sich oberhalb der Grenzfläche ausbreiten.

Das gleichzeitige Erscheinen eines geraden und umgekehrten Bildes einer geraden Speiche kann als Simulation einer doppelten Fata Morgana dienen.

So verbiegt sich ein gerader Papierstreifen, wenn er durch ein optisch inhomogenes Medium betrachtet wird.

Abschluss

Die Lichtbrechung deckt ein sehr breites Spektrum natürlicher Phänomene ab, unter denen wir diejenigen identifiziert haben, die wir selbst beobachten konnten. Einen besonderen Platz unter ihnen nehmen Fata Morganas ein. Sie werden in wissenschaftlichen und künstlerischen Büchern beschrieben. Einige von ihnen haben Namen, über sie ranken sich Legenden. Viele Fata Morganas, insbesondere ultralange, wenn das Bild Tausende von Kilometern entfernt übertragen wird, sind sehr komplexe optische Phänomene. Um die Entstehung des „Fliegenden Holländers“, der „Fata Morgana“ und der Chrono-Fata Morgana zu erklären, reicht es nicht aus, nur die Lichtbrechung in der Atmosphäre zu berücksichtigen. Der physikalische Mechanismus solcher Phänomene ist viel komplizierter. Für einige davon gibt es noch keine Erklärungen. Es ist möglich, dass sich unter bestimmten Bedingungen riesige Luftlinsen, eigenartige Lichtleiter und sekundäre Luftspiegelungen in der Atmosphäre bilden, d.h. Fata Morgana von Fata Morgana. Möglicherweise spielt auch die Ionosphäre, die Lichtwellen reflektieren kann, eine gewisse Rolle bei der Entstehung von Fata Morgana.

Fotos von Fata Morgana

Liste der verwendeten Literatur

1. S. Tolansky. Erstaunliche Eigenschaften von Licht. Moskau: Mir-Verlag, 1969.
2. V.V. Mayer. Einfache Experimente zur krummlinigen Ausbreitung von Licht. Moskau: Verlag Nauka, 1984.
3. V.V. Mayer. Totalreflexion von Licht in einfachen Experimenten. Moskau: Verlag Nauka, 1986.
4. L.V. Tarasov, A. N. Tarasova. Gespräche über die Lichtbrechung. Moskau: Verlag Nauka, 1982.
5. V.L. Bulat. Optische Phänomene in der Natur. Moskau: Prosveshchenie-Verlag, 1974.
6. F. Holz. Künstliche Fata Morgana // Kvant-Magazin. 1971. Nr. 10. https://accounts.google.com

In der Videolektion Physik der Academy of Entertaining Sciences setzt Professor Daniil Edisonovich das Gespräch über Licht fort, das in der vorherigen Reihe des Programms begonnen hat. Was ist die Reflexion von Licht? Betrachter wissen bereits, aber was ist die Brechung von Licht? Es ist die Lichtbrechung, die einige der seltsamen optischen Phänomene erklärt, die wir in unserem täglichen Leben beobachten können.

Das Phänomen der Lichtbrechung

Warum scheinen die Beine von Menschen, die im Wasser stehen, kürzer zu sein, als sie wirklich sind, und wenn man auf den Grund des Flusses blickt, scheint er näher zu sein? Es geht um die Lichtbrechung. Licht versucht immer, sich auf dem kürzesten Weg geradlinig zu bewegen. Doch wenn ein Teil der Sonnenstrahlen von einem physikalischen Medium in ein anderes gelangt, ändert sich die Richtung. In diesem Fall haben wir es mit dem Phänomen der Lichtbrechung zu tun. Deshalb sieht der Löffel in einem Teeglas zerbrochen aus – das Licht von dem Teil des Löffels, der sich im Tee befindet, erreicht unsere Augen in einem anderen Winkel als das Licht von dem Teil des Löffels, der sich über der Flüssigkeitsoberfläche befindet . Die Lichtbrechung erfolgt in diesem Fall an der Grenze zwischen Luft und Wasser. Bei der Reflexion legt ein Lichtstrahl den kürzesten Weg zurück, bei der Brechung den schnellsten. Mithilfe der Gesetze der Reflexion und Brechung des Lichts haben die Menschen viele Dinge geschaffen, ohne die unser Leben heute undenkbar ist. Teleskope, Periskope, Mikroskope, Lupen – all dies wäre ohne Kenntnis der Gesetze der Lichtbrechung und -reflexion nicht zu erschaffen. Eine Lupe vergrößert, weil die Lichtstrahlen beim Durchgang in einem größeren Winkel in das Auge eintreten als die vom Objekt selbst reflektierten Strahlen. Dazu muss das Objekt zwischen der Lupe und seinem optischen Fokus platziert werden. Optischer Fokus; Dies ist der Punkt, an dem sich die ursprünglich parallelen Strahlen nach dem Durchgang durch das Sammelsystem kreuzen (fokussieren) (oder an dem sich ihre Fortsetzungen schneiden, wenn das System streut). Eine Linse (z. B. die Linse einer Brille) hat zwei Seiten, sodass ein Lichtstrahl zweimal gebrochen wird – beim Eintritt in die Linse und beim Austritt aus der Linse. Die Oberfläche der Linse kann konvex, konkav oder flach sein, was genau bestimmt, wie das Phänomen der Lichtbrechung darin auftritt. Wenn beide Seiten einer Linse konvex sind, handelt es sich um eine Sammellinse. In einer solchen Linse gebrochen, werden die Lichtstrahlen an einem Punkt gesammelt. Er wird als Hauptfokus des Objektivs bezeichnet. Eine Linse mit konkaven Seiten wird als divergent bezeichnet. Auf den ersten Blick ist es unscharf, weil die Strahlen, die es durchdringen, gestreut werden und zu den Seiten divergieren. Wenn wir diese Strahlen jedoch zurücklenken, sammeln sie sich, nachdem sie erneut durch die Linse gegangen sind, an einem Punkt, der der Brennpunkt dieser Linse sein wird. Im menschlichen Auge befindet sich eine Linse, sie wird Linse genannt. Es kann mit einem Filmprojektor verglichen werden, der ein Bild auf eine Leinwand, die Rückwand des Auges (die Netzhaut), projiziert. Es stellt sich also heraus, dass der See eine riesige Linse ist, die das Phänomen der Lichtbrechung verursacht. Deshalb scheinen die Beine der darin stehenden Fischer kurz zu sein. Durch die Linsen erscheint der Regenbogen auch am Himmel. Ihre Rolle spielen kleinste Wassertröpfchen oder Schneepartikel. Ein Regenbogen entsteht, wenn Sonnenlicht von in der Atmosphäre schwebenden Wassertröpfchen (Regen oder Nebel) gebrochen und reflektiert wird. Diese Tröpfchen lenken Licht unterschiedlicher Farbe unterschiedlich ab. Dadurch wird weißes Licht in ein Spektrum zerlegt (Lichtdispersion entsteht). Der Beobachter, der mit dem Rücken zur Lichtquelle steht, sieht ein mehrfarbiges Leuchten, das in Kreisen (Bögen) aus dem Weltraum kommt.

Variante 1. Ausrüstung: ein Gerät zum Studium der Gesetze der geometrischen Optik, ein Gleichrichter VS-24 oder VS 4-12, ein flacher Spiegel aus Teilen des Geräts.

Bei der Vorbereitung des Gerätes für die geometrische Optik wird die Bildschirmbeleuchtung angepasst. Lösen Sie dazu das Kugelgelenk und drehen oder bewegen Sie den Illuminator, bis der mittlere Lichtstreifen den gesamten Bildschirm (entlang seines Durchmessers) durchdringt. In dieser Position ist der Illuminator fixiert. Wenn gleichzeitig der Lichtstreifen undeutlich und nicht scharf ist, dann drehen, senken oder heben Sie nach dem Lösen der Schraube, mit der die elektrische Patrone im Illuminator befestigt ist, die elektrische Patrone, bis ein klarer Lichtstreifen auf dem Bildschirm erscheint. Wenn die seitlichen Lichtstreifen nicht bis zum Rand des Bildschirms reichen, sollte die Neigung des Illuminators geändert werden. Nach der Justierung sind alle Schrauben fest angezogen.

Die Installation wird gemäß Abbildung 278 zusammengebaut. Mit einer Klemme wird aus einem Satz optischer Teile ein flacher Spiegel so montiert, dass seine reflektierende Oberfläche mit der horizontalen Achse übereinstimmt. Lassen Sie nur einen Mittelbalken übrig. Ändern Sie den Einfallswinkel von 0 auf 90 °, notieren Sie den Reflexionswinkel, vergleichen Sie diese Winkel und ziehen Sie eine Schlussfolgerung.

Das Experiment wird wiederholt und demonstriert die Eigenschaften der Reversibilität von Lichtstrahlen, für die der Illuminator von einem Teil der Scheibe auf einen anderen übertragen wird. (Bei der Vorführung von Experimenten zur geometrischen Optik sollte der Raum abgedunkelt werden.)

Reis. 278 Abb. 280

Erleben Sie 2. Lichtbrechung

Variante 1. Ausrüstung:

Auf dem Bildschirm wird ein transparenter Halbzylinder mit der matten Seite zum Bildschirm und einem flachen Schnitt nach oben montiert, sodass er mit der horizontalen Achse übereinstimmt. Mit Hilfe eines Risikos auf der matten Oberfläche des Halbzylinders wird die Mitte des Halbzylinders mit der Mitte des Bildschirms ausgerichtet (Abb. 280).

Beim Nachweis von Erfahrung wird der Mittelstrahl verwendet. Ein Strahl wird senkrecht zur Ebene auf die Mitte des Halbzylinders gerichtet (der Strahl verläuft ohne Richtungsänderung). Der einfallende Strahl wird von der Senkrechten abgelenkt und der gebrochene Strahl tritt in einem anderen Winkel aus dem Halbzylinder aus. Vergleichen Sie die Einfalls- und Brechungswinkel und ziehen Sie eine Schlussfolgerung.

Das Experiment wird unter einem anderen Einfallswinkel wiederholt. (Während des Experiments sollte auf die Aufteilung des Lichtstrahls an der Grenzfläche zwischen zwei Medien geachtet werden.)

Erleben Sie 3. Das Phänomen der Totalreflexion von Licht

Variante 1. Ausrüstung: ein Gerät zum Studium der Gesetze der geometrischen Optik, ein Gleichrichter VS-24 oder VS 4-12, ein Halbzylinder aus einem Satz optischer Teile.

Unter Berücksichtigung des Verhältnisses der Einfalls- und Brechungswinkel im vorherigen Experiment (Abb. 280) wird die Position des Halbzylinders verändert. Seine konvexe Seite ist dem Illuminator zugewandt (der flache Schnitt fällt mit der horizontalen Achse zusammen). Ändern Sie die Einfallswinkel, vergleichen Sie sie mit den Brechungswinkeln und ziehen Sie eine Schlussfolgerung.

Das Verhältnis der Einfalls- und Brechungswinkel wird in Abhängigkeit vom Verhältnis der optischen Dichte der Medien verglichen (die Ergebnisse dieses und früherer Experimente). Sie ziehen eine Schlussfolgerung.

Es wird nachgewiesen, dass mit zunehmendem Einfallswinkel die Helligkeit des reflektierten Strahls zunimmt, während die des gebrochenen Strahls abnimmt. Erhöhen Sie den Einfallswinkel, bis der gebrochene Strahl verschwindet. Bei einer weiteren Vergrößerung des Einfallswinkels wird nur noch der reflektierte Strahl beobachtet. Beobachten Sie das Phänomen der Totalreflexion von Licht.

Frage. Was ist der Grenzwinkel der Totalreflexion? (Geben Sie Ihre Antwort mit einer signifikanten Zahl an.)

Option 2. Ausrüstung: Projektor, Aquarium.

Der Aufbau der Anlage erfolgt gemäß Abbildung 281. Eine 7-8 cm dicke Wasserschicht wird in ein Glasbad (Aquarium) gegossen und mit Nadelholzkonzentrat eingefärbt. Vor dem Kondensor des Projektionsgeräts wird ein horizontaler Schlitz installiert und auf dem Linsenrahmen ein flacher Spiegel angebracht. Ein Lichtstrahl wird auf die Seitenwand der Glasbadewanne gerichtet. Beobachtet werden die Brechung eines Lichtstrahls in Wasser, die Totalreflexion an der Wasseroberfläche und die Brechung, wenn der Strahl das Bad verlässt. Durch Veränderung des Einfallswinkels kann man eine mehrfache Totalreflexion des Lichtstrahls an der Wasseroberfläche und dem Wannenboden beobachten.