Ptolemaeus' experimenten met de breking van licht. Eenvoudige experimenten met het modelleren van de breking van licht in de atmosfeer. Experimenten in de natuurkundige breking van licht

De Griekse astronoom Claudius Ptolemaeus (ca. 130 n.Chr.) is de auteur van een opmerkelijk boek dat bijna vijftien eeuwen lang als het belangrijkste leerboek over astronomie heeft gediend. Naast het astronomische leerboek schreef Ptolemaeus echter ook het boek 'Optica', waarin hij de theorie van het gezichtsvermogen, de theorie van platte en bolvormige spiegels en de studie van het fenomeen lichtbreking schetste. Ptolemaeus kwam het fenomeen van lichtbreking tegen tijdens het observeren van de sterren. Hij merkte op dat een lichtstraal, die van het ene medium naar het andere beweegt, ‘breekt’. Daarom komt er een sterrenstraal doorheen de atmosfeer van de aarde, bereikt het aardoppervlak niet in een rechte lijn, maar langs een gebogen lijn, dat wil zeggen dat er breking optreedt. De kromming van de straal treedt op vanwege het feit dat de luchtdichtheid verandert met de hoogte.

Om de wet van breking te bestuderen, voerde Ptolemaeus het volgende experiment uit. Hij nam een ​​cirkel en bevestigde de linialen l1 en l2 op de as, zodat ze er vrij omheen konden draaien (zie figuur). Ptolemaeus dompelde deze cirkel onder in water tot diameter AB en zorgde er, door de onderste liniaal te draaien, voor dat de linialen voor het oog op dezelfde rechte lijn lagen (als je langs de bovenste liniaal kijkt). Daarna haalde hij de cirkel uit het water en vergeleek de invalshoeken α en breking β. Het meet hoeken met een nauwkeurigheid van 0,5°. De door Ptolemaeus verkregen cijfers worden in de tabel weergegeven.

Ptolemaeus vond geen ‘formule’ voor de relatie tussen deze twee reeksen getallen. Als we echter de sinussen van deze hoeken bepalen, blijkt dat de verhouding van de sinussen wordt uitgedrukt in vrijwel hetzelfde getal, zelfs met zo'n ruwe meting van de hoeken, waartoe Ptolemaeus zijn toevlucht nam.

Door de breking van licht in een rustige atmosfeer wordt de schijnbare positie van sterren aan de hemel ten opzichte van de horizon bepaald

1) hoger dan de werkelijke positie

2) onder de werkelijke positie

3) verticaal naar de ene of de andere kant verschoven ten opzichte van de werkelijke positie

4) overeenkomt met de werkelijke positie

Einde formulier

Begin van het formulier

In een rustige atmosfeer wordt de positie waargenomen van sterren die niet loodrecht op het aardoppervlak staan ​​op het punt waar de waarnemer zich bevindt. Wat is de schijnbare positie van de sterren - boven of onder hun werkelijke positie ten opzichte van de horizon? Leg je antwoord uit.

Einde formulier

Begin van het formulier

In de tekst verwijst breking naar het fenomeen

1) veranderingen in de voortplantingsrichting van een lichtbundel als gevolg van reflectie aan de grens van de atmosfeer

2) veranderingen in de voortplantingsrichting van een lichtbundel als gevolg van breking in de atmosfeer van de aarde

3) absorptie van licht terwijl het zich door de atmosfeer van de aarde voortplant

4) het buigen van de lichtbundel rond obstakels en daardoor afwijken van de rechtlijnige voortplanting

Einde formulier

Begin van het formulier

Welke van de volgende conclusies tegenspreekt De experimenten van Ptolemaeus?

1) de brekingshoek is kleiner dan de invalshoek wanneer de straal van lucht naar water gaat

2) Naarmate de invalshoek groter wordt, neemt de brekingshoek lineair toe

3) de verhouding van de sinus van de invalshoek tot de sinus van de brekingshoek verandert niet

4) de sinus van de brekingshoek hangt lineair af van de sinus van de invalshoek

Einde formulier

Einde formulier

Einde formulier

Fotoluminescentie

Sommige stoffen bij verlichting elektromagnetische straling zelf beginnen te gloeien. Deze gloed, of luminescentie, is anders belangrijk kenmerk: Luminescentielicht heeft een andere spectrale samenstelling dan het licht dat de gloed veroorzaakte. Uit waarnemingen blijkt dat luminescerend licht wordt gekenmerkt door langer golven dan opwindend licht. Als bijvoorbeeld een straal violet licht op een kegel wordt gericht die een fluoresceïne-oplossing bevat, begint de verlichte vloeistof helder te luminesceren met groengeel licht.

Sommige lichamen behouden het vermogen om nog enige tijd te gloeien nadat hun verlichting is opgehouden. Dit nagloeien kan verschillende duur hebben: van een fractie van een seconde tot vele uren. Het is gebruikelijk om een ​​gloed die stopt met verlichting fluorescentie te noemen, en een gloed die een merkbare duur heeft is fosforescentie.

Fosforescerende kristallijne poeders worden gebruikt om speciale schermen te coaten die na verlichting twee tot drie minuten hun glans behouden. Dergelijke schermen gloeien ook bij blootstelling aan röntgenstraling.

Fosforescerende poeders hebben een zeer belangrijke toepassing gevonden bij de vervaardiging van lampen daglicht. In gasontladingslampen gevuld met kwikdamp, tijdens het passeren elektrische stroom ontstaat ultraviolette straling. Sovjet-natuurkundige S.I. Vavilov stelde voor om te bedekken binnenoppervlak Dergelijke lampen hebben een speciaal vervaardigde fosforescerende samenstelling, die zichtbaar licht produceert bij bestraling met ultraviolet licht. Door de samenstelling van de fosforescerende stof te selecteren, is het mogelijk om de spectrale samenstelling van het uitgezonden licht zo dicht mogelijk bij de spectrale samenstelling van daglicht te verkrijgen.

Het fenomeen luminescentie wordt gekenmerkt door een extreem hoge gevoeligheid: soms is 10 – 10 g van een lichtgevende substantie, bijvoorbeeld in een oplossing, voldoende om deze stof te detecteren aan de hand van zijn karakteristieke gloed. Deze eigenschap vormt de basis van luminescerende analyse, die het mogelijk maakt om verwaarloosbare onzuiverheden te detecteren en te oordelen over verontreinigingen of processen die leiden tot veranderingen in de oorspronkelijke stof.

Menselijke weefsels bevatten een groot aantal verschillende natuurlijke fluoroforen, die verschillende spectrale fluorescentiegebieden hebben. De figuur toont de emissiespectra van de belangrijkste fluoroforen van biologische weefsels en de schaal van elektromagnetische golven.

Volgens de gepresenteerde gegevens gloeit pyroxidine

1) rood licht

2) geel licht

3) groen licht

4) paars licht

Einde formulier

Begin van het formulier

Twee identieke kristallen, die de eigenschap hebben fosforescerend te zijn in het gele deel van het spectrum, werden voorlopig verlicht: de eerste met rode stralen, de tweede met blauwe stralen. Voor welke van de kristallen kan de nagloei worden waargenomen? Leg je antwoord uit.

Einde formulier

Begin van het formulier

Bij onderzoek voedingsproducten De luminescerende methode kan worden gebruikt om bederf en vervalsing van producten op te sporen.
De tabel toont de luminescentie-indicatoren van vetten.

De luminescentiekleur van de boter veranderde van geelgroen naar blauw. Dit betekent dat binnen boter had kunnen toevoegen

1) alleen romige margarine

2) alleen “Extra” margarine

3) alleen groentereuzel

4) een van de volgende vetten

Einde formulier

Albedo van de aarde

De temperatuur aan het aardoppervlak hangt af van de reflectiviteit van de planeet: albedo. Oppervlaktealbedo is de verhouding van de gereflecteerde energieflux zonnestralen op de energiestroom van zonnestralen die op het oppervlak vallen, uitgedrukt als een percentage of fractie van een eenheid. Het albedo van de aarde in het zichtbare deel van het spectrum bedraagt ​​ongeveer 40%. Bij afwezigheid van bewolking zou dit ongeveer 15% zijn.

Albedo hangt van veel factoren af: de aanwezigheid en toestand van bewolking, veranderingen in gletsjers, de tijd van het jaar en dienovereenkomstig neerslag.

In de jaren negentig van de twintigste eeuw werd de belangrijke rol van aerosolen – ‘wolken’ van kleine vaste en vloeibare deeltjes in de atmosfeer – duidelijk. Wanneer brandstof wordt verbrand, komen gasvormige zwavel- en stikstofoxiden vrij in de lucht; Samen met waterdruppeltjes in de atmosfeer vormen ze zwavelzuur, salpeterzuren en ammoniak, die vervolgens veranderen in sulfaat- en nitraataërosolen. Aerosolen reflecteren niet alleen zonlicht, waardoor het het aardoppervlak niet kan bereiken. Aërosoldeeltjes dienen als condensatiekernen voor atmosferisch vocht tijdens wolkenvorming en dragen daardoor bij aan een toename van de vertroebeling. En dit vermindert op zijn beurt de stroom zonnewarmte aardoppervlak.

De transparantie van zonlicht in de lagere lagen van de atmosfeer van de aarde is ook afhankelijk van branden. Door branden stijgen stof en roet in de atmosfeer, waardoor de aarde met een dicht scherm wordt bedekt en het albedo van het oppervlak toeneemt.

Welke uitspraken zijn waar?

A. Aërosolen reflecteren zonlicht en helpen daardoor het albedo van de aarde te verminderen.

B. Vulkaanuitbarstingen verhogen het albedo van de aarde.

1) alleen A

2) alleen B

3) zowel A als B

4) noch A noch B

Einde formulier

Begin van het formulier

De tabel toont enkele kenmerken van de planeten zonnestelsel-Venus en Mars. Het is bekend dat het albedo van Venus Een 1= 0,76, en het albedo van Mars Een 2= 0,15. Welke van de kenmerken heeft vooral het verschil in het albedo van de planeten beïnvloed?

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

Einde formulier

Begin van het formulier

Neemt het albedo van de aarde toe of af tijdens vulkaanuitbarstingen? Leg je antwoord uit.

Einde formulier

Begin van het formulier

Oppervlakte-albedo verwijst naar

1) totale stroom van zonnestralen die op het aardoppervlak invallen

2) verhouding van de gereflecteerde stralingsenergieflux tot de geabsorbeerde stralingsflux

3) verhouding van de gereflecteerde stralingsenergieflux tot de invallende stralingsflux

4) verschil tussen invallende en gereflecteerde stralingsenergie

Einde formulier

Studie van spectra

Alle verwarmde lichamen stralen uit elektromagnetische golven. Om experimenteel de afhankelijkheid van de stralingsintensiteit van de golflengte te bestuderen, is het noodzakelijk:

1) de straling ontleden in een spectrum;

2) meet de energieverdeling in het spectrum.

Spectrale apparaten – spectrografen – worden gebruikt om spectra te verkrijgen en te bestuderen. Het diagram van de prismaspectrograaf wordt getoond in de figuur. De onderzochte straling komt eerst een buis binnen, aan het ene uiteinde bevindt zich een scherm met een smalle spleet en aan het andere uiteinde een verzamellens L 1. De spleet bevindt zich in het brandpunt van de lens. Daarom komt een divergerende lichtstraal die vanuit de spleet op de lens invalt eruit als een evenwijdige straal en valt op het prisma R.

Omdat verschillende frequenties overeenkomen met verschillende brekingsindices, komen er parallelle bundels van verschillende kleuren uit het prisma, maar vallen ze niet in dezelfde richting samen. Ze vallen op de lens L 2. Op de brandpuntsafstand van deze lens bevindt zich een scherm, matglas of fotografische plaat. Lens L 2 focust parallelle stralenbundels op het scherm, en in plaats van een enkel beeld van de spleet is het resultaat een hele serie afbeeldingen. Elke frequentie (meer precies, een smal spectraal interval) heeft zijn eigen afbeelding in de vorm van een gekleurde streep. Al deze beelden bij elkaar
en vormen een spectrum.

Stralingsenergie zorgt ervoor dat het lichaam opwarmt, dus het volstaat om de lichaamstemperatuur te meten en deze te gebruiken om de hoeveelheid energie te beoordelen die per tijdseenheid wordt geabsorbeerd. Als gevoelig element kun je een dunne nemen metalen plaat, bedekt met een dun laagje roet, en door de plaat te verwarmen, beoordeel je de stralingsenergie in dit deel van het spectrum.

De ontleding van licht in een spectrum in het in de figuur getoonde apparaat is gebaseerd op

1) fenomeen van lichtverspreiding

2) fenomeen van lichtreflectie

3) fenomeen van lichtabsorptie

4) eigenschappen van een dunne lens

Einde formulier

Begin van het formulier

In een prismaspectrograafapparaat is dit de lens L 2 (zie afbeelding) wordt gebruikt

1) ontleding van licht in spectrum

2) het focusseren van stralen met een bepaalde frequentie in een smalle strook op het scherm

3) bepaling van de stralingsintensiteit in verschillende delen van het spectrum

4) het omzetten van een divergerende lichtbundel in parallelle stralen

Einde formulier

Begin van het formulier

Is het nodig om de metalen plaat van een thermometer die in een spectrograaf wordt gebruikt, te bedekken met een laagje roet? Leg je antwoord uit.

Einde formulier

Begin van het formulier

Mikhalchuk Artyom Aleksandrovich, Abramova Valeria Valerievna, leerlingen van klas 10 “B” van de gemeentelijke onderwijsinstelling “Secondary School No. 8”, Saratov

Een beschrijving van mijn eigen waarnemingen van enkele verbazingwekkende lichtverschijnselen, een poging om ze uit te leggen, te modelleren en experimenteel te bestuderen in een natuurkundeklas op school.

Downloaden:

Voorbeeld:

Gemeentelijke onderwijsinstelling

"Middelbare school nr. 8 van het Volzhsky-district

stad Saratov"

Breking van licht in de atmosfeer van de aarde en optische illusies

Onderwijs- en onderzoekswerk in de natuurkunde

Alexandrovitsj

Student 10 "B"-klasse

Gemeentelijke onderwijsinstelling "Middelbare school nr. 8" Saratov

Hoofd: natuurkundeleraar

Ivanova Tatjana Petrovna

Saratov 2008

1. Inleiding.................................................................................................................3
2. Compleet interne reflectie licht…………...…………………... 4
3. “Zwarte Spiegel”…………………………………………………….. 5
4. Reflectie door verwarmd water................................................................................. 6
5. Voortplanting van licht in een gelaagd, inhomogeen medium……………... 7
6. Astronomische refractie............................................................................................. 8
7. De eigenaardigheid van zonsondergangen............................................................................. 9
8. Terrestrische refractie............................................................................. 11
9. Simulatie van een dubbele luchtspiegeling……………………………………………………13
10. Conclusie……................................................................................................................ 14
11. Referentielijst.......................................................................................... 15

Invoering

Om veel optische verschijnselen waar te nemen, is het niet nodig om in een fysiek laboratorium te zijn dat is uitgerust met dure instrumenten. Het leven op aarde is onmogelijk zonder de warme en heldere aanraking van zonnestralen. Je hoeft alleen maar goed te kijken en er zullen bij ons in de buurt veel verbazingwekkende verschijnselen met betrekking tot licht worden ontdekt.

Als je in een gewone spiegel kijkt, kun je de wetten van reflectie begrijpen. Terwijl je de zonsondergang bewondert, denk dan aan de breking van het licht. Regenbogen doen denken aan verspreiding, en de gekleurde vleugels van libellen doen denken aan interferentie.

In sommige gevallen is de aard van licht niet belangrijk om optische verschijnselen te verklaren; het is voldoende om de basiseigenschappen ervan te kennen: rechtheid van voortplanting in een homogeen medium, de wetten van reflectie en breking, d.w.z. meester geometrische optica.

Het doel van dit werk is om onze eigen waarnemingen van enkele verbazingwekkende lichtfenomenen te beschrijven, ze proberen uit te leggen, ze te modelleren en experimenteel te bestuderen in een natuurkundeklas op school. De volgende demonstraties van de experimenten beschreven door V.V. Mayer in trainingshandleidingen: totale reflectie van licht, reflectie van verwarmd water, verbuiging van een lichtstraal door een optisch inhomogene vloeistof en ongelijkmatig verwarmd plexiglas. De uitgevoerde onderzoeken hebben geholpen bij het verklaren van de prachtige optische verschijnselen die optreden met licht op het grensvlak tussen optisch homogene media en in een gelaagd inhomogeen medium, namelijk de atmosfeer van de aarde.

Totale interne reflectie van licht

De eerste kennismaking met de totale reflectie van licht op school vindt in de regel plaats met een bekende demonstratie van het pad van de straal door een halve cilinder van plexiglas. Breking van licht vindt plaats op het grensvlak tussen glas en lucht (n 1 > n2).

Volgens de brekingswet is de verhouding tussen de sinus van de invalshoek en de sinus van de brekingshoek een constante waarde gelijk aan relatieve indicator breking van het tweede medium ten opzichte van het eerste of verhouding absolute indicatoren breking van de tweede en eerste omgeving.

Omdat n 1 > n 2, dan zonde β > zonde α en dus β> α . Naarmate de invalshoek groter wordt, nemen de reflectie- en brekingshoeken toe, en neemt de intensiteit van het gereflecteerde licht toe en die van het gebroken licht af.α 0 , waarbij β=π/2 de grenshoek van de totale reflectie van licht wordt genoemd. Bij elke invalshoek die de limiet overschrijdt, wordt de invallende straal volledig gereflecteerd.

"Zwarte spiegel"

Er zijn een aantal leuke en educatieve experimenten die verkennen

fenomeen van totale reflectie van licht.

Hier is er een van. De metalen plaat raakt bedekt met een roetlaag. Zo'n oppervlak kan licht beter reflecteren dan welke spiegel dan ook als het in een vat met water wordt neergelaten. Bij een bepaalde hoek tussen het oppervlak van de plaat en de waarnemingsrichting schijnt het zwarte oppervlak als een spiegel! Je kunt van elk object een afbeelding krijgen in deze "zwarte spiegel". Op de grens van welke media vindt totale reflectie van licht plaats? Het roet is niet transparant, wat betekent dat het niet betrokken is bij de “terugkeer” van de straal terug in het water. Er vormt zich namelijk een dunne luchtfilm tussen het water en de roetlaag. Water maakt het roet niet nat. Totale reflectie van licht vindt plaats op het grensvlak tussen water en lucht. Als we van bovenaf door het wateroppervlak naar de plaat kijken, zien we hem glanzend.

Rijst. 1

Het Black Mirror-effect

Maar op geen enkele positie van de plaat ten opzichte van de zijwand van het vat, dit kun je zien als je niet van bovenaf kijkt, maar door zijwand. De verwachte totale reflectie kan niet worden waargenomen als de plaat evenwijdig is aan de wand van het vat, d.w.z. wanneer de waterlaag die ons scheidt van de luchtspleet vlak parallel is.

Door de plaat rond een verticale as te draaien, kunt u het uiterlijk van een “zwarte spiegel” bereiken. Verklaring van het fenomeen door het pad van stralen door een vlak-parallelle waterlaag en door een waterlaag in de vorm van een wig te vergelijken (Fig. 1 en 2).

Totale reflectie vindt plaats wanneer de grens tussen water en luchtspleet Door het water van de zwarte plaat te scheiden, valt het licht onder hoeken die de limiet overschrijden. Maar in het eerste geval zijn dergelijke stralen eenvoudigweg niet aanwezig, en in het tweede geval kan, als gevolg van de uitzetting van de waterlaag, volledige reflectie van licht worden bereikt, zelfs bij απ/2.

Rijst. 2 Er is geen Black Mirror-effect

Ervaring nr. 1

"Zwarte spiegel"

Doel. Observatie van totale reflectie van licht.

Apparaten en materialen:glazen vat, aluminiumplaat, kaars, water.

Voortgang van het experiment. 1. Rook een aluminium plaat boven een kaarsvlam.

2. Laat de plaat in een vat met water zakken.

3. Observeer het uiterlijk van de “Zwarte Spiegel” door de plaat rond een verticale as te draaien.

Reflectie van verwarmd water

Om het volgende experiment uit te voeren heb je een groot vat nodig koud water, koffieblikje, kokend water. Het oppervlak van de pot moet donker zijn. Als je snel kokend water in deze pot giet, verticaal bevestigd in een groot vat, kun je zien hoe het oppervlak glanst! Het zal niet mogelijk zijn om het uiterlijk van de “spiegel” in dit experiment te verklaren door de volledige reflectie van licht, omdat tin is goed bevochtigd met water, in tegenstelling tot roet. Bovendien kan de ‘zwarte spiegel’ die in een eerdere ervaring verschijnt voor onbepaalde tijd blijven bestaan, terwijl deze in een nieuwe situatie na enige tijd zal verdwijnen. Het meten van de watertemperatuur in radiale richting naar het midden van een groot vat laat zien dat het verdwijnen van de glans optreedt wanneer de gehele waterdikte in het buitenste vat opwarmt tot ongeveer dezelfde temperatuur. Volledige reflectie wordt alleen waargenomen onder de voorwaarde dat het water in het buitenste vat ongelijkmatig wordt verwarmd. In de buurt van banken met warm water de temperatuur is het hoogst en de dichtheid is het laagst. Bijgevolg is de optische dichtheid ook minimaal. De brekingsindex van deze waterlaag is kleiner dan die van koud water.

Er is geen scherpe grens tussen media met verschillende optische dichtheden, waardoor er geen sprake is van reflectie in de gebruikelijke zin van het woord.

Het water rond de hete pot is optisch inhomogeen met een vloeiende verandering in optische dichtheid. In een dergelijk medium plant een lichtstraal zich kromlijnig voort, waarbij hij wegbuigt van lagere waarden van de brekingsindex naar hogere waarden (Fig. 3).

Rijst. 3 Reflectie door verwarmd water

Ervaring nr. 2

Reflectie van verwarmd water

Doel. Waarneming van de kromming van een lichtbundel in een optisch inhomogeen medium.

Apparaten en materialen:glazen kan, koffieblik, mat geschilderd zwarte verf, afmeting: D ~ 6 cm, H ~ 12 cm, koud water, warm water(t° ~ 100°С).

Voortgang van het experiment. 1. Zet een leeg bakje met koud water vast blikje.

2. Giet kokend water in een blikje.

3. Observeer een korte verschijning van bovenaf spiegel oppervlak banken.

Verspreiding van licht

in een gelaagd, inhomogeen medium

Gelaagde inhomogene media zijn die optisch inhomogene media waarin gelijke waarden van de brekingsindex lagen vormen. Laten we het eenvoudigste geval bekijken, waarbij de brekingsindex van het medium slechts in één richting verandert.

Een b

Rijst. 4

Laat de brekingsindex van onder naar boven veranderen. Laten we de omgeving mentaal in dunne horizontale lagen verdelen. De lichtbundel verandert van laag tot laag van richting.

Naast de methode voor het verkrijgen van een gelaagd inhomogeen medium zoals beschreven in het laatste experiment, kun je een methode gebruiken die is gebaseerd op het fenomeen diffusie. Bereid een verzadigde zoutoplossing (350 g zout per 1 liter water) in het ene vat en schoon, bezonken water in een ander vat. Beide vloeistoffen zijn getint met dennenconcentraat en gefilterd.

De zoutoplossing wordt voorzichtig via een trechter en slang in het water gegoten. De scheidslijn tussen hen is in eerste instantie behoorlijk scherp. Dit blijkt uit de volledige reflectie van een lichtstraal ervan. Na enige tijd “vloeit” de grens uit en plant de lichtstraal zich kromlijnig voort.

Op de bodem van het aquarium zit een oplossing keukenzout, met een grotere optische dichtheid dan het water erboven. De brekingsindex neemt continu af langs de y-as. Omdat n=c/ v , is de voortplantingssnelheid van het licht in de bovenste vloeistoflagen groter dan in de onderste. Het vlakke golfoppervlak in de vloeistof zal zijn
Rijst. 5 beurten, met opeenvolgende posities 1, 2, 3, 4, 5, enz. Licht zal bovenaan sneller reizen dan onderaan.
Een overtuigender manier om de kromming van een straal in een optisch inhomogeen medium waar te nemen is een experiment met verwarmd plexiglas. Op een elektrisch fornuis wordt een halfcilindrische plaat van plexiglas geplaatst, die tot ongeveer 100°C wordt verwarmd. Geleidelijk verandert het effect van totale reflectie van de straal op de glas-luchtgrens in een vloeiende kromming. De reden is een verandering in de optische dichtheid van plexiglas als gevolg van een verandering in de temperatuur.

Balkkromming in plexiglas.

Ervaring nr. 3

Lichtvoortplanting in ongelijkmatig verwarmd plexiglas

Doel. Waarneming van de buiging van een lichtbundel in plexiglas bij verhitting.

Apparaten en materialen:halfcilindrische plaat gemaakt van plexiglas, elektrisch fornuis, een lichtbron met een 12 V-lamp, voorzien van een scherm met een 2 mm brede gleuf (uit de Hartl-ringset).

Voortgang van het experiment. 1. Plaats de plexiglasplaat op een koud elektrisch fornuis.

2. Verbind de tegel met het netwerk.

4. Observeer de vervanging van de totale reflectie van de straal in zijn buiging.

Astronomische refractie.

Het buigen van lichtstralen terwijl licht door de atmosfeer gaat, wordt breking van licht in de atmosfeer genoemd. Stralen die vanaf de zon, de maan of de sterren naar een aardse waarnemer komen, zijn onderhevig aan astronomische breking. Bij het verklaren van deze verschijnselen moet er rekening mee worden gehouden dat de brekingsindex van de atmosfeer iets groter is dan één en dat deze van punt tot punt varieert afhankelijk van veranderingen in de luchtdichtheid.

Een b

Rijst. 6

Als we ons de atmosfeer voorstellen als een reeks optisch homogene horizontale lagen van dezelfde dikte, waarin de brekingsindex abrupt van de ene laag naar de andere verandert en geleidelijk toeneemt in de richting van de bovenste lagen naar de lagere, dan is het traject van de atmosfeer straal vandaan hemels object richting de waarnemer zal een onderbroken lijn zijn (Fig. 3, a). In feite verandert de dichtheid van de atmosfeer, en dus de brekingsindex, niet met sprongen, maar continu met de hoogte. Daarom is het traject van de lichtbundel een gebogen lijn (Fig. 6, b). Door de kromming van de stralen kan de waarnemer het object zien in een richting die niet overeenkomt met de werkelijkheid. Bij afwezigheid van breking zou het object gezien worden onder een hoek α (de werkelijke zenitafstand van het object). Breking resulteert erin dat het object onder een hoek γ wordt gezien. γ

Het unieke van zonsondergangen

Terwijl we de zonsondergang bewonderen, zien we hoe de onderkant van de wereld de horizonlijn heeft geraakt, maar dat realiseren we ons in werkelijkheid meestal niet op dit moment deze rand van de wereld bevindt zich al 35 voet onder de horizon. De bovenrand van de zonneschijf wordt door een zwakkere breking verhoogd - slechts 29′. Daarom lijkt de ondergaande Zon verticaal enigszins afgeplat.

Rijst. 7

De brekingsindex van lucht wordt, naast de wiskundige verandering in de luchtdichtheid met de hoogte, ook beïnvloed door convectiestromen, wind, vochtigheidsgraad en temperatuur.

De eigenaardigheden van de verwarming van de atmosfeer in de lagere lagen boven verschillende delen van het aardoppervlak leiden ertoe dat het ons soms lijkt dat de zon niet achter de horizon ondergaat, maar achter een onzichtbare lijn boven de horizon. Er is geen bewolking.

Rijst. 8

Als je op dat moment naar de top van een heuvel of de bovenste verdieping van een huis klimt, kun je een nog vreemder beeld waarnemen: de zon gaat onder de horizon onder, maar tegelijkertijd lijkt de schijf te zijn afgesneden door een horizontale lijn. “blinde streep”.

Deze foto wordt waargenomen als de lucht nabij de aarde zelf koud blijkt te zijn en erboven een laag is warme lucht. De overgang van de onderste koude laag naar de bovenste warme laag kan leiden tot een scherpe daling van de brekingsindex. Als we aannemen dat de achteruitgang abrupt plaatsvindt, kan het pad van de stralen bij het overschrijden van de grens tussen warme en koude lucht worden geïllustreerd in figuur 9.

Rijst. 9

De waarnemer bevindt zich op punt O. H 1 – hoogte van de koude luchtlaag.

Beschouw Δ O 1 Besturingssysteem. Volgens de stelling van sinussen: ;

Laten we er rekening mee houden dat O 1 O=R, O 1 C=R+h 1. Dan => zonde α 2 = zonde of. Hieruit volgt dat naarmate γ toeneemt van 0° naar 90°, de hoek α2 toeneemt en zijn maximale waarde bereikt bij γ = 90° (sin 90° = 1).

Wanneer α 2 = α 0 (limiethoek) de straal die uit de warme luchtlaag komt, zal samenvallen met de raaklijn aan de grens met de koude laag. De waarnemer zal geen stralen ontvangen die de koude laag binnendringen op punten onder punt B. Dit verklaart het fenomeen weergegeven in Figuur 8. De breedte van de “blinde strook” wordt bepaald door de hoek β. Als een persoon een heuvel beklimt (punt O en de horizonlijn zijn verhoogd), dan kan hij een deel van de schijf onder de “blinde strook” zien, die nu wordt bepaald door de hoek 2β.

Rijst. 10

De opkomst van een “blinde streak”

Blind streeppatroon

Aardse refractie

Niet minder interessant is de aardse breking van licht, wanneer de stralen die naar de waarnemer komen vanaf objecten op aarde worden gebogen. In dit geval doet zich een indrukwekkend fenomeen voor, een luchtspiegeling genaamd. Meest eenvoudige vorm De luchtspiegeling kan in de zomer vaak worden waargenomen door automobilisten die op een warme dag over een lange en vlakke snelweg rijden.

Omdat de weg is erg heet, de aangrenzende lucht warmt ook op en de dichtheid neemt af. De brekingsindex van lucht aan de onderkant is kleiner dan aan de bovenkant.

Rijst. 11

Het oog van de waarnemer ziet licht uit de lucht komen vanuit punt A, maar hij heeft de indruk dat het licht uit punt B komt (Fig. 11).

Rijst. 12

Voor het verschijnen van een bovenste luchtspiegeling (luchtspiegeling op afstand) is het noodzakelijk dat de brekingsindex van de oppervlaktelaag van de lucht vrij snel afneemt met de hoogte, wat bijvoorbeeld mogelijk is wanneer er zich beneden een laag koude lucht bevindt en een luchtspiegeling laag warmere lucht erboven.

Rijst. 13

Het oog van de waarnemer projecteert de stralen in de richting waarin ze binnenkomen. Grote hoeveelheid Aan de Middellandse Zeekust worden luchtspiegelingen van veraf waargenomen. Blijkbaar is de Sahara-woestijn hiervan de schuldige. Hete luchtmassa's stijgen erbovenop, worden vervolgens naar het noorden gedragen en ontstaan gunstige omstandigheden voor het optreden van luchtspiegelingen. Superieure luchtspiegelingen komen ook voor in noordelijke landen wanneer warme zuidenwinden waaien. De bovenste lagen van de atmosfeer worden verwarmd en de onderste lagen worden gekoeld door de aanwezigheid van grote hoeveelheden ijs en sneeuw.

Soms worden voorwaartse en achterwaartse beelden van objecten gelijktijdig waargenomen.

Rijst. 14

Simulatie van een dubbele luchtspiegeling

Als een lange witte breinaald of een strook wit papier schuin achter een cuvet wordt geplaatst waarin een zoutoplossing en water worden gegoten, op een afstand van 20-30 cm ervan, dan kun je bij het observeren door de cuvet een karakteristiek zien buig in het beeld van de breinaald. Dichtbij het grensvlak tussen de vloeistoffen worden twee afbeeldingen van het uiteinde van de spaak waargenomen: de onderste is omgekeerd, de bovenste is recht.

Rijst. 15

Het segment SM komt overeen met een omgekeerd beeld S'M', gevormd door stralen die zich voortplanten onder het grensvlak tussen vloeistoffen, en een recht beeld S'M'', gevormd door stralen die zich voortplanten boven het grensvlak.

Het gelijktijdig verschijnen van rechtopstaande en omgekeerde beelden van een rechte spaak kan dienen als een simulatie van een dubbele luchtspiegeling.

Dit is hoe een rechte strook papier buigt wanneer deze door een optisch inhomogeen medium wordt waargenomen.

Conclusie

De breking van licht omvat een zeer breed scala aan natuurlijke verschijnselen, waaronder we de fenomenen hebben geïdentificeerd die we zelf konden waarnemen. Mirages nemen onder hen een speciale plaats in. Ze worden beschreven in wetenschappelijke en kunst boeken. Sommigen van hen hebben namen en er zijn legendes over geschreven. Veel luchtspiegelingen, vooral ultralange, wanneer het beeld duizenden kilometers wordt overgedragen, zijn zeer complexe optische verschijnselen. Om het voorkomen van de ‘Vliegende Hollander’, ‘Fata Morgana’ en chronomirages te verklaren, is het niet voldoende om alleen naar de breking van het licht in de atmosfeer te kijken. Het fysieke mechanisme van dergelijke verschijnselen is veel complexer. Voor sommige daarvan bestaat nog steeds geen verklaring. Het is mogelijk dat onder bepaalde omstandigheden gigantische luchtlenzen, unieke lichtgeleiders en secundaire luchtspiegelingen in de atmosfeer worden gevormd. luchtspiegelingen van luchtspiegelingen. Het is ook mogelijk dat de ionosfeer, die lichtgolven kan reflecteren, een bepaalde rol speelt bij het optreden van luchtspiegelingen.

Foto's van luchtspiegelingen

Lijst met gebruikte literatuur

1. S. Tolansky. Verbazingwekkende eigenschappen van licht. Moskou: Mir Publishing House, 1969.
2. V.V. Mayer. Eenvoudige experimenten met de kromlijnige voortplanting van licht. Moskou: Nauka Publishing House, 1984.
3. V.V. Mayer. Totale reflectie van licht in eenvoudige experimenten. Moskou: Nauka Publishing House, 1986.
4. LV Tarasov, A.N. Tarasova. Gesprekken over de breking van licht. Moskou: Nauka Publishing House, 1982.
5. V.L. Bulaat. Optische verschijnselen in de natuur. Moskou: Uitgeverij "Prosveshchenie", 1974.
6. F. Hout. Kunstmatige luchtspiegelingen // Tijdschrift “Kvant”. 1971. Nr. 10. https://accounts.google.com

In een natuurkundevideoles van de Academie onderhoudende wetenschappen Professor Daniil Edisonovich vervolgt het gesprek over licht dat in de vorige aflevering van het programma is begonnen. TV-kijkers weten al wat reflectie van licht is, maar wat is breking van licht? Het is de breking van licht die enkele van de vreemde optische verschijnselen verklaart die we in ons dagelijks leven kunnen waarnemen.

Het fenomeen van lichtbreking

Waarom lijken de benen van mensen die in het water staan ​​korter dan ze in werkelijkheid zijn, en als je naar de bodem van de rivier kijkt, lijkt het dichterbij? Het draait allemaal om het fenomeen lichtbreking. Licht probeert altijd in een rechte lijn te bewegen, het kortste pad. Maar als je van de ene fysieke omgeving naar een ander deel van de zonnestralen gaat, verandert de richting. In dit geval hebben we te maken met het fenomeen lichtbreking. Dit is de reden waarom een ​​lepel in een glas thee gebroken lijkt: het licht van het deel van de lepel dat in de thee zit bereikt onze ogen vanuit een andere hoek dan het licht van het deel van de lepel dat zich boven het vloeistofoppervlak bevindt . In dit geval vindt de breking van licht plaats op de grens van lucht en water. Wanneer een lichtstraal wordt gereflecteerd, legt hij de kortste weg af, en wanneer hij wordt gebroken, beweegt hij het snelst. Door gebruik te maken van de wetten van reflectie en breking van licht hebben mensen veel dingen gecreëerd zonder welke ons leven vandaag de dag ondenkbaar is. Telescopen, periscopen, microscopen, vergrootglazen, dit alles zou onmogelijk te creëren zijn zonder kennis van de wetten van breking en reflectie van licht. Een vergrootglas vergroot omdat lichtstralen, nadat ze er doorheen zijn gegaan, het oog binnenkomen onder een hoek die groter is dan de stralen die door het object zelf worden gereflecteerd. Om dit te doen, moet het object tussen het vergrootglas en de optische focus worden geplaatst. Optische focus; dit is het punt waarop aanvankelijk evenwijdige stralen elkaar kruisen (focus) nadat ze door een verzamelsysteem zijn gegaan (of waar hun uitbreidingen elkaar kruisen als het systeem verstrooit). Een lens (zoals een brillenglas) heeft twee zijden, dus een lichtstraal wordt twee keer gebroken: wanneer deze de lens binnenkomt en verlaat. Het oppervlak van de lens kan gebogen, hol of vlak zijn, wat precies bepaalt hoe het fenomeen van lichtbreking daarin zal optreden. Als beide zijden van een lens convex zijn, is er sprake van een convergerende lens. Bij een dergelijke lens worden de lichtstralen op één punt geconcentreerd. Dit wordt de hoofdfocus van de lens genoemd. Een lens met holle zijden wordt een divergerende lens genoemd. Op het eerste gezicht mist het focus, omdat de stralen die er doorheen gaan verspreid zijn en naar de zijkanten divergeren. Maar als we deze stralen terugsturen, zullen ze, opnieuw door de lens gaan, zich verzamelen op een punt dat het brandpunt van deze lens zal zijn. Er zit een lens in het menselijk oog, deze wordt de lens genoemd. Het kan worden vergeleken met een filmprojector, die een beeld projecteert op een scherm: de achterwand van het oog (netvlies). Het blijkt dus dat het meer een gigantische lens is die het fenomeen van lichtbreking veroorzaakt. Daarom lijken de benen van de vissers die erin staan ​​kort. Dankzij lenzen verschijnen er ook regenbogen aan de hemel. Hun rol wordt gespeeld door kleine druppeltjes water of sneeuwdeeltjes. Regenbogen ontstaan ​​wanneer zonlicht wordt gebroken en gereflecteerd door waterdruppels (regen of mist) die in de atmosfeer zweven. Deze druppels buigen het licht op een andere manier verschillende kleuren. Als gevolg hiervan wordt wit licht ontleed in een spectrum (er treedt lichtverspreiding op). Een waarnemer die met zijn rug naar de lichtbron staat, ziet een veelkleurige gloed die in cirkels (bogen) uit de ruimte komt.

Optie 1. Apparatuur: een apparaat voor het bestuderen van de wetten van de geometrische optica, een gelijkrichter VS-24 of VS 4-12, een platte spiegel gemaakt van delen van het apparaat.

Pas de schermverlichting aan wanneer u een geometrisch optisch apparaat gereedmaakt voor gebruik. Om dit te doen, draait u het kogelgewricht los en draait of verplaatst u de verlichting totdat de middelste lichtstrook door het hele scherm gaat (langs de diameter). De verlichting is in deze positie vastgezet. Als de lichtstrook tegelijkertijd wazig en niet scherp is, kunt u door de schroef los te draaien waarmee de elektrische patroon in de verlichting is bevestigd, de elektrische patroon draaien, verlagen of omhoog brengen totdat een heldere lichtstrook op het scherm wordt verkregen. Als de lichtstrips aan de zijkant de rand van het scherm niet bereiken, moet de kanteling van de verlichting worden gewijzigd.

Na het afstellen zitten alle schroeven stevig vast.

De installatie is samengesteld volgens figuur 278. Met behulp van een klem wordt een platte spiegel geïnstalleerd uit een reeks optische onderdelen, zodat het reflecterende oppervlak ervan samenvalt met de horizontale as. Er is nog maar één middelste straal over. Ze veranderen de invalshoek van 0 naar 90°, noteren de reflectiehoek, vergelijken deze hoeken en trekken een conclusie.

Het experiment wordt herhaald, waarbij de omkeerbaarheidseigenschappen van lichtstralen worden gedemonstreerd, waarbij de illuminator van het ene deel van de schijf naar het andere wordt overgebracht. (Bij het demonstreren van experimenten met geometrische optica moet de kamer verduisterd worden.)

Rijst. 278 afb. 280

Optie 1. Apparatuur:

Experiment 2. Brekingen van licht

Op het scherm wordt een transparante halve cilinder geplaatst met de matte kant naar het scherm gericht en de platte kant zo uitgesneden dat deze samenvalt met de horizontale as. Het midden van de halve cilinder is uitgelijnd met het midden van het scherm met behulp van markeringen op het matte oppervlak van de halve cilinder (Fig. 280).

Herhaal het experiment onder een andere invalshoek. (Tijdens het experiment moet je letten op de vertakking van de lichtbundel op het grensvlak tussen de twee media.)

Experiment 3. Het fenomeen van totale reflectie van licht

Optie 1. Apparatuur: een apparaat voor het bestuderen van de wetten van geometrische optica, gelijkrichter VS-24 of VS 4-12, halve cilinder uit een reeks optische onderdelen.

Nadat we in het vorige experiment (Fig. 280) aandacht hebben besteed aan de verhouding tussen de invalshoeken en de breking, wordt de positie van de halve cilinder gewijzigd. De bolle zijde is in de richting van het belichtingstoestel geïnstalleerd (de platte snede valt samen met de horizontale as). De invalshoeken worden veranderd, vergeleken met de brekingshoeken, en er wordt een conclusie getrokken.

De verhouding van de invalshoeken en brekingshoeken wordt vergeleken afhankelijk van de verhouding van de optische dichtheid van de media (de resultaten van deze en eerdere experimenten). Ze trekken een conclusie.

Zorg ervoor dat naarmate de invalshoek groter wordt, de helderheid van de gereflecteerde straal toeneemt en die van de gebroken straal afneemt. Vergroot de invalshoek totdat de gebroken straal verdwijnt. Bij een verdere vergroting van de invalshoek wordt alleen de gereflecteerde bundel waargenomen. Het fenomeen van totale reflectie van licht wordt waargenomen.

Vraag. Wat is de grenshoek van totale reflectie? (Geef uw antwoord op één significant cijfer.)

Optie 2. Apparatuur: projectieapparaat, aquarium.

De installatie is gemonteerd volgens figuur 281. Een laag water van 7-8 cm dik wordt in een glazen bad (aquarium) gegoten en gekleurd met dennenconcentraat. Voor de condensor van het projectieapparaat wordt een horizontale spleet geïnstalleerd en op het lensframe wordt een vlakke spiegel geplaatst. Richt een lichtstraal op de zijmuur glazen bad. Er wordt gekeken naar de breking van een lichtstraal in water, de totale reflectie vanaf het wateroppervlak en de breking wanneer de straal het bad verlaat. Door de invalshoek te veranderen, kan men meerdere totale reflecties van de lichtbundel vanaf het wateroppervlak en de bodem van het bad waarnemen.